نسبت سیگنال به نویز چیست؟چگونه بر دید تعبیه شده تأثیر می گذارد؟

نمی دانم آیا تا به حال مفهوم نسبت سیگنال به نویز (SNR) را درک کرده اید یا خیر؟ کسانی که در معرضسیستم های بینایی تعبیه شدهباید بدانید که این سیستم ها برای ضبط و پردازش داده های تصویری و ویدئویی و ارائه بینش ها و پاسخ های بلادرنگ به دوربین ها و حسگرهای پیشرفته متکی هستند و آنها را در صنایعی مانند مراقبت های بهداشتی و امنیت محبوب می کند. نسبت سیگنال به نویز یک عامل کلیدی است که می تواند بر دقت بصری، قابلیت اطمینان و عملکرد این سیستم ها تأثیر بگذارد.

شاید هنوز در مورد نسبت سیگنال به نویز متحیر هستید. اگرچه نام آن را شنیده اید، اما نمی دانید معنی آن چیست، چگونه محاسبه می شود و چرا مهم است. سپس در این مقاله با اهمیت آن در بینایی تعبیه شده (به عنوان مثال، دوربین های نظارتی هوشمند، عکاسی حمل خودکار و غیره) بیشتر آشنا خواهیم شد.

نسبت سیگنال به نویز چیست؟

نسبت SN چیست؟ نسبت سیگنال به نویز یا به اختصار SNR یک اندازه گیری کمی از قدرت یک سیگنال مورد نظر نسبت به نویز پس زمینه (سیگنال ناخواسته) است.snr برای مقایسه سیگنال های مفید با سیگنال های مزاحم در یک سیستم، تمایز بین سیگنال های خروجی مختلف و تحقق خروجی کارآمد مهم است.

نسبت سیگنال به نویز معمولا بر حسب دسی بل (دسی بل) بیان می شود. هرچه مقدار نسبت سیگنال به نویز بیشتر باشد، خروجی بهتر است. در دید تعبیه شده، سیگنال داده های گرفته شده توسط دستگاه است که ممکن است حاوی اطلاعاتی باشد که سیستم برای پردازش نیاز دارد. نویز می تواند هر عامل خارجی مانند تداخل الکترومغناطیسی، لرزش و غیره باشد. هرچه تأثیر نویز بر سیگنال کمتر باشد، SNR بالاتر است، اطلاعات مفیدتری در سیگنال وجود دارد، بنابراین کیفیت و قابلیت اطمینان داده ها بهبود می یابد. به عنوان مثال، 90 دسی بل بهتر از 50 دسی بل است.

بنابراین چگونه می توان SNR را محاسبه کرد؟محاسبه نسبت سیگنال به نویز (SNR) را می توان از فرمول استفاده کرد و نتیجه با استفاده از دسی بل بیان می شود:

فرمول نسبت s/n:  SNR = 20 * log10 (دامنه سیگنال / دامنه نویز)

جایی که دامنه سیگنال شدت تصویر یا داده های ویدئویی و دامنه نویز شدت نویز است که بر داده ها تأثیر می گذارد.

چرا نسبت سیگنال به نویز در دید تعبیه شده مهم است؟

نسبت سیگنال به نویز مهم است زیرا به طور مستقیم بر کیفیت داده های تصویر و ویدئو و دقت و قابلیت اطمینان نتایج تجزیه و تحلیل تأثیر می گذارد. وقتی صحبت از کاربردهای بینایی تعبیه شده مانند پردازش لبه به میان می آید، مانند شمارش سر و تشخیص اشیاء، SNR بالا در کاهش ذرات نویز در تصویر و ارائه نتایج واضح تر مفید است. و در الگوریتم هایی مانند یادگیری ماشین و هوش مصنوعی، SNR بالا می تواند به طور موثر دقت پردازش داده ها را بهبود بخشد و خطاها را کاهش دهد. در همین حال، برایماژول های دوربین کم نور، می تواند به وضوح تأثیر نویز بر کیفیت تصویر را منعکس کند.

