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分辨率(下)— 做成像的你不能不了解的真相

       前两篇分辨率() 我们讨论了图像的主要噪声源。了解噪声的目的,是为了尽可能提升图像的信噪比。本期小编就想和大家探讨一下,常用的提升信噪比方法的技术原理,并对他们的效果做定量分析。


       以下的讨论,都是基于这个基本信噪比公式: 

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另外,对生物成像应用,我们有以下假设:

  1. 制冷相机的暗电流可以忽略;注意:一定要制冷!

  2. 要进行定量分析,要求图像信噪比至少要大于5:1, 即信号要高于25e- (参考: 做成像的你不能不了解的真相3- 信噪比2)


       接下来,让我们来看看有什么办法可以拯救下面这张图像吧:


当前图像: 曝光时间1ms, 典型信号强度 5e-. 

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方法1:增加曝光时间

       假设曝光时间提高为原来的 n 倍,那么信噪比变为:

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结果图像: 曝光时间10ms, 典型信号强度 50e-. 

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方法 2:多帧图像平均

       对 n 张图像做平均,结果图像的信噪比为:

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5-2.jpg

结果图像: 平均10张1ms曝光时间的图像.

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       大家不难发现,在弱光条件下,提高曝光时间的效果要优于图像平均。

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小 结

  • 在读出噪声不能忽略的弱光情况下(如对于读出噪声为1.5e-左右的 sCMOS 相机,当信号<10e-时),将曝光时间延长n倍的效果比平均n张图像好。信号越弱,或读出噪声越大,两者的差别就越明显。

  • 在信号较强时(如 sCMOS相机信号>20e-时),可以忽略读出噪声,两种方法对信噪比的提高效果相同。

  • 由于CCD的读出噪声比较高(~8e-),使用图像平均的效果不如CMOS好。


方法 3:像素融合Binning

       Binning是用来提高信噪比的常见方法。CCD的Binning 发生在读出之前,因此不会改变读出噪声。以bin 2(2x2)为例,其对信噪比的改善为:

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       结果恰好和曝光时间延长为原来4倍一样。

       而CMOS的binning是在读出之后完成的,相当于4个像素相加,读出噪声也会提高。

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       这个结果和 4 张图像平均一样。


       是不是非常神奇?让我们直观的看一下bin 2 的效果:

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       可以看到,bin 2 明显提高了信噪比,但分辨率降低了。


方法 4:使用QE更高的相机 (背照式 95% vs 前照式 65%)

       背照式sCMOS QE 高达95%,而前照式sCMOS在显微成像中实际测量的有效QE只有65%左右(波长和物镜不同时稍有变化,详情参见做成像的你不得不了解的真相2-灵敏度和QE)。两种相机的信噪比差别为:

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       像元尺寸相同的情况下,背照式相机信噪比是前照式的1.2倍


方法5:使用像元尺寸更大的相机(11²μm vs 6.5²μm)

       像元尺寸大,则信号收集能力更强。如果我们比较11²μm像元和6.5²μm像元相机的信噪比:

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       11²μm像元信噪比是6.5²μm的1.7倍。


小 结

如果我们使用95%QE,11²μm像元的Prime 95B与流行的正照式6.5²μm像元的 sCMOS相机相比,其信噪比差别为:

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       通过以上的分析我们会发现,其实对信噪比影响最大的噪声是散粒噪声,它是一种固有的物理现象。那么是不是我们对它就束手无策了呢?当然不是!


注意!接下来的绝不是广告


Photometrics sCMOS相机内置denoising功能,可以大大降低散粒噪声,显著提高图像信噪比

Photometrics 在噪声控制方面一直是业内的佼佼者, Prime 95B和Prime BSI都内置了最先进的denoising技术,它采用先进的内嵌图像算法,对单帧图像实时处理,在降低图像噪声的同时,不影响信号强度,保证了图像的可定量性。平均可将图像的信噪比提高3-5倍,相当于增加10倍以上曝光时间的效果。对比下图中使用denoising功能前后的图像,我们可以很明显的看到信噪比的提高,下方的线强度曲线(line profile)也充分展现了denoising功能优异的降噪效果。

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       由于计算量大,虽然通过高级优化的FPGA图像算法,denoising仍然在一定程度上降低了相机速度。以95B为例,全帧采集速度会从40帧/s下降到25帧/s。


       好啦,说了这么多,希望能对大家拍出信噪比更高的图像有所帮助!其实无论采用哪种技术来提高信噪比,灵敏度高的相机总是首选,毕竟巧妇难为无米之炊呀!


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Prime 95B背照式sCMOS相机具有前所未有的灵敏度:高达95%的量子效率和11²μm大像元能够收集尽可能多的入射光子,低读出噪声也使得它更加适用于弱光成像。同时,更好的图像背景质量,像素均匀性以及降噪技术也帮助研究者们更好地进行图像定量分析。


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