25/08/19ווען עס קומט צו כאַפּן פּינקטלעכע און פאַרלעסלעכע בילדער אין וויסנשאַפטלעכער פאָרשונג, די קוואַליטעט פון דיין דאַטן דעפּענדס אויף מער ווי נאָר רעזאָלוציע אָדער סענסאָר גרייס. איינער פון די מערסט וויכטיק - אָבער מאל איבערגעקוקט - מעטריקס איז סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש (SNR). אין בילד סיסטעמען, SNR באַשטימט ווי קלאָר איר קענען אונטערשיידן די פאַקטיש סיגנאַל (נוצלעכע אינפֿאָרמאַציע) פון אַנוואָנטיד ראַש.
אין וויסנשאפטלעכע בילדגעבונג אַפּליקאַציעס ווי מיקראָסקאָפּיע, אַסטראָנאָמיע און ספּעקטראָסקאָפּיע, קען אַ שלעכטער סיגנאַל-צו-זאַץ (SNR) מיינען דעם חילוק צווישן דעטעקטירן אַ שוואַכן ציל און עס גאָר נישט זען. דער אַרטיקל אויספאָרשט ווי SNR ווערט דעפינירט, פאַרוואָס עס איז וויכטיק, ווי עס ווירקט אויף קאָנטראַסט, און ווי צו סעלעקטירן און אָפּטימיזירן אַ וויסנשאפטלעכע קאַמעראַ באַזירט אויף דעם קריטישן מעטריק.
וואָס איז סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש און ווי איז עס דיפיינד?
די סיגנאַל צו ראַש פאַרהעלטעניש (SNR) איז די וויכטיקסטע מאָס פון אונדזער בילד קוואַליטעט, יסודותדיק אין בילד קאָנטראַסט, און אָפט דער נוצלעכער באַשטימענדיקער פאַקטאָר אין צי אַ קאַמעראַ איז סענסיטיוו גענוג פֿאַר דיין אַפּלאַקיישאַן.
פרואוון צו פֿאַרבעסערן קאַמעראַ סענסיטיוויטי דרייען זיך אַרום ביידע פֿאַרבעסערן דעם געזאַמלטן סיגנאַל:
● דורך פֿאַרבעסערונגען אין קוואַנטום עפֿעקטיווקייט אָדער אַ פאַרגרעסערונג אין פּיקסעל גרייס
● רעדוצירן קאַמעראַ-אָפּהענגיקע קוועלער פון ראַש
ראַש קוועלער לייגן זיך צוזאַמען, אָבער לויט די אומשטענדן קען איינער דאָמינירן, און מען זאָל זיך קאָנצענטרירן אויף דעם ווען מען פּרוּווט פֿאַרבעסערן דעם סיגנאַל-ראַנג (SNR) – צי דורך אָפּטימיזירן סעטטינגס אָדער סעטאַפּ, צי דורך אַפּגרעידן צו בעסערע ליכט קוועלער, אָפּטיק און קאַמעראַס.
ס'איז א געוויינטלעכע קורצע צוגאב צו באשרייבן בילדער אין טערמינען פון איין סיגנאל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש, למשל צו זאָגן אז א בילד האט א SNR פון '15'. אבער, ווי עס איז קלאר פון דעם נאמען, די סיגנאל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש איז אָפּהענגיק פון דעם סיגנאל, וואס וועט זיכער זיין אנדערש פאר יעדן פּיקסעל. דאס איז וואס גיט אונז אונזער בילד.
דער סיגנאַל-צו-זאַץ (SNR) פֿון אַ בילד באַציט זיך טיפּיש צום SNR פֿון דעם שפּיץ סיגנאַל פֿון אינטערעס אין דעם בילד. למשל, SNR פֿון אַ בילד פֿון פֿלורעסצענטע צעלן אויף אַ טונקעלן הינטערגרונט וואָלט גענוצט די שפּיץ סיגנאַל אינטענסיטעט פֿון די פּיקסעלן פֿון אַ סטרוקטור פֿון אינטערעס אין דער צעל.
עס איז נישט רעפּרעזענטאַטיוו צו נעמען, למשל, אַ דורכשניטלעכן ווערט פֿאַר די SNR פֿון דעם גאַנצן בילד. אין טעכניקן ווי פֿלואָרעסענס מיקראָסקאָפּיע, וואו אַ טונקעלער הינטערגרונט מיט נול דעטעקטירטע פֿאָטאָנס קען זיין געוויינטלעך, האָבן די נול סיגנאַל פּיקסעלס אַן SNR פֿון נול. דעריבער, יעדער דורכשניט איבער אַ בילד וואָלט אָפענגיק זיין פֿון וויפֿל הינטערגרונט פּיקסעלס זענען אין זיכט.
