25.08.2020Teaduskaamera hindamisel võivad tehnilised näitajad olla üle jõu käivad – piksli suurus, kvanttõhusus, dünaamiline ulatus ja palju muud. Nende näitajate hulgas on bitisügavus üks olulisemaid, mis määrab, kui palju infot kaamera suudab jäädvustada ja kui täpselt see peeneid detaile esitab.
Teaduslikus pildistamises, kus heleduse peened variatsioonid võivad esindada olulisi andmeid, pole bitisügavuse mõistmine valikuline – see on hädavajalik.
See artikkel selgitab, mis on bitisügavus, kuidas see mõjutab pildikvaliteeti, selle rolli andmete täpsuses ja kuidas valida oma rakenduse jaoks õige bitisügavus.
Biti sügavus: maksimaalne halli taseme arv pildi pikslis
Teaduskaameraga töötades määrab bitisügavus, mitu erinevat intensiivsusväärtust iga piksel salvestada saab. See on ülioluline, sest teaduslikus pildistamises võib iga piksli väärtus otseselt vastata mõõdetud suurusele, näiteks footonite arvule või fluorestsentsi intensiivsusele.
Bitisügavus näitab binaarsete digitaalsete andmete bittide arvu, mida iga piksel kasutab intensiivsusväärtuste salvestamiseks, kusjuures 8 bitti moodustab ühe baidi. Maksimaalne halltooni väärtus on antud järgmise valemiga:
Maksimaalsed hallid tasemed = 2^(biti sügavus)
Näiteks:
● 8-bitine = 256 taset
● 12-bitine = 4096 taset
● 16-bitine = 65 536 taset
Rohkem halli taset võimaldab peenemaid heleduse gradatsioone ja täpsemat peente erinevuste esitamist, mis võib olla kriitilise tähtsusega nõrkade signaalide mõõtmisel või kvantitatiivse analüüsi tegemisel.
Biti sügavus ja kiirus
Bitisügavuse suurendamine tähendab, et analoog-digitaalmuundurid (ADC-d) peavad väljastama rohkem bitte mõõtmise kohta. See nõuab tavaliselt neilt mõõtmiste arvu sekundis vähendamist – st kaamera kaadrisageduse vähendamist.
Sel põhjusel paljudteaduskaameradpakuvad kahte omandamisrežiimi:
● Suure bitisügavusega režiim – see pakub tavaliselt suuremat dünaamilist ulatust. Eelistab tonaalset eraldusvõimet ja dünaamilist ulatust selliste rakenduste jaoks nagu fluorestsentsmikroskoopia või spektroskoopia.
● Kiire režiim – see vähendab bitisügavust kiirema kaadrisageduse kasuks, mis on kiirete sündmuste puhul kiire pildistamise korral hädavajalik.
Selle kompromissi tundmine aitab teil valida režiimi, mis vastab teie pildistamiseesmärkidele – täpsus vs ajaline lahutusvõime.
Biti sügavus ja dünaamiline ulatus
Bitisügavust ja dünaamilist ulatust aetakse sageli segi, kuid need ei ole identsed. Bitisügavus määrab võimalike heledustasemete arvu, dünaamiline ulatus aga kirjeldab kõige nõrgemate ja kõige eredamate tuvastatavate signaalide suhet.
Nende kahe vaheline seos sõltub lisateguritest, näiteks kaamera võimenduse sätetest ja näidu mürast. Tegelikult saab dünaamilist ulatust väljendada "efektiivsete bittidena", mis tähendab, et müra võib vähendada bittide arvu, mis aitavad kaasa kasutatavate pildiandmete loomisele.
Kaamera valiku puhul tähendab see, et peaksite hindama nii bitisügavust kui ka dünaamilist ulatust koos, selle asemel, et eeldada, et üks määratleb teise täielikult.
Kaamerakaadri kohta vajaliku andmesalvestusmahu (ilma tihendamiseta) saab arvutada järgmiselt:
Andmete salvestamine
Lisaks salvestavad mõned failivormingud – näiteks TIFF – 9–16-bitiseid andmeid 16-bitises „ümbrises“. See tähendab, et isegi kui teie pilt kasutab ainult 12 bitti, võib salvestusruumi jalajälg olla sama, mis täielikul 16-bitisel pildil.
