25/09/04Raqamli tasvirlashda yuqori piksellar sonini avtomatik ravishda yaxshiroq tasvirlar degani deb taxmin qilish oson. Kamera ishlab chiqaruvchilari ko'pincha megapiksellar soniga asoslangan tizimlarni sotadilar, linzalar ishlab chiqaruvchilari esa piksellar sonini oshirish kuchi va aniqligini ta'kidlaydilar. Shunga qaramay, amalda tasvir sifati nafaqat linzalarning yoki sensorning individual xususiyatlariga, balki ularning qanchalik mos kelishiga ham bog'liq.
Bu erda Nyquist namunalari o'ynaydi. Dastlab signalni qayta ishlash printsipi bo'lgan Nyquist mezoni tafsilotlarni aniq suratga olish uchun nazariy asosni belgilaydi. Tasvirlashda u ob'ektiv tomonidan taqdim etilgan optik piksellar sonini va kamera sensorining raqamli o'lchamlari uyg'un ishlashini ta'minlaydi.
Ushbu maqola Nyquist namunalarini tasvirlash kontekstida ochadi, optik va kamera ruxsati o'rtasidagi muvozanatni tushuntiradi va fotografiyadan ilmiy tasvirga qadar ilovalar uchun amaliy ko'rsatmalar beradi.
Nyquist Sampling nima?
1-rasm: Nyquist tanlama teoremasi
Yuqori:Sinusoidal signal (ko'k) bir nechta nuqtalarda o'lchanadi yoki namuna olinadi. Kulrang uzun chiziqli chiziq sinusoidal signalning har bir tsikliga 1 o'lchovni bildiradi, faqat signal cho'qqilarini ushlaydi, signalning haqiqiy tabiatini butunlay yashiradi. Qizil chiziqli chiziq har bir namuna uchun 1,1 o'lchovni ushlaydi, sinusoidni ko'rsatadi, lekin uning chastotasini noto'g'ri ko'rsatadi. Bu Moire naqshiga o'xshaydi.
Pastki:Har bir tsiklda 2 ta namuna olingandagina (binafsha nuqta chiziq) signalning haqiqiy tabiati ushlana boshlaydi.
Nyquist namuna olish teoremasi elektronika, audio ishlov berish, tasvirlash va boshqa sohalarda signallarni qayta ishlashda keng tarqalgan printsipdir. Teorema shuni ko'rsatadiki, signaldagi ma'lum chastotani qayta tiklash uchun o'lchovlar 1-rasmda ko'rsatilgan chastotadan kamida ikki baravar amalga oshirilishi kerak. Bizning optik o'lchamlarimiz holatida, bu bizning ob'ekt bo'shlig'ining piksel o'lchami biz qo'lga kiritmoqchi bo'lgan eng kichik detalning ko'pi bilan yarmi yoki mikroskopda mikroskopning o'lchamlari yarmi bo'lishi kerakligini anglatadi.
2-rasm: Kvadrat piksellar bilan Nyquist namunasi: orientatsiya muhim ahamiyatga ega
Kvadrat piksellar panjarasi bo'lgan kameradan foydalangan holda, Nyquist teoremasining 2x namuna olish faktori faqat piksellar tarmog'iga mukammal moslashtirilgan tafsilotlarni aniq suratga oladi. Agar tuzilmalarni piksellar tarmog'iga burchak ostida echishga harakat qilinsa, samarali piksel o'lchami diagonalda √2 baravar kattaroq bo'ladi. Shunday qilib, piksellar tarmog'iga 45o da tafsilotlarni olish uchun namuna olish tezligi kerakli fazoviy chastotadan 2√2 marta bo'lishi kerak.
Buning sababi 2-rasmni (yuqori yarmi) ko'rib chiqish orqali aniq bo'ladi. Tasavvur qiling-a, piksel o'lchami ikkita qo'shni nuqta manbalarining cho'qqilarini yoki biz hal qilmoqchi bo'lgan har qanday tafsilotni, har birining o'z pikselini beradigan optik piksellar soniga o'rnatilgan. Garchi ular alohida-alohida aniqlangan bo'lsa-da, natijada olingan o'lchovlarda ularning ikkita alohida cho'qqi ekanligi haqida hech qanday ma'lumot yo'q - va yana bir bor bizning "hal qilish" ta'rifiga mos kelmadi. Signalning bir qismini ushlash uchun ular orasidagi piksel kerak. Bunga fazoviy namuna olish tezligini kamida ikki baravar oshirish, ya'ni ob'ekt maydoni piksel o'lchamini ikki baravar kamaytirish orqali erishiladi.
