25/09/11אין יעדן מעסטונג סיסטעם — פון דראָטלאָזער קאָמוניקאַציע ביז דיגיטאַלער פאָטאָגראַפיע — איז די סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש (SNR) אַ פונדאַמענטאַלער בענטשמאַרק פון קוואַליטעט. צי איר אַנאַליזירט טעלעסקאָפּ בילדער, פֿאַרבעסערט מיקראָפאָן רעקאָרדירונגען, אָדער טראָובלעשווטינג אַ דראָטלאָז פֿאַרבינדונג, SNR זאָגט אײַך וויפֿל נוצלעכע אינפֿאָרמאַציע שטייט אַרויס פֿון אַנוואָנטעד הינטערגרונט ראַש.
אבער אויסרעכענען SNR ריכטיק איז נישט שטענדיק גרינג. דעפּענדינג אויף די סיסטעם, קען מען דאַרפֿן נעמען אין באַטראַכט נאָך פֿאַקטאָרן ווי טונקל קראַנט, לייענען ראַש, אָדער פּיקסעל ביןינג. די גייד גייט אײַך דורך די טעאָריע, קערן פֿאָרמולעס, געוויינטלעכע פֿעלער, אַפּליקאַציעס, און פּראַקטישע וועגן צו פֿאַרבעסערן SNR, און זיכערט אַז איר קענט עס אַקיעראַט אַפּליקירן אין אַ ברייט קייט פֿון קאָנטעקסטן.
וואָס איז סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש (SNR)?
אין איר קערן, מעסט די סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש די שייכות צווישן דער שטאַרקייט פון אַ געוואונטשענעם סיגנאַל און דעם הינטערגרונט ראַש וואָס באַהאַלט עס.
● סיגנאַל = די באַדײַטנדיקע אינפֿאָרמאַציע (למשל, אַ קול אין אַ רוף, אַ שטערן אין אַ טעלעסקאָפּ בילד).
● ראַש = צופֿעליקע, אומגעוואונטשע פֿלוקטואַציעס וואָס פֿאַרדרייען אָדער באַהאַלטן דעם סיגנאַל (למשל, סטאַטיק, סענסאָר ראַש, עלעקטרישע שטערונג).
מאטעמאטיש, ווערט SNR דעפינירט ווי:
ווייל די פּראָפּאָרציעס קענען ווערייִרן איבער פילע אָרדערס פון מאַגניטוד, ווערט SNR געוויינטלעך אויסגעדריקט אין דעציבעלן (dB):
● הויך סיגנאַל-צוריק-רעאַקציע (למשל, 40 דציבל): סיגנאַל דאָמינירט, וואָס רעזולטירט אין קלאָרע און פאַרלעסלעכע אינפֿאָרמאַציע.
● נידעריגע סיגנאַל-צוריק-רעאַקציע (למשל, 5 דציבל): ראַש איבערוויגט דעם סיגנאַל, מאַכנדיג אינטערפּרעטאַציע שווער.
ווי צו רעכענען סיגנאַל-צו-ראַנג (SNR)
די קאַלקולאַציע פון סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש קען דורכגעפירט ווערן מיט פאַרשידענע לעוועלס פון פּינקטלעכקייט דיפּענדינג אויף וואָס ראַש קוואלן זענען אַרייַנגערעכנט. אין דעם אָפּטייל וועלן צוויי פאָרמען באַקענט ווערן: איינע וואָס נעמט אין חשבון טונקל קראַנט און איינע וואָס נעמט אָן אַז עס קען פאַרלאָזט ווערן.
באַמערקונג: צו לייגן צו זעלבשטענדיקע ראַש ווערטן פארלאנגט זיי צו לייגן אין קוואַדראַטור. יעדער מקור פון ראַש ווערט קוואדרירט, סאַמד, און די קוואַדראַט וואָרצל פון די סומע ווערט גענומען.
סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש מיט טונקל קראַנט
די פאלגענדע איז די גלייכונג צו נוצן אין סיטואַציעס וואו טונקל-שטראָם ראַש איז גרויס גענוג צו דאַרפן אַרייַנגערעכנט ווערן:
דאָ איז די דעפֿיניציע פֿון די טערמינען:
סיגנאַל (e-): דאָס איז דער סיגנאַל פון אינטערעס אין פאָטאָעלעקטראָנען, מיטן טונקל-שטראָם סיגנאַל אָפּגעצויגן
דער גאַנצער סיגנאַל (e-) וועט זיין די פאָטאָעלעקטראָן צאָל אין דעם פּיקסעל פון אינטערעס – שטרענג נישט דער פּיקסעל ווערט אין איינהייטן פון גרוי לעוועלס. דער צווייטער אינסטאַנץ פון דעם סיגנאַל (e-), אויף דער אונטערשטער טייל פון דער גלייכונג, איז דער פאָטאָנשאָט ראַש.
