25/08/20Գիտական տեսախցիկ գնահատելիս տեխնիկական բնութագրերը կարող են չափազանց շատ լինել՝ պիքսելների չափը, քվանտային արդյունավետությունը, դինամիկ տիրույթը և այլն: Այս բնութագրերի շարքում բիթային խորությունը ամենակարևորներից մեկն է՝ որոշելու համար, թե որքան տեղեկատվություն կարող է ձեր տեսախցիկը արձանագրել և որքանով ճշգրիտ է այն ներկայացնում մանր մանրամասները:
Գիտական պատկերման մեջ, որտեղ պայծառության աննշան տատանումները կարող են ներկայացնել կարևոր տվյալներ, բիթային խորության հասկացումը պարտադիր չէ՝ այն էական է։
Այս հոդվածը բացատրում է, թե ինչ է բիթային խորությունը, ինչպես է այն ազդում պատկերի որակի վրա, դրա դերը տվյալների ճշգրտության մեջ և ինչպես ընտրել ճիշտ բիթային խորությունը ձեր ծրագրի համար։
Բիթային խորություն. պատկերի պիքսելում մոխրագույնի առավելագույն մակարդակի քանակը
Գիտական տեսախցիկի հետ աշխատելիս բիթային խորությունը որոշում է, թե յուրաքանչյուր պիքսելը քանի տարբեր ինտենսիվության արժեք կարող է գրանցել։ Սա կարևոր է, քանի որ գիտական պատկերման մեջ յուրաքանչյուր պիքսելի արժեքը կարող է ուղղակիորեն համապատասխանել չափված մեծության, ինչպիսիք են ֆոտոնների քանակը կամ ֆլուորեսցենցիայի ինտենսիվությունը։
Բիթերի խորությունը ցույց է տալիս երկուական թվային տվյալների «բիթերի» քանակը, որոնք յուրաքանչյուր պիքսել օգտագործում է ինտենսիվության արժեքները պահելու համար, որտեղ 8 բիթ կազմում է մեկ բայթ: Մոխրագույնի մակարդակի առավելագույն արժեքը տրվում է հետևյալ կերպ.
Առավելագույն մոխրագույն մակարդակներ = 2^(բիթային խորություն)
Օրինակ՝
● 8-բիթ = 256 մակարդակ
● 12-բիթ = 4,096 մակարդակ
● 16-բիթ = 65,536 մակարդակ
Մոխրագույնի ավելի շատ մակարդակները հնարավորություն են տալիս ստանալ պայծառության ավելի նուրբ աստիճանավորումներ և նուրբ տարբերությունների ավելի ճշգրիտ ներկայացում, ինչը կարող է կարևոր լինել թույլ ազդանշանները չափելիս կամ քանակական վերլուծություն կատարելիս։
Բիթային խորություն և արագություն
Բիթային խորության մեծացումը նշանակում է, որ անալոգ-թվային փոխարկիչները (ADC) պետք է ավելի շատ բիթեր արտածեն մեկ չափման համար։ Սա սովորաբար պահանջում է, որ նրանք կրճատեն իրենց չափումները վայրկյանում, այսինքն՝ նվազեցնեն տեսախցիկի կադրերի հաճախականությունը։
Այս պատճառով, շատերըգիտական տեսախցիկներառաջարկում է ձեռքբերման երկու եղանակ՝
● Բարձր բիթային խորության ռեժիմ – Սա սովորաբար առաջարկում է ավելի բարձր դինամիկ տիրույթ: Ֆլուորեսցենտային մանրադիտակի կամ սպեկտրոսկոպիայի նման կիրառությունների համար առաջնահերթություն է տալիս տոնային լուծաչափին և դինամիկ տիրույթին:
● Բարձր արագության ռեժիմ – Սա նվազեցնում է բիթային խորությունը՝ հօգուտ ավելի արագ կադրերի հաճախականության, ինչը կարևոր է բարձր արագությամբ պատկերման արագ իրադարձությունների համար։
Այս փոխզիջումը իմանալը կօգնի ձեզ ընտրել ձեր պատկերման նպատակներին համապատասխանող ռեժիմը՝ ճշգրտություն ընդդեմ ժամանակային լուծաչափի:
Բիթային խորություն և դինամիկ տիրույթ
