۲۵/۰۸/۱۲اگرچه دوربین‌های رنگی بر بازار دوربین‌های مصرفی تسلط دارند، اما دوربین‌های تک‌رنگ در تصویربرداری علمی رایج‌تر هستند.
حسگرهای دوربین ذاتاً قادر به تشخیص رنگ یا طول موج نوری که جمع‌آوری می‌کنند، نیستند. دستیابی به یک تصویر رنگی نیازمند رعایت برخی نکات در حساسیت و نمونه‌برداری فضایی است. با این حال، در بسیاری از کاربردهای تصویربرداری، مانند آسیب‌شناسی، بافت‌شناسی یا برخی بازرسی‌های صنعتی، اطلاعات رنگ ضروری است، بنابراین دوربین‌های علمی رنگی هنوز رایج هستند.
این مقاله به بررسی دوربین‌های علمی رنگی، نحوه عملکرد آنها، نقاط قوت و محدودیت‌های آنها و همچنین برتری آنها نسبت به همتایان تک‌رنگ خود در کاربردهای علمی می‌پردازد.
دوربین‌های علمی رنگی چیستند؟
دوربین علمی رنگی، یک دستگاه تصویربرداری تخصصی است که اطلاعات رنگ RGB را با دقت، صحت و ثبات بالا ثبت می‌کند. برخلاف دوربین‌های رنگی سطح مصرف‌کننده که جذابیت بصری را در اولویت قرار می‌دهند، دوربین‌های رنگی علمی برای تصویربرداری کمی طراحی شده‌اند که در آن دقت رنگ، خطی بودن حسگر و محدوده دینامیکی بسیار مهم هستند.
این دوربین‌ها به طور گسترده در کاربردهایی مانند میکروسکوپی میدان روشن، بافت‌شناسی، تجزیه و تحلیل مواد و وظایف بینایی ماشین که در آنها تفسیر بصری یا طبقه‌بندی مبتنی بر رنگ ضروری است، استفاده می‌شوند. اکثر دوربین‌های علمی رنگی مبتنی بر حسگرهای CMOS یا sCMOS هستند که برای برآورده کردن نیازهای دقیق تحقیقات علمی و صنعتی طراحی شده‌اند.
برای نگاهی عمیق‌تر به سیستم‌های تصویربرداری مختلف، مجموعه‌ی ما از سیستم‌های با عملکرد بالا را بررسی کنید.دوربین علمیمدل‌هایی که برای کاربردهای حرفه‌ای ساخته شده‌اند.
دستیابی به رنگ: فیلتر بایر
به طور مرسوم، تشخیص رنگ در دوربین‌ها از طریق همان روشی که بازتولید رنگ در مانیتورها و صفحه نمایش‌ها انجام می‌شود، حاصل می‌شود: از طریق ترکیب پیکسل‌های قرمز، سبز و آبی نزدیک به هم و تبدیل آنها به «سوپرپیکسل‌های» تمام رنگی. وقتی کانال‌های R، G و B همگی در حداکثر مقدار خود هستند، یک پیکسل سفید دیده می‌شود.
از آنجایی که دوربین‌های سیلیکونی نمی‌توانند طول موج فوتون‌های ورودی را تشخیص دهند، جداسازی هر کانال طول موج R، G یا B باید از طریق فیلتر کردن انجام شود.
در پیکسل‌های قرمز، یک فیلتر جداگانه روی پیکسل قرار می‌گیرد تا تمام طول موج‌ها به جز آن‌هایی که در قسمت قرمز طیف هستند را مسدود کند، و به همین ترتیب برای آبی و سبز نیز همینطور است. با این حال، برای دستیابی به کاشی‌کاری مربعی در دو بعد با وجود داشتن سه کانال رنگی، یک سوپرپیکسل از یک پیکسل قرمز، یک آبی و دو پیکسل سبز تشکیل می‌شود، همانطور که در شکل نشان داده شده است.
طرح فیلتر بایر برای دوربین‌های رنگی
توجهطرح‌بندی فیلترهای رنگی اضافه شده به پیکسل‌های مجزا برای دوربین‌های رنگی با استفاده از طرح‌بندی فیلتر بایر، با استفاده از واحدهای مربعی ۴ پیکسلی مکرر از پیکسل‌های سبز، قرمز، آبی، سبز. ترتیب در واحد ۴ پیکسلی می‌تواند متفاوت باشد.