טונקל קראַנט (DC):דער טונקעלער קראַנט ווערט פֿאַר יענעם פּיקסעל.
t: עקספּאָוזשער צייט אין סעקונדעס
סאַר:לייענט ראַש אין קאַמעראַ מאָדע.
סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש פֿאַר נישט-פֿאַרנעמלעכן טונקל-שטראָם
אין די פאַלן פון קורצע (< 1 סעקונדע) עקספּאָוזשער צייטן, פּלוס געקילטע, הויך-פאָרשטעלונג קאַמעראַס, וועט טונקל קראַנט ראַש בכלל זיין ווײַט אונטער לייענען ראַש, און זיכער איגנאָרירט.
וואו טערמינען זענען נאכאמאל ווי דעפינירט אויבן, מיט דער אויסנאם אז דער טונקעל-שטראם סיגנאל דארף נישט אויסגערעכנט און אפגעצויגן ווערן פון דעם סיגנאל ווייל עס זאל זיין גלייך צו נול.
לימיטאַציעס פון די פאָרמולעס און פעלנדיקע טערמינען
די פארמלען פארקעגן וועלן נאר צושטעלן ריכטיגע ענטפֿערס פֿאַר CCD אוןCMOS קאַמעראַסEMCCD און אינטענסיווירטע דעווייסעס פירן איין נאָך ראַש קוועלער, אַזוי די גלייכונגען קענען נישט גענוצט ווערן. פֿאַר אַ מער פולשטענדיק סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש גלייכונג וואָס נעמט אין חשבון די און אַנדערע בייַשטייַערונגען.
נאך א ראַש טערמין וואָס איז (אָדער פלעגט זיין) אָפט אַרייַנגערעכנט אין SNR גלייכונגען איז דער פון די פאָטאָ-רעספּאָנס נישט-איינהייטלעכקייט (PRNU), אויך מאל באצייכנט ווי די 'פיקסט פּאַטערן ראַש' (FPN). דאָס רעפּרעזענטירט די אומגלייכקייט פון געווינס און פון סיגנאַל ענטפער אַריבער די סענסאָר, וואָס קען ווערן דאָמינאַנט ביי הויך סיגנאַלן אויב גרויס גענוג, רידוסינג SNR.
כאָטש פריע קאַמעראַס האָבן געהאַט גענוג באַדייטנדיק PRNU צו דאַרפן זיין אַרייַנגערעכנט, רובֿ מאָדערןוויסנשאפטלעכע קאַמעראַסהאבן גענוג נידריגע PRNU צו מאכן זיין ביישטייער ווייט נידעריגער ווי די פאטאן שאס ראוש, ספעציעל נאכדעם וואס מען לייגט אן אויף-ברעט קארעקציעס. עס ווערט יעצט, דעריבער, געווענליך פארנאכלעסיגט אין SNR חשבונות. אבער, PRNU איז נאך אלץ וויכטיג פאר געוויסע קאמעראס און אפליקאציעס, און איז אריינגערעכנט אין די מער פארגעשריטענע SNR גלייכונג פאר פולשטענדיגקייט. דאס מיינט אז די גלייכונגען וואס ווערן צוגעשטעלט זענען נוצלעך פאר רוב CCD/CMOS סיסטעמען אבער זאלן נישט באהאנדלט ווערן ווי אוניווערסאל אנגעווענדלעך.
טיפן פון ראַש אין SNR קאַלקולאַציעס
אויסרעכענען SNR איז נישט נאר וועגן פארגלייכן א סיגנאל קעגן איין ראוש ווערט. אין פראקטיק, ביישטייערן פארשידענע אומאפהענגיקע ראוש קוועלער, און פארשטיין זיי איז וויכטיג.
שאָס ראַש
● אָפּשטאַם: סטאַטיסטישע אָנקומען פון פאָטאָנען אָדער עלעקטראָנען.
● סקאלירט מיטן קוואדראט ווארצל פונעם סיגנאל.