Optik ruxsat va kamera ruxsati
Nyquist namunalari tasvirlashda qanday ishlashini tushunish uchun biz ikki turdagi rezolyutsiyani farqlashimiz kerak:
● Optik ruxsat: Ob'ektiv tomonidan aniqlangan optik o'lchamlari uning nozik tafsilotlarni qayta ishlab chiqarish qobiliyatini anglatadi. Ob'ektiv sifati, diafragma va diffraktsiya kabi omillar bu chegarani belgilaydi. Modulyatsiya uzatish funktsiyasi (MTF) ko'pincha linzalarning turli fazoviy chastotalarda kontrastni qanchalik yaxshi o'tkazishini o'lchash uchun ishlatiladi.
● Kamera o‘lchamlari: Sensor tomonidan aniqlanadi, kamera o‘lchamlari piksel o‘lchamiga, piksel oralig‘iga va sensorning umumiy o‘lchamlariga bog‘liq. a ning piksel balandligiCMOS kamerato'g'ridan-to'g'ri Nyquist chastotasini aniqlaydi, bu sensorning maksimal tafsilotlarini aniqlaydi.
Bu ikkalasi mos kelmasa, muammolar paydo bo'ladi. Sensorning ajralish kuchidan yuqori bo'lgan linzalar samarali ravishda "bo'shab ketadi", chunki sensor barcha tafsilotlarni ushlay olmaydi. Aksincha, past sifatli linzalar bilan birlashtirilgan yuqori aniqlikdagi sensor ko'proq megapikselli bo'lsa-da yaxshilanmaydigan tasvirlarga olib keladi.
Optik va kamera ruxsatini qanday muvozanatlash mumkin
Optika va sensorlarni muvozanatlash sensorning Nyquist chastotasini linzalarning optik kesish chastotasi bilan moslashtirishni anglatadi.
● Kamera sensorining Nyquist chastotasi 1 / (2 × piksel balandligi) sifatida hisoblanadi. Bu sensorning boshqa nomlashsiz namuna olishi mumkin bo'lgan eng yuqori fazoviy chastotani belgilaydi.
● Optik kesish chastotasi linzalarning xususiyatlariga va diffraktsiyaga bog'liq.
Eng yaxshi natijalarga erishish uchun sensorning Nyquist chastotasi linzalarning echish qobiliyatiga mos kelishi yoki biroz oshib ketishi kerak. Amalda, yaxshi qoida piksellar oralig'i linzalarning eng kichik hal qilinadigan funksiya o'lchamining yarmiga teng bo'lishini ta'minlashdir.
Misol uchun, agar ob'ektiv 4 mikrometrgacha bo'lgan tafsilotlarni hal qila olsa, piksel o'lchamlari ~ 2 mikrometrga teng bo'lgan sensor tizimni yaxshi muvozanatlaydi.
Nyquistni kamera o'lchamlari va kvadrat piksellar muammosi bilan moslashtirish
Ob'ekt bo'shlig'ining piksel o'lchamini kamaytirish bilan o'zaro kelishuv yorug'lik yig'ish qobiliyatining pasayishi hisoblanadi. Shuning uchun rezolyutsiya va yorug'lik yig'ish uchun ehtiyojni muvozanatlash muhimdir. Bundan tashqari, ob'ekt bo'shlig'ining kattaroq piksel o'lchamlari tasvirlash mavzusining kengroq ko'rish maydonini etkazishga moyildir. Nozik ruxsatga muhtoj bo'lgan ilovalar uchun optimal muvozanat quyidagicha ta'minlanadi: Nyquistni hisobga olish uchun ob'ekt bo'shlig'ining piksel o'lchami qandaydir faktorga ko'paytirilganda, optik ruxsatga teng bo'lishi kerak. Bu miqdor kamera o'lchamlari deb ataladi.
Optika va sensorlarni muvozanatlash ko'pincha kameraning samarali namuna olish o'lchamlari linzalarning optik o'lchamlari chegarasiga mos kelishini ta'minlashga to'g'ri keladi. Quyidagi hollarda tizim "Nyquist"ga mos keladi:
Kamera o'lchamlari = Optik ruxsat
Kamera ravshanligi bu erda berilgan:
Ko'pincha tavsiya etilgan Nyquistni hisobga olish uchun omil 2 emas, balki 2.3. Buning sababi quyidagicha.
Kamera piksellari (odatda) kvadrat bo'lib, 2 o'lchovli to'rga joylashtirilgan. Qarama-qarshi tenglamada foydalanish uchun belgilangan piksel o'lchami ushbu panjara o'qlari bo'ylab piksellar kengligini ifodalaydi. Agar biz hal qilmoqchi boʻlgan xususiyatlar ushbu toʻrga nisbatan 90° ning mukammal koʻpaytmasidan tashqari istalgan burchakda joylashgan boʻlsa, samarali piksel oʻlchami 45°dagi piksel oʻlchamidan √2 ≈ 1,41 martagacha kattaroq boʻladi. Bu 2-rasmda ko'rsatilgan (pastki yarmi).