Suurte andmekogumitega tegelevate laborite jaoks on sellel praktilised tagajärjed: suurema bitisügavusega pildid nõuavad rohkem kettaruumi, pikemat edastusaega ja suuremat arvutusvõimsust töötlemiseks. Täpsusvajaduste ja andmehaldusvõimsuse tasakaalustamine on tõhusa töövoo jaoks hädavajalik.
Kuidas bitisügavus mõjutab pildikvaliteeti
Joonis: Bitisügavuse näited
MÄRKUSBitisügavuse kontseptsiooni illustratsioon. Bitisügavuse vähendamine vähendab pildi kuvamiseks kasutatavate intensiivsusastmete arvu.
Bitisügavusel on otsene mõju teaduskaamera pildikvaliteedi mitmele aspektile.
Dünaamiline ulatus
Suurem bitisügavus jäädvustab rohkem heledustaset, säilitades detailid varjudes ja heledates kohtades.
Näiteks fluorestsentsmikroskoopias võivad hämarad tunnused 8-bitises pildis olla vaevu nähtavad, kuid 16-bitises jäädvustuses on need selgemini eristatavad.
Sujuvamad toonigradatsioonid
Suurem bitisügavus võimaldab sujuvamaid üleminekuid heledustasemete vahel, vältides gradientide „ribade“ teket. See on eriti oluline kvantitatiivses analüüsis, kus järsud hüpped võivad tulemusi moonutada.
Signaali ja müra suhte (SNR) esitus
Kuigi bitisügavus ei suurenda otseselt sensori signaali-müra suhet (SNR), võimaldab see kaameral täpsemalt esitada peenemaid signaalivariatsioone müratasemest kõrgemal.
Kui sensori signaali-müra suhe (SNR) on madalam kui bitisügavuse pakutav eraldusvõime, ei pruugi need lisabitid tegelikku pildikvaliteeti mõjutada – see on tegur, mida tuleks meeles pidada.
Näide:
●8-bitine piltVarjud ühinevad, nõrgad jooned kaovad ja peened muutused kaovad.
●16-bitine piltGradatsioonid on pidevad, nõrgad struktuurid säilivad ja kvantitatiivsed mõõtmised on usaldusväärsemad.
Biti sügavus ja andmete täpsus teaduslikus pildistamises
Teaduslikus pildistamises ei ole pilt lihtsalt pilt – see on andmed. Iga piksli väärtus võib vastata mõõdetavale suurusele, näiteks footonite arvule, fluorestsentsi intensiivsusele või spektraalvõimsusele.
Suurem bitisügavus vähendab kvantiseerimisviga – ümardamisviga, mis tekib analoogsignaali digitaliseerimisel diskreetseteks tasemeteks. Mida rohkem tasemeid saadaval on, seda täpsemalt vastab pikslile määratud digitaalne väärtus tegelikule analoogsignaalile.
Miks see on oluline
● Fluorestsentsmikroskoopias võib üheastmeline heleduse erinevus tähendada olulist muutust valgu kontsentratsioonis.
● Astronoomias võivad kaugete tähtede või galaktikate nõrgad signaalid kaduma minna, kui bitisügavus on liiga madal.
● Spektroskoopias tagab suurem bitisügavus neeldumis- või emissioonijoonte täpsema mõõtmise.
16-bitise väljundiga sCMOS-kaamera suudab salvestada peeneid erinevusi, mis madalama bitisügavusega süsteemis oleksid nähtamatud, mistõttu on see oluline kvantitatiivset täpsust nõudvate rakenduste jaoks.
Kui palju bitisügavust vajate?
Paljud rakendused vajavad nii kõrget signaalitaset kui ka suurt dünaamilist ulatust, mille puhul võib olla kasulik suur bitisügavus (14-bitine, 16-bitine või rohkem).
