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为医疗设备选择相机传感器时要考虑的内容

第2部分:入射辐照度,曝光率,增益和帧率

摄像机传感器是医疗设备的常见组件。在这篇博客中,我将详细讨论入射光辐照度、曝光时间、增益和帧率因子如何应用于医疗设备的相机传感器。

关键的外卖是:

  • 为了捕获相机传感器的数据或图像,具有最高可能的信噪比(SNR)和动态范围,最佳实践通常是首先增加尽可能多地增加传感器的光量而不会饱和。然后,如果信号仍然不靠近饱和度,则增加曝光时间(如果特定应用程序允许)。
  • 可以应用增益来照亮图像,但在大多数情况下,不改善SNR,并将降低传感器的最大可能动态范围。但是,根据传感器的模数转换器(ADC)的细节以及应用在信号链增益中,动态范围在捕获的图像中通过增加增益有时可以有效地增加。
  • 帧率要求根据应用而变化大大变化。对于简单的摄影,低帧速率通常是可以接受的,适度(24Hz至60 Hz)帧速率适合许多直接的视频应用。使用实时反馈的应用可以受益于高视频帧速率。在一些专业应用中,例如流式细胞术和光学相干断层扫描(OCT),甚至更高的帧速率适用(KHz或更多)。通过平均值,高帧速率也可用于提高数据质量。

入射辐照度,曝光时间和增益

一般而言,在测量信号中增加SNR的最有效方法是增加每单位区域每单位时间(即,辐照度传感器上的光)。在典型的相机镜头系统中,入射到传感器上的辐照度是由传感器的尺寸决定的孔径-光线穿过透镜进入传感器时通过的开口。增大孔径通常会增加落在传感器上的辐照度。

在传感器上的更大辐照度在不增加传感器的读取或暗噪声的情况下产生更大的信号(因为这些来自传感器的电子产品[1]).因此,当光源水平增加时,这些噪声源不会对传感器的信噪比或可实现的动态范围造成额外的损害。散粒噪声随信号的增加而固有地增加。然而,假设传感器不是饱和(也就是说,它还没有达到不能采集更多信号的信号级别),但信噪比仍然会增加,因为散粒噪声规模为平方根的信噪比,因此给定数的信噪比近似为。

相机传感器的接触时间设置控制传感器为单个图像捕捉收集光的时间。曝光时间越长,产生的信号就越大/越亮(假设传感器未饱和)。除了增加信号,增加曝光时间还会增加暗噪声(但不会增加读噪声)。黑暗的噪音随着平方根暴露时间并随着温度的增加而增加。在一些特殊情况下,在相对较高的温度下拍摄的这种非常长的曝光,暗噪声可能达到比读取噪声更高的幅度,因此在低信号电平下成为主导噪声源。然而,在大多数典型的相机曝光次数,读取噪声将保持低信号电平的主导噪声源,并且在低信号电平的可实现动态范围和SNR上增加曝光时间的效果将是最小的[1]。此外,射击噪声将保持高信号电平的主导噪声源,并且增加SNR上的曝光时间的效果将类似于增加传感器上的入射辐照度。因此,在大多数情况下,增加曝光时间是增加测量信号的SNR的另一种有效方法,而不会降低可实现的动态范围。

在某些条件下,需要短暂的曝光时间。例如,使用长时间曝光时间的成像快速移动物体导致模糊因为在光线收集过程中物体的位置/方向发生了变化。模糊不太可能在非艺术应用中是可取的(尽管存在一些例外,如条纹摄像机)因此,短期的暴露可能需要避免。如果不能降低高入射辐照度,也可能需要较短的曝光时间来防止饱和(尽管通常可以使用衰减的滤光片)。最后,如果传感器用于视频应用,最大曝光时间可能会受到所需的限制帧速率,这将在下一节中讨论。

最后,摄像机传感器的信号输出可以通过增加传感器的输出来增加获得,指传感器记录的信号的放大程度。增益可以以许多非等效的方式应用,而改变增益的效果取决于传感器的电子细节[2],特别是它模拟-数字转换器(ADC)

