25/09/11Í öllum mælikerfum — allt frá þráðlausum samskiptum til stafrænnar ljósmyndunar — er merkis-til-suðhlutfallið (SNR) grundvallarviðmið um gæði. Hvort sem þú ert að greina myndir úr sjónauka, bæta upptökur úr hljóðnema eða leysa úr vandamálum í þráðlausri tengingu, þá segir SNR þér hversu margar gagnlegar upplýsingar skera sig úr óæskilegum bakgrunnshávaða.
En það er ekki alltaf einfalt að reikna út SNR rétt. Eftir því hvaða kerfi er um að ræða gæti þurft að taka tillit til viðbótarþátta eins og dökkstraums, lestrarsuðs eða pixlasamspilunar. Þessi handbók leiðir þig í gegnum kenninguna, grunnformúlurnar, algeng mistök, notkun og hagnýtar leiðir til að bæta SNR, sem tryggir að þú getir beitt því nákvæmlega í fjölbreyttum aðstæðum.
Hvað er merkis-til-hávaðahlutfall (SNR)?
Í kjarna sínum mælir merkis-til-suðhlutfallið sambandið milli styrks æskilegs merkis og bakgrunnshávaða sem skyggir á það.
● Merki = þær upplýsingar sem skipta máli (t.d. rödd í símtali, stjarna á mynd úr sjónauka).
● Hávaði = handahófskenndar, óæskilegar sveiflur sem afbaka eða fela merkið (t.d. stöðurafmagn, skynjarahávaði, rafmagnstruflanir).
Stærðfræðilega er SNR skilgreint sem:
Þar sem þessi hlutföll geta verið breytileg um margar stærðargráður er SNR venjulega gefið upp í desíbelum (dB):
● Hátt SNR (t.d. 40 dB): merkið er ráðandi, sem leiðir til skýrra og áreiðanlegra upplýsinga.
● Lágt SNR (t.d. 5 dB): hávaði yfirgnæfir merkið og gerir túlkun erfiða.
Hvernig á að reikna út SNR
Útreikningur á hlutfalli merkis og hávaða er hægt að framkvæma með mismunandi nákvæmni eftir því hvaða hávaðagjafar eru notaðir. Í þessum kafla verða tvær gerðir kynntar: önnur sem tekur tillit til myrkrastraums og hin sem gerir ráð fyrir að hægt sé að hunsa hann.
Athugið: Til að leggja saman óháð hávaðagildi þarf að leggja þau saman í ferhyrningi. Hver hávaðagjafi er settur í annað veldi, lagður saman og kvaðratrótin af heildinni er tekin.
Merkis-til-hávaðahlutfall með dökkum straumi
Eftirfarandi er jafnan sem á að nota í aðstæðum þar sem hávaði í myrkri straumi er nógu mikill til að þurfa að vera með:
Hér er skilgreining hugtakanna:
Merki (e-): Þetta er merkið sem um ræðir í ljósrafeindum, þar sem dökkstraumsmerkið er dregið frá.
Heildarmerkið (e-) verður fjöldi ljósrafeinda í viðkomandi pixli – stranglega ekki pixlagildið í einingum af gráum stigum. Annað tilvik merkisins (e-), neðst í jöfnunni, er ljóseindasuðurinn.
Myrkurstraumur (DC):Myrkurstraumsgildið fyrir þann pixil.
t: Útsetningartími í sekúndum
σr:Lesið hávaða í myndavélarstillingu.
Merkis-til-hávaðahlutfall fyrir hverfandi dökkstraum
Í tilfellum stuttra (< 1 sekúnda) lýsingartíma, auk kældra, afkastamikla myndavéla, verður suð frá myrkri straumi almennt langt undir lestrarsuði og því öruggt að hunsa hann.
Þar sem hugtök eru aftur eins og skilgreint er að ofan, með þeirri undantekningu að ekki þarf að reikna út myrkrastraumsmerkið og draga það frá merkinu þar sem það ætti að vera núll.
Takmarkanir þessara formúla og vantar liði
Formúlurnar á móti gefa aðeins rétt svör fyrir CCD ogCMOS myndavélarEMCCD og styrkt tæki kynna viðbótar hávaðagjafa, þannig að þessar jöfnur er ekki hægt að nota. Fyrir heildstæðari jöfnu fyrir hlutfall merkis og hávaða sem tekur tillit til þessara og annarra framlaga.
Annað hugtak sem almennt er notað (eða var áður notað) í SNR-jöfnum er óeðlileg ljóssvörunartíðni (e. photo-response none-uniformity, PRNU), stundum einnig kallað „fast mynstursuð“ (e. fixed pattern noise, FPN). Þetta táknar ójöfnu í mögnun og merkjasvörun yfir skynjarann, sem getur orðið ráðandi við há merki ef þau eru nógu stór, sem dregur úr SNR.
