25.09.11У любой вымяральнай сістэме — ад бесправадной сувязі да лічбавай фатаграфіі — стаўленне сігнал/шум (SNR) з'яўляецца фундаментальным крытэрыем якасці. Незалежна ад таго, аналізуеце вы выявы з тэлескопа, паляпшаеце запісы з мікрафона або вырашаеце праблемы бесправадной сувязі, SNR паказвае, колькі карыснай інфармацыі вылучаецца на фоне непажаданага фонавага шуму.
Але правільна разлічыць SNR не заўсёды проста. У залежнасці ад сістэмы, можа спатрэбіцца ўлічваць дадатковыя фактары, такія як цёмны ток, шум чытання або аб'яднанне пікселяў. Гэты дапаможнік правядзе вас праз тэорыю, асноўныя формулы, распаўсюджаныя памылкі, прымяненне і практычныя спосабы паляпшэння SNR, гарантуючы, што вы зможаце дакладна ўжываць яго ў шырокім дыяпазоне кантэкстаў.
Што такое стаўленне сігнал/шум (SNR)?
Па сутнасці, стаўленне сігнал/шум вымярае сувязь паміж сілай патрэбнага сігналу і фонавым шумам, які яго засланяе.
● Сігнал = значная інфармацыя (напрыклад, голас у званку, зорка на выяве тэлескопа).
● Шум = выпадковыя, непажаданыя ваганні, якія скажаюць або хаваюць сігнал (напрыклад, статычны шум, шум датчыка, электрычныя перашкоды).
Матэматычна, SNR вызначаецца як:
Паколькі гэтыя суадносіны могуць змяняцца на многія парадкі велічыні, SNR звычайна выражаецца ў дэцыбелах (дБ):
● Высокае суадносіны сігнал/шум (напрыклад, 40 дБ): сігнал дамінуе, што прыводзіць да атрымання выразнай і надзейнай інфармацыі.
● Нізкае суадносіны сігнал/шум (напрыклад, 5 дБ): шум перакрывае сігнал, што ўскладняе інтэрпрэтацыю.
Як разлічыць SNR
Разлік суадносін сігнал/шум можа выконвацца з рознай дакладнасцю ў залежнасці ад таго, якія крыніцы шуму ўключаны. У гэтым раздзеле будуць прадстаўлены дзве формы: адна, якая ўлічвае цёмны ток, і другая, якая мяркуе, што ім можна занядбаць.
Заўвага: Дадаванне незалежных значэнняў шуму патрабуе іх складання ў квадратуры. Кожная крыніца шуму ўзводзіцца ў квадрат, сумуецца і з агульнай сумы бярэцца квадратны корань.
Суадносіны сігнал/шум з цёмным токам
Ніжэй прыведзена ўраўненне, якое трэба выкарыстоўваць у сітуацыях, калі шум цёмнага току дастаткова вялікі, каб патрабаваць яго ўключэння:
Вось вызначэнне тэрмінаў:
Сігнал (e-): Гэта сігнал фотаэлектронаў, які нас цікавіць, за вылікам сігналу цёмнага току.
Агульны сігнал (e-) будзе колькасцю фотаэлектронаў у пікселі, які цікавіць, а не значэннем пікселя ў адзінках узроўняў шэрага. Другі прыклад сігналу (e-) унізе ўраўнення — гэта шум фатона.
Цёмны ток (пастаянны):Значэнне цёмнага току для гэтага пікселя.
t: Час экспазіцыі ў секундах
σr:Шум чытання ў рэжыме камеры.
Суадносіны сігнал/шум для нязначнага цёмнага току
У выпадках кароткіх (< 1 секунды) часу экспазіцыі, а таксама астуджаных высокапрадукцыйных камер, шум цёмнавага току звычайна будзе значна ніжэйшым за шум счытвання і ім можна смела занядбаць.
Дзе тэрміны зноў жа маюць тыя ж вызначаныя вышэй тэрміны, за выключэннем таго, што сігнал цёмнага току не трэба вылічваць і адымаць ад сігналу, бо ён павінен быць роўны нулю.
