25/08/12Түсті камералар тұтынушы камералары нарығында басым болса да, монохромды камералар ғылыми бейнелеуде жиі кездеседі.
Камера сенсорлары өздері жинайтын жарықтың түсін немесе толқын ұзындығын анықтай алмайды. Түсті кескінге қол жеткізу сезімталдық пен кеңістіктік іріктеуде бірқатар ымыраға келуді талап етеді. Дегенмен, патология, гистология немесе кейбір өнеркәсіптік тексеру сияқты көптеген бейнелеу қолданбаларында түс туралы ақпарат маңызды, сондықтан түрлі-түсті ғылыми камералар әлі де қарапайым.
Бұл мақалада ғылыми камералар қандай түсті, олар қалай жұмыс істейді, олардың күшті жақтары мен шектеулері және олардың ғылыми қолданбалардағы монохромды әріптестерінен қай жерде асып түсетіні зерттеледі.
Түсті ғылыми камералар дегеніміз не?
Түсті ғылыми камера – RGB түсті ақпаратты жоғары дәлдікпен, дәлдікпен және дәйектілікпен түсіретін мамандандырылған бейнелеу құрылғысы. Көрнекі тартымдылыққа басымдық беретін тұтынушы деңгейіндегі түрлі-түсті камералардан айырмашылығы, ғылыми түсті камералар түс дәлдігі, сенсордың сызықтылығы және динамикалық диапазон маңызды болып табылатын сандық бейнелеуге арналған.
Бұл камералар жарқын өріс микроскопиясы, гистология, материалдарды талдау және визуалды интерпретация немесе түске негізделген жіктеу маңызды болып табылатын машинаны көру тапсырмалары сияқты қолданбаларда кеңінен қолданылады. Түсті ғылыми камералардың көпшілігі ғылыми және өндірістік зерттеулердің қатаң талаптарын қанағаттандыруға арналған CMOS немесе sCMOS сенсорларына негізделген.
Түрлі бейнелеу жүйелерін тереңірек қарау үшін өнімділігі жоғары таңдауымызды зерттеңізғылыми камеракәсіби қолданбаларға арналған үлгілер.
Түске қол жеткізу: Байер сүзгісі
Әдеттегідей, камералардағы түсті анықтау мониторлар мен экрандардағы түстерді шығару сияқты құралдар арқылы қол жеткізіледі: жақын орналасқан қызыл, жасыл және көк пикселдердің толық түсті «суперпиксельдерге» комбинациялары арқылы. R, G және B арналарының барлығы максималды мәнге жеткенде, ақ пиксель көрінеді.
Кремний камералары түсетін фотондардың толқын ұзындығын анықтай алмайтындықтан, әрбір R, G немесе B толқын ұзындығы арнасының бөлінуіне сүзгілеу арқылы қол жеткізу керек.
Қызыл пикселдерде спектрдің қызыл бөлігіндегі толқын ұзындығынан басқа барлық толқын ұзындығын блоктау үшін пикселдің үстіне жеке сүзгі қойылады, көк және жасыл үшін де. Дегенмен, үш түсті арнаға қарамастан, екі өлшемде шаршы плиткаға қол жеткізу үшін суретте көрсетілгендей бір қызыл, бір көк және екі жасыл пикселден суперпиксель жасалады.
Түрлі-түсті камераларға арналған Bayer сүзгісінің орналасуы
ЕСКЕРТУ: Жасыл, Қызыл, Көк, Жасыл пикселдердің қайталанатын шаршы 4 пиксель бірліктерін пайдалана отырып, Bayer сүзгі орналасуын пайдаланып түрлі-түсті камералар үшін жеке пикселдерге қосылған түс сүзгілерінің орналасуы. 4 пиксельдік бірліктегі реттілік әртүрлі болуы мүмкін.
Жасыл пикселдерге басымдық беріледі, себебі жарық көздерінің көпшілігі (күннен ақ жарықдиодты шамдарға дейін) спектрдің жасыл бөлігінде өздерінің ең жоғары қарқындылығын көрсетеді және жарық детекторлары (кремний негізіндегі камера сенсорларынан біздің көзімізге дейін) әдетте жасыл түсте сезімталдықтың шыңына жетеді.
Кескінді талдауға және көрсетуге келетін болсақ, суреттер әдетте R, G немесе B мәндерін көрсететін пикселдермен пайдаланушыға жеткізілмейді. Үш арналы RGB мәні камераның әрбір пикселі үшін жақын пикселдердің мәндерін интерполяциялау арқылы «дебайеринг» деп аталатын процесте жасалады.