在传感器上累积光电子之后,读出并可能放大,ADC测量累积电荷并将其转换为数值数字输出。可能的数字输出电平的数量(或模拟数字单位:ADU)由艺发局的位深度。位深为X的ADC可以输出2X不同的信号水平。对于给定的传感器和增益,从一个信号电平移动到下一个更高的信号电平需要一定数量的光电子。

在某些情况下,可以在转换为数字后应用增益,这可能简单地意味着从每个传感器通道的数字输出乘以某些因素(有时称为“数字增益”)。在这种情况下,由于噪声和信号都乘以了相同的因子,所以信噪比没有增加(假设增益的增加没有使信号增加到最大ADU以上,此时捕获图像的高信号区域的信息会丢失)。此外,最大可能的动态范围将被降低,因为噪声地板将被增加最大信号电平将降低(例如,如果捕获的信号在转换为数字后的最大值为256,并应用2×数字增益,任何初始值超过128的数字信号将被饱和)。对于黑暗的图像,也许还是有必要应用数字增益来使图像变亮到人类可以看到的水平。

在一些传感器中,增益可以在转换为数字之前应用。采用这种方法的增益通常会使信号和噪声都增加一个相似的因子,因此对信噪比和最大动态范围的影响与数字增益相似。然而,如果在给定的增益设置下,每个ADU的光电子数大于1,施加更多的增益可以通过有效地减少每个ADU的光电子数[2],将信号“分散”到更多的ADU上。假设增加增益后信息不会因饱和而丢失,这种方法允许在数字输出中区分更多的光电平。在某些情况下,特别是当信号电平较低时,增加增益可以增加动态范围在捕获的图像中(最高与最低的比率测量信号;不要和传感器的最大动态范围).举一个具体的例子,如果我们有一个传感器和增益,每个ADU有100个光电子,我们捕获的图像,各种信号计数少于100个光电子在传感器上被捕获,所有的信号将产生相同的输出从ADC最大可能的动态范围输出的数字图像将是1:1(即,它将有没有动态范围)。然而,如果在转换为数字之前加一个10×的增益,信号将被输出到多达10个adu,从而允许更多的测量光电平被区分。此外,假设增益增加前的暗噪声和读噪声小于10个光电子,则输出数字图像的最大动态范围为10:1。这种方法不适用于每个ADU获取一个或更少光电子的传感器/增益,因为在这种情况下,每一个额外的光电子在转换为数字时已经占用了一个不同的ADU。

为医疗设备选择相机传感器时要考虑的内容

在ADC之前增加增益的原理图说明如何增加捕获图像中的动态范围。条形的高度表示在转换为数字之前的信号电平,相对于它们将输出到数字(蓝线表示要输出的阈值,每个ADU)。条形的亮度表示转换为数字后的输出亮度。

一般来说,优化给定传感器测量信号的信噪比和动态范围的最佳实践是首先在不饱和的情况下尽可能增加入射辐照度。接下来,如果有必要,增加曝光时间,使收集到的信号接近饱和(在特定应用程序允许的范围内)。如果信号仍然没有接近饱和,增益可以应用于使捕获的图像变亮或增加输出数字信号的梯度数(假设增益应用于ADC之前在增加增益之前,每个ADU的光电子数大于1)。然而,在大多数情况下,增加增益会降低传感器的最大动态范围,而不会提高信噪比。然而,在如上所述的情况下,动态范围在捕获的图像中可以通过在ADU前增加增益来有效改善。

帧率

与图像捕捉时间相关的另一个考虑因素是传感器的帧速率。这个术语指的是传感器收集独立图像的速率(赫兹,赫兹,或等价的帧每秒,fps)。根据不同的应用,对帧速率的要求会有很大的不同。对于捕获静态图像,低帧率通常是可以接受的,只要输出图像的时间不会导致图像捕获后的过度等待。另一方面,如果你想要记录一系列快速变化场景的图像,可能需要较高的帧率。

视频的典型帧率范围从24赫兹到60赫兹。(24赫兹是传统电影拍摄和显示的帧率,今天许多电影仍在以这种帧率拍摄。)对于大多数人来说,以60hz帧率显示的视频会产生平滑运动的感觉[1]