Абмежаванні гэтых формул і адсутныя тэрміны
Формулы насупраць дадуць правільныя адказы толькі для CCD іCMOS-камерыПрылады EMCCD і ўзмоцненыя прылады ўводзяць дадатковыя крыніцы шуму, таму гэтыя ўраўненні нельга выкарыстоўваць. Для больш поўнага ўраўнення суадносін сігнал/шум, якое ўлічвае гэтыя і іншыя ўклады.
Яшчэ адзін шумавы тэрмін, які звычайна ўключаецца (ці ўключаўся) у раўнанні SNR, — гэта нераўнамернасць фотаадказу (PRNU), якую часам таксама называюць «шумам фіксаванай карціны» (FPN). Гэта адлюстроўвае нераўнамернасць узмацнення і сігнальнай рэакцыі па ўсім датчыку, якая можа стаць дамінантнай пры высокіх сігналах, калі яны дастаткова вялікія, зніжаючы SNR.
У той час як раннія камеры мелі дастаткова значны PRNU, каб патрабаваць яго ўключэння, большасць сучасныхнавуковыя камерымаюць дастаткова нізкі PRNU, каб яго ўклад быў значна ніжэйшым за ўклад дробавага шуму фатонаў, асабліва пасля ўжывання ўбудаваных карэкціровак. Таму цяпер ім звычайна грэбуюць пры разліках SNR. Аднак PRNU ўсё яшчэ важны для некаторых камер і прыкладанняў і ўключаны ў больш складанае ўраўненне SNR для паўнаты. Гэта азначае, што прадстаўленыя ўраўненні карысныя для большасці сістэм CCD/CMOS, але не павінны разглядацца як універсальна прыдатныя.
Тыпы шуму ў разліках SNR
Разлік SNR — гэта не проста параўнанне сігналу з адным значэннем шуму. На практыцы на яго ўплываюць некалькі незалежных крыніц шуму, і разуменне іх вельмі важнае.
Шум стрэлу
● Паходжанне: статыстычнае прыбыццё фатонаў або электронаў.
● Маштабуецца з квадратным коранем з сігналу.
● Дамінуе ў візуалізацыі з абмежаваннем фатонаў (астраномія, флуарэсцэнтная мікраскапія).
Цеплавы шум
● Яго таксама называюць шумам Джонсана-Найквіста, ён узнікае з-за руху электронаў у рэзістары.
● Павялічваецца з тэмпературай і прапускной здольнасцю.
● Важны ў электроніцы і бесправадной сувязі.
Шум цёмнага току
● Выпадковае змяненне цёмнага току ўнутры датчыкаў.
● Больш значна пры працяглых экспазіцыях або цёплых дэтэктарах.
● Зніжаецца шляхам астуджэння датчыка.
Шум чытання
● Шум ад узмацняльнікаў і аналага-лічбавага пераўтварэння.
● Фіксавана для кожнага паказання, таму вельмі важна ў рэжымах нізкага сігналу.
Шум квантавання
● Уведзена шляхам лічбавізацыі (акругленне да дыскрэтных узроўняў).
● Важна ў сістэмах з нізкай бітавай глыбінёй (напрыклад, 8-бітнае аўдыё).
Шум навакольнага асяроддзя/сістэмы
● Электрамагнітныя перашкоды, перакрыжаваныя перашкоды, пульсацыі крыніцы харчавання.
● Можа дамінаваць, калі экранаванне/зазямленне дрэннае.
Разуменне таго, які з іх дамінуе, дапамагае выбраць правільную формулу і метад змякчэння наступстваў.
