Какая чувствительность нужна камере видеонаблюдения?
Какая чувствительность нужна камере видеонаблюдения?
Чувствительность и динамический диапазон
Чувствительность камеры это минимальная освещённость объекта наблюдения выраженная в люксах, позволяющая получать результирующее изображение с допустимым уровнем шумов. Чем данный параметр ниже – тем лучше камера «видит» в ночное время при прочих равных условиях.
Уровни освещённости
> темная облачная ночь — 0.0001 Лк
> безлунное звездное небо — 0.001 Лк
> четверть Луны — 0,01 Лк
> полнолуние — 0,1 Лк
> уличное освещение — 1-10 Лк
> искусственное освещение — 100-1000 Лк
> пасмурный день — 100-10000 Лк
> частичная облачность — 10000 — 100000 Лк
Совет> Подбирать чувствительность камеры следует в зависимости от того, в каких условиях освещения она будет работать. Если это круглосуточно освещаемый объект, то нет необходимости в камере с чувствительностью 0,001 Лк – ведь она раскроет свой потенциал только в условиях почти полной темноты.
Лучше потратиться на камеры с повышенным разрешением.
Примером видеокамер с высокой чувствительностью могут служить камеры серии ColorVu от Hikvision. Производитель заявляет чувствительность данных видеокамер равную 0,0005 Лк.
Чем выше динамический диапазон камеры, тем в большем диапазоне освещения камера может работать и правильно передавать яркость объекта и полутени. Другими словами, камера с низким динамическим диапазоном часто передаёт светло-серый цвет как белый, а тёмно-серый как чёрный.
Камеры с повышенным динамическим диапазоном в 120 – 140 dB не только хорошо передают оттенки серого (например детали объектов находящихся в тени) и яркие объекты (такие как облака на фоне яркого неба), но также меньше боятся встречной засветки по сравнению с камерами у которых данный показатель менее 120 dB.
Тест 4-х HDCVI видеокамер Dahua в условиях ночной съёмки: DH-HAC-HFW1200RP-S3, DH-HAC-HFW1220RP-S3, DH-HAC-HFW2241TP-I8-A, DH-HAC-HFW2249TP-I8-A
youtube.com/embed/56ucbEJ1aAk» frameborder=»0″ allow=»accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture» allowfullscreen=»allowfullscreen»> Технологии для ночной съёмки
В настоящее время применяется ряд технологий направленных на улучшение передачи тёмных областей кадра. Это и накопление заряда – режим очень больших выдержек, который к сожалению не совместим с качественной передачей движущихся объектов, а также применение в камерах матриц с задней подсветкой типа Sony Starvis.
Один из способов улучшить съёмку в ночное время используется в камерах ColorVu Hikvision и Full Color Dahua. Это применение улучшенных объективов с апертурой 1.0 в комплексе с высокочувствительными сенсорами и LED подсветкой видимым белым светом.
Читайте также:
2,8мм, 3,6мм, 6мм.
..Какой объектив камеры видеонаблюдения выбрать?
Видеодомофон и электрозамок: выбор кабеля и правила монтажа
Как правильно прокладывать кабель для видеонаблюдения?
Как установить видеонаблюдение самостоятельно?
Оценка чувствительности видеокамер: «маленькие хитрости» производителей
В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Чувствительность камер наблюдения наряду с их разрешением является основополагающим параметром – он показывает способность видеокамеры обеспечивать удовлетворительное изображение при всем многообразии условий естественного и искусственного освещения. Непрерывной борьбой за улучшение этого параметра отмечен весь путь развития видеосенсоров, поскольку именно чувствительность самого приемника изображения и видеосенсора определяет эту характеристику видеокамеры
Николай Чура
Технический консультант компании «Фирма «Видеоскан»
Особенно сложной стало достижение высокой чувствительности видеокамеры с минимизацией форматов матриц (сенсоров) при одновременном росте разрешения изображения (числа пикселей).
Тотальный переход с технологии CCD на более эффективную и экономичную CMOS только усугубил эти проблемы.
Типовое нормирование чувствительности видеокамер
Традиционно чувствительность камер наблюдения нормируется величиной освещенности на матрице или на объекте для получения определенного уровня видеосигнала. Обычно это 50 или 30 IRE (50 или 30%) от номинального уровня 100 IRE, эквивалентного 0,7 В при стандартном значении синхроимпульсов 0,3 В. При этом предполагается, что черные и белые полосы измерительной таблицы имеют коэффициенты отражения не более 0,1 и не менее 0,9 соответственно. При нормировании чувствительности на объекте необходимо указать относительное отверстие или F-число используемого объектива. Обычно величины чувствительности для матрицы и объекта различаются почти на порядок.