تأثیر نویز بر داده های بینایی تعبیه شده

نویز به طور گسترده به سیگنال های ناخواسته ای اطلاق می شود که در داده های تصویر یا ویدیو ظاهر می شوند، مانند اعوجاج، نویز کوانتومی، پیکسل شدن و غیره، که می تواند منجر به خطا در داده ها شود. وجود این نویزها باعث کاهش تجسم داده ها می شود و استخراج و پردازش اطلاعات مفید از آن را برای سیستم دشوارتر می کند. همچنین اندازه و پهنای باند مورد نیاز داده ها را افزایش می دهد.نویز در دید تعبیه شده چیست؟

تأثیر نسبت سیگنال به نویز بر عملکرد سیستم بینایی تعبیه شده

سطح سر و صدا:SNR پایین سطح نویز را تقویت می کند و استخراج اطلاعات مفید از اطلاعات را برای سیستم دشوارتر می کند.
محدوده دینامیکی:سطح SNR به طور مستقیم بر محدوده دینامیکی سیستم تأثیر می گذارد ، که نسبت بین روشن ترین به تاریک ترین قسمت است. SNR پایین تمایز بین روشنایی ها و کنتراستهای مختلف را برای سیستم دشوارتر می کند.
وضوح و وضوح: SNR پایین باعث می شود تشخیص شی گیر کند که در حالی که SNR بالا به بهبود وضوح و وضوح تصویر کمک می کند، جزئیات را واضح تر می کند و به الگوریتم های تشخیص لبه کمک می کند.

چه رابطه ای بین SNR و ویژگی های دوربین وجود دارد؟

SNR به تنهایی بر تجسم تأثیر نمی گذارد، ارتباط نزدیکی با بسیاری از ویژگی های دوربین دارد. درک چگونگی تأثیر این ویژگی ها بر SNR می تواند منجر به نتایج بصری بهتری شود.

محدوده دینامیکی:یک محدوده دینامیکی خوب می تواند رنگ های بیشتری را ضبط کند، که برای دریافت SNR بهتر در سطوح مختلف روشنایی و تشخیص بهتر جزئیات در مناطق روشن و تاریک خوب است.

حساسیت ISO:ISO بالا سیگنال را تقویت می کند و در عین حال نویز را تقویت می کند و SNR را کاهش می دهد. ISO پایین نسبت صدا به نویز بهتری می دهد، اما برای نوردهی به نور بهتری نیاز دارد.

سرعت شاتر:سرعت شاتر سریعتر تاری حرکت را کاهش می دهد، اما به دیافراگم بزرگتر یا ISO نیاز دارد که بر SNR تأثیر می گذارد. سرعت شاتر آهسته تر در نور کم منجر به کاهش SNR به دلیل افزایش نوردهی می شود.

اندازه سنسور:هرچه سنسور بزرگتر باشد، پیکسل ها بزرگتر هستند، فوتون های بیشتری جمع آوری می شوند و نور بیشتری را می توان برای نسبت سیگنال به نویز بهتر جذب کرد. برعکس، پیکسل های کوچک ممکن است نویز ایجاد کنند و SNR را تحت تأثیر قرار دهند.

الگوریتم های پردازش تصویر:الگوریتم های پیشرفته پردازش تصویر می توانند نویز ناخواسته را کاهش دهند و SNR را بهبود بخشند و در عین حال جزئیات تصویر را حفظ کنند.

اندازه دیافراگم:هرچه دیافراگم بزرگتر باشد، نور بیشتری وجود دارد که به بهبود نسبت snr کمک می کند. هرچه دیافراگم کوچکتر باشد، زمان نوردهی بیشتر مورد نیاز است که نویز بیشتری ایجاد می کند.