Shuning uchun barcha yo'nalishlarda Nyquist mezoniga ko'ra tavsiya etilgan omil 2√2 ≈ 2,82 bo'ladi. Biroq, ruxsat va yorug'lik yig'ish o'rtasida yuqorida aytib o'tilgan o'zaro kelishuv tufayli, 2,3 ga teng bo'lgan murosa qiymati umumiy qoida sifatida tavsiya etiladi.
Tasvirlashda Nyquist namuna olishning roli
Nyquist sampling tasvirning ishonchliligi darvozaboni hisoblanadi. Namuna olish tezligi Nyquist chegarasidan pastga tushganda:
● Kam namuna olish → taxallusga sabab bo‘ladi: noto‘g‘ri tafsilotlar, qirrali qirralar yoki muar naqshlari.
● Haddan tashqari namuna olish → optika yetkazib berishi mumkin bo'lganidan ko'ra ko'proq ma'lumotlarni ushlaydi, bu esa daromadning pasayishiga olib keladi: ko'rinadigan yaxshilanishlarsiz kattaroq fayllar va yuqori qayta ishlash talablari.
To'g'ri tanlab olish tasvirlarning aniq va haqiqatga to'g'ri kelishini ta'minlaydi. Bu optik kiritish va raqamli suratga olish o'rtasidagi muvozanatni ta'minlaydi, bir tomondan behuda piksellar sonini yoki boshqa tomondan chalg'ituvchi artefaktlarni oldini oladi.
Amaliy ilovalar
Nyquist namunalari shunchaki nazariya emas - u tasvirlash fanlari bo'ylab muhim ilovalarga ega:
● Mikroskop:Tadqiqotchilar ob'ektiv linzalari tomonidan echilishi mumkin bo'lgan kamida ikki baravar kichik detallarni namuna oladigan sensorlarni tanlashlari kerak. To'g'ri tanlashmikroskop kamerasiBu juda muhim, chunki piksel o'lchami mikroskop ob'ektivining diffraktsiya bilan cheklangan ruxsatiga mos kelishi kerak. Zamonaviy laboratoriyalar ko'pincha afzal ko'radisCMOS kameralar, bu yuqori samarali biologik tasvirlash uchun sezgirlik, dinamik diapazon va nozik pikselli tuzilmalar muvozanatini ta'minlaydi.
● Suratga olish:Yuqori megapikselli sensorlarni bir xil darajada nozik tafsilotlarni hal qila olmaydigan linzalar bilan birlashtirish ko'pincha aniqlikning ahamiyatsiz yaxshilanishiga olib keladi. Professional fotograflar linzalar va kameralarni muvozanatlashtirib, ruxsatni behuda sarflamasliklari mumkin.
● Suratga olish:Yuqori megapikselli sensorlarni bir xil darajada nozik tafsilotlarni hal qila olmaydigan linzalar bilan birlashtirish ko'pincha aniqlikning ahamiyatsiz yaxshilanishiga olib keladi. Professional fotograflar linzalar va kameralarni muvozanatlashtirib, ruxsatni behuda sarflamasliklari mumkin.
● Machine Vision &Ilmiy kameralarSifatni nazorat qilish va sanoat tekshiruvida namuna olishning kamligi sababli kichik xususiyatlarning etishmasligi nuqsonli qismlarning aniqlanmasligini anglatishi mumkin. Haddan tashqari namuna olish raqamli masshtablash yoki yaxshilangan ishlov berish uchun ataylab ishlatilishi mumkin.
Nyquistni qachon moslashtirish kerak: haddan tashqari va kam namuna olish
Nyquist namunasi ideal muvozanatni ifodalaydi, ammo amalda tasvirlash tizimlari qo'llanilishiga qarab qasddan ortiqcha namuna olishi yoki kam namuna olishi mumkin.
Past namuna olish nima
Eng mayda detallarni hal qilishdan ko'ra sezgirlik muhimroq bo'lgan ilovalarda, Nyquist talablaridan kattaroq bo'lgan ob'ekt maydoni piksel o'lchamidan foydalanish yorug'likni yig'ishning sezilarli afzalliklariga olib kelishi mumkin. Bunga past namuna olish deyiladi.
Bu nozik tafsilotlarni qurbon qiladi, lekin quyidagi hollarda foydali bo'lishi mumkin:
● Sezuvchanlik muhim: kattaroq piksellar ko‘proq yorug‘lik to‘playdi, bu esa kam yorug‘likda tasvirlashda signal-shovqin nisbatini yaxshilaydi.
● Tezlik muhim: kamroq piksellar o‘qish vaqtini qisqartiradi va tezroq olish imkonini beradi.