В мировой практике более популярной является характеристика минимальной освещенности, при которой камера обеспечивает заданное качество изображения или то, о чем упоминалось выше.
В первом приближении эту характеристику можно считать эквивалентной чувствительности, которая была более популярна в российской индустрии видеонаблюдения, особенно в первые 10–15 лет ее развития.
Источник освещения и ИК-коррекция
Самое главное – чувствительность оценивалась при освещении объекта лампами накаливания с цветовой температурой 3200 К и обязательным использованием на матрице или объективе срезающего ИК-фильтра. Для традиционного телевидения это называлось ИК-коррекцией и обеспечивало высокую четкость типовой оптики и стандартную цветопередачу цветного изображения.
Можно обратить внимание на то, что термин «ИК-коррекция» в последнее десятилетие поменял свое значение на противоположное. Теперь он означает именно расширение спектрального диапазона чувствительности в ИК-область освещения как для камеры, так и для оптики.
Для аналоговых камер оценить чувствительность достаточно просто, имея типовой осциллограф с полосой 5–10 МГц и кустарную таблицу с вертикальными полосами, выполненными черной тушью на ватмане.
С переходом на цифровые системы IP, HD-SDI и EX-SDI понятие уровня сигнала как критерия яркости и контраста изображения потеряло смысл. Теперь эти параметры можно оценить только с помощью специального оборудования. Оценка же изображения визуально по монитору на видеовыходе системы чревата ошибками из-за влияния амплитудной характеристики тракта и субъективности оценки контраста таблицы, даже при использовании фотометрических устройств для оценки яркости фрагментов изображения.
Современные проблемы с представлением чувствительности
Со временем важнейшие условия оценки и нормирования чувствительности стали игнорироваться. Например, не всегда указывается уровень получаемого сигнала при 90% модуляции и F-число объектива. Достаточно часто дается чувствительность камеры при включенной автоматической регулировке усиления (АРУ) при одновременном отсутствии данных о ее максимальной глубине.
Широко известные и популярные в свое время камеры Vatec также нормировались по чувствительности с включенной АРУ.
Однако каждому значению переключаемой максимальной АРУ давался свой конкретный показатель чувствительности.
Зачастую в современных камерах по умолчанию используется небольшое накопление по времени (DSS x 2–4), к тому же не всегда отключаемое. И это, к сожалению, подчас не находит отражение в технических характеристиках. Многие владельцы смартфонов хорошо знакомы с эффектом накопления, когда при недостаточном освещении изображение от камеры смазывается как при движении объекта, так и при смещении самого гаджета.
Эти «маленькие хитрости» позволяют увеличивать заявляемое значение чувствительности или минимальной рабочей освещенности видеокамеры. Разумеется, в данном процессе самым мощным средством является стремление менеджмента представить свой товар лучше прочих. И здесь пределов практически нет. Мы уже добрались до десятитысячных и стотысячных долей люкса.
Объективные причины завышения чувствительности
Еще в конце 1990-х гг. ряд российских специалистов (еще советской школы и опыта ВПК) во многих публикациях убедительно показали, что даже при заявленной чувствительности порядка 0,01 лк на типовой тогда пиксель от 70 кв.
мкм (1/2″) до 40 кв. мкм (1/3″) могло приходиться не более нескольких фотонов. А ведь уже в то время квантовая эффективность фотоприемников была практически максимально возможной. Площадь же пикселей с ростом разрешения и уменьшением форматов только сокращалась и сейчас редко превышает 9 или даже 2 кв. мкм. Конечно, оптимизация конструкции матрицы (HAD, Super HAD и Exview HAD в CCD и Exmor, BSI или STARVIS в CMOS) несколько увеличила эффективность преобразования света в электрический сигнал. Но здесь речь может идти о разах, а не о порядках. Это подтверждают величины удельных чувствительностей матриц для разных технологий, полученные расчетным путем из данных производителей сенсоров и представленные в таблице.
Основной фактор увеличения чувствительности сенсоров и телекамер
Современный выигрыш в чувствительности мы должны отнести в основном за счет расширения спектрального диапазона в область ИК-излучения. И здесь нет смысла говорить о видимом свете и освещенности в люксах.
При этом мы использовали несколько противоречивое сочетание «видимый свет», поскольку свет может быть только видимым.
Более того, все светотехнические единицы жестко привязаны к реакции человеческого глаза, а значит и к его спектральной характеристике чувствительности или кривой видности глаза. Соответственно, измеритель освещенности должен иметь (и, как правило, имеет) близкую глазу спектральную характеристику.