פארוואס סנר איז וויכטיג פאר וויסנשאפטלעכע קאמעראס
אין וויסנשאפטלעכער בילדגעבונג, האט SNR א דירעקטן איינפלוס אויף ווי גוט איר קענט אידענטיפיצירן שוואַכע דעטאַלן, מעסטן קוואַנטיטאַטיווע דאַטן און רעפּראָדוצירן רעזולטאַטן.
●בילד קלעריטי– העכערע סיגנאַל-צו-ראַנג (SNR) רעדוצירט קערניקייט און מאַכט פיינע סטרוקטורן קענטיק.
●דאַטן אַקיעראַסי– רעדוצירט מעסטונג טעותים אין אינטענסיטעט-באזירטע עקספּערימענטן.
●נידעריק-ליכט פאָרשטעלונג– עסענציעל פֿאַר פֿלואָרעסצענץ מיקראָסקאָפּיע, טיף-הימל אַסטראָפאָטאָגראַפיע, און ספּעקטראָסקאָפּיע, וואו פאָטאָן ציילן זענען נאַטירלעך נידעריק.
צי איר ניצט אsCMOS קאַמעראַפֿאַר הויך-גיכקייט בילדער אָדער אַ געקילטע CCD פֿאַר לאַנג-עקספּאָוזשער אַפּלאַקיישאַנז, פֿאַרשטיין SNR העלפֿט איר באַלאַנסירן פאָרשטעלונג קאָמפּראָמיסן.
ווי סיגנאַל-רעאַקציע (SNR) באַאיינפלוסט בילד קאָנטראַסט
קאנטראסט איז דער רעלאטיווער אונטערשייד אין אינטענסיטעט צווישן ליכטיקע געביטן און טונקעלע געביטן פון א בילד. פאר פילע אנווענדונגען, איז גוט בילד קאנטראסט אין געביטן פון אינטערעסע די לעצטע ציל.
עס זענען דא אסאך פאקטארן אינעם בילדגעבונג סוביעקט, אפטישער סיסטעם און בילדגעבונג באדינגונגען וואס זענען די הויפט באשטימענדיקע פאקטארן פון בילד קאנטראסט, ווי צום ביישפיל לינז קוואליטעט און די מאס פון הינטערגרונט ליכט.
●הויך סיגנאַל-צו-ראַנג (SNR)קלאָרע צעשיידונג צווישן העלע און טונקעלע געגנטן; ברעגן דערשייַנען שאַרף; סאַטאַל דעטאַלן בלייבן קענטיק.
●נידעריק סיגנאַל-צו-ראַנג (SNR)טונקעלע געביטן ווערן העלער צוליב ראַש, העלע געביטן ווערן טונקעלער, און דער אלגעמיינער בילד קאנטראסט ווערט פלאַך.
למשל, אין פלואָרעסענץ מיקראָסקאָפּיע, קען אַ נידעריקער סיגנאַל-צו-ראַנג (SNR) מאַכן אַ שוואַך פלואָרעסענץ מוסטער זיך צונויפמישן מיטן הינטערגרונט, מאַכנדיג קוואַנטיטאַטיווע אַנאַליז נישט פאַרלעסלעך. אין אַסטראָנאָמיע, קענען שוואַכע שטערן אָדער גאַלאַקסיעס גאָר פאַרשווינדן אין ראַשדיקע דאַטן.
אבער, עס זענען אויך דא פאקטארן אין דער קאמערא אליין – דער הויפט פאקטאר איז די סיגנאל צו ראַש פאַרהעלטעניש. ווייטער, און ספּעציעל ביי שוואַך ליכט, שפּילט בילד אינטענסיטעט סקיילינג, ווי די בילד ווערט געוויזן אויף דעם מאָניטאָר, אַ גרויסע ראָלע אין דעם וואָס מען באמערקט בילד קאָנטראַסט. מיט הויך ראַש אין טונקעלע געביטן פון דעם בילד, קענען אויטאָ בילד סקיילינג אַלגערידאַמז האָבן זייער נידעריקער גרענעץ געשטעלט צו נידעריק דורך נידעריק-ווערט ראַשדיק פּיקסעלס, בשעת די הויכע גרענעץ ווערט געוואקסן דורך ראַש אין הויך סיגנאַל פּיקסעלס. דאָס איז די סיבה פון די כאַראַקטעריסטיש 'אויסגעוואַשן' גרוי אויסזען פון נידעריק-SNR בילדער. בעסער קאָנטראַסט קען מען באַקומען דורך שטעלן די נידעריקער גרענעץ צו די קאַמעראַ אָפסעט.
