2012/08/25Koloretako kamerek kontsumitzaileen kameraren merkatuan nagusi diren arren, kamera monokromoak ohikoagoak dira irudi zientifikoetan.
Kamera-sentsoreek ez dute berez gaitasunik jasotzen duten argiaren kolorea edo uhin-luzera detektatzeko. Koloretako irudi bat lortzeko hainbat konpromiso behar dira sentikortasunean eta laginketa espazialean. Hala ere, irudi-aplikazio askotan, hala nola patologian, histologian edo zenbait industria-ikuskapenetan, kolore-informazioa ezinbestekoa da, beraz, koloretako kamera zientifikoak oraindik ohikoak dira.
Artikulu honek aztertzen du zer diren koloretako kamera zientifikoak, nola funtzionatzen duten, haien indarguneak eta mugak, eta non gainditzen dituzten beren pareko monokromoak baino aplikazio zientifikoetan.
Zer dira koloretako kamera zientifikoak?
Koloretako kamera zientifikoa RGB kolore-informazioa fideltasun, zehaztasun eta koherentzia handiz jasotzen duen irudi-gailu espezializatua da. Ikusmen-erakargarritasuna lehenesten duten kontsumitzaileentzako koloretako kamerak ez bezala, koloretako kamera zientifikoak irudi kuantitatiboetarako diseinatuta daude, non kolorearen zehaztasuna, sentsorearen linealtasuna eta gama dinamikoa funtsezkoak diren.
Kamera hauek oso erabiliak dira eremu argiko mikroskopia, histologia, materialen analisia eta ikusmen artifiziala bezalako aplikazioetan, non interpretazio bisuala edo koloreetan oinarritutako sailkapena ezinbestekoa den. Zientzia-kamera gehienak CMOS edo sCMOS sentsoreetan oinarritzen dira, ikerketa zientifiko eta industrialaren eskakizun zorrotzak betetzeko diseinatuta.
Irudi-sistema desberdinei begirada sakon bat emateko, arakatu gure errendimendu handiko aukeraketakamera zientifikoaaplikazio profesionaletarako eraikitako modeloak.
Kolorea lortzea: Bayer iragazkia
Ohiko moduan, kameretan koloreen detekzioa monitore eta pantailetan koloreen erreprodukzioa bezalako bideen bidez lortzen da: gertuko pixel gorri, berde eta urdinak kolore osoko 'superpixel' bihurtzearen bidez. R, G eta B kanal guztiak balio maximoan daudenean, pixel zuri bat ikusten da.
Siliziozko kamerek ezin dutenez sarrerako fotoien uhin-luzera detektatu, R, G edo B uhin-luzera kanal bakoitzaren bereizketa iragazketa bidez lortu behar da.
Pixel gorrietan, iragazki indibidual bat jartzen da pixelaren gainean, espektroaren zati gorrian daudenak izan ezik, uhin-luzera guztiak blokeatzeko, eta berdin urdin eta berdearentzat. Hala ere, hiru kolore-kanal izan arren bi dimentsiotan teila karratu bat lortzeko, superpixel bat osatzen da pixel gorri batekin, urdin batekin eta bi berderekin, irudian ikusten den bezala.
Bayer iragazkiaren diseinua koloretako kameretarako
OHARRA: Bayer iragazkiaren diseinua erabiliz koloretako kameretarako pixel indibidualei gehitutako kolore-iragazkien diseinua, Berde, Gorri, Urdin eta Berde pixelen 4 pixeleko unitate karratu errepikatuak erabiliz. 4 pixeleko unitatearen barruko ordena alda daiteke.
Pixel berdeei lehentasuna ematen zaie, bai argi-iturri gehienek (eguzkitik LED zurietaraino) espektroaren zati berdean erakusten dutelako intentsitate gorena, bai argi-detektagailuek (siliziozko kamera-sentsoreetatik gure begietaraino) normalean sentikortasun gorena berdean lortzen dutelako.
Irudien analisiari eta bistaratzeari dagokionez, ordea, irudiak ez zaizkio erabiltzaileari normalean pixel bakoitzak bere R, G edo B balioa soilik erakusten duenik ematen. Kameraren pixel bakoitzerako 3 kanaleko RGB balio bat sortzen da, inguruko pixelen balioak interpolatuz, 'debayering' izeneko prozesu batean.
Adibidez, pixel gorri bakoitzak balio berde bat sortuko du, gertuko lau pixel berdeen batez bestekotik edo beste algoritmo baten bidez, eta berdin gertuko lau pixel urdinentzat.
Kolorearen alde onak eta txarrak
Alde onak
● Koloretan ikus dezakezu! Koloreak informazio baliotsua ematen du, gizakiaren interpretazioa hobetzen duena, batez ere lagin biologikoak edo materialak aztertzerakoan.