На заре развития телевидения аналоговые люксметры редко имели нижний диапазон измерения освещенности менее нескольких люксов, в результате и чувствительность не превышала десятых долей люкса. Изготавливались подобные люксметры на основе селеновых фотоэлементов. Спектральная характеристика их чувствительности в целом была подобна кривой видности глаза и если и требовала коррекции, то лишь в области ближнего ультрафиолета. Это видно на рис. 1. Применялись подобные приборы в основном для оценки освещенности на рабочих местах или на телевидении и в кинематографе, где требуемые освещенности достаточно велики.
Прямая оценка чувствительности типовым методом
При прямой оценке чувствительности все более усовершенствованных видеокамер применялись нейтральные стеклянные светофильтры серии НС, чтобы снизить освещенность матрицы до требуемых предельных значений. Однако указанные светофильтры нормированы по пропусканию света исключительно в видимом диапазоне. Это наглядно видно по типовым характеристикам пропускания этих фильтров, приведенных на рис 2.
Нас интересует прежде всего ближняя ИК-область до 1000 нм практической границы чувствительности телекамер. На графиках наглядно показано, что поглощение фильтров для излучения более 700 нм существенно уменьшается. (Как, впрочем, и в ближнем ультрафиолетовом диапазоне выше 400 нм.) Именно этот эффект, по мнению уже упомянутых специалистов, был причиной совершенно нереального завышения чувствительности или минимальной освещенности для камер наблюдения. Другими словами, чувствительность в люксах на самом деле соответствует комплексной чувствительности в люксах (видимый диапазон) и в ваттах на единицу площади для ближнего ИК-диапазона.
Изображение от ИК или видимого света: какая разница?
Потребителю, строго говоря, неважно, каким излучением (видимым или ИК) строится изображение, особенно если это изображение черно-белое. А в современных камерах при недостаточной освещенности оно почти всегда черно-белое благодаря режиму «день/ночь». Естественно, предполагается, что это режим с подвижным срезающим ИК-фильтром (ICR или IRC). К счастью, из-за существенного упрощения и удешевления подобных устройств такой режим применяется почти повсеместно, за исключением разве что совсем миниатюрных камер.
Однако при использовании камер с чувствительностью в ближнем ИК-диапазоне подразумевается, что данное излучение присутствует. При ИК-подсветке, отдельной или встроенной, это обеспечивает большую дальность наблюдения.
Кстати, в технических характеристиках видеокамер можно встретить нулевую чувствительность или минимальную освещенность. Если в первом случае это полный абсурд, поскольку чувствительность является внутренним параметром камеры, которым она обладает и с закрытой крышкой объектива, то во втором это говорит о наличии собственной подсветки, для которой всегда должна указываться дальность наблюдения.
Всегда ли помогает ИК-чувствительность?
При естественных условиях наличие ИК-чувствительности проявляется несколько иначе в связи с недостаточной интенсивностью природного фонового ИК-излучения. Реальным единственным источником света в ночных условиях можно считать только Луну с отраженным солнечным светом.
При этом освещенность варьируется в зависимости от фазы Луны, географического места и погодных условий. Изменения максимальной освещенности от фазы Луны представлены на рис. 3, а спектральный состав – на рис. 4. Примечательно, что в основном это излучение является видимым.
В городах, а теперь и в небольших населенных пунктах можно рассчитывать на рассеянное уличное освещение. Однако в настоящее время произошло существенное изменение типов осветителей. Практически перестали применяться тепловые источники (лампы накаливания и галогенные осветители), которые одновременно являлись мощными источниками ИК-излучения.
Повсеместно стали использоваться газоразрядные осветители (ртутные, натриевые, металлогалогеновые и ксеноновые лампы). Все более широко устанавливаются светодиодные осветители и прожекторы, а все эти устройства почти полностью лишены ИК-составляющей в излучении. Поэтому ИК-чувствительность в видеокамере не будет использована. Для справки на рис. 5 приведены примерные спектры вышеупомянутых осветителей.
К сожалению, чувствительность видеокамеры наблюдения в ИК-области, если она не имеет встроенную ИК-подсветку, совершенно неизвестна пользователю и упоминается в характеристиках на уровне «есть/нет».
Как при прямых измерениях можно сильно ошибиться
Многие современные производители, приводя величины чувствительности или минимальной освещенности, исходят из прямых экспериментальных измерений освещенности. Они производятся чувствительным цифровым люксметром, поэтому проблемы с неравномерным пропусканием фильтров уже не могут влиять на результаты.
Но остается все тот же источник освещения – лампа накаливания. Причем для регулировки освещенности используется типовой диммер, изменяющий средний ток накала ламп. Инфракрасная составляющая, естественно, весьма высока. В конечном итоге типовая лампочка отдает в видимый свет лишь 4%, а спектральный максимум излучения лежит в диапазоне от 943 нм для типовых ламп накаливания с температурой 2800 °С до 885 нм для галогеновых ламп. Понятно, что все эти осветители являются «позавчерашним днем». Однако чувствительность сенсоров до сих пор указывается для тепловых источников света с температурой 3200 К. По всей видимости, это удобнее, учитывая большую любовь производителей сенсоров и камер к инфракрасному диапазону, когда он описывается люксами.