Բիթային խորությունը հաճախ շփոթվում է դինամիկ տիրույթի հետ, բայց դրանք նույնական չեն։ Բիթային խորությունը սահմանում է հնարավոր պայծառության մակարդակների քանակը, մինչդեռ դինամիկ տիրույթը նկարագրում է ամենաթույլ և ամենապայծառ հայտնաբերելի ազդանշանների միջև հարաբերակցությունը։
Երկուսի միջև կապը կախված է լրացուցիչ գործոններից, ինչպիսիք են տեսախցիկի ուժեղացման կարգավորումները և ընթերցման աղմուկը: Փաստորեն, դինամիկ տիրույթը կարող է արտահայտվել «արդյունավետ բիթերով», ինչը նշանակում է, որ աղմուկի արտադրողականությունը կարող է նվազեցնել օգտագործելի պատկերի տվյալներին նպաստող բիթերի քանակը:
Տեսախցիկի ընտրության համար սա նշանակում է, որ դուք պետք է միասին գնահատեք և՛ բիթային խորությունը, և՛ դինամիկ տիրույթը, այլ ոչ թե ենթադրեք, որ մեկը լիովին սահմանում է մյուսը։
Տեսախցիկի յուրաքանչյուր կադրի համար անհրաժեշտ տվյալների պահպանման բայթերը (առանց սեղմման) կարող են հաշվարկվել հետևյալ կերպ՝
Տվյալների պահպանում
Բացի այդ, որոշ ֆայլերի ձևաչափեր, ինչպիսին է TIFF-ը, 9-ից 16 բիթանոց տվյալներ են պահում 16 բիթանոց «փաթեթավորման» մեջ։ Սա նշանակում է, որ նույնիսկ եթե ձեր պատկերը օգտագործում է միայն 12 բիթ, պահեստային տարածքը կարող է նույնը լինել, ինչ ամբողջական 16 բիթանոց պատկերը։
Մեծ տվյալների բազմություններ մշակող լաբորատորիաների համար սա ունի գործնական հետևանքներ. ավելի բարձր բիթային խորությամբ պատկերները պահանջում են ավելի շատ սկավառակի տարածք, ավելի երկար փոխանցման ժամանակ և մշակման համար ավելի շատ հաշվողական հզորություն: Ճշգրտության կարիքների և տվյալների կառավարման հզորության հավասարակշռումը կարևոր է արդյունավետ աշխատանքային հոսքի համար:
Ինչպես է բիթային խորությունը ազդում պատկերի որակի վրա
Նկար՝ Բիթային խորության օրինակներ
ՆՇՈՒՄԲիթային խորության հասկացության նկարազարդում: Բիթային խորության նվազեցումը նվազեցնում է պատկերը ցուցադրելու համար օգտագործվող ինտենսիվության քայլերի քանակը:
Բիթային խորությունը անմիջական ազդեցություն ունի գիտական տեսախցիկի պատկերի որակի մի քանի ասպեկտների վրա:
Դինամիկ տիրույթ
Ավելի բարձր բիթային խորությունը գրանցում է ավելի շատ պայծառության մակարդակներ՝ պահպանելով մանրամասները ստվերներում և լուսավոր հատվածներում։
Օրինակ՝ ֆլուորեսցենտային մանրադիտակում մշուշոտ առանձնահատկությունները կարող են հազիվ տեսանելի լինել 8-բիթային պատկերում, բայց ավելի հստակ՝ 16-բիթային պատկերում։
Ավելի հարթ տոնային աստիճանավորումներ
Ավելի բարձր բիթային խորությունները թույլ են տալիս ավելի հարթ անցումներ կատարել պայծառության մակարդակների միջև՝ խուսափելով գրադիենտների «շերտավորումից»։ Սա հատկապես կարևոր է քանակական վերլուծության մեջ, որտեղ կտրուկ ցատկերը կարող են աղավաղել արդյունքները։
Սիգնալ-աղմուկ հարաբերակցության (SNR) ներկայացում
Չնայած բիթային խորությունը ուղղակիորեն չի մեծացնում սենսորի SNR-ը, այն թույլ է տալիս տեսախցիկին ավելի ճշգրիտ ներկայացնել աղմուկի ստորին սահմանից բարձր ազդանշանի նուրբ տատանումները։