● RGB koloretako irudiak ateratzea askoz errazagoa da kamera monokromo batekin sekuentziako R, G eta B irudiak ateratzearekin alderatuta.
Alde txarrak
● Koloretako kameren sentikortasuna izugarri murrizten da haien pareko monokromoekin alderatuta, uhin-luzeraren arabera. Espektroaren zati gorri eta urdinean, lau pixel-iragazkitik batek bakarrik igarotzen dituenez uhin-luzera horiek, argi-bilketa gehienez % 25ekoa da uhin-luzera horietan baliokide den kamera monokromo batena baino. Berdean, faktorea % 50ekoa da. Gainera, ez dago iragazki perfekturik: gailurraren transmisioa % 100 baino txikiagoa izango da, eta askoz txikiagoa izan daiteke uhin-luzera zehatzaren arabera.
● Xehetasun finen bereizmena ere okerrera egiten da, laginketa-tasak faktore berberek murrizten baitituzte (% 25era R eta B-rentzat eta % 50era G-rentzat). Pixel gorrien kasuan, 4 pixeletik batek bakarrik harrapatzen duenez argi gorria, bereizmena kalkulatzeko pixelaren tamaina eraginkorra 2 aldiz handiagoa da dimentsio bakoitzean.
● Koloretako kamerek beti izaten dute infragorri (IR) iragazki bat. Hori siliziozko kamerek giza begiarentzat ikusezinak diren IR uhin-luzera batzuk detektatzeko duten gaitasunari zor zaio, 700nm-tik 1100nm ingurura. IR argi hori iragazten ez bada, zurien balantzea eragingo luke, koloreen erreprodukzio okerra eraginez, eta sortutako irudia ez litzateke begiak ikusten duenarekin bat etorriko. Beraz, IR argi hau iragazi egin behar da, hau da, koloretako kamerak ezin dira erabili uhin-luzera horiek erabiltzen dituzten irudi-aplikazioetarako.
Nola funtzionatzen dute koloretako kamerek?
Koloretako kamera baten eraginkortasun kuantikoaren kurba tipiko baten adibidea
OHARRAEraginkortasun kuantikoaren uhin-luzerarekiko menpekotasuna bereizita erakusten da iragazki gorri, urdin eta berdea duten pixelentzat. Sentsore beraren eraginkortasun kuantikoa ere erakusten da kolore-iragazkirik gabe. Kolore-iragazkiak gehitzeak eraginkortasun kuantikoa nabarmen murrizten du.
Zientzia-kamera koloretsu baten muina bere irudi-sentsorea da, normaleanCMOS kamera or sCMOS kamera(CMOS zientifikoa), Bayer iragazki batekin hornitua. Fotoiak harrapatzetik irudiaren irteerara arteko lan-fluxuak hainbat urrats nagusi ditu:
1. Fotoien detekzioa: Argia lentean sartzen da eta sentsorea jotzen du. Pixel bakoitza uhin-luzera espezifikoarekiko sentikorra da, daraman kolore-iragazkiaren arabera.
2. Karga-bihurketa: Fotoiek karga elektriko bat sortzen dute pixel bakoitzaren azpian dagoen fotodiodoan.
3. Irakurketa eta anplifikazioa: Kargak tentsio bihurtzen dira, errenkadaka irakurtzen dira eta analogiko-digital bihurgailuen bidez digitalizatzen dira.
4. Koloreen berreraikuntza: Kameraren barneko prozesadoreak edo kanpoko softwareak iragazitako datuetatik kolore osoko irudia interpolatzen du demosaicing algoritmoak erabiliz.
5. Irudiaren zuzenketa: Eremu lauen zuzenketa, zurien balantzea eta zarata murriztea bezalako postprozesatzeko urratsak aplikatzen dira irteera zehatza eta fidagarria bermatzeko.
Koloretako kamera baten errendimendua neurri handi batean bere sentsore-teknologiaren araberakoa da. CMOS kamera-sentsore modernoek fotograma-tasa azkarrak eta zarata txikia eskaintzen dituzte, eta sCMOS sentsoreek, berriz, argi gutxiko sentikortasunerako eta tarte dinamiko zabalerako optimizatuta daude, eta hori ezinbestekoa da lan zientifikorako. Oinarri hauek koloretako eta monokromoko kamerak alderatzeko oinarria ezartzen dute.
Koloretako kamerak vs. Monokromoko kamerak: funtsezko desberdintasunak
Argi gutxiko lanetarako koloretako eta monokromoko kameraren irudien arteko konparaketa
OHARRAKoloretako kamera batek (ezkerrean) eta monokromo kamera batek (eskuinean) detektatutako uhin-luzera gorriaren igorpenarekin irudi fluoreszentea, gainerako kameraren zehaztapenak berdin mantenduz. Koloretako irudiak seinale-zarata erlazioa eta bereizmena nabarmen txikiagoak erakusten ditu.