在使用实时视频馈源的情况下,低帧率会增加显示信号的可感知延迟。假设视频被捕获并以30赫兹的频率显示,每个图像之间至少会有1/30秒的延迟:在这个延迟时间内,屏幕上不会看到运动。这种延迟非常显著,足以让人察觉到,如果使用实时反馈,比如使用摄像机监控精确的外科手术,这种延迟就不是最佳的。理想情况下,用于这一目的的视频应该以足够高的速度捕捉和显示,这样运动就会被认为是平滑的,并对终端用户的动作做出即时响应。

高于典型的帧率可以用来捕获图像对象的非常快的变化或快速捕获数据。某些医学应用,如流式细胞术和光学相干断层扫描(OCT)的某些实现,可以从这种高帧率中受益。流式细胞术是一种研究细胞特性的方法,在流式细胞术中,快速摄像机传感器可以在不到一秒钟的时间内对数百个细胞进行成像和表征。在OCT中,快速相机传感器可用于使多个3D体积(例如生物组织)在一秒钟内成像(使用基于相机传感器的OCT成像这样的3D体积需要收集许多相机帧)。在某些条件下,快速数据收集也可以通过平均提高数据质量,而不会不可接受地增加数据收集时间。

近年来,具有高帧捕捉率的相机已经变得越来越普遍。如今,智能手机上使用的许多传感器都能够以高达960赫兹[3]的速度捕捉视频,直到最近,只有使用专门的“高速”相机才能实现这一功能。今天最快的相机传感器可以达到很高的帧率到千赫政权(例如,一些线路相机传感器可以达到超过100千赫帧率)。因为技术原因,相机的帧速率传感器有时与图像的分辨率,与最大帧率只使用时可实现降低分辨率(无论是通过结合来自多个像素的信号——即装箱或抽样总像素)的一个子集。

结论

这个博客系列讨论了在为你的医疗产品选择相机传感器时需要考虑的各种事情。

在这篇博客中,我讨论了在尽可能高质量地捕捉图像/信号时应该考虑的因素。我讨论了入射光辐照度、曝光时间和传感器增益以及它们如何影响信噪比(SNR)和/或动态范围。我还讨论了帧率的影响,帧率是图像被捕获并随后显示的速率。

第一个元素在该博客中,给出了信号和噪声源的概述和相关的优点图,并讨论了传感器分辨率和像素大小的影响。下一个博客将专注于可用的相机传感器类型和技术。

[1]暗噪声、镜头噪声和读噪声在本系列的前一篇博客中都有定义。

[2]在消费相机中,增益通常与ISO设置粗略地说,它是用来将给定光级的输出图像的亮度近似地匹配到旧胶片的光敏标准(即。电影速度).然而,不同的消费相机以不同的方式实现ISO设置,并不都等同于增加增益[4]。

[3]虽然60 Hz视频将被视为对大多数人的平稳动作,但有些人可以在更高的帧速率下进一步增强感知光滑度。帧速率高于60 Hz的显示器(例如144 Hz显示器)最近在某些用户中流行,特别是PC游戏玩家。

参考文献

[1] Thorlabs,“相机噪音和温度教程”[在线]。可用:https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=10773。[2020年4月9日]。
[2] Edmund Optics,“成像电子学101:改进成像结果的数码相机设置基础”[在线]。可用:https://www.edmundoptics.com/knowledge-center/application-notes/imaging/basics-of-digital-camera-settings-for-improved-imaging-results/。[修订于2021年4月30日]。
[3] H. Simons,“谁有真正的960fps超级慢动作记录?”Android Authority, 2019年7月13日。(在线)。可用:https://www.androidauthority.com/real - 960 fps -超级慢999639/——运动。[访问2020年12月14日]。
[4] R. Butler,“你可能不知道ISO是什么意思——这是个问题”,《数码摄影评论》,2018年8月6日。(在线)。可用:https://www.dpreview.com/articles/8924544559/you-probably-don-t-know-what-iso-means-and-that-s-a-problem。[修订于2021年4月23日]。

图片:可以库存照片/ Voyagerix

瑞安·菲尔德光学工程师海星医必威体育 手机biwei18学。Ryan拥有多伦多大学物理学博士学位。作为博士后研究员,他致力于开发用于外科手术的高功率皮秒红外激光系统和家用材料的光谱仪。


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