פאַקטאָרן וואָס ווירקן אויף סיגנאַל-סענסור (SNR) אין וויסנשאַפטלעכע קאַמעראַס
עטלעכע דיזיין און אָפּעראַציאָנעלע פּאַראַמעטערס השפּעה האָבן אויף די סיגנאַל-צו-רוען (SNR) פון אַ קאַמעראַ סיסטעם:
סענסאָר טעכנאָלאָגיע
● sCMOS – קאָמבינירט נידעריק לייענען ראַש און הויכע ראַם ראַטעס, ידעאַל פֿאַר דינאַמישע בילדער.
● CCD – היסטאָריש אָפפערט נידעריק ראַש אין לאַנגע עקספּאָוזשערז, אָבער שטייטער ווי מאָדערנע CMOS דיזיינז.
● EMCCD – ניצט אויף-טשיפּ אַמפּליפיקאַציע צו פֿאַרשטאַרקן שוואַכע סיגנאַלן, אָבער קען אײַנפֿירן מאַלטיפּליקאַטיוו ראַש.
פּיקסעל גרייס און פיל פאַקטאָר
גרעסערע פּיקסעלן זאַמלען מער פאָטאָנען, וואָס פאַרגרעסערט דעם סיגנאַל און אַזוי דעם SNR.
קוואַנטום עפעקטיווקייט (QE)
העכערע QE מיינט אז מער אריינקומענדיקע פאטאנען ווערן פארוואנדלט אין עלעקטראנען, וואס פארבעסערט סאר (SNR).
אויסגעשטעלטקייט צייט
לענגערע עקספּאָזיציעס זאַמלען מער פאָטאָנען, וואָס פֿאַרגרעסערט דעם סיגנאַל, אָבער קענען אויך פֿאַרגרעסערן טונקל-שטראָם ראַש.
קיל סיסטעמען
קילן רעדוצירט טונקל-שטראָם, וואָס פֿאַרבעסערט באַדייטנד דעם סיגנאַל-רעאַקציע (SNR) פֿאַר לאַנגע עקספּאָזיציעס.
אָפּטיק און ילומינאַציע
הויך-קוואַליטעט לענסעס און סטאַבילע ילומינאַציע מאַקסאַמייז סיגנאַל כאַפּן און מינאַמייז וועריאַביליטי.
ביישפילן פון פאַרשידענע שפּיץ SNR ווערטן
אין בילדגעבונג, באַציט זיך PSNR אָפט צו אַ טעאָרעטישן מאַקסימום אין באַצוג צו פּיקסעל זעטיקונג. טראָץ די אונטערשיידן אין בילדגעבונג סוביעקטן, בילדגעבונג באדינגונגען און קאַמעראַ טעכנאָלאָגיע, פֿאַר קאַנווענשאַנאַל וויסנשאַפטלעכע קאַמעראַס, קענען בילדער מיט דער זעלביקער סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש האָבן ענלעכקייטן. דער גראַד פון 'גרייניקייט', וואַריאַציע פון ראַם צו ראַם, און צו אַ געוויסער מאָס דער קאָנטראַסט, קענען אַלע זיין ענלעך איבער די פאַרשידענע באדינגונגען. דעריבער, איז עס מעגלעך צו באַקומען אַ פארשטאנד פון SNR ווערטן און די פאַרשידענע באדינגונגען און טשאַלאַנדזשיז וואָס זיי ימפּלייז פון רעפּרעזענטאַטיווע בילדער, אַזאַ ווי די געוויזן אין דער טיש.
