25/08/12Нягледзячы на тое, што на рынку спажывецкіх камер дамінуюць каляровыя камеры, манахромныя камеры часцей выкарыстоўваюцца ў навуковай візуалізацыі.
Датчыкі камеры не здольныя самастойна вызначаць колер або даўжыню хвалі святла, якое яны збіраюць. Атрыманне каляровага малюнка патрабуе шэрагу кампрамісаў у адчувальнасці і прасторавай дыскрэтызацыі. Аднак у многіх прыкладаннях візуалізацыі, такіх як паталогія, гісталогія або некаторыя прамысловыя інспекцыі, інфармацыя пра колер мае важнае значэнне, таму каляровыя навуковыя камеры ўсё яшчэ з'яўляюцца распаўсюджанай з'явай.
У гэтым артыкуле разглядаецца, што такое каляровыя навуковыя камеры, як яны працуюць, іх моцныя і абмежаваныя бакі, а таксама ў чым яны пераўзыходзяць свае манахромныя аналагі ў навуковых прымяненнях.
Што такое каляровыя навуковыя камеры?
Каляровая навуковая камера — гэта спецыялізаваная прылада для візуалізацыі, якая фіксуе інфармацыю пра колеры RGB з высокай дакладнасцю, дакладнасцю і паслядоўнасцю. У адрозненне ад спажывецкіх каляровых камер, якія надаюць прыярытэт візуальнай прывабнасці, навуковыя каляровыя камеры прызначаны для колькаснай візуалізацыі, дзе дакладнасць колеру, лінейнасць датчыка і дынамічны дыяпазон маюць вырашальнае значэнне.
Гэтыя камеры шырока выкарыстоўваюцца ў такіх галінах, як светлапольная мікраскапія, гісталогія, аналіз матэрыялаў і задачы машыннага зроку, дзе важная візуальная інтэрпрэтацыя або класіфікацыя на аснове колеру. Большасць каляровых навуковых камер заснаваны на CMOS- або sCMOS-датчыках, прызначаных для задавальнення строгіх патрабаванняў навуковых і прамысловых даследаванняў.
Каб падрабязна азнаёміцца з рознымі сістэмамі візуалізацыі, азнаёмцеся з нашым выбарам высокапрадукцыйныхнавуковая камерамадэлі, прызначаныя для прафесійнага выкарыстання.
Дасягненне колеру: фільтр Баера
Традыцыйна выяўленне колеру ў камерах дасягаецца тымі ж сродкамі, што і прайграванне колеру на маніторах і экранах: шляхам камбінавання блізкіх чырвоных, зялёных і сініх пікселяў у паўнакаляровыя «суперпікселі». Калі каналы R, G і B маюць максімальныя значэнні, бачны белы піксель.
Паколькі крэмніевыя камеры не могуць выявіць даўжыню хвалі ўваходных фатонаў, падзел кожнага канала даўжынь хваль R, G або B павінен быць дасягнуты шляхам фільтрацыі.
У чырвоных пікселях на піксель размяшчаецца асобны фільтр, які блакуе ўсе даўжыні хваль, акрамя тых, што знаходзяцца ў чырвонай частцы спектру, а таксама для сіняга і зялёнага. Аднак, каб дасягнуць квадратнай пліткі ў двух вымярэннях, нягледзячы на наяўнасць трох каляровых каналаў, суперпіксель фарміруецца з аднаго чырвонага, аднаго сіняга і двух зялёных пікселяў, як паказана на малюнку.
Схема фільтра Баера для каляровых камер
ЗАЎВАГАКампазіцыя каляровых фільтраў, дададзеных да асобных пікселяў для каляровых камер з выкарыстаннем макета фільтра Баера, з выкарыстаннем паўтаральных квадратных 4-піксельных блокаў зялёных, чырвоных, сініх, зялёных пікселяў. Парадак унутры 4-піксельнага блока можа адрознівацца.
