25.08.2020Пры ацэнцы навуковай камеры тэхнічныя характарыстыкі могуць быць пераважнымі — памер пікселя, квантавая эфектыўнасць, дынамічны дыяпазон і іншае. Сярод гэтых характарыстык глыбіня колеру з'яўляецца адной з найважнейшых для вызначэння таго, колькі інфармацыі можа захапіць ваша камера і наколькі дакладна яна адлюстроўвае дробныя дэталі.
У навуковай візуалізацыі, дзе нязначныя змены яркасці могуць прадстаўляць важныя дадзеныя, разуменне глыбіні колеру не з'яўляецца абавязковым — яно неабходнае.
У гэтым артыкуле тлумачыцца, што такое глыбіня колеру ў разрадах, як яна ўплывае на якасць выявы, яе роля ў дакладнасці дадзеных і як выбраць правільную глыбіню колеру для вашага прыкладання.
Глыбіня бітаў: максімальная колькасць узроўняў шэрага ў пікселі выявы
Пры працы з навуковай камерай глыбіня колеру вызначае, колькі розных значэнняў інтэнсіўнасці можа запісаць кожны піксель. Гэта вельмі важна, таму што ў навуковай візуалізацыі значэнне кожнага пікселя можа непасрэдна адпавядаць вымеранай велічыні, напрыклад, колькасці фатонаў або інтэнсіўнасці флуарэсцэнцыі.
Бітавая глыбіня паказвае колькасць «бітаў» двайковых лічбавых дадзеных, якія кожны піксель выкарыстоўвае для захоўвання значэнняў інтэнсіўнасці, дзе 8 бітаў утвараюць адзін байт. Максімальнае значэнне ўзроўню шэрага задаецца па формуле:
Максімальныя ўзроўні шэрага = 2^(глыбіня колеру)
Напрыклад:
● 8 біт = 256 узроўняў
● 12-біт = 4096 узроўняў
● 16-біт = 65 536 узроўняў
Большая колькасць узроўняў шэрага дазваляе атрымаць больш тонкую градацыю яркасці і больш дакладнае адлюстраванне нязначных адрозненняў, што можа мець вырашальнае значэнне пры вымярэнні слабых сігналаў або правядзенні колькаснага аналізу.
Бітавая глыбіня і хуткасць
Павелічэнне разраднасці азначае, што аналага-лічбавыя пераўтваральнікі (АЛП) павінны выдаваць больш бітаў на вымярэнне. Звычайна гэта патрабуе ад іх скарачэння колькасці вымярэнняў у секунду, г.зн. зніжэння частаты кадраў камеры.
Па гэтай прычыне многіянавуковыя камерыпрапануюць два рэжымы набыцця:
● Рэжым высокай глыбіні колеру — звычайна прапануе большы дынамічны дыяпазон. Прыярытэт надаецца танальнаму разрозненню і дынамічнаму дыяпазону для такіх ужыванняў, як флуарэсцэнтная мікраскапія або спектраскапія.
● Рэжым высокай хуткасці – гэты рэжым памяншае глыбіню колеру на карысць больш высокай частаты кадраў, што вельмі важна для хуткіх падзей пры хуткаснай візуалізацыі.
Веданне гэтага кампрамісу дапамагае выбраць рэжым, які адпавядае вашым мэтам візуалізацыі — дакладнасць супраць часовага дазволу.
Бітавая глыбіня і дынамічны дыяпазон
Часта блытаюць глыбіню колеру ў біце з дынамічным дыяпазонам, але гэта не тоесныя паняцці. Глыбіня колеру ў біце вызначае колькасць магчымых узроўняў яркасці, а дынамічны дыяпазон апісвае суадносіны паміж самым цьмяным і самым яркім выяўляльнымі сігналамі.
Суадносіны паміж імі залежаць ад дадатковых фактараў, такіх як налады ўзмацнення камеры і шум счытвання. Фактычна, дынамічны дыяпазон можна выразіць у «эфектыўных бітах», гэта значыць, што шумавая прадукцыйнасць можа паменшыць колькасць бітаў, якія ўносяць свой уклад у карысныя дадзеныя выявы.
Пры выбары камеры гэта азначае, што вам варта ацэньваць як глыбіню колеру, так і дынамічны дыяпазон разам, а не лічыць, што адно цалкам вызначае другое.
