25/08/19Khi nói đến việc chụp ảnh chính xác và đáng tin cậy trong nghiên cứu khoa học, chất lượng dữ liệu của bạn không chỉ phụ thuộc vào độ phân giải hay kích thước cảm biến. Một trong những chỉ số quan trọng nhất—nhưng đôi khi bị bỏ qua—là Tỷ số Tín hiệu trên Nhiễu (SNR). Trong các hệ thống hình ảnh, SNR xác định mức độ rõ ràng bạn có thể phân biệt tín hiệu thực tế (thông tin hữu ích) với nhiễu không mong muốn.
Trong các ứng dụng hình ảnh khoa học như kính hiển vi, thiên văn học và quang phổ học, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) kém có thể dẫn đến sự khác biệt giữa việc phát hiện một mục tiêu mờ nhạt và bỏ lỡ hoàn toàn mục tiêu đó. Bài viết này sẽ tìm hiểu cách định nghĩa SNR, tầm quan trọng của nó, ảnh hưởng của nó đến độ tương phản và cách lựa chọn cũng như tối ưu hóa máy ảnh khoa học dựa trên chỉ số quan trọng này.
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu là gì và được định nghĩa như thế nào?
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) là thước đo quan trọng nhất về chất lượng hình ảnh, là yếu tố cơ bản trong độ tương phản hình ảnh và thường là yếu tố hữu ích nhất để xác định xem camera có đủ nhạy cho ứng dụng của bạn hay không.
Những nỗ lực nhằm cải thiện độ nhạy của camera xoay quanh việc cải thiện tín hiệu thu được:
● Thông qua việc cải thiện hiệu suất lượng tử hoặc tăng kích thước điểm ảnh
● Giảm các nguồn nhiễu phụ thuộc vào máy ảnh
Các nguồn nhiễu tích tụ lại với nhau, nhưng tùy thuộc vào hoàn cảnh, một nguồn có thể chiếm ưu thế và nên tập trung vào khi cố gắng cải thiện SNR – thông qua việc tối ưu hóa cài đặt hoặc thiết lập, hoặc nâng cấp lên nguồn sáng, quang học và máy ảnh tốt hơn.
Cách viết tắt phổ biến là mô tả hình ảnh theo một tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu duy nhất, ví dụ như tuyên bố một hình ảnh có SNR là '15'. Tuy nhiên, như tên gọi đã thấy, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu phụ thuộc vào tín hiệu, và tất nhiên sẽ khác nhau đối với mỗi điểm ảnh. Đây chính là yếu tố tạo nên hình ảnh.
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của một hình ảnh thường đề cập đến tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của tín hiệu đỉnh cần quan tâm trong hình ảnh đó. Ví dụ, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) từ hình ảnh các tế bào huỳnh quang trên nền tối sẽ sử dụng cường độ tín hiệu đỉnh từ các điểm ảnh của cấu trúc cần quan tâm trong tế bào.
Ví dụ, việc lấy giá trị trung bình cho SNR của toàn bộ ảnh không mang tính đại diện. Trong các kỹ thuật như kính hiển vi huỳnh quang, nơi nền tối với số photon phát hiện được bằng không có thể phổ biến, các điểm ảnh tín hiệu bằng không này có SNR bằng không. Do đó, bất kỳ giá trị trung bình nào trên toàn bộ ảnh sẽ phụ thuộc vào số lượng điểm ảnh nền được quan sát.
Tại sao SNR lại quan trọng đối với máy ảnh khoa học
Trong hình ảnh khoa học, SNR ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng xác định các chi tiết mờ, đo lường dữ liệu định lượng và tái tạo kết quả.
●Độ rõ nét của hình ảnh– SNR cao hơn làm giảm độ nhiễu và làm cho các cấu trúc tinh tế có thể nhìn thấy được.
●Độ chính xác của dữ liệu– Giảm lỗi đo lường trong các thí nghiệm dựa trên cường độ.