Тыповыя памылкі пры разліку SNR
Лёгка знайсці мноства «скарочаных» метадаў ацэнкі суадносін сігнал/шум пры візуалізацыі. Яны, як правіла, альбо менш складаныя, чым супрацьлеглыя ўраўненні, альбо дазваляюць лягчэй вывесці вынікі з самога малюнка, а не патрабуюць ведання параметраў камеры, такіх як шум чытання, альбо і тое, і другое. На жаль, верагодна, што кожны з гэтых метадаў няправільны і прывядзе да скажоных і некарысных вынікаў. Настойліва рэкамендуецца ва ўсіх выпадках выкарыстоўваць супрацьлеглыя ўраўненні (або пашыраную версію).
Сярод найбольш распаўсюджаных ілжывых цэтлікаў можна назваць:
1. Параўнанне інтэнсіўнасці сігналу з інтэнсіўнасцю фону ў шэрым колеры. Гэты падыход спрабуе ацаніць адчувальнасць камеры, сілу сігналу або суадносіны сігнал/шум шляхам параўнання пікавай інтэнсіўнасці з інтэнсіўнасцю фону. Гэты падыход мае сур'ёзныя недахопы, бо ўплыў зрушэння камеры можа адвольна ўсталёўваць інтэнсіўнасць фону, узмацненне можа адвольна ўсталёўваць інтэнсіўнасць сігналу, і ўклад шуму ні ў сігнал, ні ў фон не ўлічваецца.
2. Дзяленне пікаў сігналу на стандартнае адхіленне плошчы фонавых пікселяў. Або параўнанне пікавых значэнняў з візуальным шумам на фоне, які выяўляецца ў профілі лініі. Калі выказаць здагадку, што зрушэнне правільна аднімаецца ад значэнняў перад дзяленнем, найбольш істотнай небяспекай у гэтым падыходзе з'яўляецца наяўнасць фонавага святла. Любое фонавае святло звычайна будзе дамінаваць над шумам у фонавых пікселях. Акрамя таго, шум у сігнале, які цікавіць, напрыклад, дробавы шум, насамрэч зусім не ўлічваецца.
3. Сярэдні сігнал у пікселях, якія цікавяць, у параўнанні са стандартным адхіленнем значэнняў пікселяў: параўнанне або назіранне за тым, наколькі змяняецца пікавы сігнал паміж суседнімі пікселямі або паслядоўнымі кадрамі, бліжэй да карэктнасці, чым іншыя скарочаныя метады, але наўрад ці дапаможа пазбегнуць іншых уплываў, якія скажаюць значэнні, такіх як змяненне сігналу, якое не з'яўляецца вынікам шуму. Гэты метад таксама можа быць недакладным з-за невялікай колькасці пікселяў у параўнанні. Таксама нельга забываць пра адніманне значэння зрушэння.
4. Разлік SNR без пераўтварэння ў адзінкі інтэнсіўнасці фотаэлектронаў або без выдалення зрушэння: паколькі шум фатонаў звычайна з'яўляецца найбуйнейшай крыніцай шуму і абапіраецца на веданне зрушэння і ўзмацнення камеры для вымярэння, немагчыма пазбегнуць разліку назад да фотаэлектронаў для разлікаў SNR.
5. Ацэнка SNR на вока: Хоць у некаторых абставінах ацэнка або параўнанне SNR на вока можа быць карысным, ёсць і нечаканыя падводныя камяні. Ацаніць SNR у пікселях з высокім кантраснасцю можа быць складаней, чым у пікселях з нізкім кантраснасцю або фону. Больш тонкія эфекты таксама могуць адыгрываць пэўную ролю: напрыклад, розныя камп'ютэрныя маніторы могуць адлюстроўваць выявы з вельмі рознай кантраснасцю. Акрамя таго, адлюстраванне малюнкаў з рознымі ўзроўнямі маштабавання ў праграмным забеспячэнні можа істотна паўплываць на візуальны выгляд шуму. Гэта асабліва праблематычна пры спробе параўнаць камеры з рознымі памерамі пікселяў аб'ектнай прасторы. Нарэшце, наяўнасць фонавага святла можа зрабіць немагчымым візуальную ацэнку SNR.
