25/08/12Er bod camerâu lliw yn dominyddu'r farchnad camerâu defnyddwyr, mae camerâu monocrom yn fwy cyffredin mewn delweddu gwyddonol.
Nid yw synwyryddion camera yn gallu canfod lliw, na thonfedd, y golau maen nhw'n ei gasglu. Mae cyflawni delwedd lliw yn gofyn am nifer o gyfaddawdau o ran sensitifrwydd a samplu gofodol. Fodd bynnag, mewn llawer o gymwysiadau delweddu, megis patholeg, histoleg neu ryw fath o arolygu diwydiannol, mae gwybodaeth lliw yn hanfodol, felly mae camerâu gwyddonol lliw yn dal i fod yn gyffredin.
Mae'r erthygl hon yn archwilio beth yw camerâu gwyddonol lliw, sut maen nhw'n gweithredu, eu cryfderau a'u cyfyngiadau, a ble maen nhw'n perfformio'n well na'u cymheiriaid monocrom mewn cymwysiadau gwyddonol.
Beth yw Camerâu Gwyddonol Lliw?
Mae camera lliw gwyddonol yn ddyfais delweddu arbenigol sy'n cipio gwybodaeth lliw RGB gyda ffyddlondeb, cywirdeb a chysondeb uchel. Yn wahanol i gamerâu lliw gradd defnyddwyr sy'n blaenoriaethu apêl weledol, mae camerâu lliw gwyddonol wedi'u peiriannu ar gyfer delweddu meintiol lle mae cywirdeb lliw, llinoledd synhwyrydd ac ystod ddeinamig yn hanfodol.
Defnyddir y camerâu hyn yn helaeth mewn cymwysiadau fel microsgopeg maes llachar, histoleg, dadansoddi deunyddiau, a thasgau gweledigaeth beiriannol lle mae dehongli gweledol neu ddosbarthu yn seiliedig ar liw yn hanfodol. Mae'r rhan fwyaf o gamerâu gwyddonol lliw yn seiliedig ar synwyryddion CMOS neu sCMOS, wedi'u cynllunio i fodloni gofynion llym ymchwil wyddonol a diwydiannol.
Am olwg fanwl ar wahanol systemau delweddu, archwiliwch ein detholiad o systemau perfformiad uchelcamera gwyddonolmodelau wedi'u hadeiladu ar gyfer cymwysiadau proffesiynol.
Cyflawni Lliw: Hidlydd Bayer
Yn gonfensiynol, cyflawnir canfod lliw mewn camerâu trwy'r un modd ag atgynhyrchu lliw ar fonitorau a sgriniau: trwy gyfuniadau o bicseli coch, gwyrdd a glas cyfagos yn 'uwchbicseli' lliw llawn. Pan fydd y sianeli R, G a B i gyd ar eu gwerth mwyaf, gwelir picsel gwyn.
Gan na all camerâu silicon ganfod tonfedd ffotonau sy'n dod i mewn, rhaid cyflawni gwahanu pob sianel tonfedd R, G neu B trwy hidlo.
Mewn picseli coch, rhoddir hidlydd unigol dros y picsel i rwystro pob tonfedd ac eithrio'r rhai yn rhan goch y sbectrwm, ac yn yr un modd ar gyfer glas a gwyrdd. Fodd bynnag, i gyflawni teils sgwâr mewn dau ddimensiwn er gwaethaf cael tair sianel lliw, ffurfir uwchbicsel o un picsel coch, un glas a dau bicsel gwyrdd, fel y dangosir yn y ffigur.
Cynllun hidlydd Bayer ar gyfer camerâu lliw
NODYNCynllun hidlwyr lliw wedi'u hychwanegu at bicseli unigol ar gyfer camerâu lliw gan ddefnyddio cynllun hidlo Bayer, gan ddefnyddio unedau sgwâr 4-picsel ailadroddus o bicseli Gwyrdd, Coch, Glas, Gwyrdd. Gall trefn o fewn yr uned 4-picsel amrywio.
