25/08/20Ғылыми камераны бағалау кезінде техникалық сипаттамалар басым болуы мүмкін — пиксел өлшемі, кванттық тиімділік, динамикалық диапазон және т.б. Осы ерекшеліктердің ішінде бит тереңдігі камераның қаншалықты ақпаратты түсіре алатынын және оның егжей-тегжейлерді қаншалықты шынайы көрсететінін анықтау үшін ең маңызды мәндердің бірі болып табылады.
Жарықтықтың нәзік ауытқулары маңызды деректерді көрсете алатын ғылыми кескінде бит тереңдігін түсіну міндетті емес — бұл өте маңызды.
Бұл мақалада бит тереңдігі дегеніміз не, оның кескін сапасына қалай әсер ететіні, оның деректер дәлдігіндегі рөлі және қолданбаңыз үшін дұрыс бит тереңдігін қалай таңдау керектігі түсіндіріледі.
Бит тереңдігі: кескін пикселіндегі ең үлкен сұр деңгей саны
Ғылыми камерамен жұмыс істегенде, бит тереңдігі әрбір пикселдің қанша нақты қарқындылық мәнін жаза алатынын анықтайды. Бұл өте маңызды, себебі ғылыми бейнелеуде әрбір пикселдің мәні фотондар саны немесе флуоресценция қарқындылығы сияқты өлшенген шамаға тікелей сәйкес келуі мүмкін.
Бит тереңдігі әрбір пиксел қарқындылық мәндерін сақтау үшін пайдаланатын екілік сандық деректердің «биттерінің» санын көрсетеді, мұнда 8 бит бір байтты құрайды. Сұр деңгейдің максималды мәні келесімен анықталады:
Максималды сұр деңгейлері = 2^(бит тереңдігі)
Мысалы:
● 8-бит = 256 деңгей
● 12-бит = 4096 деңгей
● 16 бит = 65 536 деңгей
Көбірек сұр деңгейлер айқынырақ жарықтық градацияларына және нәзік айырмашылықтарды дәлірек көрсетуге мүмкіндік береді, бұл әлсіз сигналдарды өлшеу немесе сандық талдауды орындау кезінде маңызды болуы мүмкін.
Бит тереңдігі және жылдамдығы
Бит тереңдігін арттыру аналогты-цифрлық түрлендіргіштер (ADC) өлшеу үшін көбірек бит шығаруы керек дегенді білдіреді. Бұл әдетте секундына өлшемдерін азайтуды талап етеді, яғни камера кадр жиілігін азайту.
Осы себепті көптегенғылыми камераларекі алу режимін ұсыныңыз:
● Жоғары бит тереңдігі режимі – бұл әдетте жоғары динамикалық ауқымды ұсынады. Флуоресцентті микроскопия немесе спектроскопия сияқты қолданбалар үшін тондық ажыратымдылық пен динамикалық диапазонға басымдық береді.
● Жоғары жылдамдық режимі – бұл жоғары жылдамдықтағы кескінде жылдам оқиғалар үшін маңызды болып табылатын жылдам кадр жиілігінің пайдасына бит тереңдігін азайтады.
Бұл теңдестіруді білу бейнелеу мақсаттарына сәйкес келетін режимді таңдауға көмектеседі — дәлдік пен уақытша ажыратымдылық.
Бит тереңдігі және динамикалық диапазон
Бит тереңдігін динамикалық диапазонмен шатастыру әдеттегідей, бірақ олар бірдей емес. Бит тереңдігі ықтимал жарықтық деңгейлерінің санын анықтайды, ал динамикалық диапазон анықталатын ең әлсіз және ең жарқын сигналдар арасындағы қатынасты сипаттайды.
Екеуінің арасындағы байланыс камераның күшейту параметрлері және оқу шуы сияқты қосымша факторларға байланысты. Шын мәнінде, динамикалық диапазон «тиімді биттермен» көрсетілуі мүмкін, яғни шу өнімділігі қолдануға болатын кескін деректеріне ықпал ететін биттердің санын азайтуы мүмкін.
Камераны таңдау үшін бұл біреуі екіншісін толық анықтайды деп ойламай, бит тереңдігін де, динамикалық ауқымды да бірге бағалау керек дегенді білдіреді.
Бір камера кадрына қажет деректерді сақтау байттарын (қысусыз) келесідей есептеуге болады:
Деректерді сақтау
Сонымен қатар, TIFF сияқты кейбір файл пішімдері 9-16-биттік деректерді 16-биттік «орамда» сақтайды. Бұл сіздің кескініңіз тек 12 бит пайдаланса да, сақтау орны толық 16 биттік кескінмен бірдей болуы мүмкін дегенді білдіреді.