Для примера на рис. 6 приведено изображение стоп-кадра, полученного на испытаниях видеокамеры известного южнокорейского бренда. Внизу монитора расположен цифровой люксметр, датчик которого размещен рядом с телевизионной таблицей, видной на экране монитора.
Таблица установлена в темной комнате и освещается регулируемыми с помощью диммера лампами накаливания. Этот видеоматериал должен был доказать реальность полученной чувствительности в тысячные доли люкса.
Для сравнения на рис. 7 показаны изображения от подобной видеокамеры (CMOS FullHD), размещенной в темной камере. Освещение обеспечивается регулируемым светодиодным осветителем, совершенно лишенным ИК-составляющей. Видеокамера, как и в предыдущем опыте, работает с включенной АРУ. Первое изображение сделано при освещенности 4,6 лк, второе – при 0,4 лк. Очевидно, что освещенность в десятые доли «реального» люкса явно недостаточна для получения удовлетворительного изображения.
В следующей статье мы рассмотрим, как были получены эти результаты и какие парадоксы могут нас ожидать при переходе с формата SD на HD и FullHD.
Опубликовано: Журнал «Системы безопасности» #5, 2018
Посещений: 4992
Автор
| |||
И.Технический консультант ООО «Система СБ» и ООО «Микровидео /Группа».В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
ISO Подробное объяснение — светочувствительность камер
ISO Подробное объяснение — светочувствительность камер | ицвет- Дом
- Вдохновение
org/ListItem» data-qa=»breadcrumb»>
Подробное объяснение ISO — светочувствительность камерВсе слышали об этом, но его точное значение не так хорошо известно: значения ISO. Помимо диафрагмы и времени экспозиции камеры, значение ISO играет очень важную роль как в аналоговой, так и в цифровой фотографии.
Даже во времена аналоговой фотографии значения ISO имели большое значение. В этом случае значение ISO означает чувствительность пленки и указывает, насколько чувствительна пленка к свету, то есть значение ISO сообщает фотографу, сколько света ему потребуется при фотографировании. Таким образом, в то время фотограф должен был иметь четкое представление о том, какие условия освещения будут присутствовать во время съемки, потому что замена пленки в середине съемки может быть довольно сложной задачей.
С цифровыми камерами все стало намного проще.
Аббревиатура ISO расшифровывается как Международная организация по стандартизации и является международным органом по стандартизации, состоящим из многочисленных национальных организаций по стандартизации. До его основания для описания скорости пленки использовались национальные аббревиатуры. В качестве примера можно привести DIN (Немецкий институт нормирования / Немецкий институт стандартизации) и ASA (Американская ассоциация стандартов). В настоящее время указывается только значение ISO.
Использование правильного значения ISO
По умолчанию большинство камер используют значение ISO от 100 до 200.
Эти значения указывают на более низкую светочувствительность и наиболее подходят для использования при хорошем освещении при фотографировании. Установка значения ISO становится немного сложнее, когда условия освещения не оптимальны. Если вы все еще хотите использовать значение ISO 100 в этом случае, вам придется либо больше открыть диафрагму, либо увеличить время экспозиции. Однако, если вы увеличите время экспозиции и не используете штатив, вы можете быстро получить размытые фотографии.
Чтобы бороться с дрожанием камеры, вы также можете увеличить значение ISO на своей камере, чтобы увеличить светочувствительность датчика изображения. Делая это, вы в основном «обманываете» сенсор, заставляя думать, что мотив ярче, чем он есть на самом деле. Таким образом, вам понадобится меньше света, чтобы сделать приличную фотографию. Изменение значения ISO также влияет на скорость затвора. При изменении значения ISO со 100 до 200 время экспозиции уменьшается вдвое. Таким образом, если раньше выдержка была 1/125, то теперь она будет 1/250.
Производители камер дают разные рекомендации по использованию различных настроек ISO в различных условиях освещения. В принципе, можно предположить, что значения от 100 до 200 подходят для съемки в хорошо освещенных местах. В более облачных условиях более подходящим является значение ISO от 400 до 800. При фотографировании ночью или в очень темных помещениях следует использовать настройку ISO 800+. Эти рекомендации особенно полезны, когда вы не можете использовать вспышку при фотографировании, например, на концерте или в плохо освещенном музее.
Недостаток использования более высокого значения ISO — шум изображения
Причиной появления так называемого шума изображения являются помехи, испытываемые датчиком изображения. При повышении значения ISO повышается и чувствительность датчика изображения. Это также увеличивает вероятность помех. Чем выше значение ISO, тем более заметным будет этот шум изображения на вашей фотографии в виде несоответствия цвета и яркости. Эти белые или цветные ошибочные пиксели в основном видны в более темных участках вашей фотографии.
