Τι είναι η αναλογία σήματος/θόρυβου;Πώς επηρεάζει την ενσωματωμένη όραση;

Δεν ξέρω αν κάποια φορά έχετε καταλάβει την έννοια του αναλώματος σήματος προς θόρυβο (SNR)? Όσοι έχουν επαφή με ενσωματωμένα συστήματα όρασης θα έπρεπε να ξέρουν ότι αυτά τα συστήματα βασίζονται σε προηγμένες κάμερες και αισθητήρες για να αποκτούν και να επεξεργάζονται εικόνες και βίντεο δεδομένα, παρέχοντας πραγματικές εισαγωγές και απαντήσεις σε πραγματικό χρόνο, κάνοντάς τα δημοφιλή σε βιομηχανίες όπως η υγεία και η ασφάλεια. Το ανάλωμα σήματος προς θόρυβο είναι ένας κλειδιάς παράγοντας που μπορεί να επηρεάσει την οπτική ακρίβεια, αξιοπιστία και απόδοση αυτών των συστημάτων.

Ίσως ακόμη να σας κάνει απορία το ανάλωμα σήματος προς θόρυβο. Αν και το έχετε ακούσει, δεν καταλαβαίνετε τι σημαίνει, πώς υπολογίζεται και γιατί είναι σημαντικό. Στο παρόν άρθρο, θα μάθουμε περισσότερα για τη σημασία του στην ενσωματωμένη όραση (π.χ., έξυπνες κάμερες παρακολούθησης, αυτόματη φωτογράφηση κλπ.).

Τι είναι το ανάλωμα σήματος προς θόρυβο;

Τι είναι το SN ratio; Το όριο Signal-to-Noise Ratio, ή απλά SNR, είναι μια ποσοτική μέτρηση της ισχύος ενός επιθυμητού σήματος σε σχέση με το φόντο θορύβου (μη επιθυμητό σήμα). Το SNR είναι σημαντικό για τη σύγκριση χρήσιμων σήματος με δια摄οδικά σήματα σε ένα σύστημα, τη διάκριση μεταξύ διαφόρων εξαγωγικών σήματος και την επίτευξη αποτελεσματικής εξαγωγής.

Το όριο Signal-to-noise ratio εκφράζεται συνήθως σε δεκαβέλ (dB). Πολύ μεγαλύτερη τιμή του όριου σήματος προς θόρυβο, τόσο καλύτερη η εξαγωγή. Στην ενσωματωμένη όραση, το σήμα είναι τα δεδομένα που αποκτούνται από το συσκευαστικό, τα οποία μπορεί να περιέχουν πληροφορίες που το σύστημα χρειάζεται να επεξεργαστεί. Ο θόρυβος μπορεί να είναι οποιοδήποτε εξωτερικό παράγοντας όπως ηλεκτρομαγνητική δια ganging, σεισμός, κλπ. Μικρότερη η επίδραση του θορύβου στο σήμα, υψηλότερο το SNR, περισσότερες οι χρήσιμες πληροφορίες στο σήμα, βελτιώνοντας έτσι την ποιότητα και την αξιοπιστία των δεδομένων. Για παράδειγμα, 90dB είναι καλύτερο από 50dB.

έτσι πώς να υπολογιστεί ο SNR; Η υπολογισμός του αναλογίας σήματος προς θόρυβο (SNR) μπορεί να γίνει με τη χρήση της εξίσωσης και το αποτέλεσμα εκφράζεται με δεκαβέλα:

τύπος λόγου s/n: SNR = 20 * log10 (Πλάτος Σήματος / Πλάτος Θορύβου)

Όπου η Αμπλιτούδα Σήματος είναι η ένταση της εικόνας ή των βιντεοδεδομένων και η Αμπλιτούδα Θόρυβου είναι η ένταση του θόρυβου που επηρεάζει τα δεδομένα.

Γιατί είναι σημαντική η αναλογία σήματος προς θόρυβο στην ενσωματωμένη όραση;

Η αναλογία σήματος προς θόρυβο είναι σημαντική επειδή επηρεάζει άμεσα την ποιότητα των εικόνων και βιντεοδεδομένων καθώς και την ακρίβεια και την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων ανάλυσης. Όταν πρόκειται για εφαρμογές ενσωματωμένης όρασης, όπως η επεξεργασία στο edge, όπως η μέτρηση ανθρώπων και η αναγνώριση αντικειμένων, υψηλός SNR είναι ωφέλιμος για τη μείωση των σωματιδίων θόρυβου στην εικόνα και την παροχή αποτελεσματικότερων αποτελεσμάτων. Και σε αλγόριθμους όπως η μηχανική μάθηση και η τεχνητή νοημοσύνη, υψηλός SNR μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά την ακρίβεια της επεξεργασίας δεδομένων και να μειώσει τις λαθώς. Εν τω μεταξύ, για κάμερες με χαμηλό φως , μπορεί να αναφέρει με σαφήνεια την επίδραση του θόρυβου στην ποιότητα της εικόνας.

