25/08/12Въпреки че цветните камери доминират на пазара на потребителски фотоапарати, монохромните камери са по-често срещани в научната фотография.
Сензорите на камерите не са по своята същност способни да откриват цвета или дължината на вълната на светлината, която събират. Постигането на цветно изображение изисква редица компромиси по отношение на чувствителността и пространственото семплиране. Въпреки това, в много приложения за изображения, като патология, хистология или някои промишлени инспекции, информацията за цвета е от съществено значение, така че цветните научни камери все още са често срещани.
Тази статия разглежда какво представляват цветните научни камери, как работят, техните силни и ограничени страни и къде превъзхождат монохромните си аналози в научните приложения.
Какво представляват цветните научни камери?
Цветната научна камера е специализирано устройство за изображения, което улавя RGB цветова информация с висока прецизност, прецизност и последователност. За разлика от потребителските цветни камери, които дават приоритет на визуалната привлекателност, научните цветни камери са проектирани за количествено изобразяване, където точността на цветовете, линейността на сензора и динамичният диапазон са от решаващо значение.
Тези камери се използват широко в приложения като светлополева микроскопия, хистология, анализ на материали и задачи с машинно зрение, където визуалната интерпретация или цветовата класификация са от съществено значение. Повечето цветни научни камери са базирани на CMOS или sCMOS сензори, проектирани да отговорят на строгите изисквания на научните и промишлените изследвания.
За подробен поглед върху различните системи за изображения, разгледайте нашата селекция от високопроизводителнинаучна камерамодели, създадени за професионални приложения.
Постигане на цвят: филтърът на Байер
Обикновено, разпознаването на цветовете в камерите се постига по същия начин, както възпроизвеждането на цветовете на монитори и екрани: чрез комбинации от близки червени, зелени и сини пиксели в пълноцветни „суперпиксели“. Когато R, G и B каналите са с максимална стойност, се вижда бял пиксел.
Тъй като силициевите камери не могат да откриват дължината на вълната на входящите фотони, разделянето на всеки R, G или B канал с дължина на вълната трябва да се постигне чрез филтриране.
При червените пиксели, върху пиксела се поставя отделен филтър, който блокира всички дължини на вълните, освен тези в червената част на спектъра, както и за синьото и зеленото. Въпреки това, за да се постигне квадратно подреждане в две измерения, въпреки наличието на три цветни канала, се формира суперпиксел от един червен, един син и два зелени пиксела, както е показано на фигурата.
Разположение на филтъра на Байер за цветни камери
ЗАБЕЛЕЖКАРазположение на цветни филтри, добавени към отделни пиксели за цветни камери, използващи оформлението на филтъра на Байер, използвайки повтарящи се квадратни 4-пикселови единици от зелени, червени, сини, зелени пиксели. Редът в рамките на 4-пикселовата единица може да е различен.
Зелените пиксели са приоритизирани, както защото по-голямата част от източниците на светлина (от слънцето до белите светодиоди) показват пиковата си интензивност в зелената част на спектъра, така и защото светлинните детектори (от силициеви сензори на камери до нашите очи) обикновено достигат пикова чувствителност в зелената част.
Когато става въпрос за анализ и показване на изображения обаче, изображенията обикновено не се предоставят на потребителя с пиксели, всеки от които показва само своята R, G или B стойност. За всеки пиксел на камерата се създава 3-канална RGB стойност чрез интерполиране на стойностите на близките пиксели в процес, наречен „дебайеризиране“.
Например, всеки червен пиксел ще генерира зелена стойност, или от средната стойност на четирите близки зелени пиксела, или чрез някакъв друг алгоритъм, и по подобен начин за четирите близки сини пиксела.
Плюсове и минуси на цвета
Плюсове
● Можете да го видите в цвят! Цветът предава ценна информация, която подобрява човешката интерпретация, особено при анализ на биологични или материални проби.
● Много по-лесно е да се заснемат RGB цветни изображения, отколкото да се правят последователни R, G и B изображения с монохромна камера
Недостатъци
● Чувствителността на цветните камери е драстично намалена в сравнение с техните монохромни аналози, в зависимост от дължината на вълната. В червената и синята част на спектъра, тъй като само един от всеки четири пикселни филтъра преминава през тези дължини на вълните, събирането на светлина е най-много 25% от това на еквивалентна монохромна камера в тези дължини на вълните. В зелената част коефициентът е 50%. Освен това, никой филтър не е перфектен: пиковото пропускане ще бъде по-малко от 100% и може да бъде много по-ниско в зависимост от точната дължина на вълната.
● Разделителната способност на фините детайли също се влошава, тъй като честотата на дискретизация се намалява от същите тези фактори (до 25% за R, B и до 50% за G). В случая на червени пиксели, като само 1 от 4 пиксела улавя червена светлина, ефективният размер на пиксела за изчисляване на разделителната способност е 2 пъти по-голям във всяко измерение.
● Цветните камери неизменно включват и инфрачервен (IR) филтър. Това се дължи на способността на силициевите камери да откриват някои инфрачервени дължини на вълните, невидими за човешкото око, от 700 nm до около 1100 nm. Ако тази инфрачервена светлина не бъде филтрирана, тя би повлияла на баланса на бялото, което би довело до неточно възпроизвеждане на цветовете, а полученото изображение няма да съответства на това, което се вижда с око. Следователно, тази инфрачервена светлина трябва да бъде филтрирана, което означава, че цветните камери не могат да се използват за приложения за обработка на изображения, които използват тези дължини на вълните.
Как работят цветните камери?
Пример за типична крива на квантовата ефективност на цветна камера
ЗАБЕЛЕЖКАЗависимостта на квантовата ефективност от дължината на вълната, показана отделно за пиксели с червен, син и зелен филтър. Показана е също квантовата ефективност на същия сензор без цветни филтри. Добавянето на цветни филтри значително намалява квантовата ефективност.
Ядрото на научната цветна камера е нейният сензор за изображения, обикновеноCMOS камера or sCMOS камера(научен CMOS), оборудван с филтър на Байер. Работният процес от заснемането на фотони до извеждането на изображение включва няколко ключови стъпки:
1. Детекция на фотони: Светлината навлиза в обектива и удря сензора. Всеки пиксел е чувствителен към определена дължина на вълната въз основа на цветния филтър, който носи.
2. Преобразуване на заряда: Фотоните генерират електрически заряд във фотодиода под всеки пиксел.
3. Отчитане и усилване: Зарядите се преобразуват в напрежения, отчитат се ред по ред и се дигитализират от аналогово-цифрови преобразуватели.
4. Реконструкция на цветовете: Вграденият процесор на камерата или външен софтуер интерполира пълноцветното изображение от филтрираните данни, използвайки алгоритми за демозайсинг.
5. Корекция на изображението: Прилагат се стъпки за последваща обработка, като корекция на плоско поле, баланс на бялото и намаляване на шума, за да се осигури точен и надежден резултат.
Производителността на цветната камера зависи силно от технологията на нейните сензори. Съвременните CMOS сензори на камерите предлагат бърза честота на кадрите и нисък шум, докато sCMOS сензорите са оптимизирани за чувствителност при слаба светлина и широк динамичен диапазон, което е от решаващо значение за научната работа. Тези основни принципи поставят основите за сравняване на цветни и монохромни камери.
Цветни камери срещу монохромни камери: Основни разлики
Сравнение между цветни и монохромни изображения от камерата за работа при слаба светлина
ЗАБЕЛЕЖКАФлуоресцентно изображение с емисия на червена дължина на вълната, засечено от цветна камера (вляво) и монохромна камера (вдясно), като другите спецификации на камерата остават същите. Цветното изображение показва значително по-ниско съотношение сигнал/шум и резолюция.
Въпреки че както цветните, така и монохромните камери споделят много компоненти, разликите в производителността и случаите на употреба са значителни. Ето едно кратко сравнение:
| Функция | Цветна камера | Монохромна камера |
| Тип сензор | CMOS/sCMOS с Байеров филтър | Нефилтриран CMOS/sCMOS |
| Светочувствителност | По-ниска (поради цветни филтри, блокиращи светлината) | По-висока (без загуба на светлина от филтрите) |
| Пространствена резолюция | По-ниска ефективна резолюция (демозаикинг) | Пълна естествена резолюция |
| Идеални приложения | Микроскопия в светло поле, хистология, инспекция на материали | Флуоресценция, изображения при слаба светлина, високопрецизни измервания |
| Цветови данни | Заснема пълна RGB информация | Заснема само сиви тонове |
Накратко, цветните камери са най-добри, когато цветът е важен за интерпретация или анализ, докато монохромните камери са идеални за чувствителност и прецизност.
Където цветните камери превъзхождат научните приложения
Въпреки ограниченията си, цветните камери се представят по-добре в много специализирани области, където разграничаването на цветовете е ключово. По-долу са дадени няколко примера за това къде те блестят:
Науки за живота и микроскопия
Цветните камери се използват често в светлополевата микроскопия, особено в хистологичния анализ. Техниките за оцветяване, като хематоксилин и ейфория или оцветяване по Грам, създават цветен контраст, който може да се интерпретира само с RGB изображения. Образователните лаборатории и патологичните отдели също разчитат на цветни камери, за да заснемат реалистични изображения на биологични проби за учебна или диагностична употреба.
Материалознание и анализ на повърхностите
В изследванията на материалите, цветното изобразяване е ценно за идентифициране на корозия, окисление, покрития и граници на материалите. Цветните камери помагат за откриване на фини вариации в повърхностното покритие или дефекти, които монохромното изобразяване може да пропусне. Например, оценката на композитни материали или печатни платки често изисква точно представяне на цветовете.
Машинно зрение и автоматизация
В автоматизираните системи за инспекция цветните камери се използват за сортиране на обекти, откриване на дефекти и проверка на етикетирането. Те позволяват на алгоритмите за машинно зрение да класифицират части или продукти въз основа на цветови сигнали, повишавайки точността на автоматизация в производството.
Образование, документация и работа с обществеността
Научните институции често изискват висококачествени цветни изображения за публикации, предложения за грантове и информационни дейности. Цветното изображение осигурява по-интуитивно и визуално ангажиращо представяне на научните данни, особено за интердисциплинарна комуникация или обществено ангажиране.
Заключителни мисли
Цветните научни камери играят съществена роля в съвременните работни процеси за обработка на изображения, където цветовото разграничаване е важно. Въпреки че може да не се сравняват с монохромните камери по чувствителност или сурова резолюция, способността им да предоставят естествени, интерпретируеми изображения ги прави незаменими в области, вариращи от науките за живота до промишления инспекционен контрол.
Когато избирате между цветен и монохромен режим, вземете предвид целите си за изображения. Ако приложението ви изисква работа при слаба светлина, висока чувствителност или флуоресцентно откриване, монохромната научна камера може да е най-добрият ви вариант. Но за изображения в светло поле, анализ на материали или всяка задача, включваща цветно кодирана информация, цветното решение може да е идеално.
За да разгледате усъвършенствани системи за цветно изобразяване за научни изследвания, разгледайте пълната ни гама от високопроизводителни CMOS камери и sCMOS модели, съобразени с вашите нужди.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Всички права запазени. При цитиране, моля, посочете източника:www.tucsen.com