Зялёныя пікселі маюць прыярытэт, бо большасць крыніц святла (ад сонца да белых святлодыёдаў) праяўляюць сваю пікавую інтэнсіўнасць у зялёнай частцы спектру, а таксама таму, што датчыкі святла (ад крэмніевых датчыкаў камер да нашых вачэй) звычайна маюць пікавую адчувальнасць у зялёным дыяпазоне.
Аднак, калі гаворка ідзе пра аналіз і адлюстраванне малюнкаў, выявы звычайна не перадаюцца карыстальніку з пікселямі, кожны з якіх адлюстроўвае толькі сваё значэнне R, G або B. Для кожнага пікселя камеры ствараецца трохканальнае значэнне RGB шляхам інтэрпаляцыі значэнняў бліжэйшых пікселяў у працэсе, які называецца «дэбаерызацыя».
Напрыклад, кожны чырвоны піксель будзе генераваць зялёнае значэнне альбо з сярэдняга значэння чатырох бліжэйшых зялёных пікселяў, альбо з дапамогай нейкага іншага алгарытму, і гэтак жа для чатырох бліжэйшых сініх пікселяў.
Плюсы і мінусы колеру
Плюсы
● Вы можаце ўбачыць гэта ў колеры! Колер перадае каштоўную інфармацыю, якая паляпшае інтэрпрэтацыю чалавекам, асабліва пры аналізе біялагічных або матэрыяльных узораў.
● Значна прасцей здымаць каляровыя выявы ў колерах RGB у параўнанні з паслядоўнай здымкай R, G і B з дапамогай манахромнай камеры
Мінусы
● Адчувальнасць каляровых камер значна зніжаецца ў параўнанні з іх манахромнымі аналагамі ў залежнасці ад даўжыні хвалі. У чырвонай і сіняй частцы спектру, з-за таго, што толькі адзін з чатырох піксельных фільтраў прапускае гэтыя даўжыні хваль, збор святла складае не больш за 25% ад збору эквівалентнай манахромнай камеры ў гэтых даўжынях хваль. У зялёнай частцы гэты каэфіцыент складае 50%. Акрамя таго, ніводзін фільтр не ідэальны: пікавае прапусканне будзе менш за 100% і можа быць значна ніжэйшым у залежнасці ад дакладнай даўжыні хвалі.
● Раздзяляльнасць дробных дэталяў таксама пагаршаецца, бо частата дыскрэтызацыі зніжаецца з-за тых жа фактараў (да 25% для R, B і да 50% для G). У выпадку чырвоных пікселяў, калі толькі 1 з 4 пікселяў захоплівае чырвонае святло, эфектыўны памер пікселя для разліку раздзяляльнасці ў 2 разы большы ў кожным вымярэнні.
● Каляровыя камеры таксама нязменна ўключаюць інфрачырвоны (ІЧ) фільтр. Гэта звязана са здольнасцю крэмніевых камер выяўляць некаторыя даўжыні хваль ІЧ-выпраменьвання, нябачныя для чалавечага вока, ад 700 нм да прыблізна 1100 нм. Калі б гэтае ІЧ-святло не было адфільтравана, гэта паўплывала б на баланс белага, што прывяло б да недакладнай каляровай перадачы, і атрыманая выява не адпавядала б таму, што бачна воку. Такім чынам, гэтае ІЧ-святло павінна быць адфільтравана, што азначае, што каляровыя камеры не могуць выкарыстоўвацца для візуалізацыі, дзе выкарыстоўваюцца гэтыя даўжыні хваль.
Як працуюць каляровыя камеры?
Прыклад тыповай крывой квантавай эфектыўнасці каляровай камеры
ЗАЎВАГА: Залежнасць квантавай эфектыўнасці ад даўжыні хвалі паказана асобна для пікселяў з чырвоным, сінім і зялёным фільтрам. Таксама паказана квантавая эфектыўнасць таго ж датчыка без каляровых фільтраў. Даданне каляровых фільтраў значна зніжае квантавую эфектыўнасць.