Если на вашей фотографии видны какие-то шумы изображения, это можно частично исправить задним числом с помощью специальных программ. Платное программное обеспечение, такое как Photo Ninja или Neat Image, позволяет редактировать данные в формате RAW. Для этого, конечно, ваша камера должна быть способна создавать изображения, сохраненные в формате RAW. Однако следует помнить, что шум изображения, который появляется на вашей фотографии, никогда не может быть полностью устранен.
Полегче с ISO
Как мы уже говорили, высокие значения ISO могут привести к нежелательному шуму изображения на ваших фотографиях.
Чем ниже выбранное значение ISO, тем четче будут ваши фотографии. При использовании значения ISO 50 шум изображения не виден. По этой причине вы должны быть осторожны, когда решите настроить значение ISO на своей камере.
Вы также можете регулировать количество света, получаемого датчиком изображения, регулируя диафрагму и время экспозиции. Вы также можете настроить эти значения и использовать штатив. Если у вас нет штатива, вы можете использовать стену или твердую конструкцию, чтобы стабилизировать себя во время фотографирования. Это может помочь предотвратить нежелательное дрожание камеры.
Закажите фотокнигу прямо сейчас
Похожие статьи
Предыдущий артикул
Назад к обзору
Следующая статья
Чувствительность камеры
Введение
Чувствительность камеры — один из наиболее важных аспектов работы камеры.
При недостаточной чувствительности ваш эксперимент с изображением может быть просто невозможен. Однако чувствительность — это широкая тема, зависящая от большого количества факторов, и она не может быть представлена только одним значением — в то время как одна камера может превосходить другую при одном уровне освещенности или времени экспозиции, ситуация может быть обратной при более ярком освещении или более длительных выдержках. . Поэтому важно понимать основные факторы, влияющие на чувствительность камеры, чтобы наилучшим образом оценивать и сравнивать различные технологии камер.
Достижение наилучшей чувствительности научной камеры зависит от двух основных факторов:
- Максимальный сбор сигналов
- Минимизация влияния шума
Соотношение между сигналом и шумом жизненно важно для чувствительности и представлено отношение к шуму (SNR). Для получения количественных изображений жизненно важно иметь достаточно высокое отношение сигнал-шум, иначе сигнал от вашего образца может просто потеряться в шуме.
По этой причине наши научные камеры предназначены для максимального сбора сигналов и минимизации шума, как указано в остальной части статьи.
Увеличение сбора сигналов
Камера собирает фотонный сигнал от образца для создания изображения (см. предыдущую статью). На протяжении всего процесса сбора сигнала на чувствительность влияют два основных фактора: квантовая эффективность и размер пикселя сенсора .
Квантовая эффективность
Квантовая эффективность (КЭ) — это способ измерения эффективности сенсора камеры при преобразовании фотонов в электроны. Если бы датчик имел QE 50% и подвергался воздействию 100 фотонов, он производил бы сигнал из 50 электронов. Это означает, что оставшиеся 50% фотонов никогда не преобразовывались и были потеряны, что действительно ограничивает чувствительность научной камеры, так как половина падающего сигнала не обрабатывалась камерой.
Хотя на практике датчики не могут быть эффективными на 100%, QE изменяется в зависимости от нескольких различных переменных, таких как длина волны света и используемая технология камеры.
Это показано на рис. 1 .
По мере развития сенсорных технологий камер QE увеличивалась для всех длин волн видимого света, как показано на вставке в Рис. 1 , а также увеличивалась QE в УФ и ближней инфракрасной (БИК) областях. Переход к технологиям с задней подсветкой позволил сенсорам камеры получать больше света от образцов до такой степени, что изображение с зеленой флуоресценцией (~ 550 нм) имеет почти идеальное QE 95%, что приводит к максимальной чувствительности.
При использовании камеры с высоким КЭ в широком диапазоне длин волн и с помощью визуализации на пиковых длинах волн КЭ можно увеличить сбор сигналов. Поскольку многие исследователи в области биологических наук используют синюю, зеленую и красную флуоресценцию, камеры для флуоресцентной визуализации обычно наиболее чувствительны на этих длинах волн.
Размер пикселя сенсора
Чем больше пиксель сенсора, тем больше света он может собрать. Чтобы сравнить пиксель размером 4,5 мкм с пикселем размером 11 мкм, очень важно посмотреть на площадь пикселя. Пиксель 4,5 x 4,5 имеет площадь ~ 20 мкм 2 , а пиксель 11 x 11 имеет площадь 121 мкм 2 , что в шесть раз больше площади, это означает, что пиксель 11 мкм может собирать в шесть раз больше много сигнала и гораздо более чувствителен. Это показано на рис. 2 .
Наличие больших пикселей увеличивает чувствительность камеры, но обычно приводит к меньшему количеству пикселей (поскольку для сенсора камеры существует фиксированное пространство, см.
примечание о поле зрения), что снижает разрешение. Обычно существует баланс между чувствительностью и разрешением сенсоров камеры, где приоритет должен отдаваться желаемой характеристике.
Биннинг
Биннинг — это параметр, который существует в большинстве научных камер и позволяет объединять несколько пикселей в « бин ». Например, бин 2×2 объединяет квадрат пикселей 2×2 в один пиксель, который будет в 4 раза больше по площади и, следовательно, более чувствителен, чем раньше. Это означает, что камеры с маленькими пикселями должны иметь возможность биннинга для изображения с более крупными пикселями и повышения чувствительности за счет разрешения.
Рисунок 3: Разные уровни биннинга.
Каждое изображение показывает репрезентативный массив пикселей, изображение эритроцитов и увеличенную вставку. Обычное изображение имеет сетку 16×16 пикселей и имеет самое высокое разрешение, но самую низкую чувствительность. При объединении в бины 2 × 2 каждая сетка 2 × 2 объединяется в пиксель, площадь которого в 4 раза больше, теперь сетка имеет только 16 пикселей и повышенную чувствительность, но уменьшенное разрешение. При биннинге 4 × 4 получается только 4 пикселя (в 16 раз больше площади) с дальнейшим увеличением чувствительности, но уменьшением разрешения изображения. В случае CCD/EMCCD бинирование происходит перед считыванием и оцифровкой, что означает увеличение как скорости (меньше пикселей для обработки), так и чувствительности (больше пикселей), в результате чего бин 2×2 увеличивает SNR в 4 раза: 1. В CMOS из-за другого формата датчика бинирование происходит вне датчика (или вне кристалла) и после считывания, что означает, что шум считывания уже был введен. Это означает, что бин 2 × 2 имеет 4-кратный сигнал, но 2-кратный шум, что приводит к увеличению SNR 2: 1 без увеличения скорости.
Таким образом, при обработке изображений с помощью CMOS биннинг по-прежнему увеличивает чувствительность, но биннинг более эффективен с камерами CCD/EMCCD.
Минимизация шума
Шум — это ошибка , которая присутствует в каждом измерении, сделанном каждой камерой. При проведении экспериментов по визуализации шум является неизбежным и постоянно присутствующим фактором, который необходимо учитывать и, по возможности, сводить к минимуму. Хотя шум нельзя полностью устранить, влияние различных видов шума можно уменьшить до такой степени, что им можно пренебречь.
Шум в значительной степени можно разделить на шум, связанный с образцом, и шум, связанный с камерой , как указано ниже.
Шум, связанный с образцом
Фоновая флуоресценция и другие факторы могут снижать контрастность изображения в зависимости от того, как подготовлен образец (например, достаточное количество этапов промывки после окрашивания антителами, уровень освещенности в помещении и т.
д.), но это не имеет прямого отношения к шум на изображении, больше качество сигнала на изображении. Шум, связанный с образцом, в основном связан с тем, как фотоны движутся от источника света (испускаемые) к образцу и обратно в камеру в виде флуоресценции (возбужденные), это известно как фотонный дробовой шум .
Количество фотонов, испускаемых источником света (и флуоресцентными датчиками, используемыми для получения изображений), не одно и то же каждую секунду, и, следовательно, количество фотонов, регистрируемых камерой, также не равно одинаково каждую секунду. Вместо того, чтобы поступать аккуратно упорядоченными рядами (см. , рис. 4, , вверху), фотоны попадают на датчик в виде дождя (см. , рис. 4, , внизу), что приводит к неопределенности, известной как 9.0073 фотонный дробовой шум.
Этот неотъемлемый естественный источник шума имеет отношение квадратного корня между сигналом и шумом, где сигнал N приводит к дробовому фотонному шуму √N .
Дробовой шум нельзя улучшить с помощью достижений в конструкции камеры, поскольку это физическое явление, связанное с образцом и источником света.
Дробовой фотонный шум можно уменьшить с помощью алгоритмов шумоподавления, используемых до или во время сбора данных. Одним из примеров является алгоритм, используемый в камерах серии Prime, который называется PrimeEnhance и подробно описан в отдельной статье.
Рисунок 4 : Демонстрация фотонного дробового шума, идеализированная версия вверху и реалистичная версия внизу.Шум, связанный с камерой
Независимо от того, используете ли вы камеру CCD, EMCCD или sCMOS для научных изображений, все они подвержены определенным источникам шума в зависимости от конструкции их электронного датчика. То, как датчик взаимодействует с фотонами/электронами, как датчики охлаждаются и какие-либо видимые закономерности/артефакты могут влиять на чувствительность камеры. Основными источниками шума, связанного с камерой, являются шум чтения , темновой ток шум и паттерны/артефакты .