Եթե սենսորի SNR-ը ցածր է բիթային խորության կողմից առաջարկվող լուծաչափից, այդ լրացուցիչ բիթերը կարող են չնպաստել իրական պատկերի որակին, ինչը պետք է հիշել։
Օրինակ՝
●8-բիթանոց պատկերՍտվերները միաձուլվում են, թույլ առանձնահատկությունները անհետանում են, և նուրբ փոփոխությունները կորչում են։
●16-բիթանոց պատկերԳրադիենտները շարունակական են, թույլ կառուցվածքները պահպանված են, և քանակական չափումներն ավելի հուսալի են։
Բիթային խորություն և տվյալների ճշգրտություն գիտական պատկերման մեջ
Գիտական պատկերման մեջ պատկերը պարզապես նկար չէ, այն տվյալներ են: Յուրաքանչյուր պիքսելի արժեքը կարող է համապատասխանել չափելի մեծության, ինչպիսիք են ֆոտոնների քանակը, ֆլուորեսցենցիայի ինտենսիվությունը կամ սպեկտրալ հզորությունը:
Ավելի բարձր բիթային խորությունը նվազեցնում է քվանտացման սխալը՝ կլորացման սխալը, որն առաջանում է, երբ անալոգային ազդանշանը թվայնացվում է դիսկրետ մակարդակների: Որքան շատ մակարդակներ կան, այնքան ավելի մոտ է պիքսելին վերագրված թվային արժեքը համապատասխանում իրական անալոգային ազդանշանին:
Ինչու է սա կարևոր
● Ֆլուորեսցենտային մանրադիտակում պայծառության մեկ աստիճանի տարբերությունը կարող է ցույց տալ սպիտակուցի կոնցենտրացիայի նշանակալի փոփոխություն։
● Աստղագիտության մեջ հեռավոր աստղերից կամ գալակտիկաներից եկող թույլ ազդանշանները կարող են կորչել, եթե բիթային խորությունը չափազանց ցածր է։
● Սպեկտրոսկոպիայում ավելի բարձր բիթային խորությունը ապահովում է կլանման կամ ճառագայթման գծերի ավելի ճշգրիտ չափումներ։
16-բիթանոց ելքային տվյալներով sCMOS տեսախցիկը կարող է գրանցել նուրբ տարբերություններ, որոնք անտեսանելի կլինեին ավելի ցածր բիթային խորությամբ համակարգում, ինչը այն կարևոր է դարձնում քանակական ճշգրտություն պահանջող կիրառությունների համար։
Որքա՞ն բիթային խորություն է ձեզ անհրաժեշտ։
Շատ ծրագրեր պահանջում են ինչպես բարձր ազդանշանի մակարդակներ, այնպես էլ բարձր դինամիկ տիրույթ, որի դեպքում բարձր բիթային խորությունը (14-բիթ, 16-բիթ կամ ավելի) կարող է օգտակար լինել։
Սովորաբար, թույլ լուսավորության պայմաններում պատկերման դեպքում, սակայն, առկա բիթային խորությունը կապահովի շատ ավելի բարձր հագեցվածության ինտենսիվություն, քան կհասնի դեպքերի մեծ մասում: Մասնավորապես 16-բիթանոց տեսախցիկների համար, եթե ուժեղացումը հատկապես բարձր չէ, ամբողջական 16-բիթային տիրույթը հազվադեպ է անհրաժեշտ:
Բարձր արագությամբ տեսախցիկները կամ տեսախցիկի ռեժիմները կարող են լինել ընդամենը 8-բիթային, ինչը կարող է ավելի սահմանափակող լինել, չնայած 8-բիթային ռեժիմների կողմից հնարավոր բարձր արագությունները հաճախ փոխզիջումը դարձնում են արժեքավոր: Տեսախցիկների արտադրողները կարող են մեծացնել 8-բիթային ռեժիմների բազմակողմանիությունը՝ տարբեր պատկերագրման կիրառությունների բնորոշ ազդանշանային մակարդակներին հարմարվելու համար՝ փոփոխական ուժեղացման կարգավորումների միջոցով:
Ձեր ծրագրի համար ճիշտ բիթային խորության ընտրություն
Ահա բիթային խորությունը գիտական պատկերման տարածված սցենարներին համապատասխանեցնելու արագ հղում.