Колькасць байтаў дадзеных, неабходных для захоўвання на адзін кадр камеры (без сціску), можна разлічыць наступным чынам:
Захоўванне дадзеных
Акрамя таго, некаторыя фарматы файлаў, такія як TIFF, захоўваюць 9-16-бітныя дадзеныя ўнутры 16-бітнай «абгорткі». Гэта азначае, што нават калі ваша выява выкарыстоўвае толькі 12 бітаў, аб'ём памяці можа быць такім жа, як і ў поўнай 16-бітнай выявы.
Для лабараторый, якія апрацоўваюць вялікія наборы дадзеных, гэта мае практычныя наступствы: выявы з большай глыбінёй разраднасці патрабуюць больш месца на дыску, больш працяглага часу перадачы дадзеных і большай вылічальнай магутнасці для апрацоўкі. Баланс паміж патрэбамі ў дакладнасці і магчымасцямі кіравання дадзенымі мае важнае значэнне для эфектыўнага працоўнага працэсу.
Як глыбіня колеру ўплывае на якасць выявы
Малюнак: Прыклады бітавай глыбіні
ЗАЎВАГАІлюстрацыя канцэпцыі глыбіні колеру ў разрадах. Змяншэнне глыбіні колеру ў разрадах памяншае колькасць крокаў інтэнсіўнасці, якія можна выкарыстоўваць для адлюстравання выявы.
Глыбіня колеру непасрэдна ўплывае на некалькі аспектаў якасці выявы ў навуковай камеры.
Дынамічны дыяпазон
Большая глыбіня колеру дазваляе захаваць большую яркасць, дэталізацыю ў ценях і светлых участках.
Напрыклад, у флуарэсцэнтнай мікраскапіі цьмяныя асаблівасці могуць быць ледзь бачныя на 8-бітным малюнку, але больш выразныя на 16-бітным.
Больш плаўныя танальныя градацыі
Большая глыбіня колеру дазваляе зрабіць пераходы паміж узроўнямі яркасці больш плаўнымі, пазбягаючы «палос» у градыентах. Гэта асабліва важна ў колькасным аналізе, дзе рэзкія скачкі могуць скажаць вынікі.
Прадстаўленне суадносін сігнал/шум (SNR)
Хоць глыбіня колеру не павялічвае непасрэдна суадносіны сігнал/шум (SNR) датчыка, яна дазваляе камеры больш дакладна адлюстроўваць нязначныя змены сігналу вышэй за ўзровень шуму.
Калі суадносіны сігнал/шум (SNR) датчыка ніжэйшае за дазвол, які забяспечвае глыбіня колеру, гэтыя дадатковыя біты могуць не паўплываць на рэальную якасць выявы — гэта фактар, які варта мець на ўвазе.
Прыклад:
●8-бітнае выяваЦені зліваюцца, цьмяныя рысы знікаюць, а тонкія змены губляюцца.
●16-бітнае выяваГрадацыі бесперапынныя, слабыя структуры захаваны, а колькасныя вымярэнні больш надзейныя.
Бітавая глыбіня і дакладнасць дадзеных у навуковай візуалізацыі
У навуковай візуалізацыі выява — гэта не проста малюнак, а даныя. Значэнне кожнага пікселя можа адпавядаць вымернай велічыні, напрыклад, колькасці фатонаў, інтэнсіўнасці флуарэсцэнцыі або спектральнай магутнасці.
Большая глыбіня колеру памяншае памылку квантавання — памылку акруглення, якая ўзнікае пры алічбоўцы аналагавага сігналу на дыскрэтныя ўзроўні. Чым больш даступных узроўняў, тым больш дакладна лічбавае значэнне, прызначанае пікселю, адпавядае сапраўднаму аналагаваму сігналу.
Чаму гэта важна
● У флуарэсцэнтнай мікраскапіі розніца ў яркасці на адзін крок можа азначаць значнае змяненне канцэнтрацыі бялку.
● У астраноміі слабыя сігналы ад далёкіх зорак або галактык могуць быць страчаныя, калі глыбіня колеру занадта нізкая.
● У спектраскапіі большая глыбіня ў бітах забяспечвае больш дакладныя вымярэнні ліній паглынання або выпраменьвання.
sCMOS-камера з 16-бітным выхадам можа запісваць тонкія адрозненні, якія былі б нябачнымі ў сістэме з меншай бітавай глыбінёй, што робіць яе неабходнай для прыкладанняў, якія патрабуюць колькаснай дакладнасці.
Якая глыбіня біта вам патрэбна?
Для многіх прыкладанняў патрабуецца як высокі ўзровень сігналу, так і шырокі дынамічны дыяпазон, і ў гэтым выпадку высокая разраднасць (14, 16 біт або больш) можа быць карыснай.