Үлкен деректер жиынын өңдейтін зертханалар үшін мұның практикалық салдары бар: бит тереңдігі жоғары кескіндер көбірек дискілік кеңістікті, ұзағырақ тасымалдау уақытын және өңдеу үшін көбірек есептеу қуатын талап етеді. Дәлдік қажеттіліктерді деректерді басқару мүмкіндігімен теңестіру тиімді жұмыс процесі үшін маңызды.
Бит тереңдігі кескін сапасына қалай әсер етеді
Сурет: Бит тереңдігінің мысалдары
ЕСКЕРТУ: Бит тереңдігі түсінігінің иллюстрациясы. Бит тереңдігін азайту кескінді көрсету үшін қолдануға болатын қарқындылық қадамдарының санын азайтады.
Биттік тереңдік ғылыми камерадағы кескін сапасының бірнеше аспектілеріне тікелей әсер етеді.
Динамикалық диапазон
Жоғарырақ бит тереңдігі көлеңкелер мен бөлектеулерде егжей-тегжейлерді сақтай отырып, көбірек жарықтық деңгейлерін түсіреді.
Мысалы, флуоресцентті микроскопияда күңгірт мүмкіндіктер 8 биттік кескінде әрең көрінуі мүмкін, бірақ 16 биттік түсіруде айқынырақ болады.
Тегіс тональды градациялар
Жоғары бит тереңдіктері градиенттердегі «жолақты» болдырмай, жарықтық деңгейлері арасындағы тегіс өтуге мүмкіндік береді. Бұл әсіресе сандық талдауда маңызды, мұнда күрт секіру нәтижелерді бұрмалауы мүмкін.
Сигнал-шу қатынасы (SNR) ұсыну
Бит тереңдігі сенсордың SNR-ін тікелей арттырмаса да, ол камераға шу деңгейінен жоғары сигналдың нәзік өзгерістерін дәлірек көрсетуге мүмкіндік береді.
Егер сенсордың SNR мәні бит тереңдігі ұсынатын ажыратымдылықтан төмен болса, бұл қосымша биттер нақты кескін сапасына ықпал етпеуі мүмкін - бұл есте сақтау керек фактор.
Мысалы:
●8-биттік кескін: Көлеңкелер біріктіріледі, әлсіз мүмкіндіктер жоғалады және нәзік өзгерістер жоғалады.
●16-биттік кескін: Градациялар үздіксіз, әлсіз құрылымдар сақталады, ал сандық өлшемдер сенімдірек.
Ғылыми бейнелеудегі бит тереңдігі және деректер дәлдігі
Ғылыми бейнелеуде кескін жай сурет емес, ол деректер. Әрбір пиксельдің мәні фотондар саны, флуоресценция қарқындылығы немесе спектрлік қуат сияқты өлшенетін шамаға сәйкес келуі мүмкін.
Жоғары бит тереңдігі кванттау қатесін азайтады — аналогтық сигнал дискретті деңгейлерге цифрланған кезде пайда болатын дөңгелектеу қатесі. Көбірек деңгейлер қолжетімді болса, пикселге тағайындалған сандық мән шынайы аналогтық сигналға көбірек сәйкес келеді.
Неліктен бұл маңызды
● Флуоресцентті микроскопияда жарықтықтағы бір қадамдық айырмашылық ақуыз концентрациясының маңызды өзгеруін көрсетуі мүмкін.
● Астрономияда бит тереңдігі тым төмен болса, алыстағы жұлдыздардан немесе галактикалардан келетін әлсіз сигналдар жоғалуы мүмкін.
● Спектроскопияда жоғарырақ бит тереңдігі сіңіру немесе эмиссия сызықтарын дәлірек өлшеуді қамтамасыз етеді.
16-биттік шығысы бар sCMOS камерасы төменгі биттік тереңдіктегі жүйеде көрінбейтін нәзік айырмашылықтарды жаза алады, бұл оны сандық дәлдікті қажет ететін қолданбалар үшін маңызды етеді.
Сізге қанша бит тереңдігі қажет?
Көптеген қолданбалар жоғары сигнал деңгейлерін де, жоғары динамикалық диапазонды да қажет етеді, бұл жағдайда жоғары бит тереңдігі (14-бит, 16-бит немесе одан да көп) пайдалы болуы мүмкін.