●Hiệu suất ánh sáng yếu– Cần thiết cho kính hiển vi huỳnh quang, chụp ảnh thiên văn bầu trời sâu và quang phổ, trong đó số lượng photon tự nhiên thấp.
Cho dù bạn đang sử dụng mộtmáy ảnh sCMOSđối với hình ảnh tốc độ cao hoặc CCD làm mát cho các ứng dụng phơi sáng lâu, việc hiểu về SNR sẽ giúp bạn cân bằng các đánh đổi về hiệu suất.
SNR ảnh hưởng đến độ tương phản hình ảnh như thế nào
Độ tương phản là sự khác biệt tương đối về cường độ giữa các vùng sáng và vùng tối của hình ảnh. Đối với nhiều ứng dụng, độ tương phản hình ảnh tốt trong các vùng quan tâm là mục tiêu cuối cùng.
Có nhiều yếu tố trong chủ thể chụp ảnh, hệ thống quang học và điều kiện chụp ảnh là những yếu tố chính quyết định độ tương phản của hình ảnh, chẳng hạn như chất lượng ống kính và lượng ánh sáng nền.
●SNR cao→ Phân tách rõ ràng giữa vùng sáng và vùng tối; các cạnh trông sắc nét; các chi tiết tinh tế vẫn hiển thị rõ ràng.
●SNR thấp→ Các vùng tối trở nên sáng hơn do nhiễu, các vùng sáng trở nên mờ hơn và độ tương phản tổng thể của hình ảnh trở nên phẳng hơn.
Ví dụ, trong kính hiển vi huỳnh quang, SNR thấp có thể khiến mẫu huỳnh quang yếu hòa lẫn vào nền, khiến việc phân tích định lượng trở nên không đáng tin cậy. Trong thiên văn học, các ngôi sao hoặc thiên hà mờ nhạt có thể biến mất hoàn toàn trong dữ liệu nhiễu.
Tuy nhiên, cũng có những yếu tố bên trong máy ảnh – yếu tố chính là Tỷ lệ Tín hiệu trên Nhiễu. Hơn nữa, đặc biệt là trong điều kiện ánh sáng yếu, việc điều chỉnh cường độ hình ảnh, tức cách hình ảnh được hiển thị trên màn hình, đóng một vai trò quan trọng trong độ tương phản cảm nhận được. Với nhiễu cao ở các vùng tối của ảnh, các thuật toán điều chỉnh hình ảnh tự động có thể đặt giới hạn dưới quá thấp do các điểm ảnh nhiễu giá trị thấp, trong khi giới hạn trên lại tăng do nhiễu ở các điểm ảnh tín hiệu cao. Đây là nguyên nhân gây ra hiện tượng xám "bị rửa trôi" đặc trưng của ảnh có SNR thấp. Độ tương phản có thể được cải thiện bằng cách đặt giới hạn dưới theo độ lệch của máy ảnh.
Các yếu tố ảnh hưởng đến SNR trong máy ảnh khoa học
Một số thông số thiết kế và vận hành ảnh hưởng đến SNR của hệ thống camera:
Công nghệ cảm biến
● sCMOS – Kết hợp độ nhiễu đọc thấp và tốc độ khung hình cao, lý tưởng cho hình ảnh động.
● CCD – Trước đây có độ nhiễu thấp khi phơi sáng lâu, nhưng chậm hơn so với thiết kế CMOS hiện đại.
● EMCCD – Sử dụng bộ khuếch đại trên chip để tăng cường tín hiệu yếu nhưng có thể gây ra tiếng ồn nhân lên.
Kích thước điểm ảnh và hệ số lấp đầy
Các điểm ảnh lớn hơn thu thập được nhiều photon hơn, làm tăng tín hiệu và do đó tăng SNR.
Hiệu suất lượng tử (QE)
QE cao hơn có nghĩa là nhiều photon tới được chuyển đổi thành electron hơn, cải thiện SNR.
Thời gian phơi nhiễm
Thời gian phơi sáng dài hơn sẽ thu thập được nhiều photon hơn, làm tăng tín hiệu nhưng cũng có thể làm tăng nhiễu dòng tối.
