25/09/11In elk meetsysteem – van draadloze communicatie tot digitale fotografie – is de signaal-ruisverhouding (SNR) een fundamentele maatstaf voor kwaliteit. Of u nu telescoopbeelden analyseert, microfoonopnames verbetert of een draadloze verbinding verhelpt, SNR geeft aan hoeveel nuttige informatie zich onderscheidt van ongewenste achtergrondruis.
Maar het correct berekenen van signaal-ruisverhouding (SNR) is niet altijd eenvoudig. Afhankelijk van het systeem moeten mogelijk aanvullende factoren zoals donkerstroom, leesruis of pixelbinning in overweging worden genomen. Deze gids leidt u door de theorie, kernformules, veelvoorkomende fouten, toepassingen en praktische manieren om signaal-ruisverhouding (SNR) te verbeteren, zodat u deze nauwkeurig kunt toepassen in een breed scala aan contexten.
Wat is signaal-ruisverhouding (SNR)?
De signaal-ruisverhouding meet in essentie de verhouding tussen de sterkte van een gewenst signaal en de achtergrondruis die dat signaal hindert.
● Signaal = de betekenisvolle informatie (bijvoorbeeld een stem in een gesprek, een ster op een telescoopafbeelding).
● Ruis = willekeurige, ongewenste schommelingen die het signaal vervormen of verbergen (bijv. ruis, sensorruis, elektrische interferentie).
Wiskundig gezien wordt SNR als volgt gedefinieerd:
Omdat deze verhoudingen binnen vele ordes van grootte kunnen variëren, wordt de signaal-ruisverhouding (SNR) gewoonlijk uitgedrukt in decibel (dB):
● Hoge SNR (bijv. 40 dB): het signaal domineert, wat resulteert in duidelijke en betrouwbare informatie.
● Lage signaal-ruisverhouding (bijv. 5 dB): ruis overstemt het signaal, waardoor interpretatie moeilijk wordt.
Hoe de signaal-ruisverhouding (SNR) te berekenen
De berekening van de signaal-ruisverhouding kan met verschillende precisieniveaus worden uitgevoerd, afhankelijk van de ruisbronnen die worden meegenomen. In deze sectie worden twee berekeningsmethoden geïntroduceerd: een die rekening houdt met donkerstroom en een die ervan uitgaat dat deze verwaarloosbaar is.
Let op: Het optellen van onafhankelijke ruiswaarden vereist het optellen ervan in kwadratuur. Elke ruisbron wordt gekwadrateerd, opgeteld en de wortel van het totaal wordt getrokken.
Signaal-ruisverhouding met donkerstroom
De volgende vergelijking moet worden gebruikt in situaties waarin de donkerstroomruis groot genoeg is om opname ervan te vereisen:
Hier is de definitie van termen:
Signaal (e-): Dit is het signaal van belang in foto-elektronen, waarbij het donkerstroomsignaal is afgetrokken
Het totale signaal (e-) is het aantal foto-elektronen in de betreffende pixel – strikt genomen niet de pixelwaarde in grijstinten. De tweede instantie van het signaal (e-), onderaan de vergelijking, is de fotonshotruis.
Donkere stroom (DC):De donkerstroomwaarde voor die pixel.
t: Belichtingstijd in seconden
σr:Lees ruis in de cameramodus.
Signaal-ruisverhouding voor verwaarloosbare donkerstroom
In de gevallen van korte (Bij belichtingstijden van < 1 seconde) en gekoelde, hoogwaardige camera's ligt de donkerstroomruis doorgaans aanzienlijk lager dan de leesruis en kan deze gerust worden verwaarloosd.
Hierbij gelden wederom de hierboven gedefinieerde termen, met dien verstande dat het donkerstroomsignaal niet berekend hoeft te worden en van het signaal afgetrokken hoeft te worden, aangezien dit gelijk moet zijn aan nul.
Beperkingen van deze formules en ontbrekende termen
De formules hiernaast geven alleen correcte antwoorden voor CCD enCMOS-camera'sEMCCD en versterkte apparaten introduceren extra ruisbronnen, waardoor deze vergelijkingen niet kunnen worden gebruikt. Zie voor een completere signaal-ruisverhoudingsvergelijking die rekening houdt met deze en andere bijdragen.
Een andere ruisterm die vaak wordt (of werd) gebruikt in signaal-ruisverhoudingsvergelijkingen, is de fotorespons-nonuniformiteit (PRNU), soms ook wel 'vaste patroonruis' (FPN) genoemd. Dit staat voor de ongelijkmatigheid van de versterking en de signaalrespons over de sensor, die bij hoge signalen, indien groot genoeg, dominant kan worden en de signaal-ruisverhouding kan verlagen.