Әдетте жарық аз бейнелеу кезінде, дегенмен қол жетімді бит тереңдігі көп жағдайда қол жеткізілетінге қарағанда әлдеқайда жоғары қанықтылық қарқындылығын қамтамасыз етеді. Әсіресе 16-биттік камералар үшін, егер күшейту жоғары болмаса, толық 16-биттік диапазон сирек қажет болады.
Жоғары жылдамдықты камералар немесе камера режимдері бар болғаны 8 биттік болуы мүмкін, бұл әлдеқайда шектеулі болуы мүмкін, бірақ 8 биттік режимдер қосуға болатын жоғары жылдамдықтар жиі сауданы тиімді етеді. Камера өндірушілері өзгермелі күшейту параметрлері арқылы әртүрлі бейнелеу қолданбаларының әдеттегі сигнал деңгейлеріне төтеп беру үшін 8 биттік режимдердің әмбебаптығын арттыра алады.
Қолданбаңыз үшін дұрыс бит тереңдігін таңдау
Мұнда жалпы ғылыми бейнелеу сценарийлеріне бит тереңдігін сәйкестендіруге арналған жылдам сілтеме берілген:
| Қолданба | Ұсынылатын бит тереңдігі | Себеп |
| Флуоресцентті микроскопия | 16-бит | Әлсіз сигналдарды және нәзік қарқындылық айырмашылықтарын анықтаңыз |
| Астрономиялық бейнелеу | 14–16-бит | Жарық аз жағдайларда жоғары динамикалық диапазонды түсіріңіз |
| Өнеркәсіптік инспекция | 12–14-бит | Кішігірім ақауларды айқындықпен анықтаңыз |
| Жалпы құжаттама | 8-бит | Сандық емес мақсаттар үшін жеткілікті |
| Спектроскопия | 16-бит | Спектрлік деректердегі жақсы өзгерістерді сақтаңыз |
Сауда-саттық:
●Жоғары бит тереңдігі= жақсырақ тоналды ажыратымдылық пен дәлдік, бірақ үлкенірек файлдар және ұзағырақ өңдеу уақыттары.
●Төменгі бит тереңдігі= жылдамырақ алу және кішірек файлдар, бірақ нәзік мәліметтерді жоғалту қаупі.
Бит тереңдігі және басқа камера сипаттамалары
Бит тереңдігі маңызды болғанымен, бұл ғылыми камераны таңдаудағы басқатырғыштың бір бөлігі ғана.
Сенсор түрі (CCD және CMOS және sCMOS)
● Әртүрлі сенсор архитектураларында әртүрлі оқу шуы, динамикалық диапазон және кванттық тиімділік бар. Мысалы, кванттық тиімділігі нашар жоғары биттік тереңдіктегі сенсор әлі де аз жарықта бейнелеуде күресуі мүмкін.
Кванттық тиімділік (QE)
● QE сенсордың фотондарды электрондарға қаншалықты тиімді түрлендіретінін анықтайды. Жоғары QE әлсіз сигналдарды түсіру үшін өте маңызды және жеткілікті бит тереңдігімен жұптастырылған кезде ол деректер дәлдігін барынша арттырады.
Динамикалық диапазон
● Камераның динамикалық диапазоны бір уақытта түсіре алатын ең әлсіз және ең жарқын сигналдар арасындағы аралықты анықтайды. Жоғары динамикалық диапазон сол жарықтық деңгейлерін көрсете алатын бит тереңдікпен сәйкестендірілген кезде ең тиімді болады.
Ескерту:
Басқа жүйе шектеулері (шу немесе оптика сияқты) нақты кедергі болса, жоғарырақ бит тереңдігі кескін сапасын жақсартпайды.
Мысалы, өте төмен шуы бар 8 биттік камера кейбір қолданбаларда шулы 16 биттік жүйеден асып түседі.
Қорытынды
Ғылыми бейнелеуде бит тереңдігі техникалық сипаттамадан артық — бұл дәл, сенімді деректерді түсірудің негізгі факторы.
Микроскопиядағы әлсіз құрылымдарды анықтаудан бастап астрономиядағы алыс галактикаларды жазуға дейін дұрыс бит тереңдігі ғылыми камераңыз зерттеуге байланысты мәліметтер мен өлшемдерді сақтайтынына кепілдік береді.
Камераны таңдағанда:
1. Қолданбаның дәлдік қажеттіліктеріне бит тереңдігін сәйкестендіріңіз.
2. Оны кванттық тиімділік, шу және динамикалық диапазон сияқты басқа маңызды сипаттамалармен бірге қарастырыңыз.