Þótt fyrri myndavélar hafi haft nægilega mikla PRNU til að krefjast þess að þær væru notaðar, þá voru flestar nútímalegarvísindamyndavélarhafa nægilega lágt PRNU til að vera langt undir framlagi ljóseindasuðs, sérstaklega eftir að leiðréttingar á innbyggðu ljósleiðarakerfinu hafa verið beitt. Því er það nú yfirleitt vanrækt í útreikningum á SNR. Hins vegar er PRNU enn mikilvægt fyrir sumar myndavélar og forrit og er tekið með í flóknari SNR jöfnuna til að tryggja heildstæðni. Þetta þýðir að jöfnurnar sem gefnar eru eru gagnlegar fyrir flest CCD/CMOS kerfi en ætti ekki að líta á þær sem alhliða nothæfar.
Tegundir hávaða í útreikningum á signal-snúningi
Að reikna út SNR snýst ekki bara um að bera saman merki við eitt suðgildi. Í reynd leggja margar óháðar suðgjafar sitt af mörkum og það er nauðsynlegt að skilja þær.
Skothljóð
● Uppruni: tölfræðileg komu ljóseinda eða rafeinda.
● Skalar með kvaðratrót merkisins.
● Ríkjandi í ljóseindatakmörkuðum myndgreiningum (stjörnufræði, flúrljómunarsmásjá).
Hitastig
● Það er einnig kallað Johnson-Nyquist hávaði, sem myndast við hreyfingu rafeinda í viðnámum.
● Eykst með hitastigi og bandvídd.
● Mikilvægt í rafeindatækni og þráðlausum samskiptum.
Myrkur straumur hávaði
● Handahófskennd breyting á myrkrastraumi innan skynjara.
● Meira áberandi við langa lýsingu eða með hlýjum skynjurum.
● Minnkað með kælingu skynjarans.
Lesa hávaða
● Hávaði frá magnurum og umbreytingu frá hliðrænum í stafræna hljóðnema.
● Fast gildi fyrir hverja útlestur, því mikilvægt við lágt merki.
Kvantunarhávaði
● Kynnt með stafrænni námundun (námundun að stakrænum stigum).
● Mikilvægt í kerfum með lága bita dýpt (t.d. 8-bita hljóð).
Umhverfis-/kerfishávaði
● EMS, krosshljóð, öldurót í aflgjafa.
● Getur ráðið ríkjum ef skjöldun/jarðtenging er léleg.
Að skilja hver þessara er ríkjandi hjálpar til við að velja rétta formúlu og mótvægisaðgerð.
Algeng mistök við útreikning á SNR
Það er auðvelt að rekast á margar „flýtileiðir“ til að meta hlutfall merkis og suðs í myndgreiningu. Þessar aðferðir eru yfirleitt annað hvort einfaldari en jöfnurnar á móti, auðveldari að leiða út frá myndinni sjálfri frekar en að krefjast þekkingar á myndavélarbreytum eins og lestrarsuði, eða báðar. Því miður er líklegt að hver og ein þessara aðferða sé röng og muni leiða til skekktra og gagnslausra niðurstaðna. Það er eindregið mælt með því að nota jöfnurnar á móti (eða þá ítarlegri útgáfu) í öllum tilvikum.
Sumar af algengustu fölsku flýtileiðunum eru meðal annars:
1. Samanburður á merkjastyrkleika og bakgrunnsstyrkleika, í gráum gildum. Þessi aðferð reynir að meta næmi myndavélar, merkjastyrk eða hlutfall merkis og suðs með því að bera saman hámarksstyrkleika og bakgrunnsstyrkleika. Þessi aðferð er mjög gölluð þar sem áhrif fráviks myndavélarinnar geta stillt bakgrunnsstyrkleika handahófskennt, áhrif mögnunar geta stillt merkjastyrkleika handahófskennt og engin framlag suðs, hvorki í merki né bakgrunni, er tekið tillit til.
2. Að deila merkjatoppum með staðalfráviki svæðis af bakgrunnspixlum. Eða að bera saman toppgildi við sjónrænt hávaða í bakgrunni sem línusnið sýnir. Að því gefnu að frávikið sé rétt dregið frá gildunum fyrir deilingu, þá er helsta hættan við þessa aðferð tilvist bakgrunnsljóss. Allt bakgrunnsljós mun venjulega ráða ríkjum yfir hávaðanum í bakgrunnspixlunum. Ennfremur er hávaðinn í merkinu sem um ræðir, svo sem skothávaði, í raun alls ekki tekinn með í reikninginn.
3. Meðaltalsmerki í áhugaverðum pixlum samanborið við staðalfrávik pixlagilda: Að bera saman eða fylgjast með því hversu mikið hámarksmerki breytist yfir nálæga pixla eða ramma í röð er nær því að vera réttara en aðrar flýtileiðir, en það er ólíklegt að það komi í veg fyrir önnur áhrif sem skekkja gildi, svo sem breytingu á merkinu sem stafar ekki af suð. Þessi aðferð getur einnig verið ónákvæm vegna lágs pixlafjölda í samanburðinum. Einnig má ekki gleyma frádrætti fráviksgildis.