Koloretako eta monokromoko kamerek osagai asko partekatzen dituzten arren, errendimendu eta erabilera kasuetan dituzten desberdintasunak nabarmenak dira. Hona hemen konparazio azkar bat:
| Ezaugarria | Koloretako kamera | Kamera monokromoa |
| Sentsore mota | Bayer-iragazkidun CMOS/sCMOS | Iragazkirik gabeko CMOS/sCMOS |
| Argiarekiko sentikortasuna | Beherago (kolore-iragazkiek argia blokeatzen dutelako) | Altuagoa (iragazkiek argia galtzen ez dute) |
| Bereizmen espaziala | Bereizmen eraginkor txikiagoa (desmosaikatzea) | Bereizmen natiboa osoa |
| Aplikazio idealak | Eremu argiko mikroskopia, histologia, materialen ikuskapena | Fluoreszentzia, argi gutxiko irudigintza, zehaztasun handiko neurketak |
| Kolore Datuak | RGB informazio osoa jasotzen du | Eskala grisa bakarrik hartzen du |
Laburbilduz, koloretako kamerak dira egokienak kolorea interpretazio edo analisietarako garrantzitsua denean, eta kamera monokromoak, berriz, sentikortasun eta zehaztasunerako aproposak.
Koloretako kamerak aplikazio zientifikoetan bikainak diren tokian
Mugak izan arren, koloretako kamerek emaitza hobeak lortzen dituzte koloreen bereizketa funtsezkoa den arlo espezializatu askotan. Jarraian, nabarmentzen diren adibide batzuk daude:
Bizitzaren Zientziak eta Mikroskopia
Koloretako kamerak erabili ohi dira eremu argiko mikroskopian, batez ere analisi histologikoan. H&E edo Gram tindaketa bezalako tindaketa teknikek RGB irudiekin bakarrik interpretatu daitekeen kolore-kontrastea sortzen dute. Hezkuntza-laborategiek eta patologia-sailek ere koloretako kamerak erabiltzen dituzte irakaskuntzarako edo diagnostikorako erabiltzeko lagin biologikoen irudi errealistak ateratzeko.
Materialen Zientzia eta Gainazalen Analisia
Materialen ikerketan, koloretako irudiak baliotsuak dira korrosioa, oxidazioa, estaldurak eta materialen mugak identifikatzeko. Koloretako kamerek gainazaleko akaberaren aldaera sotilak edo irudi monokromoek oharkabean pasa ditzaketen akatsak detektatzen laguntzen dute. Adibidez, material konposatuak edo zirkuitu inprimatuen plakak ebaluatzeko, askotan koloreen irudikapen zehatza behar da.
Ikusmen Artifiziala eta Automatizazioa
Ikuskapen-sistemetan, koloretako kamerak objektuak sailkatzeko, akatsak detektatzeko eta etiketatzea egiaztatzeko erabiltzen dira. Ikusmen artifizialaren algoritmoei piezak edo produktuak kolore-arrastoen arabera sailkatzeko aukera ematen diete, fabrikazioan automatizazioaren zehaztasuna hobetuz.
Hezkuntza, Dokumentazioa eta Hedapena
Zientzia-erakundeek askotan kalitate handiko koloretako irudiak behar dituzte argitalpenetarako, diru-laguntzen proposamenetarako eta dibulgazio-ekintzetarako. Koloretako irudi batek datu zientifikoen irudikapen intuitiboagoa eta bisualki erakargarriagoa eskaintzen du, batez ere diziplina arteko komunikaziorako edo publikoaren parte-hartzerako.
Azken gogoetak
Koloretako kamera zientifikoek funtsezko zeregina dute irudigintzako lan-fluxu modernoetan, non koloreen bereizketa garrantzitsua den. Sentikortasunean edo bereizmen gordinean kamera monokromoen parekoak ez diren arren, irudi natural eta interpretagarrietarako modukoak emateko duten gaitasunak ezinbesteko bihurtzen ditu zientzia biologikoetatik hasi eta ikuskapen industrialetarainoko arloetan.
Koloretako eta monokromoaren artean aukeratzerakoan, kontuan hartu zure irudi-helburuak. Zure aplikazioak argi gutxiko errendimendua, sentikortasun handia edo fluoreszentzia detekzioa behar baditu, kamera zientifiko monokromoa izan daiteke aukerarik onena. Baina eremu argiko irudietarako, materialen analisietarako edo kolore-kodetutako informazioa behar duen edozein zereginetarako, kolore-soluzio bat izan daiteke aproposa.
Ikerketa zientifikorako koloretako irudi-sistema aurreratuak arakatzeko, arakatu zure beharretara egokitutako errendimendu handiko CMOS kamera eta sCMOS modeloen gure lerro osoa.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Eskubide guztiak erreserbatuta. Aipatzen duzunean, aipatu iturria:www.tucsen.com