● דאָמינאַנט אין פאָטאָן-לימיטעד בילדגעבונג (אַסטראָנאָמיע, פלואָרעסענס מיקראָסקאָפּיע).
טערמישע ראַש
● עס ווערט אויך גערופן דזשאנסאן-ניקוויסט ראַש, פּראָדוצירט דורך עלעקטראָן באַוועגונג אין רעזיסטאָרן.
● וואַקסט מיט טעמפּעראַטור און באַנדברייט.
● וויכטיג אין עלעקטראָניק און דראָטלאָזער קאָמוניקאַציע.
טונקעל קראַנט ראַש
● צופֿעליקע וואַריאַציע אין טונקל-שטראָם אין סענסאָרן.
● מער באַדײַטנדיק אין לאַנגע עקספּאָזיציעס אָדער וואַרעמע דעטעקטאָרן.
● רעדוצירט דורך קילן דעם סענסאר.
לייענט ראַש
● ראַש פֿון אַמפּליפֿיערס און אַנאַלאָג-צו-דיגיטאַל קאָנווערסיע.
● פֿיקסירט פּער אויסלייג, אַזוי קריטיש אין נידעריק-סיגנאַל רעזשים.
קוואַנטיזאַציע ראַש
● איינגעפירט דורך דידזשיטאַליזאַציע (רונדינג צו דיסקרעטע לעוועלס).
● וויכטיג אין נידעריק-ביט-טיפֿקייט סיסטעמען (למשל, 8-ביט אַודיאָ).
סביבה/סיסטעם ראַש
● EMI, קראָסטאָלק, מאַכט צושטעל ריפּל.
● קען דאָמינירן אויב די שילדינג/גראַונדינג איז שלעכט.
פֿאַרשטיין וועלכע פֿון די איז דאָמינאַנט העלפֿט אין אויסקלײַבן די ריכטיקע פֿאָרמולע און מיטיגאַציע מעטאָד.
געוויינטלעכע טעותים אין קאַלקולירן SNR
עס איז גרינג צו טרעפן אסאך "קורצע" מעטאדן צו שאצן א סיגנאל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש אין בילדגעבונג. די זענען געוויינטלעך ווייניקער קאָמפּליצירט ווי די גלייכונגען אויף דער אנדערער זייט, ערמעגלעכן גרינגערע דעריוואַציע פון א בילד אליין אנשטאט פארלאנגען וויסן פון קאַמעראַ פּאַראַמעטערס ווי לייענען ראַש, אדער ביידע. צום באַדויערן, איז עס מסתּמא אז יעדע איינע פון די מעטאָדן איז פאַלש, און וועט פירן צו פארדרייטע און נישט נוצלעכע רעזולטאַטן. עס איז שטארק רעקאָמענדירט אז די גלייכונגען אויף דער אנדערער זייט (אדער די אַוואַנסירטע ווערסיע) זאָלן גענוצט ווערן אין אלע פעלער.
עטלעכע פון די מערסט פּראָסט פאַלשע שאָרטקאַץ אַרייַננעמען:
1. פארגלייכן סיגנאל אינטענסיטעט קעגן הינטערגרונט אינטענסיטעט, אין גרוי לעוועלס. די צוגאנג פרובירט צו באורטיילן קאמערא סענסיטיוויטי, סיגנאל שטארקייט אדער א סיגנאל צו ראַש פאַרהעלטעניש דורך פארגלייכן א שפּיץ אינטענסיטעט צו א הינטערגרונט אינטענסיטעט. די צוגאנג איז טיף פעלערהאפט ווייל דער איינפלוס פון קאמערא אפסעט קען ארביטרעריש שטעלן די הינטערגרונט אינטענסיטעט, געווינס קען ארביטרעריש שטעלן סיגנאל אינטענסיטעט, און קיין ביישטייער פון ראַש אין סיגנאל אדער הינטערגרונט ווערט נישט באטראכט.
2. צעטיילן סיגנאל שפיצן מיטן סטאנדארט דעוויאציע פון א שטח פון הינטערגרונט פיקסעלן. אדער, פארגלייכן שפיץ ווערטן מיטן וויזועלן ראוש אין הינטערגרונט וואס ווערט געוויזן דורך א ליניע פראפיל. אויב מיר נעמען אן אז דער אפזעץ ווערט ריכטיג אפגעצויגן פון די ווערטן פארן צעטיילן, איז די גרעסטע געפאר אין דעם צוגאנג די אנוועזנהייט פון הינטערגרונט ליכט. יעדע הינטערגרונט ליכט וועט טיפיש דאמינירן דעם ראוש אין הינטערגרונט פיקסעלן. ווייטער, דער ראוש אין דעם סיגנאל פון אינטערעס, ווי למשל שאס ראוש, ווערט בכלל נישט באטראכט.