Прымяненне SNR
Суадносіны сігнал/шум (SNR) — гэта ўніверсальны паказчык з шырокім спектрам прымянення:
● Запіс аўдыё і музыкі: вызначае выразнасць, дынамічны дыяпазон і дакладнасць запісаў.
● Бесправадная сувязь: SNR непасрэдна звязаны з частатой памылак у бітах (BER) і прапускной здольнасцю перадачы дадзеных.
● Навуковая візуалізацыя: у астраноміі выяўленне цьмяных зорак на фоне нябеснага свячэння патрабуе высокага суадносін сігнал/шум.
● Медыцынскае абсталяванне: ЭКГ, МРТ і КТ абапіраюцца на высокі ўзровень сігнал/шум для адрознення сігналаў ад фізіялагічнага шуму.
● Камеры і фатаграфія: як спажывецкія камеры, так і навуковыя CMOS-датчыкі выкарыстоўваюць SNR для параўнання прадукцыйнасці пры слабым асвятленні.
Паляпшэнне SNR
Паколькі суадносіны сігнал/шум (SNR) з'яўляецца настолькі важным паказчыкам, значныя намаганні прыкладаюцца для яго паляпшэння. Стратэгіі ўключаюць:
Апаратныя падыходы
● Выкарыстоўвайце лепшыя датчыкі з меншым цёмным токам.
● Для зніжэння электрамагнітных перашкод выкарыстоўвайце экранаванне і зазямленне.
● Астуджаныя дэтэктары для падаўлення цеплавога шуму.
Падыходы да праграмнага забеспячэння
● Ужывайце лічбавыя фільтры, каб выдаліць непажаданыя частоты.
● Выкарыстоўвайце сярэдняе значэнне па некалькіх кадрах.
● Выкарыстоўваць алгарытмы падаўлення шуму пры апрацоўцы малюнкаў або гуку.
Піксельны бінінг і яго ўплыў на сігнал/шум
Уплыў бінінгу на суадносіны сігнал/шум залежыць ад тэхналогіі камеры і паводзін датчыка, бо шумавая прадукцыйнасць бінінгаваных і небінаваных камер можа значна адрознівацца.
ПЗС-камеры могуць сумаваць зарад суседніх пікселяў «на чыпе». Шум счытвання ўзнікае толькі адзін раз, хоць сігнал цёмнага току ад кожнага пікселя таксама будзе падсумаваны.
Большасць CMOS-камер выконваюць пазачыпавае аб'яднанне, гэта значыць, што значэнні спачатку вымяраюцца (уводзіцца шум чытання), а затым сумуюцца ў лічбавым выглядзе. Шум чытання для такога сумавання павялічваецца шляхам памнажэння на квадратны корань з колькасці падсумаваных пікселяў, г.зн. у 2 разы для аб'яднання 2x2.
Паколькі шумавая паводзіны датчыкаў можа быць складанай, для колькасных ужыванняў мэтазгодна вымяраць зрушэнне, узмацненне і шум чытання камеры ў рэжыме бінарізацыі і выкарыстоўваць гэтыя значэнні для ўраўнення суадносін сігнал/шум.
Выснова
Каэфіцыент сігнал-шум (SNR) — адзін з найважнейшых паказчыкаў у навуцы, тэхніцы і тэхналогіях. Ад вызначэння выразнасці тэлефонных званкоў да магчымасці выяўлення аддаленых галактык, SNR з'яўляецца асновай якасці вымяральных і камунікацыйных сістэм. Авалоданне SNR — гэта не толькі запамінанне формул, але і разуменне здагадак, абмежаванняў і рэальных кампрамісаў. З гэтага пункту гледжання інжынеры і даследчыкі могуць рабіць больш надзейныя вымярэнні і распрацоўваць сістэмы, якія атрымліваюць значную інфармацыю нават ва ўмовах шуму.
Хочаце даведацца больш? Азнаёмцеся з падобнымі артыкуламі:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усе правы абаронены. Пры цытаванні, калі ласка, спасылайцеся на крыніцу:www.tucsen.com