Mae picseli gwyrdd yn cael blaenoriaeth oherwydd bod y rhan fwyaf o ffynonellau golau (o'r haul i LEDs gwyn) yn arddangos eu dwyster brig yn rhan werdd y sbectrwm, ac oherwydd bod synwyryddion golau (o synwyryddion camera sy'n seiliedig ar silicon i'n llygaid) fel arfer yn cyrraedd eu hanterth o ran sensitifrwydd yn y gwyrdd.
O ran dadansoddi ac arddangos delweddau, fodd bynnag, nid yw delweddau fel arfer yn cael eu cyflwyno i'r defnyddiwr gyda phicseli pob un yn arddangos eu gwerth R, G neu B yn unig. Crëir gwerth RGB 3-sianel ar gyfer pob picsel o'r camera, trwy ryngosod gwerthoedd picseli cyfagos, mewn proses o'r enw 'debayering'.
Er enghraifft, bydd pob picsel coch yn cynhyrchu gwerth gwyrdd, naill ai o gyfartaledd y pedwar picsel gwyrdd cyfagos, neu drwy ryw algorithm arall, ac yn yr un modd ar gyfer y pedwar picsel glas cyfagos.
Manteision ac Anfanteision Lliw
Manteision
● Gallwch ei weld mewn lliw! Mae lliw yn cyfleu gwybodaeth werthfawr sy'n gwella dehongliad dynol, yn enwedig wrth ddadansoddi samplau biolegol neu ddeunyddiol.
● Llawer symlach i dynnu delweddau lliw RGB o'i gymharu â chymryd delweddau R, G, a B olynol gan ddefnyddio camera monocrom
Anfanteision
● Mae sensitifrwydd camerâu lliw yn cael ei leihau'n sylweddol o'i gymharu â'u cymheiriaid monocrom, yn dibynnu ar y donfedd. Yn rhan goch a glas y sbectrwm, oherwydd mai dim ond un o bob pedwar hidlydd picsel sy'n pasio'r tonfeddi hyn, mae casglu golau ar y mwyaf yn 25% o gasgliad golau camera monocrom cyfatebol yn y tonfeddi hyn. Mewn gwyrdd, y ffactor yw 50%. Yn ogystal, nid oes unrhyw hidlydd yn berffaith: bydd y trosglwyddiad brig yn llai na 100%, a gall fod yn llawer is yn dibynnu ar y donfedd union.
● Mae datrysiad manylion mân hefyd yn gwaethygu, gan fod cyfraddau samplu yn cael eu lleihau gan yr un ffactorau hyn (i 25% ar gyfer R, B ac i 50% ar gyfer G). Yng nghyd-destun picseli coch, gyda dim ond 1 o bob 4 picsel yn dal golau coch, mae maint effeithiol y picsel ar gyfer cyfrifo datrysiad 2x yn fwy ym mhob dimensiwn.
● Mae camerâu lliw hefyd yn cynnwys hidlydd is-goch (IR) bob amser. Mae hyn oherwydd gallu camerâu silicon i ganfod rhai tonfeddi IR sy'n anweledig i'r llygad dynol, o 700nm i tua 1100nm. Pe na bai'r golau IR hwn yn cael ei hidlo allan, byddai'n effeithio ar y cydbwysedd gwyn, gan arwain at atgynhyrchu lliw anghywir, ac ni fyddai'r ddelwedd a gynhyrchir yn cyfateb i'r hyn a welir gan y llygad. Felly, rhaid hidlo'r golau IR hwn allan, sy'n golygu na ellir defnyddio camerâu lliw ar gyfer cymwysiadau delweddu, sy'n defnyddio'r tonfeddi hyn.
Sut Mae Camerâu Lliw yn Gweithio?
Enghraifft o gromlin effeithlonrwydd cwantwm camera lliw nodweddiadol
NODYN: Dangosir dibyniaeth tonfedd effeithlonrwydd cwantwm ar wahân ar gyfer picseli gyda hidlydd coch, glas a gwyrdd. Dangosir hefyd effeithlonrwydd cwantwm yr un synhwyrydd heb hidlwyr lliw. Mae ychwanegu hidlwyr lliw yn lleihau effeithlonrwydd cwantwm yn sylweddol.