3、מיטל סיגנאַל אין פּיקסעלס פון אינטערעס קעגן סטאַנדאַרד דיווייישאַן פון פּיקסעל ווערטן: פאַרגלייַכן אָדער אָבסערווירן ווי פיל אַ שפּיץ סיגנאַל ענדערט זיך אַריבער שכנים פּיקסעלס אָדער סאַקסעסיוו ראַמען איז נעענטער צו זיין ריכטיק ווי אנדערע קורץ-וועג מעטאָדן, אָבער עס איז נישט מסתּמא צו ויסמיידן אנדערע השפּעות וואָס פאַרדרייען ווערטן, אַזאַ ווי אַ ענדערונג אין דעם סיגנאַל וואָס שטאַמט נישט פון ראַש. די מעטאָדע קען אויך זיין נישט פּינקטלעך רעכט צו נידעריק פּיקסעל ציילן אין דעם פאַרגלייַך. סובטראַקשאַן פון אָפסעט ווערט טאָר אויך נישט זיין פארגעסן.
4、רעכענען SNR אָן קאָנווערטירן צו אינטענסיטעט איינהייטן פון פאָטאָעלעקטראָנען, אדער אָן אַוועקנעמען דעם אָפסעט: ווייל פאָטאָן שאָס ראַש איז טיפּיש די גרעסטע ראַש מקור און פאַרלאָזט זיך אויף וויסן פון די קאַמעראַ ס אָפסעט און געווינס פֿאַר מעסטונג, איז עס נישט מעגלעך צו ויסמיידן רעכענען צוריק צו פאָטאָעלעקטראָנען פֿאַר SNR חשבונות.
5、באַורטיילן סיגנאַל-רודער (SNR) לויט די אויגן: כאָטש אין געוויסע אומשטענדן קען זיין נוצלעך צו באַורטיילן אָדער פאַרגלייַכן SNR לויט די אויגן, זענען דאָ אויך אומגעריכטע פּיטפאָלז. באַורטיילן SNR אין הויך-ווערטיקע פּיקסעלס קען זיין שווערער ווי אין נידעריקער-ווערטיקע אָדער הינטערגרונט פּיקסעלס. מער סאַטאַלע עפֿעקטן קענען אויך שפּילן אַ ראָלע: למשל, פֿאַרשידענע קאָמפּיוטער מאָניטאָרן קענען רענדערן בילדער מיט זייער אַנדערש קאָנטראַסט. ווייטער, ווייַזן בילדער אין פֿאַרשידענע זום לעוועלס אין ווייכווארג קען באַדייטנד השפּעה האָבן אויף די וויזועלע אויסזען פון ראַש. דאָס איז ספּעציעל פּראָבלעמאַטיש אויב מען פּרוּווט צו פאַרגלייַכן קאַמעראַס מיט פֿאַרשידענע פּיקסעל סיזעס פון די אָביעקט-פּלאַץ. צום סוף, די בייַזייַן פון הינטערגרונט ליכט קען בטל מאַכן יעדן פּרוּוו צו באַורטיילן SNR וויזועל.
אַפּליקאַציעס פון SNR
SNR איז אַן אוניווערסאַלע מעטריק מיט ברייטע אַפּליקאַציעס:
● אַודיאָ און מוזיק רעקאָרדינג: באַשטימט קלאַרקייט, דינאַמיש קייט, און טרייהייט פון רעקאָרדינגס.
● דראָטלאָזע קאָמוניקאַציע: SNR איז גלייך פֿאַרבונדן מיט ביט פֿעלער ראַטעס (BER) און דאַטן דורכפֿלוס.
● וויסנשאפטלעכע בילדגעבונג: אין אַסטראָנאָמיע, דעטעקטירן שוואַכע שטערן קעגן הינטערגרונט הימל גלאַנץ ריקווייערז הויך SNR.
● מעדיצינישע עקוויפּמענט: EKG, MRI, און CT סקאַנס פאַרלאָזן זיך אויף הויך SNR צו אונטערשיידן סיגנאַלן פון פיזיאָלאָגישן ראַש.