Terwijl de eerste camera's een PRNU hadden die groot genoeg was om de opname ervan te vereisen, hebben de meeste moderne camera's een PRNU die groot genoeg is om de opname ervan te vereisen.wetenschappelijke camera'shebben een voldoende lage PRNU om een bijdrage te leveren die ver onder die van fotonschotruis ligt, vooral nadat on-board correcties zijn toegepast. Het wordt daarom tegenwoordig meestal verwaarloosd in signaal-ruisverhouding (SNR). PRNU is echter nog steeds belangrijk voor sommige camera's en toepassingen en is voor de volledigheid opgenomen in de meer geavanceerde SNR-vergelijking. Dit betekent dat de vergelijkingen bruikbaar zijn voor de meeste CCD/CMOS-systemen, maar niet als universeel toepasbaar moeten worden beschouwd.
Soorten ruis in signaal-ruisverhoudingberekeningen
Het berekenen van signaal-ruisverhouding (SNR) gaat niet alleen over het vergelijken van een signaal met één ruiswaarde. In de praktijk spelen meerdere onafhankelijke ruisbronnen een rol, en het is essentieel om deze te begrijpen.
Schotgeluid
● Oorsprong: statistische aankomst van fotonen of elektronen.
● Schaalt met de vierkantswortel van het signaal.
● Dominant in foton-gelimiteerde beeldvorming (astronomie, fluorescentiemicroscopie).
Thermische ruis
● Het wordt ook wel Johnson-Nyquist-ruis genoemd en wordt geproduceerd door de beweging van elektronen in weerstanden.
● Neemt toe met temperatuur en bandbreedte.
● Belangrijk in elektronica en draadloze communicatie.
Donkere stroomruis
● Willekeurige variatie in donkere stroom binnen sensoren.
● Belangrijker bij lange belichtingen of warme detectoren.
● Verminderd door het koelen van de sensor.
Leesruis
● Ruis van versterkers en analoog-naar-digitaal-conversie.
● Vast per uitlezing, dus cruciaal in situaties met weinig signaal.
Kwantiseringsruis
● Geïntroduceerd door digitalisering (afronding naar discrete niveaus).
● Belangrijk bij systemen met een lage bitdiepte (bijv. 8-bits audio).
Omgevings-/systeemruis
● EMI, overspraak, rimpel in de voeding.
● Kan overheersen als de afscherming/aarding slecht is.
Als u begrijpt welke van deze factoren dominant is, kunt u beter de juiste formule en mitigatiemethode kiezen.
Veelvoorkomende fouten bij het berekenen van signaal-ruisverhouding (SNR)
Er zijn gemakkelijk veel 'sneltoetsen' te vinden om de signaal-ruisverhouding in beeldvorming te schatten. Deze zijn meestal minder complex dan de vergelijkingen hiernaast, maken een eenvoudigere afleiding van een afbeelding zelf mogelijk in plaats van kennis van cameraparameters zoals leesruis te vereisen, of beide. Helaas is de kans groot dat elk van deze methoden onjuist is en tot vertekende en nutteloze resultaten leidt. Het is sterk aan te raden om in alle gevallen de vergelijkingen hiernaast (of de geavanceerde versie) te gebruiken.
Enkele van de meest voorkomende valse snelkoppelingen zijn:
1. Vergelijking van signaalintensiteit met achtergrondintensiteit, in grijstinten. Deze aanpak probeert de cameragevoeligheid, signaalsterkte of signaal-ruisverhouding te beoordelen door een piekintensiteit te vergelijken met een achtergrondintensiteit. Deze aanpak is ernstig gebrekkig, omdat de invloed van camera-offset willekeurig de achtergrondintensiteit kan bepalen, de versterking willekeurig de signaalintensiteit kan bepalen en er geen rekening wordt gehouden met de bijdrage van ruis in het signaal of de achtergrond.
2. Het delen van signaalpieken door de standaarddeviatie van een gebied met achtergrondpixels. Of het vergelijken van piekwaarden met de visuele ruis op de achtergrond, zoals zichtbaar is in een lijnprofiel. Ervan uitgaande dat de offset correct wordt afgetrokken van de waarden vóór de deling, is het grootste gevaar bij deze aanpak de aanwezigheid van achtergrondlicht. Achtergrondlicht zal doorgaans de ruis in achtergrondpixels domineren. Bovendien wordt de ruis in het betreffende signaal, zoals schotruis, helemaal niet meegenomen.
3. Gemiddeld signaal in relevante pixels versus standaarddeviatie van pixelwaarden: Het vergelijken of observeren van de mate waarin een pieksignaal verandert tussen aangrenzende pixels of opeenvolgende frames, komt dichter bij de nauwkeurigheid dan andere snelle methoden, maar het is onwaarschijnlijk dat andere invloeden die de waarden vervormen, zoals een verandering in het signaal die niet door ruis wordt veroorzaakt, worden vermeden. Deze methode kan ook onnauwkeurig zijn vanwege een laag aantal pixels in de vergelijking. Ook het aftrekken van de offsetwaarde mag niet worden vergeten.