Craidd camera lliw gwyddonol yw ei synhwyrydd delwedd, fel arfer ynCamera CMOS or camera sCMOS(CMOS gwyddonol), wedi'i gyfarparu â hidlydd Bayer. Mae'r llif gwaith o ddal ffoton i allbwn delwedd yn cynnwys sawl cam allweddol:
1. Canfod Ffoton: Mae golau yn mynd i mewn i'r lens ac yn taro'r synhwyrydd. Mae pob picsel yn sensitif i donfedd benodol yn seiliedig ar y hidlydd lliw y mae'n ei gario.
2. Trosi Gwefr: Mae ffotonau'n cynhyrchu gwefr drydanol yn y ffotodiod o dan bob picsel.
3. Darlleniad ac Ymhelaethiad: Caiff gwefrau eu trosi'n folteddau, eu darllen rhes wrth res, a'u digideiddio gan drawsnewidyddion analog-i-ddigidol.
4. Ail-greu Lliw: Mae prosesydd mewnol y camera neu feddalwedd allanol yn rhyngosod y ddelwedd lliw llawn o'r data wedi'i hidlo gan ddefnyddio algorithmau demosaicing.
5. Cywiro Delwedd: Cymhwysir camau ôl-brosesu fel cywiro maes gwastad, cydbwysedd gwyn, a lleihau sŵn i sicrhau allbwn cywir a dibynadwy.
Mae perfformiad camera lliw yn dibynnu'n fawr ar ei thechnoleg synhwyrydd. Mae synwyryddion camera CMOS modern yn cynnig cyfraddau fframiau cyflym a sŵn isel, tra bod synwyryddion sCMOS wedi'u optimeiddio ar gyfer sensitifrwydd golau isel ac ystod ddeinamig eang, sy'n hanfodol ar gyfer gwaith gwyddonol. Mae'r egwyddorion sylfaenol hyn yn gosod y llwyfan ar gyfer cymharu camerâu lliw a monocrom.
Camerâu Lliw vs. Camerâu Monocrom: Gwahaniaethau Allweddol
Cymhariaeth rhwng delweddau camera lliw a monocrom ar gyfer gwaith golau isel
NODYNDelwedd fflwroleuol gydag allyriad tonfedd coch wedi'i ganfod gan gamera lliw (chwith) a chamera monocrom (dde), gyda manylebau eraill y camera yn aros yr un fath. Mae'r ddelwedd lliw yn dangos cymhareb signal-i-sŵn a datrysiad llawer is.
Er bod camerâu lliw a monocrom yn rhannu llawer o gydrannau, mae eu gwahaniaethau o ran perfformiad ac achosion defnydd yn sylweddol. Dyma gymhariaeth gyflym:
| Nodwedd | Camera Lliw | Camera Monocrom |
| Math o Synhwyrydd | CMOS/sCMOS wedi'i hidlo gan Bayer | CMOS/sCMOS heb ei hidlo |
| Sensitifrwydd Golau | Is (oherwydd bod hidlwyr lliw yn rhwystro golau) | Uwch (dim golau'n cael ei golli i hidlwyr) |
| Datrysiad Gofodol | Datrysiad effeithiol is (dimosaig) | Datrysiad brodorol llawn |
| Cymwysiadau Delfrydol | Microsgopeg maes disglair, histoleg, archwilio deunyddiau | Fflwroleuedd, delweddu golau isel, mesuriadau manwl iawn |
| Data Lliw | Yn cipio gwybodaeth RGB lawn | Yn dal graddfa lwyd yn unig |
Yn fyr, mae camerâu lliw orau pan fo lliw yn bwysig ar gyfer dehongli neu ddadansoddi, tra bod camerâu monocrom yn ddelfrydol ar gyfer sensitifrwydd a chywirdeb.