● קאַמעראַס און פאָטאָגראַפֿיע: קאָנסומער קאַמעראַס און וויסנשאַפֿטלעכע CMOS סענסאָרן נוצן ביידע SNR צו בענטשמאַרקן פאָרשטעלונג אין שוואַך ליכט.
פֿאַרבעסערן סיגנאַל-רעאַקציע (SNR)
זינט סיגנאַל-רעאַקציע (SNR) איז אַזאַ קריטישע מאָס, ווערט אַ באַדייטנדיקע מי געטאָן צו פֿאַרבעסערן עס. סטראַטעגיעס אַרייַננעמען:
האַרדווער אַפּראָוטשיז
● ניצט בעסערע סענסארן מיט נידעריקערן טונקל-שטראם.
● צולייגן שילדינג און גראַונדינג צו רעדוצירן EMI.
● קיל דעטעקטאָרן צו אונטערדריקן טערמישע ראַש.
ווייכווארג צוגאַנגען
● צולייגן דיגיטאַלע פילטערס צו באַזייַטיקן אַנוואָנטיד פרעקווענצן.
● ניצט דורכשניט איבער קייפל ראמען.
● ניצן ראַש רעדוקציע אַלגעריטמען אין בילדגעבונג אָדער אַודיאָ פּראַסעסינג.
פּיקסעל בינינג און זיין ווירקונג אויף סיגנאַל-צו-רעאַקציע (SNR)
דער עפעקט פון ביננינג אויף דעם סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש דעפּענדס אויף קאַמעראַ טעכנאָלאָגיע און סענסאָר נאַטור, ווײַל די ראַש פאָרשטעלונג פון ביננד און אַנביננד קאַמעראַס קען זיין באַטייטיק אַנדערש.
CCD קאַמעראַס קענען צוזאַמענרעכענען די אָפּצאָל פון שכנותדיקע פּיקסעלס "אויף-טשיפּ". דער אויסלייענונג ראַש ווערט נאָר געמאַכט איין מאָל, כאָטש דער טונקל-שטראָם סיגנאַל פון יעדן פּיקסעל וועט אויך צוזאַמענגענומען ווערן.
רובֿ CMOS קאַמעראַס פירן אויס אָפֿ-טשיפּ בינינג, דאָס הייסט ווערטן ווערן ערשט געמאָסטן (און לייענען ראַש ווערט אײַנגעפֿירט), און דערנאָך דידזשאַטאַלי סאַמד. דער לייענען ראַש פֿאַר אַזעלכע סאַמיישאַנז וואַקסט דורך אַ טאַפּליקאַציע מיט דער קוואַדראַט וואָרצל פֿון דער צאָל פּיקסעלס סאַמד, ד״ה מיט אַ פֿאַקטאָר פֿון 2 פֿאַר 2x2 בינינג.
וויבאלד די ראַש נאַטור פון סענסאָרן קען זיין קאָמפּליצירט, פֿאַר קוואַנטיטאַטיווע אַפּלאַקיישאַנז איז עס ראַטזאַם צו מעסטן די אָפסעט, געווינס, און לייענען ראַש פון דער קאַמעראַ אין ביןד מאָדע, און נוצן די ווערטן פֿאַר די סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש גלייכונג.
מסקנא
דער סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש (SNR) איז איינע פון די וויכטיקסטע מעטריקן אין וויסנשאַפֿט, אינזשעניריע און טעכנאָלאָגיע. פֿון דעפינירן קלעריטי אין טעלעפֿאָן רופן ביזן ערמעגלעכן די דעטעקציע פֿון ווײַטע גאַלאַקסיעס, SNR שטיצט די קוואַליטעט פֿון מעסטונג און קאָמוניקאַציע סיסטעמען. באַהערשן SNR איז נישט נאָר וועגן מעמערירן פֿאָרמולעס — עס איז וועגן פֿאַרשטיין הנחות, לימיטאַציעס און רעאַלע קאָמפּראָמיסן. פֿון דעם פּערספּעקטיוו קענען אינזשענירן און פֿאָרשער מאַכן מער פֿאַרלעסלעכע מעסטונגען און דיזיינען סיסטעמען וואָס עקסטראַקטירן באַדײַטנדיקע אײַנבליקן אפילו אין ראַשיקע באַדינגונגען.
ווילט איר לערנען מער? קוקט אריין אין די פארבינדענע ארטיקלען:
טוסען פאָטאָניקס קאָו., לטד. אַלע רעכטן רעזערווירט. ווען איר ציטירט, ביטע אנערקענען די מקור:www.tucsen.com