پیکسل‌های سبز در اولویت قرار دارند، هم به این دلیل که اکثر منابع نوری (از خورشید گرفته تا LEDهای سفید) اوج شدت خود را در بخش سبز طیف نشان می‌دهند و هم به این دلیل که آشکارسازهای نور (از حسگرهای دوربین مبتنی بر سیلیکون گرفته تا چشم ما) معمولاً در رنگ سبز به اوج حساسیت می‌رسند.
با این حال، وقتی صحبت از تحلیل و نمایش تصویر می‌شود، تصاویر معمولاً با پیکسل‌هایی که هر کدام فقط مقدار R، G یا B خود را نشان می‌دهند، به کاربر تحویل داده نمی‌شوند. یک مقدار RGB سه کاناله برای هر پیکسل دوربین، از طریق درون‌یابی مقادیر پیکسل‌های مجاور، در فرآیندی به نام «دی‌بایرینگ» ایجاد می‌شود.
برای مثال، هر پیکسل قرمز یک مقدار سبز تولید می‌کند، یا از میانگین چهار پیکسل سبز مجاور، یا از طریق الگوریتم دیگری، و به همین ترتیب برای چهار پیکسل آبی مجاور.
مزایا و معایب رنگ
مزایا
● شما می‌توانید آن را رنگی ببینید! رنگ، اطلاعات ارزشمندی را منتقل می‌کند که تفسیر انسان را بهبود می‌بخشد، به خصوص هنگام تجزیه و تحلیل نمونه‌های بیولوژیکی یا مادی.
● گرفتن تصاویر رنگی RGB در مقایسه با گرفتن تصاویر متوالی R، G و B با استفاده از دوربین تک رنگ بسیار ساده‌تر است
معایب
● حساسیت دوربین‌های رنگی در مقایسه با نمونه‌های تک‌رنگ آنها، بسته به طول موج، به شدت کاهش می‌یابد. در بخش قرمز و آبی طیف، به دلیل اینکه تنها یکی از هر چهار فیلتر پیکسلی از این طول موج‌ها عبور می‌کند، جمع‌آوری نور حداکثر ۲۵٪ از یک دوربین تک‌رنگ معادل در این طول موج‌ها است. در سبز، این ضریب ۵۰٪ است. علاوه بر این، هیچ فیلتری کامل نیست: پیک انتقال کمتر از ۱۰۰٪ خواهد بود و بسته به طول موج دقیق، ممکن است بسیار کمتر باشد.
● وضوح جزئیات دقیق نیز بدتر می‌شود، زیرا نرخ نمونه‌برداری توسط همین عوامل کاهش می‌یابد (به ۲۵٪ برای R، B و به ۵۰٪ برای G). در مورد پیکسل‌های قرمز، با توجه به اینکه تنها ۱ پیکسل از هر ۴ پیکسل نور قرمز را دریافت می‌کند، اندازه مؤثر پیکسل برای محاسبه وضوح در هر بعد ۲ برابر بزرگتر است.
● دوربین‌های رنگی نیز همواره شامل یک فیلتر مادون قرمز (IR) هستند. این به دلیل توانایی دوربین‌های سیلیکونی در تشخیص برخی از طول موج‌های مادون قرمز نامرئی برای چشم انسان، از ۷۰۰ نانومتر تا حدود ۱۱۰۰ نانومتر، است. اگر این نور مادون قرمز فیلتر نشود، بر تعادل رنگ سفید تأثیر می‌گذارد و منجر به تولید رنگ نادرست می‌شود و تصویر تولید شده با آنچه با چشم دیده می‌شود مطابقت ندارد. از این رو، این نور مادون قرمز باید فیلتر شود، به این معنی که دوربین‌های رنگی را نمی‌توان برای کاربردهای تصویربرداری که از این طول موج‌ها استفاده می‌کنند، استفاده کرد.