Επίδραση του θόρυβου στα δεδομένα ενσωματωμένης όρασης

Το θόρυβο αναφέρεται γενικά σε επιθυμητές σήματα που εμφανίζονται σε εικονικά ή βιντεο δεδομένα, όπως καμπύλωση, κβαντικό θόρυβος, πιξελοποίηση, κλπ., τα οποία μπορούν να οδηγήσουν σε σφάλματα στα δεδομένα. Η παρουσία αυτών των θορύβων μειώνει την οπτικοποίηση των δεδομένων και τα καθιστά πιο δύσκολα για το σύστημα να εξάγει και να επεξεργαστεί χρήσιμες πληροφορίες από αυτά. Επιπλέον, αυξάνει τις απαιτήσεις μεγέθους και εύρους διαμετρήσεως των δεδομένων. Τι είναι ο θόρυβος στην ενσωματωμένη όραση;

Επίπτωση του αναλογίου σήματος προς θόρυβο στην απόδοση του συστήματος ενσωματωμένης όρασης

Επίπεδο Θόρυβου: Ένα χαμηλό SNR ενισχύει το επίπεδο θορύβου, κάνοντας πιο δύσκολη για το σύστημα να εξάγει χρήσιμες πληροφορίες από τις πληροφορίες.
Πλάτος δυναμικής: Το επίπεδο SNR επηρεάζει άμεσα το δυναμικό εύρος του συστήματος, που είναι το λόγο μεταξύ της φωτιστικότερης και της σκοτεινότερης μερίδας. Ένα χαμηλό SNR θα κάνει πιο δύσκολη για το σύστημα να διακρίνει μεταξύ διαφορετικών εντονοτήτων φωτιάς και contrast.
Λύση και οξυδροπή: Καθώς χαμηλός SNR μπορεί να κάνει την αναγνώριση αντικειμένων να παραμείνει καταπιεσμένη, υψηλός SNR βοηθά να βελτιωθεί η λύση και η οξυδροπή της εικόνας, κάνοντας τις λεπτομέρειες πιο ορατές και βοηθώντας τους αλγορίθμους ανίχνευσης άκρων.

Ποιά είναι η σχέση μεταξύ SNR και των χαρακτηριστικών της κάμερας;

Ο SNR δεν επηρεάζει μόνο την οπτικοποίηση, είναι κοντινά συνδεδεμένος με πολλά χαρακτηριστικά της κάμερας. Η κατανόηση του πώς αυτά τα χαρακτηριστικά επηρεάζουν το SNR μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερα οπτικά αποτελέσματα.

Πλάτος δυναμικής: Ένας καλός δυναμικός τομέας μπορεί να καταγράψει περισσότερα χρωματικά τόνους, που είναι καλό για την επίτευξη καλύτερου SNR σε διαφορετικά επίπεδα φωτεινότητας και καλύτερη διάκριση λεπτομερειών σε φωτεινές και σκοτεινές περιοχές.

Εạyστηση ISO: Υψηλό ISO επιτάσσει το σήμα ενώ επιτάσσει και το θόρυβο, μειώνοντας το SNR. Χαμηλή ISO δίνει καλύτερο αναλογικό όρο ήχου σε θόρυβο, αλλά απαιτεί καλύτερο φως για εκτίμηση.

ταχύτητα κλείστρου: τα ταχύτερα ταχύτητα εξαγωγής μειώνουν το κίνηση φωτισμού, αλλά απαιτούν μεγαλύτερη διάφραγμα ή ISO, που επηρεάζει το SNR. Μικρότερες ταχύτητες εξαγωγής σε αδύναμο φως οδηγούν σε χαμηλότερο SNR λόγω της αυξημένης εκθέσεως.

μέγεθος αισθητήρα: Όσο μεγαλύτερος είναι ο αισθητήρας, τόσο μεγαλύτερες είναι οι πικσελς, οι οποίες συλλέγουν περισσότερα φωτόνια και καταφέρνουν να απορροφήσουν περισσότερο φως για καλύτερο αναλογικό όρο σήματος-θόρυβου. Αντίθετα, μικρές πικσελες μπορούν να δημιουργήσουν θόρυβο και να επηρεάσουν το SNR.

Αλγόριθμοι επεξεργασίας εικόνας: Πιο προηγμένοι αλγόριθμοι επεξεργασίας εικόνας μπορούν να μειώσουν τον απεργό θόρυβο και να βελτιώσουν το SNR διατηρώντας τα λεπτομέρεια της εικόνας.

Μέγεθος διάφραγμα: Όσο μεγαλύτερο είναι το διάφραγμα, τόσο περισσότερο φως υπάρχει, βοηθώντας να βελτιωθεί το SNR. Όσο μικρότερο είναι το διάφραγμα, τόσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος εκθέσεως που απαιτείται, που εισάγει περισσότερο θόρυβο.