Датчик камеры преобразует фотоны в электроны, а затем перемещает эти электроны вокруг датчика к аналого-цифровым преобразователям (АЦП), где аналоговый электронный сигнал считывается и становится цифровым сигналом . Это преобразование аналоговых сигналов в цифровые имело фиксированное значение ошибки, называемое шумом считывания . Например, Prime BSI имеет шум считывания ±1e –, что означает, что сигнал из 100 электронов может быть прочитан где угодно из 99–101 электрона.
Шум считывания различен для каждого датчика и даже между разными режимами одного и того же датчика. Чтобы получить изображение с более высокой скоростью, камеры могут быстрее перемещать электроны и быстрее считывать данные, но это увеличивает шум считывания. Как правило, шум считывания определяется качеством электронной конструкции и скоростью считывания и имеет фиксированное значение для каждого режима камеры.
Рисунок 4 : Демонстрация шума чтения.
На изображениях при слабом освещении ограничивающим фактором становится шум чтения, поэтому очень важно создавать изображения с низким уровнем шума чтения.Шум считывания наиболее важен при высокоскоростной визуализации или визуализации при слабом освещении, когда уровни сигнала обычно низкие. Если камера имеет шум считывания ±2e – . это оказывает гораздо большее влияние на сигнал 10e – , чем 1000e – . Вот почему многие приложения для слабого освещения и слабого сигнала известны как с ограничением шума при чтении , поскольку основным источником шума, влияющего на изображения на этих уровнях, является шум чтения.
ПЗС-камеры обычно имеют более высокий уровень шума считывания от 5–10e –, EMCCD имеют очень высокий базовый шум считывания 80–100e –, но используют умножение сигнала для уменьшения влияния шума считывания, а камеры sCMOS обычно имеют очень низкий базовый шум чтения (1-3e — ), поскольку они имеют параллельную электронную конструкцию.
Используя камеры с элегантным и интеллектуальным электронным датчиком, исследователи могут легко получать чувствительные изображения благодаря низкому уровню шума считывания.
Поскольку датчик камеры подвергается воздействию света для получения изображения, это может привести к его нагреву. Это накопление тепловой энергии вызывает накопление заряда на датчике в виде тепловых электронов , в отличие от обычных фотоэлектронов , генерируемых фотонами. К сожалению, датчик камеры не знает разницы между этими типами электронов, а тепловые электроны считаются сигналом и вносят свой вклад в шум. Это известно как шум темнового тока .
Темновой ток — это тепловой эффект, не зависящий от уровня освещенности и измеряемый в электронах на пиксель в секунду (e/p/s). Как правило, темновому току противодействуют охлаждением: либо принудительное воздушное охлаждение (большинство научных камер имеют вентилятор), либо жидкостное охлаждение.
На каждые 6-7°С охлаждения темновой ток уменьшается вдвое на .
Шум темнового тока зависит от времени экспозиции («вторая» часть в e/p/s). Типичный темновой ток sCMOS Photometrics Prime BSI составляет 0,5 э/п/с, а это означает, что 2-секундная экспозиция приведет к 1 электрону темнового тока на пиксель. Важная часть, которую следует учитывать, заключается в следующем: какова продолжительность вашего воздействия? Типичная флуоресцентная визуализация, визуализация при слабом освещении и высокоскоростная визуализация характеризуются низким уровнем сигнала и коротким временем экспозиции, значительно менее секунды и часто менее 100 мс. При использовании высокочувствительной камеры можно собрать достаточный сигнал при коротких выдержках, а накопление темнового тока незначительно.
Благодаря современным камерам агрессивное и чрезмерное охлаждение не требуется из-за короткого времени экспозиции. Вот почему камеры Photometrics, такие как Prime BSI Express (без жидкостного охлаждения) и Moment sCMOS (неохлаждаемые), могут позволить себе отказаться от охлаждения из-за их высокой чувствительности и низкой экспозиции, и не испытывать проблем с шумом темнового тока, если экспозиция 2 секунды или дольше.
В спецификациях камер и информационных брошюрах обычно упоминаются уровни шума считывания и темнового тока, но некоторые формы шума отсутствуют в этих спецификациях, например узоры и артефакты . Вариации на сенсоре могут привести к ошибкам в изображениях, особенно когда кадры усредняются или собираются как стопки.