| Դիմում | Առաջարկվող բիթային խորություն | Պատճառ |
| Ֆլուորեսցենտային մանրադիտակ | 16-բիթ | Հայտնաբերել թույլ ազդանշաններ և աննշան ինտենսիվության տարբերություններ |
| Աստղագիտական պատկերացում | 14–16-բիթ | Բարձր դինամիկ տիրույթի նկարահանում թույլ լուսավորության պայմաններում |
| Արդյունաբերական տեսչություն | 12–14-բիթ | Փոքր թերությունները հստակորեն նույնականացնել |
| Ընդհանուր փաստաթղթեր | 8-բիթ | Բավարար է ոչ քանակական նպատակների համար |
| Սպեկտրոսկոպիա | 16-բիթ | Պահպանել սպեկտրալ տվյալների նուրբ տատանումները |
Փոխզիջումներ:
●Ավելի բարձր բիթային խորություն= ավելի լավ տոնային լուծաչափ և ճշգրտություն, բայց ավելի մեծ ֆայլեր և ավելի երկար մշակման ժամանակ։
●Ավելի ցածր բիթային խորություն= ավելի արագ ձեռքբերում և փոքր ֆայլեր, բայց աննշան մանրամասները կորցնելու ռիսկ։
Բիթային խորությունը ընդդեմ տեսախցիկի այլ բնութագրերի
Թեև բիթային խորությունը կարևոր է, այն գիտական տեսախցիկ ընտրելիս միայն մեկ մասն է կազմում։
Սենսորի տեսակը (CCD vs CMOS vs sCMOS)
● Տարբեր սենսորային ճարտարապետություններն ունեն տարբեր ընթերցման աղմուկ, դինամիկ տիրույթ և քվանտային արդյունավետություն: Օրինակ, բարձր բիթային խորության սենսորը՝ ցածր քվանտային արդյունավետությամբ, կարող է դեռևս դժվարություններ ունենալ թույլ լուսավորության պայմաններում պատկերման ժամանակ:
Քվանտային արդյունավետություն (ՔԱ)
● Քանակական վերլուծության (QE) գործակիցը (QE) սահմանում է, թե որքան արդյունավետ է սենսորը ֆոտոնները վերածում էլեկտրոնների: Բարձր ՔE գործակիցը (QE) կարևոր է թույլ ազդանշանները որսալու համար, և երբ զուգակցվում է բավարար բիթային խորության հետ, այն մաքսիմալացնում է տվյալների ճշգրտությունը:
Դինամիկ տիրույթ
● Տեսախցիկի դինամիկ տիրույթը որոշում է միաժամանակ ֆիքսված ամենաթույլ և ամենապայծառ ազդանշանների միջև ընկած ժամանակահատվածը։ Ավելի բարձր դինամիկ տիրույթն առավել օգտակար է, երբ այն համակցվում է այդ պայծառության մակարդակները ներկայացնելու ունակ բիթի խորության հետ։
Նշում:
Ավելի բարձր բիթային խորությունը չի բարելավի պատկերի որակը, եթե իրական խոչընդոտը համակարգի այլ սահմանափակումներն են (օրինակ՝ աղմուկը կամ օպտիկան):
Օրինակ, շատ ցածր աղմուկ ունեցող 8-բիթանոց տեսախցիկը որոշ կիրառություններում կարող է գերազանցել աղմկոտ 16-բիթանոց համակարգին։
Եզրակացություն
Գիտական պատկերման մեջ բիթային խորությունը ոչ միայն տեխնիկական սպեցիֆիկացիա է. այն հիմնարար գործոն է ճշգրիտ և հուսալի տվյալներ ստանալու համար։
Մանրադիտակի միջոցով թույլ կառուցվածքների հայտնաբերումից մինչև աստղագիտության մեջ հեռավոր գալակտիկաների գրանցումը, ճիշտ բիթային խորությունը ապահովում է, որ ձեր գիտական տեսախցիկը պահպանի ձեր հետազոտության վրա հիմնված մանրամասներն ու չափումները։
Տեսախցիկ ընտրելիս՝
1. Համապատասխանեցրեք բիթային խորությունը ձեր ծրագրի ճշգրտության կարիքներին։
2. Դիտարկեք այն այլ կարևոր բնութագրերի հետ մեկտեղ, ինչպիսիք են քվանտային արդյունավետությունը, աղմուկը և դինամիկ տիրույթը։
3. Հիշե՛ք, որ ավելի բարձր բիթային խորությունն առավել արժեքավոր է, երբ ձեր համակարգը կարող է դրանից օգտվել։
Եթե դուք փնտրում եքCMOS տեսախցիկ orsCMOS տեսախցիկնախագծված է բարձր բիթային խորության գիտական պատկերման համար, ուսումնասիրեք մեր մոդելների շարքը, որոնք մշակված են ճշգրտության, հուսալիության և տվյալների ճշգրտության համար։
Հաճախակի տրվող հարցեր