Tavaliselt hämaras pildistamisel annab saadaolev bitisügavus palju suurema küllastusintensiivsuse, kui enamikul juhtudel saavutatakse. Eriti 16-bitiste kaamerate puhul on kogu 16-bitine vahemik harva vajalik, kui võimendus pole eriti suur.
Kiiremad kaamerad või kaamerarežiimid võivad olla vaid 8-bitised, mis võib olla piiravam, kuigi 8-bitiste režiimide suuremad kiirused muudavad kompromissi sageli väärtuslikuks. Kaameratootjad saavad 8-bitiste režiimide mitmekülgsust suurendada, et tulla toime erinevate pildindusrakenduste tüüpiliste signaalitasemetega, kasutades muudetavaid võimendusseadeid.
Õige biti sügavuse valimine teie rakenduse jaoks
Siin on lühike juhend bitisügavuse sobitamiseks tavaliste teaduslike pildistamisstsenaariumidega:
| Taotlus | Soovitatav bitisügavus | Põhjus |
| Fluorestsentsmikroskoopia | 16-bitine | Tuvastage nõrku signaale ja peeneid intensiivsuse erinevusi |
| Astronoomia pildistamine | 14–16-bitine | Jäädvusta lai dünaamiline ulatus ka hämaras valguses |
| Tööstuslik kontroll | 12–14-bitine | Tuvastage väikesed vead selgelt |
| Üldine dokumentatsioon | 8-bitine | Piisav mittekvantitatiivsetel eesmärkidel |
| Spektroskoopia | 16-bitine | Säilita spektraalandmete peened variatsioonid |
Kompromissid:
●Suurem biti sügavus= parem tonaalne eraldusvõime ja täpsus, kuid suuremad failid ja pikem töötlemisaeg.
●Väiksem biti sügavus= kiirem hankimine ja väiksemad failid, kuid oht kaotada peeneid detaile.
Biti sügavus vs teised kaamera spetsifikatsioonid
Kuigi bitisügavus on oluline, on see teaduskaamera valimisel vaid üks pusletükk.
Anduri tüüp (CCD vs CMOS vs sCMOS)
● Erinevatel sensori arhitektuuridel on erinev lugemismüra, dünaamiline ulatus ja kvantefektiivsus. Näiteks võib suure bitisügavusega sensoril, millel on halb kvantefektiivsus, siiski hämaras pildistamisel raskusi olla.
Kvantefektiivsus (QE)
● QE määrab, kui tõhusalt andur footoneid elektronideks muundab. Kõrge QE on nõrkade signaalide jäädvustamiseks ülioluline ja piisava bitisügavusega koos maksimeerib see andmete täpsuse.
Dünaamiline ulatus
● Kaamera dünaamiline ulatus määrab ära üheaegselt jäädvustada suuvate nõrgemate ja eredaimate signaalide vahelise ulatuse. Suurem dünaamiline ulatus on kõige kasulikum koos bitisügavusega, mis suudab neid heledustasemeid esindada.
Märkus:
Suurem bitisügavus ei paranda pildikvaliteeti, kui tegelikuks kitsaskohaks on muud süsteemipiirangud (näiteks müra või optika).
Näiteks võib väga madala müratasemega 8-bitine kaamera mõnes rakenduses edestada lärmakat 16-bitist süsteemi.
Kokkuvõte
Teaduslikus pildistamises on bitisügavus enamat kui tehniline spetsifikatsioon – see on täpsete ja usaldusväärsete andmete jäädvustamise põhitegur.
Alates nõrkade struktuuride tuvastamisest mikroskoopias kuni kaugete galaktikate jäädvustamiseni astronoomias tagab õige bitisügavus, et teie teaduskaamera säilitab detailid ja mõõtmised, millest teie uuring sõltub.
Kaamera valimisel:
1. Valige bitisügavus vastavalt oma rakenduse täpsusvajadustele.
2. Mõelge sellele koos teiste oluliste näitajatega, nagu kvanttõhusus, müra ja dünaamiline ulatus.
3. Pea meeles, et suurem bitisügavus on kõige väärtuslikum siis, kui sinu süsteem saab seda ära kasutada.
Kui otsiteCMOS-kaamera orsCMOS-kaameramis on loodud suure bitisügavusega teaduslikuks pildistamiseks, tutvuge meie mudelite valikuga, mis on loodud täpsuse, töökindluse ja andmete täpsuse tagamiseks.
