25.08.2012.Iako kamere u boji dominiraju tržištem potrošačkih kamera, monokromatske kamere su češće u znanstvenoj slikovnoj tehnologiji.
Senzori kamere nisu inherentno sposobni detektirati boju ili valnu duljinu svjetlosti koju prikupljaju. Postizanje slike u boji zahtijeva niz kompromisa u osjetljivosti i prostornom uzorkovanju. Međutim, u mnogim primjenama snimanja, kao što su patologija, histologija ili neki industrijski pregledi, informacije o boji su ključne, pa su znanstvene kamere u boji još uvijek uobičajene.
Ovaj članak istražuje što su znanstvene kamere u boji, kako rade, njihove snage i ograničenja te gdje nadmašuju svoje monokromatske ekvivalente u znanstvenim primjenama.
Što su znanstvene kamere u boji?
Znanstvena kamera u boji je specijalizirani uređaj za snimanje koji snima RGB informacije o boji s visokom vjernošću, preciznošću i konzistentnošću. Za razliku od kamera u boji široke potrošnje koje daju prioritet vizualnoj privlačnosti, znanstvene kamere u boji konstruirane su za kvantitativno snimanje gdje su točnost boja, linearnost senzora i dinamički raspon ključni.
Ove se kamere široko koriste u primjenama kao što su mikroskopija svijetlog polja, histologija, analiza materijala i zadaci strojnog vida gdje je vizualna interpretacija ili klasifikacija na temelju boja ključna. Većina znanstvenih kamera u boji temelji se na CMOS ili sCMOS senzorima, dizajniranim da zadovolje stroge zahtjeve znanstvenih i industrijskih istraživanja.
Za detaljan pregled različitih sustava za snimanje, istražite naš izbor visokoučinkovitihznanstvena kameramodeli napravljeni za profesionalnu primjenu.
Postizanje boje: Bayerov filter
Konvencionalno, detekcija boja u kamerama postiže se istim sredstvima kao i reprodukcija boja na monitorima i ekranima: kombinacijama obližnjih crvenih, zelenih i plavih piksela u 'superpiksele' u punoj boji. Kada su R, G i B kanali na svojoj maksimalnoj vrijednosti, vidi se bijeli piksel.
Budući da silicijske kamere ne mogu detektirati valnu duljinu dolaznih fotona, odvajanje svakog R, G ili B kanala valne duljine mora se postići filtriranjem.
Kod crvenih piksela, preko piksela se postavlja pojedinačni filter koji blokira sve valne duljine osim onih u crvenom dijelu spektra, a isto vrijedi i za plavu i zelenu. Međutim, kako bi se postiglo kvadratno popločavanje u dvije dimenzije unatoč trima kanalima boja, superpiksel se formira od jednog crvenog, jednog plavog i dva zelena piksela, kao što je prikazano na slici.
Raspored Bayerovog filtera za kamere u boji
BILJEŠKARaspored filtera u boji dodanih pojedinačnim pikselima za kamere u boji korištenjem Bayerovog rasporeda filtera, korištenjem ponovljenih kvadratnih jedinica od 4 piksela zelenih, crvenih, plavih i zelenih piksela. Redoslijed unutar jedinice od 4 piksela može se razlikovati.
Zeleni pikseli imaju prioritet i zato što većina izvora svjetlosti (od sunca do bijelih LED dioda) pokazuje svoj vršni intenzitet u zelenom dijelu spektra i zato što detektori svjetlosti (od senzora kamera na bazi silicija do naših očiju) obično postižu maksimalnu osjetljivost u zelenom dijelu spektra.
Međutim, kada je riječ o analizi i prikazu slike, slike se obično ne isporučuju korisniku s pikselima koji prikazuju samo svoju R, G ili B vrijednost. Za svaki piksel kamere stvara se 3-kanalna RGB vrijednost interpolacijom vrijednosti susjednih piksela u procesu koji se naziva 'debayering'.
Na primjer, svaki crveni piksel generirat će zelenu vrijednost, bilo iz prosjeka četiri obližnja zelena piksela ili putem nekog drugog algoritma, a slično i za četiri obližnja plava piksela.
