25/08/20Когато оценявате научна камера, техническите спецификации могат да бъдат изключително важни – размер на пикселите, квантова ефективност, динамичен диапазон и други. Сред тези спецификации, битовата дълбочина е една от най-важните за определяне на това колко информация може да заснеме вашата камера и колко вярно представя фините детайли.
В научната обработка на изображения, където фините вариации в яркостта могат да представят важни данни, разбирането на битовата дълбочина не е задължително – то е от съществено значение.
Тази статия обяснява какво е битовата дълбочина, как влияе върху качеството на изображението, ролята ѝ в точността на данните и как да изберете правилната битова дълбочина за вашето приложение.
Дълбочина на битовете: Максималният брой нива на сивото в пиксел на изображението
При работа с научна камера, битовата дълбочина определя колко различни стойности на интензитета може да запише всеки пиксел. Това е от решаващо значение, защото при научното изобразяване стойността на всеки пиксел може да съответства директно на измерена величина, като например брой фотони или интензитет на флуоресценция.
Битовата дълбочина показва броя „битове“ от двоични цифрови данни, които всеки пиксел използва за съхраняване на стойности на интензитета, където 8 бита образуват един байт. Максималната стойност на нивото на сивото се дава от:
Максимални нива на сивото = 2^(битова дълбочина)
Например:
● 8-битов = 256 нива
● 12-битов = 4096 нива
● 16-битов = 65 536 нива
Повече нива на сивото позволяват по-фини градации на яркостта и по-точно представяне на фините разлики, което може да бъде критично при измерване на слаби сигнали или извършване на количествен анализ.
Битова дълбочина и скорост
Увеличаването на битовата дълбочина означава, че аналогово-цифровите преобразуватели (ADC) трябва да извеждат повече битове на измерване. Това обикновено изисква от тях да намалят измерванията си в секунда – т.е. да намалят честотата на кадрите на камерата.
Поради тази причина многонаучни камерипредлагат два режима на придобиване:
● Режим с висока битова дълбочина – Този режим обикновено предлага по-висок динамичен диапазон. Приоритизира тоналната резолюция и динамичния диапазон за приложения като флуоресцентна микроскопия или спектроскопия.
● Високоскоростен режим – Това намалява битовата дълбочина в полза на по-бързи кадри в секунда, което е от съществено значение за бързи събития при високоскоростно заснемане.
Познаването на този компромис ви помага да изберете режима, който е съобразен с вашите цели за изображения - прецизност спрямо времева резолюция.
Битова дълбочина и динамичен диапазон
Често срещано е да се бърка битовата дълбочина с динамичния диапазон, но те не са идентични. Битовата дълбочина определя броя на възможните нива на яркост, докато динамичният диапазон описва съотношението между най-слабите и най-ярките откриваеми сигнали.
Връзката между двете зависи от допълнителни фактори, като например настройките на усилването на камерата и шума при отчитане. Всъщност, динамичният диапазон може да се изрази в „ефективни битове“, което означава, че шумовите характеристики могат да намалят броя на битовете, които допринасят за използваемите данни за изображението.
За избор на камера това означава, че трябва да оценявате едновременно битовата дълбочина и динамичния диапазон, вместо да приемате, че едното напълно определя другото.
Байтовете за съхранение на данни, необходими за всеки кадър от камерата (без компресия), могат да се изчислят като:
Съхранение на данни
Освен това, някои файлови формати – като TIFF – съхраняват 9- до 16-битови данни в 16-битова „обвивка“. Това означава, че дори ако изображението ви използва само 12 бита, обемът на паметта може да е същият като на пълно 16-битово изображение.
За лабораториите, обработващи големи масиви от данни, това има практически последици: изображенията с по-висока битова дълбочина изискват повече дисково пространство, по-дълго време за трансфер и повече изчислителна мощност за обработка. Балансирането на нуждите от прецизност с капацитета за управление на данни е от съществено значение за ефективен работен процес.
Как битовата дълбочина влияе на качеството на изображението
Фигура: Примери за битова дълбочина
ЗАБЕЛЕЖКАИлюстрация на концепцията за битовата дълбочина. Намаляването на битовата дълбочина намалява броя на стъпките на интензитет, които могат да се използват за показване на изображението.
Битовата дълбочина има пряко влияние върху няколко аспекта на качеството на изображението в научната камера.
Динамичен диапазон
По-високата битова дълбочина улавя повече нива на яркост, запазвайки детайлите в сенките и светлите зони.
Например, при флуоресцентната микроскопия, слабите детайли може да са едва видими в 8-битово изображение, но са по-отчетливи в 16-битово заснемане.
По-плавни тонални градации
По-високите битови дълбочини позволяват по-плавни преходи между нивата на яркост, избягвайки „лентово образувание“ в градиентите. Това е особено важно при количествения анализ, където резките скокове могат да изкривят резултатите.
Представяне на съотношението сигнал/шум (SNR)
Въпреки че битовата дълбочина не увеличава директно съотношението сигнал/шум (SNR) на сензора, тя позволява на камерата да представя по-точно фините вариации на сигнала над нивото на шума.
Ако съотношението сигнал/шум (SNR) на сензора е по-ниско от разделителната способност, предлагана от битовата дълбочина, тези допълнителни битове може да не допринесат за действителното качество на изображението – фактор, който трябва да се има предвид.
Пример:
●8-битово изображениеСенките се сливат, бледите черти изчезват и фините промени се губят.
●16-битово изображениеГрадациите са непрекъснати, слабите структури са запазени и количествените измервания са по-надеждни.
Битова дълбочина и точност на данните в научните изображения
В научната обработка на изображения, изображението не е просто картина – то са данни. Стойността на всеки пиксел може да съответства на измеримо количество, като например брой фотони, интензитет на флуоресценция или спектрална мощност.
По-голямата битова дълбочина намалява грешката при квантуване - грешката от закръгляване, която възниква, когато аналогов сигнал се дигитализира в дискретни нива. С повече налични нива, цифровата стойност, присвоена на пиксел, съответства по-точно на истинския аналогов сигнал.
Защо това е важно
● При флуоресцентна микроскопия, разлика в яркостта от една стъпка може да представлява значима промяна в концентрацията на протеини.
● В астрономията, слаби сигнали от далечни звезди или галактики могат да бъдат загубени, ако битовата дълбочина е твърде ниска.
● В спектроскопията, по-голямата битова дълбочина осигурява по-прецизни измервания на абсорбционните или емисионните линии.
sCMOS камера с 16-битов изход може да записва фини разлики, които биха били невидими в система с по-ниска битова дълбочина, което я прави от съществено значение за приложения, изискващи количествена точност.
Колко битова дълбочина ви е необходима?
Много приложения изискват както високи нива на сигнала, така и висок динамичен диапазон, като в този случай високата битова дълбочина (14-битова, 16-битова или повече) може да бъде полезна.
Обикновено при изображения при слаба светлина обаче, наличната битова дълбочина ще осигури много по-високи интензитети на насищане, отколкото ще бъдат достигнати в повечето случаи. Особено за 16-битови камери, освен ако усилването не е особено високо, пълният 16-битов диапазон рядко е необходим.
По-високоскоростните камери или режими на камери могат да бъдат само 8-битови, което може да бъде по-ограничаващо, въпреки че по-високите скорости, които 8-битовите режими могат да позволят, често правят компромиса полезен. Производителите на камери могат да увеличат гъвкавостта на 8-битовите режими, за да се справят с типичните нива на сигнала на различни приложения за обработка на изображения, чрез променливи настройки на усилването.
Избор на правилната битова дълбочина за вашето приложение
Ето кратка справка за съпоставяне на битовата дълбочина с често срещани сценарии за научно изобразяване:
| Приложение | Препоръчителна битова дълбочина | Причина |
| Флуоресцентна микроскопия | 16-битов | Откриване на слаби сигнали и фини разлики в интензитета |
| Астрономическо изобразяване | 14–16-битов | Заснемане с висок динамичен диапазон при условия на слаба светлина |
| Индустриална инспекция | 12–14-битов | Идентифицирайте малки дефекти с яснота |
| Обща документация | 8-битов | Достатъчно за неколичествени цели |
| Спектроскопия | 16-битов | Запазване на фините вариации в спектралните данни |
Компромиси:
●По-висока битова дълбочина= по-добра тонална резолюция и точност, но по-големи файлове и по-дълго време за обработка.
●По-ниска битова дълбочина= по-бързо заснемане и по-малки файлове, но риск от загуба на фини детайли.
Битова дълбочина спрямо други спецификации на камерата
Въпреки че битовата дълбочина е важна, тя е само едно парче от пъзела при избора на научна камера.
Тип сензор (CCD срещу CMOS срещу sCMOS)
● Различните архитектури на сензорите имат различен шум при отчитане, динамичен диапазон и квантова ефективност. Например, сензор с висока битова дълбочина и ниска квантова ефективност може все още да се затруднява при изображения при слаба светлина.
Квантова ефективност (КЕ)
● QE (коефициентът на квантово преобразуване) определя колко ефективно един сензор преобразува фотоните в електрони. Високото QE е от решаващо значение за улавяне на слаби сигнали и когато е съчетано с достатъчна битова дълбочина, то максимизира точността на данните.