4. Het berekenen van de signaal-ruisverhouding (SNR) zonder omzetting naar intensiteitseenheden van foto-elektronen, of zonder verwijdering van de offset: Omdat fotonschotruis doorgaans de grootste ruisbron is en afhankelijk is van kennis van de offset en versterking van de camera voor de meting, is het niet mogelijk om bij SNR-berekeningen de berekening terug te voeren op foto-elektronen.
5. Signaal-ruisverhouding (SNR) op het oog beoordelen: Hoewel het in sommige gevallen nuttig kan zijn om signaal-ruisverhouding (SNR) op het oog te beoordelen of te vergelijken, zijn er ook onverwachte valkuilen. Het beoordelen van signaal-ruisverhouding (SNR) bij pixels met een hoge waarde kan lastiger zijn dan bij pixels met een lagere waarde of bij pixels op de achtergrond. Subtielere effecten kunnen ook een rol spelen: verschillende computermonitoren kunnen bijvoorbeeld beelden met een zeer verschillend contrast weergeven. Bovendien kan het weergeven van beelden met verschillende zoomniveaus in software de visuele ruis aanzienlijk beïnvloeden. Dit is vooral problematisch bij het vergelijken van camera's met verschillende pixelgroottes in de objectruimte. Ten slotte kan de aanwezigheid van achtergrondlicht elke poging tot visuele beoordeling van signaal-ruisverhouding tenietdoen.
Toepassingen van SNR
SNR is een universele metriek met een breed scala aan toepassingen:
● Audio- en muziekopname: bepaalt de helderheid, het dynamische bereik en de getrouwheid van opnamen.
● Draadloze communicatie: SNR is direct gerelateerd aan bit error rates (BER) en datadoorvoer.
● Wetenschappelijke beeldvorming: in de astronomie is voor het detecteren van zwakke sterren tegen de achtergrond van de hemel een hoge signaal-ruisverhouding vereist.
● Medische apparatuur: ECG-, MRI- en CT-scans zijn afhankelijk van een hoge signaal-ruisverhouding om signalen van fysiologische ruis te kunnen onderscheiden.
● Camera's en fotografie: zowel consumentencamera's als wetenschappelijke CMOS-sensoren gebruiken signaal-ruisverhouding (SNR) om de prestaties bij weinig licht te meten.
Verbetering van de signaal-ruisverhouding
Omdat signaal-ruisverhouding (SNR) zo'n cruciale maatstaf is, wordt er veel moeite gedaan om deze te verbeteren. Strategieën omvatten:
Hardware-benaderingen
● Gebruik betere sensoren met een lagere donkerstroom.
● Pas afscherming en aarding toe om EMI te verminderen.
● Koele detectoren om thermische ruis te onderdrukken.
Software-benaderingen
● Pas digitale filters toe om ongewenste frequenties te verwijderen.
● Gebruik gemiddelden over meerdere frames.
● Gebruik algoritmen voor ruisonderdrukking bij beeld- of audioverwerking.
Pixelbinning en het effect ervan op signaal-ruisverhouding
Het effect van binning op de signaal-ruisverhouding hangt af van de cameratechnologie en het sensorgedrag, aangezien de ruisprestaties van camera's met en zonder binning aanzienlijk kunnen verschillen.
CCD-camera's kunnen de lading van aangrenzende pixels 'op de chip' optellen. De uitleesruis wordt slechts één keer gegenereerd, hoewel het donkerstroomsignaal van elke pixel ook wordt opgeteld.
De meeste CMOS-camera's gebruiken off-chip binning, wat betekent dat de waarden eerst worden gemeten (er wordt leesruis toegevoegd) en vervolgens digitaal worden opgeteld. De leesruis voor dergelijke optellingen neemt toe door vermenigvuldiging met de wortel van het aantal opgetelde pixels, d.w.z. met een factor 2 voor 2x2 binning.
Omdat het ruisgedrag van sensoren complex kan zijn, is het voor kwantitatieve toepassingen raadzaam om de offset, versterking en leesruis van de camera in de binned-modus te meten en deze waarden te gebruiken voor de signaal-ruisverhoudingsvergelijking.
Conclusie
De signaal-ruisverhouding (SNR) is een van de belangrijkste meetwaarden in wetenschap, techniek en technologie. Van het definiëren van helderheid in telefoongesprekken tot het mogelijk maken van de detectie van verre sterrenstelsels, SNR is essentieel voor de kwaliteit van meet- en communicatiesystemen. Het beheersen van SNR gaat niet alleen over het onthouden van formules – het gaat over het begrijpen van aannames, beperkingen en praktische afwegingen. Vanuit dit perspectief kunnen ingenieurs en onderzoekers betrouwbaardere metingen doen en systemen ontwerpen die zelfs in rumoerige omstandigheden zinvolle inzichten opleveren.
Meer weten? Bekijk dan ook eens de gerelateerde artikelen:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rechten voorbehouden. Vermeld bij het citeren de bron:www.tucsen.com