Рис. 5: Шаблоны и артефакты sCMOS с раздельным сенсором . В то время как ранние КМОП были гораздо более чувствительными, чем ПЗС, из-за меньшего шума при считывании, ранние КМОП не могли конкурировать с EMCCD и практически исключали шум при считывании. Когда в камере очень мало света или совсем нет света, можно увидеть смещение датчика , показывая любые узоры или артефакты, которые существуют на датчике. Если эти шаблоны существуют, они также появляются на изображениях в виде вариаций пикселей. Структурный шум обычно проявляется в виде заметного узора из «горячих» (ярких) и «холодных» (темных) пикселей на фоне изображений и создается независимо от уровня освещенности.
Классический пример — старые sCMOS-камеры с фронтальной подсветкой, в которых использовался раздельный датчик для увеличения скорости изображения, но это разделение означало, что две половины датчика не были точно одинаковыми, что приводило к видимому разделению и формированию узоров и артефактов, как видно на Рис.5 . Паттерны четкие как при смещении камеры (верхняя часть , рис. 5 , это смещение лежит в основе каждого изображения, снятого камерой), так и в среднем по 100 изображениям (нижняя часть , рис. 5 , паттерн здесь влияет на сигнал). Этот шаблонный шум может мешать сигналу в условиях низкой освещенности, снижая чувствительность камеры.
Улучшение отношения сигнал-шум
Максимально увеличивая сбор сигналов и сводя к минимуму шум, мы получаем высокое отношение сигнал-шум (SNR) и можем выполнять количественные изображения с высокой чувствительностью. Но если сигналы слабые (обычная проблема при флуоресцентной визуализации), короткие экспозиции или присутствует шум, важно знать о возможных вариантах увеличения отношения сигнал-шум и возможных компромиссах.
Увеличение времени экспозиции
Увеличение времени экспозиции/интеграции позволяет камере дольше собирать сигнал и достигать более высокого уровня сигнала, потенциально поднимая сигнал выше уровня шума. Однако это принесет в жертву возможность изображения с более высокой частотой кадров, поскольку скорость часто привязана к времени экспозиции (вы можете работать только со скоростью 2 кадра в секунду, если экспонируете каждый кадр в течение 500 мс). Повышенное воздействие также подвергает клетки большему количеству света, что усугубляет эффекты фототоксичности и фотообесцвечивания, если используются живые образцы. Если время экспозиции достаточно велико, шум от темнового тока также может стать большей частью сигнала, особенно если экспозиция превышает 2-3 секунды.
Увеличить интенсивность света
Увеличение интенсивности возбуждения позволяет получить более высокий уровень сигнала без необходимости жертвовать скоростью, поскольку время экспозиции не меняется, но также увеличивается скорость проявления фототоксичности, что снижает жизнеспособность живых клеток.
Даже в фиксированных образцах повышенная интенсивность может привести к более быстрому обесцвечиванию и уменьшению флуоресцентного сигнала.
Усреднение кадров
Поскольку шум основан на неопределенности, взятие большого количества кадров и их усреднение может уменьшить влияние шума, в частности уменьшить общий шум на квадратный корень из числа усредняемых кадров. Однако этот метод также снижает скорость и, как правило, менее эффективен, чем увеличение времени экспозиции, но сохраняет то же время экспозиции в случае, если образцы фоточувствительны.
Алгоритмы шумоподавления
Алгоритмы шумоподавления повышают отношение сигнал-шум за счет уменьшения эффектов фотонного шума при низком уровне освещенности, улучшая качество изображений и данных. Однако при такой обработке данных возникает множество проблем, например, сохранение интенсивности записанных пикселей и сохранение ключевых характеристик, таких как края, текстуры и детали с низким контрастом. Кроме того, обработка должна выполняться без появления новых артефактов изображения, поскольку некоторые алгоритмы не гибки с разными типами изображений, что приводит к навязчивым артефактам.
Кроме того, поскольку шум имеет тенденцию меняться в зависимости от уровня сигнала, некоторым алгоритмам шумоподавления трудно отличить сигнал от шума, поскольку иногда удаляются мелкие детали. Есть много вещей, которые следует учитывать при шумоподавлении, но поиск правильного алгоритма может иметь большие преимущества, поскольку некоторые алгоритмы могут работать в прямом эфире на камере с захватом.
Улучшенные характеристики камеры
Независимо от того, какие дополнительные методы используются для повышения SNR, использование научной камеры с высокой чувствительностью и низким уровнем шума всегда будет преимуществом. Устройство с задней подсветкой с квантовой эффективностью 95% будет собирать как можно больше входящих фотонов, в сочетании с низким уровнем шума считывания и темновым током это устройство позволяет обнаруживать самые низкие уровни сигнала. Современные научные камеры также имеют дополнительные факторы, такие как качество фона, однородность поля и коррекция горячих пикселей — все это делает научную камеру высокочувствительным устройством для количественных измерений.