● Ma'lumotlar samaradorligi talab qilinadi: tarmoqli kengligi cheklangan tizimlarda kichikroq fayl o'lchamlari afzalroqdir.
Misol: Kaltsiy yoki kuchlanishni tasvirlashda signallar ko'pincha qiziqish hududlari bo'yicha o'rtacha hisoblanadi, shuning uchun kam namuna olish ilmiy natijalarni buzmasdan yorug'lik to'plamini yaxshilaydi.
Oversampling nima
Aksincha, nozik tafsilotlarni hal qilish muhim bo'lgan ko'plab ilovalar yoki diffraktsiya chegarasidan tashqarida qo'shimcha ma'lumotlarni qayta tiklash uchun so'zlashdan keyingi tahlil usullaridan foydalanadigan ilovalar Nyquist talablaridan ko'ra kichikroq tasvir piksellarini talab qiladi, bu ortiqcha namunalar deb ataladi.
Bu haqiqiy optik piksellar sonini oshirmasa ham, u afzalliklarni berishi mumkin:
● Kamroq sifatni yo‘qotgan holda raqamli kattalashtirishni yoqadi.
● Keyingi ishlov berishni yaxshilaydi (masalan, dekonvolyutsiya, denoising, super-rezolyutsiya).
● Tasvirlar keyinroq tushirilganda ko‘rinadigan taxallusni pasaytiradi.
Misol: Mikroskopda yuqori aniqlikdagi sCMOS kamerasi uyali tuzilmalarni ko'paytirishi mumkin, shunda hisoblash algoritmlari diffraktsiya chegarasidan tashqarida nozik tafsilotlarni olishi mumkin.
Umumiy noto'g'ri tushunchalar
1、Ko'proq megapiksel har doim aniqroq tasvirni anglatadi.
To'g'ri emas. Aniqlik linzalarning o'lchash kuchiga va sensorning to'g'ri namuna olishiga bog'liq.
2、Har qanday yaxshi linza har qanday yuqori aniqlikdagi sensor bilan yaxshi ishlaydi.
Ob'ektiv o'lchamlari va piksel balandligi o'rtasidagi yomon moslik ishlashni cheklaydi.
3、Nyquist namuna olish tasvirga emas, balki faqat signalni qayta ishlashga tegishli.
Aksincha, raqamli tasvirlash asosan namuna olish jarayonidir va Nyquist audio yoki aloqada bo'lgani kabi bu erda ham dolzarbdir.
Xulosa
Nyquist namuna olish matematik abstraktsiyadan ko'proq narsadir - bu optik va raqamli ruxsatning birgalikda ishlashini ta'minlaydigan printsipdir. Ob'ektivlarning ajralish kuchini sensorlarning namuna olish imkoniyatlariga moslash orqali tasvirlash tizimlari artefaktlarsiz yoki sarflangan imkoniyatlarsiz maksimal ravshanlikka erishadi.
Mikroskopiya, astronomiya, fotografiya va mashinani ko'rish kabi turli sohalardagi mutaxassislar uchun Nyquist namunalarini tushunish ishonchli natijalar beradigan tasvirlash tizimlarini loyihalash yoki tanlashda kalit hisoblanadi. Oxir oqibat, tasvir sifati bitta spetsifikatsiyani haddan tashqari ko'tarishdan emas, balki muvozanatga erishishdan kelib chiqadi.
Tez-tez so'raladigan savollar
Agar Nyquist namunasi kamerada qoniqmasa nima bo'ladi?
Namuna olish tezligi Nyquist chegarasidan pastga tushganda, sensor nozik tafsilotlarni to'g'ri ko'rsata olmaydi. Bu haqiqiy sahnada mavjud bo'lmagan qirrali qirralar, muare naqshlari yoki noto'g'ri teksturalar sifatida ko'rinadigan boshqa nomga olib keladi.
Piksel o'lchami Nyquist namunasiga qanday ta'sir qiladi?
Kichikroq piksellar Nyquist chastotasini oshiradi, ya'ni sensor nazariy jihatdan nozik tafsilotlarni hal qila oladi. Biroq, agar linzalar bu darajadagi piksellar sonini ta'minlay olmasa, qo'shimcha piksellar kam qiymat qo'shadi va shovqinni oshirishi mumkin.
Monoxrom va rangli sensorlar uchun Nyquist namunasi farq qiladimi?
Ha. Monoxrom sensorda har bir piksel to'g'ridan-to'g'ri yorqinlikni tanlaydi, shuning uchun samarali Nyquist chastotasi piksel balandligiga mos keladi. Bayer filtrli rang sensorida har bir rang kanali kam namunaga ega, shuning uchun demozaikadan keyin samarali piksellar soni biroz pastroq bo'ladi.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Barcha huquqlar himoyalangan. Iqtibos keltirayotganda manbani ko'rsating:www.tucsen.com