נאטיץ: שפּיץ סיגנאַל ווערטן אין פאָטאָעלעקטראָנען פֿאַר יעדער ריי איז געגעבן אין בלוי. אַלע בילדער ווערן געוויזן מיט אויטאָמאַטיש היסטאָגראַם סקיילינג, איגנאָרירנדיק (סאַטשערייטינג) 0.35% פון די העלסטע און טונקלסטע פּיקסעלס. לינקס צוויי בילד קאָלומס: לינז-באַזירט ימאַגינג פון אַ ימאַגינג טעסט ציל. רעכטס פיר קאָלומס: אַסקאַריס קאַפּטשערד אין פלאָרעסאַנס מיט אַ 10x מיקראָסקאָפּ אָביעקטיוו. צו אילוסטרירן די ראַם-צו-ראַם ווערייישאַנז אין פּיקסעל ווערטן ביי נידעריקער SNR, דרייַ סאַקסעשאַנאַל ראָמען זענען צוגעשטעלט.
א לינז-באזירט בילד פון א טעסט ציל, צוזאמען מיט א פלואָרעסענס מיקראָסקאָפּ בילד ווערן ביידע געוויזן, צוזאמען מיט א פארגרעסערטן בליק פון דעם פלואָרעסענס בילד וואָס ווייזט די וואַריאַציע אין 3 נאכאנאנדע ראַמען. דער שפּיץ פאָטאָ-עלעקטראָן צייל ביי יעדן סיגנאַל לעוועל ווערט אויך געגעבן.
די פאלגענדע בילד ווייזט די פולע ווערסיעס פון די ביישפּיל בילדער פאר רעפערענץ.
פול-גרייס בילדער געניצט פֿאַר סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש בייַשפּילן טאַבעלע
לינקסא בילדגעבונג טעסט ציל פאטאגראפירט מיט א לינז.
רעכטסא מוסטער פון אַסקאַריס נעמאַטאָד וואָרעם סעקציע געזען מיט פלאָרעסאַנס מיקראָסקאָפּיע ביי 10x פאַרגרעסערונג.
סיגנאַל-צו-ראַנג (SNR) אין אַפּליקאַציעס
SNR איז מיסיע-קריטיש איבער פארשידענע פעלדער:
● מיקראָסקאָפּיע – דעטעקטירן שוואַכע פלואָרעסצענץ אין ביאָלאָגישע מוסטערן דאַרף הויך SNR צו ויסמיידן פאַלשע נעגאַטיוון.
● אַסטראָנאָמיע – אידענטיפיצירן ווייטע גאַלאַקסיעס אָדער עקסאָפּלאַנעטן פארלאנגט לאַנגע עקספּאָוזשערז מיט מינימאַל ראַש.
● ספּעקטראָסקאָפּיע – הויך SNR זיכערט גענויע שפּיץ אינטענסיטעט מעסטונגען אין כעמישער אַנאַליז.
● אינדוסטריעלע אינספּעקציע – אין נידעריק-ליכט פֿאַרזאַמלונג ליניעס, העלפֿט הויך SNR דעטעקטירן חסרונות פאַרלעסלעך.
אויסקלויבן א וויסנשאפטלעכע קאמערא מיטן ריכטיגן סאונד רעדוצענט
ווען מען עוואַלויִרט אַ נייע וויסנשאַפטלעכע קאַמעראַ:
●טשעק SNR ספּעסיפיקאַציעס– פאַרגלייכן dB ווערטן אונטער באדינגונגען ענלעך צו דיין אַפּלאַקיישאַן.
●באַלאַנסירן אַנדערע מעטריקס– באַטראַכט קוואַנטום עפעקטיווקייט, דינאַמיש קייט, און ראַם קורס.
●צופּאַסן טעכנאָלאָגיע צו נוץ פאַל– פֿאַר הויך-גיכקייט דינאַמישע סצענעס, קען אַ sCMOS קאַמעראַ זיין ידעאַל; פֿאַר סטאַטישע סוביעקטן מיט גאָר נידעריק ליכט, קען אַ געקילטע CCD אָדער EMCCD בעסער אַרבעטן.
●קאָנעקטיוויטי פֿאַר וואָרקפלאָו עפעקטיווקייט– כאָטש זיי אַפעקטירן נישט גלייך דעם SNR, קענען פֿונקציעס ווי HDMI אַרויסגאַנג ערמעגלעכן בילד איבערבליק אין רעאַל-צייט, און העלפֿן אײַך שנעל באַשטעטיקן אַז אײַערע אַקוויזיציע סעטטינגס דערגרייכן דעם געוואונטשענעם SNR.