Lle mae Camerâu Lliw yn Rhagorol mewn Cymwysiadau Gwyddonol
Er gwaethaf eu cyfyngiadau, mae camerâu lliw yn perfformio'n well mewn llawer o feysydd arbenigol lle mae gwahaniaeth lliw yn allweddol. Isod mae rhai enghreifftiau o ble maen nhw'n disgleirio:
Gwyddorau Bywyd a Microsgopeg
Defnyddir camerâu lliw yn gyffredin mewn microsgopeg maes llachar, yn enwedig mewn dadansoddiad histolegol. Mae technegau staenio fel staenio H&E neu Gram yn cynhyrchu cyferbyniad lliw na ellir ei ddehongli ond gyda delweddu RGB. Mae labordai addysgol ac adrannau patholeg hefyd yn dibynnu ar gamerâu lliw i ddal delweddau realistig o sbesimenau biolegol ar gyfer addysgu neu ddefnydd diagnostig.
Gwyddor Deunyddiau a Dadansoddi Arwynebau
Mewn ymchwil deunyddiau, mae delweddu lliw yn werthfawr ar gyfer nodi cyrydiad, ocsideiddio, haenau, a ffiniau deunyddiau. Mae camerâu lliw yn helpu i ganfod amrywiadau cynnil mewn gorffeniad arwyneb neu ddiffygion y gallai delweddu monocrom eu methu. Er enghraifft, mae gwerthuso deunyddiau cyfansawdd neu fyrddau cylched printiedig yn aml yn gofyn am gynrychiolaeth lliw gywir.
Gweledigaeth Peirianyddol ac Awtomeiddio
Mewn systemau arolygu awtomataidd, defnyddir camerâu lliw ar gyfer didoli gwrthrychau, canfod diffygion, a gwirio labelu. Maent yn caniatáu i algorithmau gweledigaeth beiriannol ddosbarthu rhannau neu gynhyrchion yn seiliedig ar arwyddion lliw, gan wella cywirdeb awtomeiddio mewn gweithgynhyrchu.
Addysg, Dogfennaeth, ac Allgymorth
Yn aml, mae sefydliadau gwyddonol angen delweddau lliw o ansawdd uchel ar gyfer cyhoeddiadau, cynigion grant ac allgymorth. Mae delwedd lliw yn darparu cynrychiolaeth fwy greddfol a deniadol yn weledol o ddata gwyddonol, yn enwedig ar gyfer cyfathrebu rhyngddisgyblaethol neu ymgysylltu â'r cyhoedd.
Meddyliau Terfynol
Mae camerâu gwyddonol lliw yn chwarae rhan hanfodol mewn llifau gwaith delweddu modern lle mae gwahaniaethu lliw yn bwysig. Er efallai na fyddant yn cyfateb i gamerâu monocrom o ran sensitifrwydd na datrysiad crai, mae eu gallu i ddarparu delweddau naturiol, y gellir eu dehongli yn eu gwneud yn anhepgor mewn meysydd sy'n amrywio o wyddorau bywyd i arolygu diwydiannol.
Wrth ddewis rhwng lliw a monocrom, ystyriwch eich nodau delweddu. Os yw eich cymhwysiad yn gofyn am berfformiad golau isel, sensitifrwydd uchel, neu ganfod fflwroleuedd, efallai mai camera wyddonol monocrom yw eich opsiwn gorau. Ond ar gyfer delweddu maes llachar, dadansoddi deunydd, neu unrhyw dasg sy'n cynnwys gwybodaeth wedi'i chodio â lliw, efallai y bydd datrysiad lliw yn ddelfrydol.
I archwilio systemau delweddu lliw uwch ar gyfer ymchwil wyddonol, porwch ein rhestr lawn o gamerâu CMOS perfformiad uchel a modelau sCMOS wedi'u teilwra i'ch anghenion.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Cedwir pob hawl. Wrth ddyfynnu, cydnabyddwch y ffynhonnell:www.tucsen.com