Динамичен диапазон
● Динамичният диапазон на камерата определя обхвата между най-слабите и най-ярките сигнали, които тя може да заснеме едновременно. По-високият динамичен диапазон е най-полезен, когато е съчетан с битова дълбочина, способна да представи тези нива на яркост.
Забележка:
По-високата битова дълбочина няма да подобри качеството на изображението, ако други системни ограничения (като шум или оптика) са истинското пречка.
Например, 8-битова камера с много нисък шум може да превъзхожда шумна 16-битова система в някои приложения.
Заключение
В научната обработка на изображения, битовата дълбочина е повече от техническа спецификация - тя е основен фактор за заснемане на точни и надеждни данни.
От откриване на слаби структури в микроскопията до записване на далечни галактики в астрономията, правилната битова дълбочина гарантира, че вашата научна камера запазва детайлите и измерванията, от които зависи вашето изследване.
При избора на камера:
1. Съобразете битовата дълбочина с нуждите от точност на вашето приложение.
2. Разгледайте го заедно с други критични спецификации като квантова ефективност, шум и динамичен диапазон.
3. Не забравяйте, че по-високата битова дълбочина е най-ценна, когато вашата система може да се възползва от нея.
Ако търситеCMOS камера orsCMOS камераПроектирани за научни изображения с висока битова дълбочина, разгледайте нашата гама от модели, проектирани за прецизност, надеждност и точност на данните.
Често задавани въпроси
Каква е практическата разлика между 12-битов, 14-битов и 16-битов цвят в научните изображения?
На практика, преходът от 12-битов (4096 нива) към 14-битов (16 384 нива) и след това към 16-битов (65 536 нива) позволява прогресивно по-фино разграничаване между стойностите на яркостта.
● 12-битовата резолюция е достатъчна за много промишлени и документационни приложения, където осветлението е добре контролирано.
● 14-битовата версия предлага добър баланс между прецизност и управляем размер на файла, идеална за повечето лабораторни работни процеси.
● 16-битовата технология се справя отлично в сценарии със слаба светлина и висок динамичен диапазон, като например флуоресцентна микроскопия или астрономическо изображение, където способността за записване на слаби сигнали без загуба на ярки детайли е от решаващо значение.
Не забравяйте обаче, че шумът на сензора и динамичният диапазон на камерата трябва да са достатъчно добри, за да се използват тези допълнителни тонални стъпки – в противен случай предимствата може да не бъдат реализирани.
По-високата битова дълбочина винаги ли води до по-добри изображения?
Не автоматично. Битовата дълбочина определя потенциалната тонална резолюция, но действителното качество на изображението зависи от други фактори, включително:
● Чувствителност на сензора (квантова ефективност)
● Шум при отчитане
● Качество на оптиката
● Стабилност на осветлението
Например, 16-битова CMOS камера с висок шум може да не заснеме повече полезни детайли от 12-битова sCMOS камера с нисък шум при определени условия. С други думи, по-високата битова дълбочина е най-полезна, когато е съчетана с добре оптимизирана система за обработка на изображения.
Мога ли да намаля семплирането на изображение с висока битова дълбочина, без да загубя важни данни?
Да — всъщност това е често срещана практика. Заснемането с по-висока битова дълбочина ви дава гъвкавост за последваща обработка и количествен анализ. По-късно можете да намалите семплирането до 8 бита за представяне или архивиране, запазвайки резултатите от анализа, без да запазвате пълния набор от данни. Просто се уверете, че оригиналните файлове с висока битова дълбочина са съхранени някъде, в случай че може да се наложи повторен анализ.
Каква роля играе битовата дълбочина в количествените научни измервания?
При количественото изобразяване, битовата дълбочина пряко влияе върху това колко точно стойностите на пикселите представят интензитета на сигнала в реалния свят. Това е жизненоважно за:
● Микроскопия – Измерване на промените в интензитета на флуоресценцията на клетъчно ниво.
● Спектроскопия – Откриване на фини промени в линиите на абсорбция/емисия.
● Астрономия – Записване на слаби източници на светлина при дълги експозиции.
В тези случаи, недостатъчната битова дълбочина може да причини грешки при закръгляване или прекъсване на сигнала, което води до неточна интерпретация на данните.
Искате да научите повече? Разгледайте свързани статии:
[Динамичен диапазон] – Какво е динамичен диапазон?
Квантова ефективност в научните камери: Ръководство за начинаещи
Tucsen Photonics Co., Ltd. Всички права запазени. При цитиране, моля, посочете източника:www.tucsen.com