Prednosti i nedostaci boja
Prednosti
● Možete to vidjeti u boji! Boja prenosi vrijedne informacije koje poboljšavaju ljudsku interpretaciju, posebno prilikom analize bioloških ili materijalnih uzoraka.
● Mnogo je jednostavnije snimati RGB slike u boji u usporedbi sa snimanjem sekvencijalnih R, G i B slika monokromatskim fotoaparatom
Nedostaci
● Osjetljivost kamera u boji drastično je smanjena u usporedbi s njihovim monokromatskim ekvivalentima, ovisno o valnoj duljini. U crvenom i plavom dijelu spektra, zbog toga što samo jedan od četiri piksel filtera prolazi kroz te valne duljine, prikupljanje svjetlosti je najviše 25% u odnosu na ekvivalentnu monokromatsku kameru u tim valnim duljinama. U zelenom dijelu spektra, faktor je 50%. Osim toga, nijedan filter nije savršen: vršna propusnost bit će manja od 100% i može biti mnogo niža ovisno o točnoj valnoj duljini.
● Razlučivost finih detalja također se pogoršava, jer se brzine uzorkovanja smanjuju za iste te faktore (na 25% za R i B i na 50% za G). U slučaju crvenih piksela, gdje samo 1 od 4 piksela hvata crveno svjetlo, efektivna veličina piksela za izračun razlučivosti je 2 puta veća u svakoj dimenziji.
● Kamere u boji također neizbježno uključuju infracrveni (IR) filter. To je zbog sposobnosti silicijskih kamera da detektiraju neke IR valne duljine nevidljive ljudskom oku, od 700 nm do oko 1100 nm. Ako se ovo IR svjetlo ne bi filtriralo, utjecalo bi na balans bijele boje, što bi rezultiralo netočnom reprodukcijom boja, a dobivena slika ne bi odgovarala onome što se vidi okom. Stoga se ovo IR svjetlo mora filtrirati, što znači da se kamere u boji ne mogu koristiti za primjenu u snimanju, koja koristi te valne duljine.
Kako rade kamere u boji?
Primjer tipične krivulje kvantne učinkovitosti kamere u boji
BILJEŠKAOvisnost kvantne učinkovitosti o valnoj duljini prikazana je zasebno za piksele s crvenim, plavim i zelenim filterom. Također je prikazana kvantna učinkovitost istog senzora bez filtera u boji. Dodavanje filtera u boji značajno smanjuje kvantnu učinkovitost.
Jezgra znanstvene kamere u boji je njezin slikovni senzor, običnoCMOS kamera or sCMOS kamera(znanstveni CMOS), opremljen Bayerovim filterom. Tijek rada od snimanja fotona do ispisa slike uključuje nekoliko ključnih koraka:
1. Detekcija fotona: Svjetlost ulazi u leću i udara u senzor. Svaki piksel je osjetljiv na određenu valnu duljinu na temelju filtera boje koji nosi.
2. Pretvorba naboja: Fotoni generiraju električni naboj u fotodiodi ispod svakog piksela.
3. Očitavanje i pojačavanje: Naboji se pretvaraju u napone, očitavaju redak po redak i digitaliziraju analogno-digitalnim pretvaračima.
4. Rekonstrukcija boja: Ugrađeni procesor kamere ili vanjski softver interpolira sliku u punoj boji iz filtriranih podataka pomoću algoritama demosaicinga.
5. Korekcija slike: Koraci naknadne obrade poput korekcije ravnog polja, balansa bijele boje i smanjenja šuma primjenjuju se kako bi se osigurala točnost i pouzdanost rezultata.
Performanse kamere u boji uvelike ovise o tehnologiji senzora. Moderni CMOS senzori kamera nude brze sličice u sekundi i nizak šum, dok su sCMOS senzori optimizirani za osjetljivost pri slabom osvjetljenju i široki dinamički raspon, što je ključno za znanstveni rad. Ove osnove postavljaju temelje za usporedbu kamera u boji i monokromatskih kamera.
Kamere u boji u odnosu na monokromatske kamere: ključne razlike
Usporedba slika u boji i monokromatskih slika za rad u uvjetima slabog osvjetljenja
BILJEŠKAFluorescentna slika s emisijom crvene valne duljine detektirana kamerom u boji (lijevo) i monokromatskom kamerom (desno), s ostalim istim specifikacijama kamere. Slika u boji pokazuje znatno niži omjer signala i šuma i rezoluciju.