چرا زمان قرار گرفتن در معرض SNR تأثیر می گذارد؟

زمان نوردهی نیز یک عامل کلیدی در SNR است که تعیین می کند سنسور چه مدت نور را دریافت می کند. زمان نوردهی طولانی تر می تواند تعداد فوتون های گرفته شده را افزایش دهد، از نظر تئوری قدرت سیگنال را افزایش دهد و نسبت سیگنال به نویز را بهبود بخشد. این همچنین می تواند منجر به ایجاد نویز فوتونی و الکترونیکی بیشتر شود، به خصوص در دماهای بالا یا در هنگام نوردهی طولانی، که می تواند کیفیت تصویر را کاهش دهد.

از مطالب فوق می توان نتیجه گرفت که سیگنال (ها) متناسب با تعداد فوتون های جمع آوری شده در طول زمان قرار گرفتن در معرض است ، دومی به عنوان حاصل ضرب شدت نور (I) و زمان نوردهی (t) محاسبه می شود:

هنگام در نظر گرفتن شدت فوتون فرودی، نویز پراکندگی فوتون (نویز پراکندگی فوتون نوعی نویز ذاتی هر سیستمی است که نور را در واحدهای گسسته (یعنی فوتون ها) می شمارد) نیز ظاهر می شود. نسبت سیگنال به نویز ناشی از نویز پراکندگی فوتون (SNR_Shot) با معادله زیر به دست می آید:

هنگامی که زمان نوردهی طولانی تر است، تعداد فوتون های جمع آوری شده (N) نیز افزایش می یابد و سیگنال (S) نیز افزایش می یابد. جذر سیگنال (√S) نیز افزایش می یابد. این بدان معنی است که در مورد نویز دانه های پراکنده، نسبت صدا به نویز با جذر زمان نوردهی افزایش می یابد.

برخی از پیشنهادات مرتبط برای بهبود SNR در بینایی تعبیه شده

از مطالب فوق می توانم بگویم که کاهش نویز یا بهبود کیفیت سیگنال می تواند در بهبود SNR موثر باشد. برای این کار می توانیم پیشنهادات بهینه سازی مربوطه زیر را ارائه دهیم:

• برای بهینه سازی قدرت سیگنال. اما از بهینه سازی بیش از حد برای جلوگیری از تقویت نویز خودداری کنید، در نتیجه هیچ بهبود قابل توجهی در تصویر ایجاد نمی شود.
• معماری دوربین را هنگام خرید یا سفارشی کردن دوربین بهینه کنید. استفاده از یک طراحی معماری خوب امکان عملکرد تصویربرداری بهتر را فراهم می کند.
• از سنسور با کیفیت بالا استفاده کنید. سنسورهای تصویر با کیفیت بالا با نویز بازخوانی کم می توانند نویز را کاهش داده و SNR را بهبود بخشند.
• طراحی حرارتی موثر دمای سنسور را کاهش می دهد و سایر اشکال نویز مانند نویز حرارتی را کاهش می دهد.
• تنظیمات دوربین مانند زمان نوردهی و سرعت شاتر را بهینه می کند تا نویز را کاهش دهد و در عین حال بهترین تصاویر را ثبت کند.

به طور خلاصه

نسبت سیگنال به نویز عامل مهمی است که بر سیستم های بینایی تعبیه شده تأثیر می گذارد که به طور مستقیم بر کیفیت داده های تصویری و ویدئویی و دقت و قابلیت اطمینان نتایج تجزیه و تحلیل تأثیر می گذارد. امیدواریم از طریق این مقاله بتوانیم معنای نسبت سیگنال به نویز، عوامل موثر بر آن و نحوه بهبود آن را بهتر درک کنیم تا بتوانیم کاربردهای بینایی تعبیه شده خود را بهینه کنیم و به نتایج بهتری دست یابیم.

اگر به کمک نیاز دارید یا یک دوربین کم صدا را سفارشی کنید و آن را در برنامه بینایی تعبیه شده خود ادغام کنید، لطفا در صورت تمایلتماس با ما.