3. Жүйе оның артықшылығын пайдалана алатын кезде жоғары бит тереңдігі ең құнды екенін есте сақтаңыз.
Егер сіз іздесеңізCMOS камерасы orsCMOS камерасытереңдігі жоғары ғылыми бейнелеуге арналған, дәлдік, сенімділік және деректер дәлдігі үшін жасалған үлгілер ауқымын зерттеңіз.
Жиі қойылатын сұрақтар
Ғылыми бейнелеудегі 12-биттік, 14-биттік және 16-биттіктің практикалық айырмашылығы неде?
Практикалық тұрғыдан алғанда, 12 биттік (4 096 деңгей) 14 битке (16 384 деңгей), содан кейін 16 битке (65 536 деңгей) өту жарықтық мәндерін біртіндеп жақсырақ ажыратуға мүмкіндік береді.
● 12-бит жарықтандыру жақсы басқарылатын көптеген өнеркәсіптік және құжаттамалық қолданбалар үшін жеткілікті.
● 14-бит дәлдік пен басқарылатын файл өлшемі арасындағы жақсы теңгерімді ұсынады, бұл көптеген зертханалық жұмыс процестері үшін өте қолайлы.
● 16-бит флуоресценциялық микроскопия немесе астрономиялық кескіндеу сияқты жарық аз, жоғары динамикалық диапазонды сценарийлерде жақсы жұмыс істейді, мұнда жарқын бөлшектерді жоғалтпай әлсіз сигналдарды жазу мүмкіндігі өте маңызды.
Дегенмен, камераның сенсорлық шуы мен динамикалық диапазоны осы қосымша тональды қадамдарды пайдалану үшін жеткілікті жақсы болуы керек екенін есте сақтаңыз - әйтпесе артықшылықтар орындалмауы мүмкін.
Жоғары бит тереңдігі әрқашан жақсы кескіндерге әкеледі ме?
Автоматты емес. Бит тереңдігі ықтимал тоналды ажыратымдылықты анықтайды, бірақ нақты кескін сапасы басқа факторларға байланысты, соның ішінде:
● Сенсордың сезімталдығы (кванттық тиімділік)
● Оқу шуы
● Оптика сапасы
● Жарықтандырудың тұрақтылығы
Мысалы, жоғары шулы 16 биттік CMOS камерасы белгілі бір жағдайларда шуы төмен 12 биттік sCMOS камерасынан артық пайдалы мәліметтерді түсіре алмайды. Басқаша айтқанда, жоғарырақ бит тереңдігі жақсы оңтайландырылған бейнелеу жүйесімен жұптастырылған кезде ең тиімді болады.
Маңызды деректерді жоғалтпай жоғары биттік тереңдіктегі кескіннен кішірейтуге бола ма?
Иә — шын мәнінде, бұл әдеттегі тәжірибе. Жоғары бит тереңдігінде түсіру сізге кейінгі өңдеу және сандық талдау үшін икемділік береді. Толық деректер жиынын сақтамай талдау нәтижелерін сақтай отырып, кейінірек көрсету немесе мұрағаттау үшін үлгіні 8 битке дейін төмендетуге болады. Қайта талдау қажет болса, бастапқы тереңдігі жоғары файлдардың бір жерде сақталғанына көз жеткізіңіз.
Сандық ғылыми өлшемдерде бит тереңдігі қандай рөл атқарады?
Сандық бейнелеуде бит тереңдігі пиксель мәндерінің нақты әлемдегі сигнал қарқындылығын қаншалықты дәл көрсететініне тікелей әсер етеді. Бұл өте маңызды:
● Микроскопия – жасуша деңгейінде флуоресценция қарқындылығының өзгеруін өлшеу.
● Спектроскопия – жұтылу/шығару сызықтарындағы нәзік ығысуларды анықтау.
● Астрономия – ұзақ экспозицияларда әлсіз жарық көздерін жазу.
Мұндай жағдайларда жеткіліксіз бит тереңдігі дөңгелектеу қателерін немесе сигналды кесуді тудыруы мүмкін, бұл деректерді дұрыс емес интерпретациялауға әкеледі.
Толығырақ білгіңіз келе ме? Қатысты мақалаларды қараңыз:
[Динамикалық ауқым] – Динамикалық ауқым дегеніміз не?
Ғылыми камералардағы кванттық тиімділік: бастаушыға арналған нұсқаулық
Tucsen Photonics Co., Ltd. Барлық құқықтар қорғалған. Сілтеме жасаған кезде дереккөзді растаңыз:www.tucsen.com