Iako i kamere u boji i monokromatske kamere dijele mnoge komponente, njihove razlike u performansama i slučajevima upotrebe su značajne. Evo kratke usporedbe:
| Značajka | Kamera u boji | Monokromatska kamera |
| Vrsta senzora | Bayer-filter CMOS/sCMOS | Nefiltrirani CMOS/sCMOS |
| Osjetljivost na svjetlo | Niža (zbog filtera u boji koji blokiraju svjetlo) | Viša (nema gubitka svjetlosti na filterima) |
| Prostorna rezolucija | Niža efektivna rezolucija (demozaicing) | Puna izvorna rezolucija |
| Idealne primjene | Mikroskopija svijetlog polja, histologija, inspekcija materijala | Fluorescencija, snimanje pri slabom osvjetljenju, visokoprecizna mjerenja |
| Podaci o boji | Snima sve RGB informacije | Snima samo sive tonove |
Ukratko, kamere u boji su najbolje kada je boja važna za interpretaciju ili analizu, dok su monokromatske kamere idealne za osjetljivost i preciznost.
Gdje se kamere u boji ističu u znanstvenim primjenama
Unatoč svojim ograničenjima, kamere u boji nadmašuju mnoge specijalizirane područja gdje je razlikovanje boja ključno. U nastavku je nekoliko primjera gdje se ističu:
Znanosti o životu i mikroskopija
Kamere u boji se često koriste u mikroskopiji svijetlog polja, posebno u histološkoj analizi. Tehnike bojenja poput H&E ili Gram bojenja stvaraju kontrast na bazi boje koji se može interpretirati samo RGB snimanjem. Obrazovni laboratoriji i odjeli patologije također se oslanjaju na kamere u boji za snimanje realističnih slika bioloških uzoraka za nastavu ili dijagnostičku upotrebu.
Znanost o materijalima i analiza površina
U istraživanju materijala, snimanje u boji je vrijedno za identifikaciju korozije, oksidacije, premaza i granica materijala. Kamere u boji pomažu u otkrivanju suptilnih varijacija u površinskoj obradi ili nedostataka koje bi monokromatsko snimanje moglo propustiti. Na primjer, procjena kompozitnih materijala ili tiskanih pločica često zahtijeva točan prikaz boja.
Strojni vid i automatizacija
U automatiziranim sustavima inspekcije, kamere u boji koriste se za sortiranje objekata, otkrivanje nedostataka i provjeru označavanja. Omogućuju algoritmima strojnog vida klasificiranje dijelova ili proizvoda na temelju oznaka boja, povećavajući točnost automatizacije u proizvodnji.
Obrazovanje, dokumentacija i informiranje
Znanstvene institucije često zahtijevaju visokokvalitetne slike u boji za publikacije, prijedloge za financijske potpore i aktivnosti usmjerene na širenje javnosti. Slika u boji pruža intuitivniji i vizualno privlačniji prikaz znanstvenih podataka, posebno za interdisciplinarnu komunikaciju ili angažman javnosti.
Završne misli
Znanstvene kamere u boji igraju ključnu ulogu u modernim radnim procesima snimanja gdje je razlikovanje boja važno. Iako se možda ne mogu mjeriti s monokromatskim kamerama po osjetljivosti ili sirovoj rezoluciji, njihova sposobnost pružanja prirodnih, razumljivih slika čini ih nezamjenjivima u područjima od znanosti o životu do industrijske inspekcije.
Prilikom odabira između snimanja u boji i monokromatskog snimanja, uzmite u obzir svoje ciljeve snimanja. Ako vaša primjena zahtijeva rad u uvjetima slabog osvjetljenja, visoku osjetljivost ili detekciju fluorescencije, monokromatska znanstvena kamera mogla bi biti vaša najbolja opcija. Ali za snimanje u svijetlom polju, analizu materijala ili bilo koji zadatak koji uključuje informacije kodirane bojama, rješenje u boji može biti idealno.
Za istraživanje naprednih sustava za snimanje u boji za znanstvena istraživanja, pregledajte našu kompletnu ponudu visokoučinkovitih CMOS kamera i sCMOS modela prilagođenih vašim potrebama.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