KKK
Mis on praktiline erinevus 12-bitise, 14-bitise ja 16-bitise vahel teaduslikus pildistamises?
Praktikas võimaldab hüpe 12-bitiselt (4096 taset) 14-bitisele (16 384 taset) ja seejärel 16-bitisele (65 536 taset) heleduse väärtuste järk-järgult peenemat eristamist.
● 12-bitisest piisab paljude tööstuslike ja dokumentatsioonirakenduste jaoks, kus valgustust on hästi juhitav.
● 14-bitine pakub head tasakaalu täpsuse ja hallatava failisuuruse vahel, mis sobib ideaalselt enamiku laboritöövoogude jaoks.
● 16-bitine resolutsioon sobib suurepäraselt hämaras valguses ja suure dünaamilise ulatusega stsenaariumides, näiteks fluorestsentsmikroskoopia või astronoomilise pildistamise puhul, kus nõrkade signaalide salvestamise võime ilma eredate detailide kadumiseta on ülioluline.
Siiski pidage meeles, et kaamera sensori müra ja dünaamiline ulatus peavad olema piisavalt head, et neid täiendavaid tonaalseid samme ära kasutada – vastasel juhul ei pruugi eelised realiseeruda.
Kas suurem bitisügavus annab alati parema pildi?
Mitte automaatselt. Bitisügavus määrab potentsiaalse tonaalse eraldusvõime, kuid tegelik pildikvaliteet sõltub muudest teguritest, sealhulgas:
● Anduri tundlikkus (kvanttõhusus)
● Näidu müra
● Optika kvaliteet
● Valgustuse stabiilsus
Näiteks ei pruugi suure müratasemega 16-bitine CMOS-kaamera teatud tingimustes jäädvustada rohkem kasulikke detaile kui madala müratasemega 12-bitine sCMOS-kaamera. Teisisõnu, suurem bitisügavus on kõige kasulikum koos hästi optimeeritud pildisüsteemiga.
Kas ma saan suure bitisügavusega pildilt diskreeti vähendada ilma olulisi andmeid kaotamata?
Jah – tegelikult on see tavaline praktika. Suurema bitisügavusega jäädvustamine annab teile paindlikkuse järeltöötluseks ja kvantitatiivseks analüüsiks. Hiljem saate esitluse või arhiveerimise jaoks diskreetimist vähendada 8-bitiseks, säilitades analüüsi tulemused ilma kogu andmestikku alles hoidmata. Veenduge lihtsalt, et algsed suure bitisügavusega failid on kuskil salvestatud, kui uuesti analüüsimine võib olla vajalik.
Milline roll on bitisügavusel kvantitatiivsetes teaduslikes mõõtmistes?
Kvantitatiivses pildistamises mõjutab bitisügavus otseselt seda, kui täpselt piksliväärtused esindavad reaalse maailma signaali intensiivsust. See on oluline järgmistel eesmärkidel:
● Mikroskoopia – Fluorestsentsi intensiivsuse muutuste mõõtmine rakutasandil.
● Spektroskoopia – neeldumis-/emissioonijoonte peente nihete tuvastamine.
● Astronoomia – nõrkade valgusallikate jäädvustamine pikkade säriaegadega.
Sellistel juhtudel võib ebapiisav bitisügavus põhjustada ümardusvigu või signaali kärpimist, mis omakorda viib andmete ebatäpse tõlgendamiseni.
Kas soovite rohkem teada saada? Vaadake seotud artikleid:
[Dünaamiline ulatus] – Mis on dünaamiline ulatus?
Kvantefektiivsus teaduskaamerates: algajate juhend
Tucsen Photonics Co., Ltd. Kõik õigused kaitstud. Tsiteerides palun viidata allikale:www.tucsen.com