Γιατί ο χρόνος εκθέσεως επηρεάζει το SNR;

Ο χρόνος εκτίμησης είναι επίσης καθοριστικός παράγοντας στο SNR, καθώς ορίζει πόσο μακριά το αισθητήρα λαμβάνει φως. Μεγαλύτεροι χρόνοι εκτίμησης μπορούν να αυξήσουν τον αριθμό των φωτονιών που συγκεντρώνονται, θεωρητικά αυξάνοντας τη δύναμη του σήματος και βελτιώνοντας το όριο σήματος-θόρυβου. Αυτό μπορεί επίσης να οδηγήσει στη δημιουργία περισσότερου φωτονικού και ηλεκτρονικού θόρυβου, ειδικά σε υψηλές θερμοκρασίες ή κατά τη διάρκεια μεγάλων χρόνων εκτίμησης, που μπορεί να χειροτερεύσει την ποιότητα της εικόνας.

Από τα παραπάνω μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το σήμα (s) είναι ανάλογο με τον αριθμό των φωτονίων που συγκεντρώνονται κατά τη διάρκεια του χρόνου εκτίμησης, ο οποίος υπολογίζεται ως το γινόμενο της έντασης του φωτός (I) και του χρόνου εκτίμησης (t):

Όταν λαμβάνουμε υπόψη την εντότητα των εισερχόμενων φωτονίων, εμφανίζεται επίσης ο θόρυβος διασκόρπισης φωτονίων (ο θόρυβος διασκόρπισης φωτονίων είναι ένα είδος θορύβου που είναι ενδεδειγμένο σε κάθε σύστημα που μετράει το φως σε διακριτές μονάδες (δηλαδή φωτόνια)). Το όριο σήματος-θόρυβου λόγω του θορύβου διασκόρπισης φωτονίων (SNR_Shot) δίνεται από την εξής εξίσωση:

Όταν ο χρόνος εκθέσεως είναι μεγαλύτερος, αυξάνεται επίσης το πλήθος των φωτονιών που συλλέγονται (N) και με αυτό και το σήμα (S). Το τετραγωνικό ρίζα του σήματος (√S) αυξάνεται επίσης. Αυτό σημαίνει ότι στην περίπτωση του θορύβου διασποράς σποράς, το λόγο σήματος προς θόρυβο αυξάνει με το τετραγωνικό ρίζα του χρόνου εκθέσεως.

Μερικές σχετικές προτάσεις για τη βελτίωση του SNR στην ενσωματωμένη όραση

Από τα παραπάνω μπορώ να συμπεράνω ότι η μείωση του θορύβου ή η βελτίωση της ποιότητας του σήματος μπορεί να είναι αποτελεσματική για τη βελτίωση του SNR. Για αυτό μπορούμε να προτείνουμε τις εξής σχετικές προτάσεις βελτιστοποίησης:

• για τη βελτιστοποίηση της ισχύος του σήματος. Αλλά φεύγετε από υπερβολική βελτιστοποίηση για να μην ενισχύσετε τον θόρυβο, πράγμα που δεν θα προκαλέσει σημαντική βελτίωση της εικόνας.
• Βελτιστοποιήστε την αρχιτεκτονική της κάμερας κατά την αγορά ή την προσαρμογή της. Η χρήση καλής σχεδιασμένης αρχιτεκτονικής επιτρέπει καλύτερες εικόνες.
• Χρησιμοποιήστε υψηλής ποιότητας αισθητήρα. Υψηλής ποιότητας αισθητήρες εικόνας με χαμηλό θόρυβο ανάγνωσης μπορούν να μειώσουν τον θόρυβο και να βελτιώσουν το SNR.
• Ένα αποτελεσματικό θερμικό σχεδιασμός μειώνει τη θερμοκρασία των αισθητήρων και μειώνει άλλες μορφές θόρυβου, όπως τον θερμικό θόρυβο.
• οργανώνει τις ρυθμίσεις κάμερας, όπως το χρόνο εκκίνησης και την ταχύτητα φράγματος, για να μειώσει τον θόρυβο ενώ καταγράφει τις καλύτερες εικόνες.

Για να συνοψίσουμε

Ο λόγος σήματος-θόρυβος είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει τα ενσωματωμένα συστήματα βλέποντας, ο οποίος επηρεάζει άμεσα την ποιότητα των εικόνων και βίντεο δεδομένων και την ακρίβεια και την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων ανάλυσης. Ελπίζουμε ότι μέσω αυτού του άρθρου μπορούμε να κατανοήσουμε καλύτερα την σημασία του λόγου σήματος-θόρυβος, τους παράγοντες που τον επηρεάζουν, και πώς να τον βελτιώσουμε ώστε να βελτιώσουμε τις εφαρμογές ενσωματωμένης βλέποντας μας και να επιτύχουμε καλύτερα αποτελέσματα.

Εάν χρειάζεστε βοήθεια ή να παρατάξετε μια κάμερα με χαμηλό θόρυβο και να την ολοκληρώσετε στην εφαρμογή ενσωματωμένης βλέποντας σας, να μην διστάσετε να ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ .