25/08/12Þótt litmyndavélar séu ráðandi á markaðnum fyrir neytendur, eru einlita myndavélar algengari í vísindalegri myndgreiningu.
Myndavélarskynjarar eru ekki í eðli sínu færir um að greina lit eða bylgjulengd ljóssins sem þeir safna. Til að ná fram litmynd þarf að gera ýmsar málamiðlanir í næmi og rúmfræðilegri sýnatöku. Hins vegar eru litupplýsingar nauðsynlegar í mörgum myndgreiningarforritum, svo sem sjúkdómsfræði, vefjasýnatöku eða iðnaðarskoðunum, þannig að litmyndavélar eru enn algengar.
Þessi grein fjallar um hvað litvísindamyndavélar eru, hvernig þær virka, styrkleika þeirra og takmarkanir og hvar þær standa sig betur en einlita hliðstæður þeirra í vísindalegum tilgangi.
Hvað eru litvísindamyndavélar?
Litmyndavél fyrir vísindamenn er sérhæft myndgreiningartæki sem tekur RGB-litaupplýsingar af mikilli nákvæmni og samræmi. Ólíkt litmyndavélum fyrir neytendur sem leggja áherslu á sjónrænt aðlaðandi útlit, eru vísindalitmyndavélar hannaðar fyrir megindlega myndgreiningu þar sem litnákvæmni, línuleiki skynjara og kraftmikið svið eru lykilatriði.
Þessar myndavélar eru mikið notaðar í forritum eins og björtsviðssmásjárskoðun, vefjagreiningu, efnisgreiningu og vélrænni sjónrænni skoðun þar sem sjónræn túlkun eða litatengd flokkun er nauðsynleg. Flestar litvísindamyndavélar eru byggðar á CMOS eða sCMOS skynjurum, hannaðar til að uppfylla strangar kröfur vísindalegra og iðnaðarrannsókna.
Til að fá ítarlegri sýn á mismunandi myndgreiningarkerfi, skoðaðu úrval okkar af afkastamiklum ...vísindamyndavéllíkön smíðuð fyrir fagleg notkun.
Að ná lit: Bayer-sían
Hefðbundið er litgreining í myndavélum náð með sömu aðferðum og litafritun á skjám: með því að sameina nálæga rauða, græna og bláa pixla í fullum lit „ofurpixla“. Þegar R-, G- og B-rásirnar eru allar á hámarksgildi sínu sést hvítur pixill.
Þar sem kísilmyndavélar geta ekki greint bylgjulengd innkomandi ljóseinda verður að aðskilja hverja R-, G- eða B bylgjulengdarrás með síun.
Í rauðum pixlum er settur einstakur síi yfir pixilinn til að loka fyrir allar bylgjulengdir nema þær sem eru í rauða hluta litrófsins, og eins fyrir bláan og grænan lit. Til að ná fram ferköntuðum flísum í tveimur víddum þrátt fyrir þrjár litrásir er ofurpixill myndaður úr einum rauðum, einum bláum og tveimur grænum pixlum, eins og sýnt er á myndinni.
Bayer síuuppsetning fyrir litmyndavélar
ATHUGIÐÚtlit litasína sem bætt er við einstaka pixla fyrir litmyndavélar með því að nota Bayer síuútlitið, með endurteknum ferköntuðum 4 pixla einingum af grænum, rauðum, bláum og grænum pixlum. Röð innan 4 pixla einingarinnar getur verið mismunandi.
Grænir pixlar eru forgangsraðaðir bæði vegna þess að meirihluti ljósgjafa (frá sólinni til hvítra LED-pera) sýna hámarksstyrk sinn í græna hluta litrófsins og vegna þess að ljósnemar (frá kísilmyndavélum til augna okkar) eru yfirleitt með hámarksnæmi í grænu.
Þegar kemur að myndgreiningu og birtingu eru myndirnar hins vegar venjulega ekki afhentar notandanum með pixlum sem hver sýna aðeins sitt R, G eða B gildi. Þriggja rása RGB gildi er búið til fyrir hverja pixlu í myndavélinni með því að millifæra gildi nálægra pixla í ferli sem kallast „afbátunarferli“.
Til dæmis mun hver rauður pixill mynda grænt gildi, annað hvort út frá meðaltali fjögurra grænu pixlanna í nágrenninu eða með einhverjum öðrum reikniritum, og eins fyrir fjóra bláu pixla í nágrenninu.
Kostir og gallar litar
Kostir
● Það sést í litum! Litir miðla verðmætum upplýsingum sem auka túlkun manna, sérstaklega við greiningu líffræðilegra sýna eða efnasýna.
● Mun einfaldara að taka RGB litmyndir samanborið við að taka raðbundnar R-, G- og B-myndir með einlita myndavél
Ókostir
● Næmi litmyndavéla minnkar verulega samanborið við einlita myndavélar, allt eftir bylgjulengd. Í rauða og bláa hluta litrófsins, þar sem aðeins ein af hverjum fjórum pixlasíum fara í gegnum þessar bylgjulengdir, er ljóssöfnunin í mesta lagi 25% af því sem samsvarandi einlita myndavél í þessum bylgjulengdum. Í grænu er þátturinn 50%. Að auki er engin sía fullkomin: hámarksgegndræpi verður minni en 100% og getur verið mun lægri eftir því hvaða bylgjulengd er nákvæmlega.
● Upplausn fínna smáatriða versnar einnig, þar sem sýnatökutíðni minnkar um sömu þætti (í 25% fyrir R, B og í 50% fyrir G). Þegar um rauða pixla er að ræða, þar sem aðeins 1 af hverjum 4 pixlum fangar rautt ljós, er virk pixlastærð til að reikna út upplausn tvöfalt stærri í hverri vídd.
● Litmyndavélar eru einnig alltaf með innrauðan (IR) síu. Þetta er vegna getu kísilmyndavéla til að greina sumar innrauðar bylgjulengdir sem mannsaugað sér ekki, frá 700 nm upp í um 1100 nm. Ef þetta innrauða ljós væri ekki síað út, myndi það hafa áhrif á hvíta jafnvægið, sem leiddi til ónákvæmrar litafritunar og myndin sem myndast myndi ekki passa við það sem augað sér. Þess vegna verður að sía þetta innrauða ljós út, sem þýðir að ekki er hægt að nota litmyndavélar fyrir myndgreiningarforrit sem nota þessar bylgjulengdir.
Hvernig virka litmyndavélar?
Dæmi um dæmigerða skammtanýtingarkúrfu fyrir litmyndavél
ATHUGIÐBylgjulengdarháð skammtanýtni sýnd sérstaklega fyrir pixla með rauðum, bláum og grænum síum. Einnig er sýnd skammtanýtni sama skynjara án litasía. Viðbót litasía dregur verulega úr skammtanýtni.
Kjarninn í vísindalegri litmyndavél er myndneminn, oftast…CMOS myndavél or sCMOS myndavél(vísindalegt CMOS), búið Bayer-síu. Vinnuferlið frá ljóseindatöku til myndframleiðslu felur í sér nokkur lykil skref:
1. Ljósgreining: Ljós fer inn í linsuna og lendir á skynjaranum. Hver pixla er næm fyrir ákveðinni bylgjulengd byggða á litasíunni sem hún ber.
2. Hleðsluumbreyting: Ljóseindir mynda rafhleðslu í ljósdíóðu undir hverjum pixli.
3. Aflestur og mögnun: Hleðslur eru breyttar í spennur, lesnar út röð fyrir röð og stafrænar með hliðrænum-í-stafrænum breytum.
4. Litaendurgerð: Innbyggður örgjörvi myndavélarinnar eða ytri hugbúnaður notar demósaunarreiknirit til að búa til litríka mynd úr síuðum gögnum.
5. Myndleiðrétting: Eftirvinnsluskref eins og flatskjáleiðrétting, hvítjöfnun og suðminnkun eru notuð til að tryggja nákvæma og áreiðanlega útkomu.
Afköst litmyndavélar eru mjög háð skynjaratækni hennar. Nútíma CMOS-skynjarar bjóða upp á hraða rammatíðni og lítið suð, en sCMOS-skynjarar eru fínstilltir fyrir næmi í litlu ljósi og breitt kraftmikið svið, sem er mikilvægt fyrir vísindastörf. Þessir grunnþættir leggja grunninn að því að bera saman litmyndavélar og einlita myndavélar.
Litmyndavélar vs. einlita myndavélar: Lykilmunur
Samanburður á litmyndum og einlita myndum frá myndavélum fyrir vinnu í lítilli birtu
ATHUGIÐFlúrljómandi mynd með rauðri bylgjulengd greindri af litmyndavél (vinstri) og einlita myndavél (hægri), en aðrar upplýsingar um myndavélina eru óbreyttar. Litmyndin sýnir mun lægra merkis-til-suðhlutfall og upplausn.
Þó að bæði litmyndavélar og einlita myndavélar eigi marga sameiginlega íhluti, þá er munurinn á afköstum og notkunartilfellum þeirra verulegur. Hér er fljótleg samanburður:
| Eiginleiki | Litmyndavél | Einlita myndavél |
| Tegund skynjara | Bayer-síað CMOS/sCMOS | Ósíað CMOS/sCMOS |
| Ljósnæmi | Lægra (vegna þess að litasíur hindra ljós) | Hærra (ekkert ljós tapast í síur) |
| Rýmisupplausn | Lægri virk upplausn (afmósaíknun) | Full innfædd upplausn |
| Tilvalin forrit | Björtsviðssmásjárskoðun, vefjafræði, efnisskoðun | Flúrljómun, myndgreining í litlu ljósi, nákvæmar mælingar |
| Litagögn | Tekur allar RGB upplýsingar | Tekur aðeins upp grátóna |
Í stuttu máli eru litmyndavélar bestar þegar litir skipta máli við túlkun eða greiningu, en einlita myndavélar eru tilvaldar fyrir næmni og nákvæmni.
Þar sem litmyndavélar skara fram úr í vísindalegum tilgangi
Þrátt fyrir takmarkanir sínar standa litmyndavélar sig vel á mörgum sérhæfðum sviðum þar sem litagreining er lykilatriði. Hér að neðan eru nokkur dæmi um hvar þær skína:
Lífvísindi og smásjárskoðun
Litmyndavélar eru almennt notaðar í björtsviðssmásjárskoðun, sérstaklega í vefjagreiningu. Litunaraðferðir eins og H&E eða Gram-litun framleiða litbundið andstæðu sem aðeins er hægt að túlka með RGB-myndgreiningu. Menntastofur og meinafræðideildir treysta einnig á litmyndavélar til að taka raunhæfar myndir af líffræðilegum sýnum til kennslu eða greiningar.
Efnisfræði og yfirborðsgreining
Í efnisrannsóknum er litmyndataka mikilvæg til að bera kennsl á tæringu, oxun, húðun og efnismörk. Litmyndavélar hjálpa til við að greina lúmskar breytingar á yfirborðsáferð eða galla sem einlita myndataka gæti misst af. Til dæmis krefst mat á samsettum efnum eða prentuðum rafrásum oft nákvæmrar litafritunar.
Vélsjón og sjálfvirkni
Í sjálfvirkum skoðunarkerfum eru litmyndavélar notaðar til að flokka hluti, greina galla og staðfesta merkingar. Þær gera vélrænum sjónarreikniritum kleift að flokka hluti eða vörur út frá litavísbendingum, sem eykur nákvæmni sjálfvirkni í framleiðslu.
Menntun, skjölun og útrás
Vísindastofnanir þurfa oft hágæða litmyndir fyrir útgáfur, styrkumsóknir og kynningarstarf. Litmyndir veita innsæi og sjónrænt aðlaðandi framsetningu vísindagagna, sérstaklega fyrir þverfaglega samskipti eða almenna þátttöku.
Lokahugsanir
Litmyndavélar í vísindum gegna mikilvægu hlutverki í nútíma myndgreiningarvinnuflæði þar sem litagreining er mikilvæg. Þótt þær jafnist kannski ekki á við einlita myndavélar hvað varðar næmni eða hráa upplausn, þá gerir geta þeirra til að skila náttúrulegum, túlkanlegum myndum þær ómissandi á sviðum allt frá lífvísindum til iðnaðarskoðunar.
Þegar þú velur á milli litmyndatöku og einlita myndatöku skaltu hafa í huga markmið þín varðandi myndgreiningu. Ef notkun þín krefst afkasta í litlu ljósi, mikillar næmni eða flúrljómunar, gæti einlita vísindamyndavél verið besti kosturinn. En fyrir björt myndgreiningu, efnisgreiningu eða önnur verkefni sem fela í sér litakóðaðar upplýsingar, gæti litamyndavél verið tilvalin.
Til að skoða háþróuð litmyndakerfi fyrir vísindarannsóknir, skoðaðu allt úrval okkar af afkastamiklum CMOS myndavélum og sCMOS gerðum sem eru sniðnar að þínum þörfum.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Allur réttur áskilinn. Vinsamlegast getið heimildar þegar vitnað er í:www.tucsen.com