4. Útreikningur á SNR án þess að umbreyta í styrkleikaeiningar ljósrafeinda eða án þess að fjarlægja frávikið: Þar sem hávaði frá ljóseindarskoti er yfirleitt stærsta hávaðagjafinn og byggir á þekkingu á fráviki og styrk myndavélarinnar til mælinga, er ekki hægt að forðast að reikna aftur til ljósrafeinda fyrir SNR útreikninga.
5. Að meta SNR með augum: Þó að í sumum tilvikum geti verið gagnlegt að meta eða bera saman SNR með augum, þá eru einnig óvæntar gildrur. Að meta SNR í pixlum með háu gildi getur verið erfiðara en í pixlum með lágu gildi eða bakgrunni. Fínlegri áhrif geta einnig gegnt hlutverki: Til dæmis geta mismunandi tölvuskjáir birt myndir með mjög mismunandi birtuskilum. Ennfremur getur birting mynda með mismunandi aðdráttarstigi í hugbúnaði haft veruleg áhrif á sjónrænt útlit suðs. Þetta er sérstaklega vandasamt ef reynt er að bera saman myndavélar með mismunandi pixlastærðir í hlutarýmd. Að lokum getur nærvera bakgrunnsljóss ógilt allar tilraunir til að meta SNR sjónrænt.
Notkun SNR
SNR er alhliða mælikvarði með víðtæk notkunarsvið:
● Hljóð- og tónlistarupptaka: Ákvarðar skýrleika, kraftmikið svið og nákvæmni upptöku.
● Þráðlaus samskipti: SNR tengist beint bitavillutíðni (BER) og gagnaflutningshraða.
● Vísindaleg myndgreining: Í stjörnufræði krefst það mikils signal-snúnings (SNR) til að greina daufar stjörnur á móti bakgrunnsglóa himinsins.
● Lækningatæki: Hjartalínurit, segulómun og tölvusneiðmyndir nota hátt signal-suð (SNR) til að greina á milli merkja og lífeðlisfræðilegs hávaða.
● Myndavélar og ljósmyndun: Neytendamyndavélar og vísindalegir CMOS-skynjarar nota bæði SNR til að meta afköst í litlu ljósi.
Að bæta snúningshraði (SNR)
Þar sem SNR er svo mikilvæg mælikvarði er veruleg vinna lögð í að bæta hann. Aðferðirnar eru meðal annars:
Vélbúnaðaraðferðir
● Notið betri skynjara með lægri dökkstraumi.
● Notið skjöldun og jarðtengingu til að draga úr rafsegultruflunum.
● Kælir skynjarar til að bæla niður hitauppstreymi.
Hugbúnaðaraðferðir
● Notið stafrænar síur til að fjarlægja óæskilegar tíðnir.
● Notið meðaltal yfir marga ramma.
● Nota reiknirit til að draga úr hávaða í myndvinnslu eða hljóðvinnslu.
Pixlasamruni og áhrif þess á SNR
Áhrif binning á hlutfall merkis og suðs veltur á myndavélatækni og hegðun skynjara, þar sem suðframmistaða binn- og óbinn-myndavéla getur verið mjög mismunandi.
CCD myndavélar geta lagt saman hleðslu aðliggjandi pixla „á örgjörvanum“. Lestrarsuðinn kemur aðeins fram einu sinni, þó að dökkstraumsmerkið frá hverjum pixli verði einnig lagt saman.
Flestar CMOS myndavélar framkvæma utanflögu-samruna, sem þýðir að gildi eru fyrst mæld (og lestrarsuð kynntur) og síðan lögð saman stafrænt. Lestrarsuðinn fyrir slíkar samruna eykst með margföldun með kvaðratrótinni af fjölda samanlagðra pixla, þ.e. um þáttinn 2 fyrir 2x2 samruna.
Þar sem hegðun suðs í skynjurum getur verið flókin, er ráðlegt, fyrir megindlega notkun, að mæla offset, gain og lessuð myndavélarinnar í binned mode og nota þessi gildi fyrir jöfnu á merkis-til-suða hlutfallinu.
Niðurstaða
Merkis-hávaðahlutfallið (SNR) er einn mikilvægasti mælikvarðinn í vísindum, verkfræði og tækni. SNR leggur grunn að gæðum mæli- og samskiptakerfa, allt frá því að skilgreina skýrleika í símtölum til að gera kleift að greina fjarlægar vetrarbrautir. Að ná tökum á SNR snýst ekki bara um að leggja á minnið formúlur - það snýst um að skilja forsendur, takmarkanir og raunverulegar málamiðlanir. Frá þessu sjónarhorni geta verkfræðingar og vísindamenn gert áreiðanlegri mælingar og hannað kerfi sem draga fram marktæka innsýn jafnvel við hávaðasamar aðstæður.
Viltu læra meira? Skoðaðu tengdar greinar:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Allur réttur áskilinn. Vinsamlegast getið heimildar þegar vitnað er í:www.tucsen.com