Ո՞րն է գործնական տարբերությունը 12-բիթային, 14-բիթային և 16-բիթային գիտական պատկերման մեջ:
Գործնականում, 12-բիթից (4,096 մակարդակ) 14-բիթ (16,384 մակարդակ) և այնուհետև 16-բիթ (65,536 մակարդակ) անցումը թույլ է տալիս աստիճանաբար ավելի նուրբ տարբերակել պայծառության արժեքները։
● 12-բիթը բավարար է բազմաթիվ արդյունաբերական և փաստաթղթային կիրառությունների համար, որտեղ լուսավորությունը լավ է կառավարվում։
● 14-բիթը ապահովում է ճշգրտության և կառավարելի ֆայլի չափի լավ հավասարակշռություն, իդեալական է լաբորատոր աշխատանքային հոսքերի մեծ մասի համար։
● 16-բիթը գերազանց է ցածր լուսավորության, բարձր դինամիկ տիրույթի պայմաններում, ինչպիսիք են ֆլուորեսցենտային մանրադիտակը կամ աստղագիտական պատկերումը, որտեղ թույլ ազդանշանները գրանցելու հնարավորությունը առանց պայծառ մանրամասները կորցնելու կարևորագույն գործոն է։
Այնուամենայնիվ, հիշեք, որ տեսախցիկի սենսորի աղմուկը և դինամիկ տիրույթը պետք է բավականաչափ լավ լինեն՝ այդ լրացուցիչ տոնային քայլերն օգտագործելու համար, հակառակ դեպքում օգուտները կարող են չհասնել։
Արդյո՞ք ավելի բարձր բիթային խորությունը միշտ հանգեցնում է ավելի լավ պատկերների:
Ոչ ավտոմատ կերպով։ Բիթային խորությունը որոշում է հնարավոր տոնային լուծաչափը, բայց պատկերի իրական որակը կախված է այլ գործոններից, այդ թվում՝
● Սենսորի զգայունություն (քվանտային արդյունավետություն)
● Ցուցադրման աղմուկ
● Օպտիկայի որակ
● Լուսավորության կայունություն
Օրինակ, որոշակի պայմաններում բարձր աղմուկով 16-բիթանոց CMOS տեսախցիկը կարող է ավելի օգտակար մանրամասներ չֆիքսել, քան ցածր աղմուկով 12-բիթանոց sCMOS տեսախցիկը։ Այլ կերպ ասած, ավելի բարձր բիթային խորությունն առավել օգտակար է, երբ զուգակցվում է լավ օպտիմիզացված պատկերման համակարգի հետ։
Կարո՞ղ եմ փոքրացնել նմուշառումը բարձր բիթային խորությամբ պատկերից՝ առանց կարևոր տվյալները կորցնելու։
Այո՛, ըստ էության, սա տարածված պրակտիկա է: Ավելի բարձր բիթային խորությամբ ձայնագրումը ձեզ ճկունություն է տալիս հետմշակման և քանակական վերլուծության համար: Հետագայում կարող եք նմուշառումը կրճատել մինչև 8 բիթ՝ ներկայացման կամ արխիվացման համար, պահպանելով վերլուծության արդյունքները՝ առանց ամբողջական տվյալների հավաքածուն պահպանելու: Պարզապես համոզվեք, որ սկզբնական բարձր բիթային խորությամբ ֆայլերը պահվում են որևէ տեղ, եթե վերավերլուծության կարիք լինի:
Ի՞նչ դեր է խաղում բիթային խորությունը քանակական գիտական չափումներում։
Քանակական պատկերման մեջ բիթային խորությունը անմիջականորեն ազդում է այն բանի վրա, թե որքան ճշգրիտ են պիքսելային արժեքները ներկայացնում իրական աշխարհի ազդանշանի ինտենսիվությունը: Սա կենսական նշանակություն ունի հետևյալի համար.
● Մանրադիտակ – Ֆլուորեսցենցիայի ինտենսիվության փոփոխությունների չափում բջջային մակարդակում։
● Սպեկտրոսկոպիա – կլանման/ճառագայթման գծերի աննշան տեղաշարժերի հայտնաբերում։
● Աստղագիտություն – Թույլ լույսի աղբյուրների գրանցում երկար էքսպոզիցիաների ժամանակ։
Այս դեպքերում, բիթային տվյալների անբավարար խորությունը կարող է կլորացման սխալների կամ ազդանշանի կտրման պատճառ դառնալ, ինչը կհանգեցնի տվյալների անճշտ մեկնաբանման։
Ցանկանո՞ւմ եք ավելին իմանալ։ Նայեք հարակից հոդվածներին՝
[Դինամիկ տիրույթ] – Ի՞նչ է դինամիկ տիրույթը։
Քվանտային արդյունավետություն գիտական տեսախցիկներում. Սկսնակների ուղեցույց
Tucsen Photonics Co., Ltd. Բոլոր իրավունքները պաշտպանված են։ Մեջբերելիս խնդրում ենք նշել աղբյուրը։www.tucsen.com