دوربین‌های رنگی چگونه کار می‌کنند؟
مثالی از منحنی بازده کوانتومی یک دوربین رنگی معمولی
توجهوابستگی طول موج به بازده کوانتومی برای پیکسل‌های دارای فیلتر قرمز، آبی و سبز به طور جداگانه نشان داده شده است. همچنین بازده کوانتومی همان حسگر بدون فیلترهای رنگی نشان داده شده است. افزودن فیلترهای رنگی به طور قابل توجهی بازده کوانتومی را کاهش می‌دهد.
هسته اصلی یک دوربین رنگی علمی، حسگر تصویر آن است که معمولاً یکدوربین CMOS or دوربین sCMOS(CMOS علمی)، مجهز به فیلتر بایر. گردش کار از ثبت فوتون تا خروجی تصویر شامل چندین مرحله کلیدی است:
۱. تشخیص فوتون: نور وارد لنز شده و به حسگر برخورد می‌کند. هر پیکسل بر اساس فیلتر رنگی که حمل می‌کند، به طول موج خاصی حساس است.
۲. تبدیل بار: فوتون‌ها در فوتودیود زیر هر پیکسل، بار الکتریکی تولید می‌کنند.
۳. بازخوانی و تقویت: بارها به ولتاژ تبدیل می‌شوند، ردیف به ردیف خوانده می‌شوند و توسط مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال دیجیتالی می‌شوند.
۴. بازسازی رنگ: پردازنده داخلی دوربین یا نرم‌افزار خارجی آن، تصویر تمام‌رنگی را از داده‌های فیلتر شده با استفاده از الگوریتم‌های demosaicing درون‌یابی می‌کند.
۵. تصحیح تصویر: مراحل پس از پردازش مانند تصحیح میدان مسطح، تراز سفیدی و کاهش نویز برای اطمینان از خروجی دقیق و قابل اعتماد اعمال می‌شوند.
عملکرد یک دوربین رنگی به شدت به فناوری حسگر آن بستگی دارد. حسگرهای دوربین CMOS مدرن، نرخ فریم سریع و نویز کم ارائه می‌دهند، در حالی که حسگرهای sCMOS برای حساسیت به نور کم و محدوده دینامیکی وسیع، که برای کارهای علمی بسیار مهم است، بهینه شده‌اند. این اصول، زمینه را برای مقایسه دوربین‌های رنگی و تک رنگ فراهم می‌کند.
دوربین‌های رنگی در مقابل دوربین‌های تک رنگ: تفاوت‌های کلیدی
مقایسه تصاویر دوربین رنگی و تک رنگ برای کار در نور کم
توجهتصویر فلورسنت با انتشار طول موج قرمز که توسط یک دوربین رنگی (چپ) و یک دوربین تک رنگ (راست) شناسایی شده است، با سایر مشخصات دوربین ثابت مانده است. تصویر رنگی نسبت سیگنال به نویز و وضوح قابل توجهی پایین‌تری را نشان می‌دهد.
اگرچه دوربین‌های رنگی و تک‌رنگ اجزای مشترک زیادی دارند، اما تفاوت‌های آنها در عملکرد و موارد استفاده قابل توجه است. در اینجا یک مقایسه سریع ارائه می‌دهیم:
| ویژگی | دوربین رنگی | دوربین تک رنگ |
| نوع سنسور | CMOS/sCMOS فیلتر شده بایر | CMOS/sCMOS فیلتر نشده |
| حساسیت به نور | پایین‌تر (به دلیل فیلترهای رنگی که نور را مسدود می‌کنند) | بالاتر (نور توسط فیلترها از بین نمی‌رود) |
| وضوح مکانی | وضوح مؤثر پایین‌تر (دموزایکینگ) | وضوح تصویر کامل بومی |
| کاربردهای ایده‌آل | میکروسکوپی برایت‌فیلد، بافت‌شناسی، بازرسی مواد | فلورسانس، تصویربرداری در نور کم، اندازه‌گیری‌های با دقت بالا |
| داده‌های رنگی | اطلاعات کامل RGB را ثبت می‌کند | فقط تصاویر خاکستری را ثبت می‌کند |
به طور خلاصه، دوربین‌های رنگی زمانی بهترین گزینه هستند که رنگ برای تفسیر یا تجزیه و تحلیل اهمیت داشته باشد، در حالی که دوربین‌های تک رنگ برای حساسیت و دقت ایده‌آل هستند.