Hệ thống làm mát
Làm mát làm giảm dòng tối, cải thiện đáng kể SNR khi phơi sáng lâu.
Quang học và Chiếu sáng
Ống kính chất lượng cao và khả năng chiếu sáng ổn định giúp tối đa hóa khả năng thu tín hiệu và giảm thiểu sự thay đổi.
Ví dụ về các giá trị SNR đỉnh khác nhau
Trong hình ảnh, PSNR thường đề cập đến giá trị tối đa lý thuyết so với độ bão hòa điểm ảnh. Bất chấp sự khác biệt về chủ thể chụp, điều kiện chụp và công nghệ máy ảnh, đối với máy ảnh khoa học thông thường, hình ảnh có cùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu vẫn có thể có những điểm tương đồng. Mức độ "hạt", sự thay đổi giữa các khung hình, và ở một mức độ nào đó là độ tương phản, đều có thể tương tự nhau trong các điều kiện khác nhau này. Do đó, có thể hiểu được giá trị SNR và các điều kiện cũng như thách thức khác nhau mà chúng hàm ý từ các hình ảnh đại diện, chẳng hạn như những hình ảnh được hiển thị trong bảng.
GHI CHÚ: Giá trị tín hiệu đỉnh của các electron quang điện cho mỗi hàng được hiển thị màu xanh lam. Tất cả hình ảnh được hiển thị với tỷ lệ biểu đồ tự động, bỏ qua (bão hòa) 0,35% các điểm ảnh sáng nhất và tối nhất. Hai cột ảnh bên trái: Hình ảnh chụp bằng ống kính của một mục tiêu thử nghiệm hình ảnh. Bốn cột bên phải: Giun đũa được chụp bằng huỳnh quang với vật kính hiển vi 10x. Để minh họa sự thay đổi giá trị điểm ảnh theo từng khung hình ở SNR thấp hơn, ba khung hình liên tiếp được cung cấp.
Hình ảnh chụp bằng thấu kính của mục tiêu thử nghiệm, cùng với hình ảnh kính hiển vi huỳnh quang, đều được hiển thị, cùng với chế độ xem phóng to của hình ảnh huỳnh quang cho thấy sự thay đổi trong 3 khung hình liên tiếp. Số lượng electron quang điện cực đại ở mỗi mức tín hiệu cũng được cung cấp.
Hình ảnh sau đây hiển thị phiên bản đầy đủ của những hình ảnh ví dụ này để tham khảo.
Hình ảnh kích thước đầy đủ được sử dụng cho bảng ví dụ về tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
Bên trái: Mục tiêu thử nghiệm hình ảnh được chụp bằng ống kính.
Phải: Một mẫu giun tròn Ascaris được quan sát bằng kính hiển vi huỳnh quang ở độ phóng đại 10 lần.
SNR trong các ứng dụng
SNR có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực:
● Kính hiển vi – Phát hiện huỳnh quang yếu trong các mẫu sinh học cần có SNR cao để tránh kết quả âm tính giả.
● Thiên văn học – Việc xác định các thiên hà xa xôi hoặc các ngoại hành tinh đòi hỏi phải phơi sáng lâu với độ nhiễu tối thiểu.
● Quang phổ – Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao đảm bảo phép đo cường độ đỉnh chính xác trong phân tích hóa học.
● Kiểm tra công nghiệp – Trong các dây chuyền lắp ráp thiếu sáng, SNR cao giúp phát hiện lỗi một cách đáng tin cậy.
Chọn máy ảnh khoa học có SNR phù hợp
Khi đánh giá một máy ảnh khoa học mới:
●Kiểm tra thông số SNR– So sánh các giá trị dB trong các điều kiện tương tự như ứng dụng của bạn.
●Cân bằng các số liệu khác– Xem xét hiệu suất lượng tử, dải động và tốc độ khung hình.