Аднак звычайна пры здымцы пры слабым асвятленні даступная глыбіня колеру забяспечвае значна большую інтэнсіўнасць насычэння, чым тая, што дасягаецца ў большасці выпадкаў. Асабліва для 16-бітных камер, калі толькі каэфіцыент узмацнення не асабліва высокі, поўны 16-бітны дыяпазон рэдка патрэбны.
Больш хуткасныя камеры або рэжымы камер могуць быць толькі 8-бітнымі, што можа быць больш абмежавальным, хоць больш высокія хуткасці, якія могуць забяспечыць 8-бітныя рэжымы, часта робяць кампраміс вартым таго. Вытворцы камер могуць павялічыць універсальнасць 8-бітных рэжымаў, каб спраўляцца з тыповымі ўзроўнямі сігналу розных прыкладанняў апрацоўкі візуалізацыі, з дапамогай зменных налад узмацнення.
Выбар правільнай бітнай глыбіні для вашага прыкладання
Вось кароткая даведка па супастаўленні глыбіні колеру з распаўсюджанымі сцэнарыямі навуковай візуалізацыі:
| Прыкладанне | Рэкамендаваная глыбіня бітаў | Прычына |
| Флуарэсцэнтная мікраскапія | 16-бітны | Выяўленне слабых сігналаў і нязначных адрозненняў у інтэнсіўнасці |
| Астранамічная візуалізацыя | 14–16-бітны | Здымайце з шырокім дынамічным дыяпазонам ва ўмовах нізкай асветленасці |
| Прамысловая інспекцыя | 12–14-бітны | Вызначайце дробныя дэфекты з яснасцю |
| Агульная дакументацыя | 8-бітны | Дастаткова для неколькасных мэт |
| Спектраскапія | 16-бітны | Захоўваць дробныя варыяцыі ў спектральных дадзеных |
Кампрамісы:
●Большая глыбіня бітаў= лепшае танальнае разрозненне і дакладнасць, але большыя файлы і большы час апрацоўкі.
●Меншая бітная глыбіня= хутчэйшы збор і меншыя файлы, але рызыка страты дробных дэталяў.
Глыбіня колеру ў параўнанні з іншымі характарыстыкамі камеры
Хоць глыбіня колеру важная, гэта толькі адзін з элементаў галаваломкі пры выбары навуковай камеры.
Тып матрыцы (CCD, CMOS ці sCMOS)
● Розныя архітэктуры датчыкаў маюць розны шум счытвання, дынамічны дыяпазон і квантавую эфектыўнасць. Напрыклад, датчык з высокай глыбінёй зліцця і нізкай квантавай эфектыўнасцю можа ўсё яшчэ мець праблемы пры здымцы пры слабым асвятленні.
Квантавая эфектыўнасць (КЭ)
● Квантавы эфект (КЭ) вызначае, наколькі эфектыўна датчык пераўтварае фатоны ў электроны. Высокі КЭ мае вырашальнае значэнне для захопу слабых сігналаў, і ў спалучэнні з дастатковай глыбінёй разраднасці ён максімізуе дакладнасць дадзеных.
Дынамічны дыяпазон
● Дынамічны дыяпазон камеры вызначае прамежак паміж самымі слабымі і самымі яркімі сігналамі, якія яна можа адначасова зафіксаваць. Большы дынамічны дыяпазон найбольш карысны, калі ён спалучаецца з глыбінёй колеру, здольнай прадставіць гэтыя ўзроўні яркасці.
Заўвага:
Большая глыбіня разраднасці не палепшыць якасць выявы, калі сапраўднай перашкодай з'яўляюцца іншыя сістэмныя абмежаванні (напрыклад, шум або оптыка).
Напрыклад, 8-бітная камера з вельмі нізкім узроўнем шуму можа пераўзысці шумную 16-бітную сістэму ў некаторых прыкладаннях.
Выснова
У навуковай візуалізацыі глыбіня колеру — гэта больш, чым проста тэхнічная спецыфікацыя, гэта фундаментальны фактар для атрымання дакладных і надзейных дадзеных.
Ад выяўлення слабых структур у мікраскапіі да рэгістрацыі аддаленых галактык у астраноміі, правільная глыбіня колеру гарантуе, што ваша навуковая камера захавае дэталі і вымярэнні, ад якіх залежыць ваша даследаванне.
Пры выбары камеры:
1. Падбярыце глыбіню разраднасці ў адпаведнасці з патрабаваннямі да дакладнасці вашага прыкладання.