מסקנא
סיגנאַל-צו-ראַש פאַרהעלטעניש (SNR) איז אַ שליסל פאָרשטעלונג מעטריק וואָס דירעקט ינפלוענסט די קלעריטי און פאַרלאָזלעכקייט פון וויסנשאַפטלעכע בילדער. פֿאַרשטיין ווי SNR איז דעפינירט, די סיבות וואָס ווירקן עס, און די ימפּלאַקיישאַנז פון פאַרשידענע SNR ווערטן אַלאַוז ריסערטשערז און טעכניש ניצערס צו אָפּשאַצן בילדגעבונג סיסטעמען מער עפעקטיוולי. דורך אַפּלייינג דעם וויסן - צי אין סעלעקטינג אַ נייַ ...וויסנשאפטלעכע קאַמעראַאדער אָפּטימיזירן אַן עקזיסטירנדיקע סעטאַפּ—איר קענט זיכער מאַכן אַז אייער בילדגעבונג וואָרקפלאָו כאַפּט דאַטן מיט דעם מדרגה פון פּינטלעכקייט וואָס איז פארלאנגט פֿאַר אייער ספּעציפֿיש אַפּלאַקיישאַן.
אָפֿט געשטעלטע פֿראַגעס
וואָס ווערט באַטראַכט ווי אַ "גוטער" סיגנאַל-רעאַקציע (SNR) פֿאַר וויסנשאַפטלעכע קאַמעראַס?
דער אידעאַלער SNR ווענדט זיך אין דער אַפּליקאַציע. פֿאַר הויך-פאָדערנדיקע, קוואַנטיטאַטיווע אַרבעט – ווי למשל פֿלואָרעסענץ מיקראָסקאָפּיע אָדער אַסטראָנאָמיע – ווערט בכלל רעקאָמענדירט אַן SNR העכער 40 dB, ווײַל עס פּראָדוצירט בילדער מיט מינימאַלן קענטיקן ראַש און באַוואָרנט פֿײַנע דעטאַלן. פֿאַר אַלגעמיינעם לאַבאָראַטאָריע נוצן אָדער אינדוסטריעלער דורכקוק, קען 35–40 dB זײַן גענוג. עפּעס אונטער 30 dB וועט טיפּיש ווײַזן קענטיקן גריין און קען קאָמפּראָמיטירן די אַקיעראַסי, ספּעציעל אין נידעריק-קאָנטראַסט סיטואַציעס.
ווי אזוי ווירקט קוואנטום עפעקטיווקייט (QE) אויף SNR?
קוואַנטום עפעקטיווקייט מעסט ווי עפעקטיוו אַ סענסאָר קאָנווערטירט אַרײַנקומענדיקע פאָטאָנען אין עלעקטראָנען. אַ העכערע QE מיינט אַז מער פון די בנימצא ליכט ווערט קאַפּטשערד ווי סיגנאַל, וואָס פֿאַרשטאַרקט דעם ציילער אין דער SNR גלייכונג. דאָס איז ספּעציעל וויכטיק אין נידעריק-ליכט סצענאַרן, וווּ יעדער פאָטאָן ציילט. למשל, אַ sCMOS קאַמעראַ מיט אַ QE פון 80% וועט דערגרייכן העכער SNR אונטער אידענטישע באדינגונגען קאַמפּערד צו אַ סענסאָר מיט 50% QE, פשוט ווייַל עס קאַפּטשערז מער נוציק סיגנאַל.
וואָס איז דער חילוק צווישן SNR און קאָנטראַסט-צו-ראַש פאַרהעלטעניש (CNR)?
בשעת SNR מעסט די אלגעמיינע סיגנאַל שטאַרקייט אין באַצוג צו ראַש, פאָקוסירט CNR אויף די זעבארקייט פון אַ ספּעציפֿישן שטריך קעגן זיין הינטערגרונט. אין וויסנשאַפטלעכער בילדגעבונג, זענען ביידע וויכטיק: SNR זאָגט אײַך ווי "ריין" דאָס בילד איז בכלל, בשעת CNR באַשטימט צי אַ באַזונדערער אָביעקט פון אינטערעס שטייט אַרויס גענוג פֿאַר דעטעקציע אָדער מעזשערמאַנט.
ווילט איר לערנען מער? קוקט אריין אין די פארבינדענע ארטיקלען:
קוואַנטום עפעקטיווקייט אין וויסנשאפטלעכע קאַמעראַס: אַ אָנהייבער ס גייד
טוסען פאָטאָניקס קאָו., לטד. אַלע רעכטן רעזערווירט. ווען איר ציטירט, ביטע אנערקענען די מקור:www.tucsen.com