●Kết hợp công nghệ với trường hợp sử dụng– Đối với các cảnh động tốc độ cao, máy ảnh sCMOS có thể là lý tưởng; đối với các đối tượng tĩnh trong điều kiện ánh sáng cực yếu, CCD hoặc EMCCD được làm mát có thể hoạt động tốt hơn.
●Kết nối cho hiệu quả quy trình làm việc– Mặc dù không ảnh hưởng trực tiếp đến SNR, các tính năng như đầu ra HDMI có thể cho phép xem lại hình ảnh theo thời gian thực, giúp bạn nhanh chóng xác minh rằng cài đặt thu hình của bạn đạt được SNR mong muốn.
Phần kết luận
Tỷ số Tín hiệu trên Nhiễu (SNR) là một chỉ số hiệu suất quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến độ rõ nét và độ tin cậy của hình ảnh khoa học. Việc hiểu cách định nghĩa SNR, các yếu tố ảnh hưởng đến nó và ý nghĩa của các giá trị SNR khác nhau cho phép các nhà nghiên cứu và người dùng kỹ thuật đánh giá hệ thống hình ảnh hiệu quả hơn. Bằng cách áp dụng kiến thức này—cho dù là trong việc lựa chọn một hệ thống mới—máy ảnh khoa họchoặc tối ưu hóa thiết lập hiện có—bạn có thể đảm bảo rằng quy trình chụp ảnh của bạn thu thập dữ liệu với mức độ chính xác cần thiết cho ứng dụng cụ thể của bạn.
Câu hỏi thường gặp
SNR "tốt" đối với máy ảnh khoa học được coi là bao nhiêu?
Tỷ số SNR lý tưởng phụ thuộc vào ứng dụng. Đối với các công việc định lượng đòi hỏi khắt khe, chẳng hạn như kính hiển vi huỳnh quang hoặc thiên văn học, SNR trên 40 dB thường được khuyến nghị, vì nó tạo ra hình ảnh với nhiễu nhìn thấy được ở mức tối thiểu và giữ được các chi tiết tinh xảo. Đối với mục đích sử dụng chung trong phòng thí nghiệm hoặc kiểm tra công nghiệp, SNR từ 35–40 dB là đủ. Bất kỳ giá trị nào dưới 30 dB thường sẽ hiển thị hạt nhìn thấy được và có thể làm giảm độ chính xác, đặc biệt là trong các tình huống tương phản thấp.
Hiệu suất lượng tử (QE) ảnh hưởng đến SNR như thế nào?
Hiệu suất lượng tử đo lường mức độ hiệu quả của cảm biến trong việc chuyển đổi photon thành electron. QE càng cao đồng nghĩa với việc thu được nhiều ánh sáng khả dụng hơn dưới dạng tín hiệu, giúp tăng tử số trong phương trình SNR. Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống thiếu sáng, khi mà mỗi photon đều có giá trị. Ví dụ, một camera sCMOS với QE 80% sẽ đạt được SNR cao hơn trong cùng điều kiện so với cảm biến có QE 50%, đơn giản vì nó thu được nhiều tín hiệu khả dụng hơn.
Sự khác biệt giữa SNR và Tỷ lệ tương phản trên nhiễu (CNR) là gì?
Trong khi SNR đo cường độ tín hiệu tổng thể so với nhiễu, CNR tập trung vào khả năng hiển thị của một đặc điểm cụ thể trên nền của nó. Trong hình ảnh khoa học, cả hai đều quan trọng: SNR cho bạn biết hình ảnh tổng thể "sạch" đến mức nào, trong khi CNR xác định liệu một đối tượng cụ thể có đủ nổi bật để phát hiện hoặc đo lường hay không.
Muốn tìm hiểu thêm? Hãy xem các bài viết liên quan:
Hiệu suất lượng tử trong máy ảnh khoa học: Hướng dẫn dành cho người mới bắt đầu
Công ty TNHH Tucsen Photonics. Bản quyền thuộc về. Vui lòng ghi rõ nguồn khi trích dẫn:www.tucsen.com