Асновай навуковай каляровай камеры з'яўляецца яе матрыца выявы, звычайнаCMOS-камера or sCMOS-камера(навуковы CMOS), абсталяваны фільтрам Баера. Працоўны працэс ад захопу фатонаў да вываду выявы ўключае ў сябе некалькі ключавых этапаў:
1. Выяўленне фатонаў: святло трапляе ў аб'ектыў і трапляе на датчык. Кожны піксель адчувальны да пэўнай даўжыні хвалі ў залежнасці ад каляровага фільтра, які ён мае.
2. Пераўтварэнне зарада: Фатоны генеруюць электрычны зарад у фотадыёдзе пад кожным пікселем.
3. Зчытванне і ўзмацненне: Зарады пераўтвараюцца ў напружанне, зчытваюцца радок за радком і алічбуюцца аналага-лічбавымі пераўтваральнікамі.
4. Рэканструкцыя колеру: Убудаваны працэсар камеры або знешняе праграмнае забеспячэнне інтэрпалюе паўнакаляровую выяву з адфільтраваных дадзеных, выкарыстоўваючы алгарытмы дэмазаікінгу.
5. Карэкцыя выявы: Для забеспячэння дакладнага і надзейнага выніку выкарыстоўваюцца такія этапы пасляапрацоўкі, як карэкцыя плоскага поля, баланс белага і падаўленне шуму.
Прадукцыйнасць каляровай камеры ў значнай ступені залежыць ад тэхналогіі яе датчыка. Сучасныя CMOS-датчыкі камер забяспечваюць высокую частату кадраў і нізкі ўзровень шуму, у той час як sCMOS-датчыкі аптымізаваны для адчувальнасці пры слабым асвятленні і шырокага дынамічнага дыяпазону, што вельмі важна для навуковай працы. Гэтыя асновы даюць падставу для параўнання каляровых і манахромных камер.
Каляровыя камеры супраць манахромных камер: асноўныя адрозненні
Параўнанне каляровых і манахромных здымкаў з камер для працы пры слабым асвятленні
ЗАЎВАГАФлуарэсцэнтны малюнак з выпраменьваннем чырвонай даўжыні хвалі, выяўлены каляровай камерай (злева) і манахромнай камерай (справа), прычым астатнія характарыстыкі камеры застаюцца ранейшымі. Каляровы малюнак мае значна ніжэйшае суадносіны сігнал/шум і раздзяляльную здольнасць.
Нягледзячы на тое, што каляровыя і манахромныя камеры маюць шмат агульных кампанентаў, іх прадукцыйнасць і варыянты выкарыстання істотныя. Вось кароткае параўнанне:
| Асаблівасць | Каляровая камера | Манахромная камера |
| Тып датчыка | CMOS-трафік з баераўскім фільтрам/sCMOS-трафік | Нефільтраваны CMOS/sCMOS |
| Адчувальнасць да святла | Ніжэй (з-за таго, што каляровыя фільтры блакуюць святло) | Вышэй (святло не губляецца праз фільтры) |
| Прасторавае разрозненне | Ніжэйшае эфектыўнае разрозненне (дэмазаікацыя) | Поўнае роднае разрозненне |
| Ідэальныя прымянення | Светлапалявая мікраскапія, гісталогія, кантроль матэрыялаў | Флуарэсцэнцыя, візуалізацыя пры слабым асвятленні, высокадакладныя вымярэнні |
| Каляровыя дадзеныя | Захоплівае поўную інфармацыю RGB | Захоплівае толькі адценні шэрага |
Карацей кажучы, каляровыя камеры найлепш падыходзяць, калі колер мае значэнне для інтэрпрэтацыі або аналізу, у той час як манахромныя камеры ідэальна падыходзяць для адчувальнасці і дакладнасці.