جایی که دوربین‌های رنگی در کاربردهای علمی برتری دارند
علیرغم محدودیت‌هایشان، دوربین‌های رنگی در بسیاری از زمینه‌های تخصصی که تمایز رنگ کلیدی است، عملکرد بهتری دارند. در زیر چند نمونه از مواردی که آنها می‌درخشند، آورده شده است:
علوم زیستی و میکروسکوپ
دوربین‌های رنگی معمولاً در میکروسکوپی زمینه روشن، به ویژه در آنالیز بافت‌شناسی، استفاده می‌شوند. تکنیک‌های رنگ‌آمیزی مانند H&E یا رنگ‌آمیزی گرم، کنتراست رنگی ایجاد می‌کنند که فقط با تصویربرداری RGB قابل تفسیر است. آزمایشگاه‌های آموزشی و بخش‌های پاتولوژی نیز برای ثبت تصاویر واقع‌گرایانه از نمونه‌های بیولوژیکی برای آموزش یا استفاده تشخیصی، به دوربین‌های رنگی متکی هستند.
علوم مواد و آنالیز سطح
در تحقیقات مواد، تصویربرداری رنگی برای شناسایی خوردگی، اکسیداسیون، پوشش‌ها و مرزهای مواد ارزشمند است. دوربین‌های رنگی به تشخیص تغییرات ظریف در پرداخت سطح یا نقص‌هایی که تصویربرداری تک رنگ ممکن است از دست بدهد، کمک می‌کنند. به عنوان مثال، ارزیابی مواد کامپوزیت یا بردهای مدار چاپی اغلب نیاز به نمایش دقیق رنگ دارد.
بینایی ماشین و اتوماسیون
در سیستم‌های بازرسی خودکار، از دوربین‌های رنگی برای مرتب‌سازی اشیاء، تشخیص نقص و تأیید برچسب‌گذاری استفاده می‌شود. آنها به الگوریتم‌های بینایی ماشین اجازه می‌دهند قطعات یا محصولات را بر اساس نشانه‌های رنگی طبقه‌بندی کنند و دقت اتوماسیون در تولید را افزایش دهند.
آموزش، مستندسازی و اطلاع‌رسانی
مؤسسات علمی اغلب برای انتشارات، پیشنهادهای کمک هزینه و اطلاع‌رسانی به تصاویر رنگی با کیفیت بالا نیاز دارند. یک تصویر رنگی، نمایش بصری جذاب‌تر و شهودی‌تری از داده‌های علمی، به‌ویژه برای ارتباطات بین رشته‌ای یا مشارکت عمومی، ارائه می‌دهد.
نکات پایانی
دوربین‌های علمی رنگی نقش اساسی در گردش‌های کاری تصویربرداری مدرن دارند که در آنها تمایز رنگ مهم است. اگرچه ممکن است از نظر حساسیت یا وضوح خام با دوربین‌های تک رنگ برابری نکنند، اما توانایی آنها در ارائه تصاویر طبیعی و قابل تفسیر، آنها را در زمینه‌های مختلف از علوم زیستی گرفته تا بازرسی صنعتی ضروری می‌کند.
هنگام انتخاب بین رنگی و تک رنگ، اهداف تصویربرداری خود را در نظر بگیرید. اگر کاربرد شما نیاز به عملکرد در نور کم، حساسیت بالا یا تشخیص فلورسانس دارد، یک دوربین علمی تک رنگ ممکن است بهترین گزینه شما باشد. اما برای تصویربرداری با میدان روشن، تجزیه و تحلیل مواد یا هر کاری که شامل اطلاعات کدگذاری شده با رنگ باشد، یک راه حل رنگی ممکن است ایده آل باشد.
برای بررسی سیستم‌های تصویربرداری رنگی پیشرفته برای تحقیقات علمی، فهرست کامل دوربین‌های CMOS با کارایی بالا و مدل‌های sCMOS متناسب با نیازهای خود را مرور کنید.
شرکت توسن فوتونیک. تمامی حقوق محفوظ است. هنگام نقل قول، لطفاً منبع را ذکر کنید:www.tucsen.com