2. Разгледзьце гэта разам з іншымі крытычна важнымі характарыстыкамі, такімі як квантавая эфектыўнасць, шум і дынамічны дыяпазон.
3. Памятайце, што большая разраднасць найбольш карысная, калі ваша сістэма можа ёю скарыстацца.
Калі вы шукаецеCMOS-камера orsCMOS-камерараспрацаваны для навуковай візуалізацыі з высокай глыбінёй колеру, азнаёмцеся з нашым асартыментам мадэляў, распрацаваных для забеспячэння дакладнасці, надзейнасці і дакладнасці дадзеных.
Часта задаваныя пытанні
У чым практычная розніца паміж 12-бітным, 14-бітным і 16-бітным разрозненнем у навуковай візуалізацыі?
На практыцы пераход ад 12-бітнай (4096 узроўняў) да 14-бітнай (16 384 узроўняў), а затым да 16-бітнай (65 536 узроўняў) дазваляе паступова больш тонка адрозніваць значэнні яркасці.
● 12-бітнай разраднасці дастаткова для многіх прамысловых задач і задач дакументацыі, дзе асвятленне добра кантралюецца.
● 14-бітная разраднасць забяспечвае добры баланс паміж дакладнасцю і зручным памерам файла, што ідэальна падыходзіць для большасці лабараторных працоўных працэсаў.
● 16-бітная раздзяляльнасць выдатна падыходзіць для здымак пры слабым асвятленні і высокім дынамічным дыяпазоне, такіх як флуарэсцэнтная мікраскапія або астранамічная візуалізацыя, дзе здольнасць запісваць слабыя сігналы без страты яркіх дэталяў мае вырашальнае значэнне.
Аднак памятайце, што шум і дынамічны дыяпазон матрыцы камеры павінны быць дастаткова добрымі, каб выкарыстоўваць гэтыя дадатковыя танальныя крокі, інакш перавагі могуць быць не рэалізаваныя.
Ці заўсёды большая глыбіня колеру прыводзіць да лепшых малюнкаў?
Не аўтаматычна. Глыбіня колеру вызначае патэнцыйнае танальнае разрозненне, але рэальная якасць выявы залежыць ад іншых фактараў, у тым ліку:
● Адчувальнасць датчыка (квантавая эфектыўнасць)
● Шум счытвання
● Якасць оптыкі
● Стабільнасць асвятлення
Напрыклад, высокашумная 16-бітная CMOS-камера ў пэўных умовах можа захапіць не больш карысных дэталяў, чым нізкашумная 12-бітная sCMOS-камера. Іншымі словамі, большая разраднасць найбольш выгадная ў спалучэнні з добра аптымізаванай сістэмай візуалізацыі.
Ці магу я паменшыць колькасць дыскрэтызацыі з выявы з высокай бітавай глыбінёй без страты важных дадзеных?
Так — насамрэч, гэта распаўсюджаная практыка. Захоп з большай глыбінёй разраднасці дае вам гнуткасць для пасляапрацоўкі і колькаснага аналізу. Пазней вы можаце знізіць разраднасць да 8 біт для прэзентацыі або архівавання, захоўваючы вынікі аналізу без захавання ўсяго набору даных. Проста пераканайцеся, што арыгінальныя файлы з высокай глыбінёй разраднасці захоўваюцца дзе-небудзь, калі можа спатрэбіцца паўторны аналіз.
Якую ролю адыгрывае глыбіня запісаў у колькасных навуковых вымярэннях?
У колькаснай візуалізацыі глыбіня колеру непасрэдна ўплывае на тое, наколькі дакладна значэнні пікселяў адлюстроўваюць рэальныя інтэнсіўнасці сігналу. Гэта жыццёва важна для:
● Мікраскапія — вымярэнне змяненняў інтэнсіўнасці флуарэсцэнцыі на клеткавым узроўні.
● Спектраскапія — выяўленне нязначных зрухаў у лініях паглынання/выпраменьвання.
● Астраномія – Запіс слабых крыніц святла пры працяглай вытрымцы.
У гэтых выпадках недастатковая глыбіня ў разрад можа выклікаць памылкі акруглення або абрэзку сігналу, што прывядзе да недакладнай інтэрпрэтацыі дадзеных.
Хочаце даведацца больш? Азнаёмцеся з падобнымі артыкуламі:
[Дынамічны дыяпазон] – Што такое дынамічны дыяпазон?
Квантавая эфектыўнасць у навуковых камерах: кіраўніцтва для пачаткоўцаў
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усе правы абаронены. Пры цытаванні, калі ласка, спасылайцеся на крыніцу:www.tucsen.com