Дзе каляровыя камеры выдатна спраўляюцца з навуковымі задачамі
Нягледзячы на свае абмежаванні, каляровыя камеры пераўзыходзяць іншых у многіх спецыялізаваных галінах, дзе адрозненне колераў мае вырашальнае значэнне. Ніжэй прыведзены некалькі прыкладаў таго, дзе яны найбольш паказваюць:
Навукі аб жыцці і мікраскапія
Каляровыя камеры звычайна выкарыстоўваюцца ў светлапольнай мікраскапіі, асабліва ў гісталагічным аналізе. Такія метады афарбоўвання, як гемаглабін і эпітэлія або афарбоўванне па Граму, ствараюць каляровы кантраст, які можна інтэрпрэтаваць толькі з дапамогай RGB-візуалізацыі. Навучальныя лабараторыі і паталагічныя аддзяленні таксама выкарыстоўваюць каляровыя камеры для атрымання рэалістычных выяў біялагічных узораў для навучання або дыягнастычнага выкарыстання.
Матэрыялазнаўства і аналіз паверхні
У даследаванні матэрыялаў каляровая візуалізацыя каштоўная для выяўлення карозіі, акіслення, пакрыццяў і межаў матэрыялаў. Каляровыя камеры дапамагаюць выяўляць нязначныя адрозненні ў аздабленні паверхні або дэфекты, якія могуць быць прапушчаны манахромнымі візуалізацыямі. Напрыклад, ацэнка кампазітных матэрыялаў або друкаваных плат часта патрабуе дакладнага прадстаўлення колераў.
Машынны зрок і аўтаматызацыя
У аўтаматызаваных сістэмах кантролю каляровыя камеры выкарыстоўваюцца для сартавання аб'ектаў, выяўлення дэфектаў і праверкі маркіроўкі. Яны дазваляюць алгарытмам машыннага зроку класіфікаваць дэталі або вырабы на аснове каляровых прыкмет, павышаючы дакладнасць аўтаматызацыі ў вытворчасці.
Адукацыя, дакументацыя і інфармацыйна-прапагандысцкая дзейнасць
Навуковым установам часта патрэбныя высакаякасныя каляровыя выявы для публікацый, заявак на гранты і інфармацыйна-прапагандысцкай дзейнасці. Каляровая выява забяспечвае больш інтуітыўна зразумелае і візуальна прывабнае прадстаўленне навуковых дадзеных, асабліва для міждысцыплінарнай камунікацыі або ўзаемадзеяння з грамадскасцю.
Заключныя думкі
Каляровыя навуковыя камеры адыгрываюць важную ролю ў сучасных працоўных працэсах апрацоўкі малюнкаў, дзе важная дыферэнцыяцыя колераў. Нягледзячы на тое, што яны могуць не параўнацца з манахромнымі камерамі па адчувальнасці або неапрацаваным дазволе, іх здольнасць атрымліваць натуральныя, інтэрпрэтавальныя выявы робіць іх незаменнымі ў розных галінах — ад навук аб жыцці да прамысловага кантролю.
Выбіраючы паміж каляровым і манахромным рэжымамі, улічвайце свае мэты візуалізацыі. Калі ваша праграма патрабуе працы пры слабым асвятленні, высокай адчувальнасці або выяўлення флуарэсцэнцыі, манахромная навуковая камера можа быць найлепшым варыянтам. Але для візуалізацыі ў светлым полі, аналізу матэрыялаў або любой задачы, якая ўключае каляровую інфармацыю, каляровае рашэнне можа быць ідэальным.
Каб азнаёміцца з перадавымі сістэмамі каляровай візуалізацыі для навуковых даследаванняў, азнаёмцеся з нашай поўнай лінейкай высокапрадукцыйных CMOS-камер і мадэляў sCMOS, адаптаваных да вашых патрэб.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усе правы абаронены. Пры цытаванні, калі ласка, спасылайцеся на крыніцу:www.tucsen.com