Мысалы, әрбір қызыл пиксел жақын маңдағы төрт жасыл пикселдің орташа мәнінен немесе басқа алгоритм арқылы және сол сияқты жақын орналасқан төрт көк пиксел үшін жасыл мән жасайды.
Түстің артықшылықтары мен кемшіліктері
Артықшылықтары
● Сіз оны түрлі-түсті түрде көре аласыз! Түс, әсіресе биологиялық немесе материалдық үлгілерді талдағанда, адам түсінігін жақсартатын құнды ақпаратты береді.
● RGB түсті кескіндерді түсіру монохромды камераны пайдаланып дәйекті R, G және B кескіндерін алумен салыстырғанда әлдеқайда оңай.
Кемшіліктері
● Түсті камералардың сезімталдығы толқын ұзындығына байланысты монохромды аналогтарымен салыстырғанда күрт төмендейді. Спектрдің қызыл және көк бөлігінде осы толқын ұзындығынан өтетін төрт пиксельдік сүзгілердің біреуі ғана болғандықтан, жарық жинау осы толқын ұзындықтарындағы баламалы монохромды камераның ең көбі 25% құрайды. Жасыл түсте коэффициент 50% құрайды. Сонымен қатар, бірде-бір сүзгі мінсіз емес: ең жоғары беріліс 100% -дан аз болады және нақты толқын ұзындығына байланысты әлдеқайда төмен болуы мүмкін.
● Ұсақ бөлшектердің ажыратымдылығы да нашарлайды, өйткені сынама алу жылдамдығы дәл осы факторлармен төмендейді (R, B үшін 25% және G үшін 50% дейін). Қызыл жарықты түсіретін 4 пикселдің 1-і ғана қызыл пикселдер жағдайында ажыратымдылықты есептеу үшін тиімді пиксел өлшемі әрбір өлшемде 2 есе үлкен болады.
● Түсті камералар міндетті түрде инфрақызыл (ИК) сүзгіні қамтиды. Бұл кремний камераларының адам көзіне көрінбейтін 700 нм-ден 1100 нм-ге дейінгі кейбір IR толқын ұзындығын анықтау қабілетіне байланысты. Егер бұл инфрақызыл сәуле сүзгіден өтпесе, ол ақ түс балансына әсер етіп, түстердің дұрыс емес шығарылуына әкеліп соқтырады және алынған кескін көзбен көргенге сәйкес келмеді. Демек, бұл IR жарығын сүзгілеу керек, яғни түсті камераларды осы толқын ұзындығын пайдаланатын кескін қолданбалары үшін пайдалану мүмкін емес.
Түсті камералар қалай жұмыс істейді?
Әдеттегі түсті камераның кванттық тиімділік қисығының мысалы
ЕСКЕРТУ: Кванттық тиімділіктің толқын ұзындығына тәуелділігі қызыл, көк және жасыл сүзгісі бар пикселдер үшін бөлек көрсетілген. Сондай-ақ, түс сүзгілері жоқ бірдей сенсордың кванттық тиімділігі көрсетілген. Түс сүзгілерін қосу кванттық тиімділікті айтарлықтай төмендетеді.
Ғылыми түсті камераның өзегі оның кескін сенсоры болып табылады, әдетте аCMOS камерасы or sCMOS камерасы(ғылыми CMOS), Bayer сүзгісімен жабдықталған. Фотонды түсіруден кескін шығаруға дейінгі жұмыс процесі бірнеше негізгі қадамдарды қамтиды:
1. Фотонды анықтау: жарық линзаға түсіп, сенсорға түседі. Әрбір пиксель ол тасымалдайтын түс сүзгісіне негізделген белгілі бір толқын ұзындығына сезімтал.
2. Зарядты түрлендіру: Фотондар әрбір пикселдің астындағы фотодиодта электр зарядын жасайды.
3. Оқу және күшейту: зарядтар кернеулерге түрлендіріледі, жолдар бойынша оқылады және аналогты-цифрлық түрлендіргіштер арқылы цифрланады.
4. Түсті қайта құру: камераның борттық процессоры немесе сыртқы бағдарламалық құралы сүзгіден өткен деректерден толық түсті кескінді демозайдалау алгоритмдерін пайдаланып интерполяциялайды.
5. Кескінді түзету: дәл, сенімді шығуды қамтамасыз ету үшін тегіс өрісті түзету, ақ баланс және шуды азайту сияқты өңдеуден кейінгі қадамдар қолданылады.
Түсті камераның өнімділігі оның сенсорлық технологиясына қатты байланысты. Заманауи CMOS камера сенсорлары кадр жиілігі мен төмен шуды ұсынады, ал sCMOS сенсорлары төмен жарық сезімталдығы мен кең динамикалық диапазон үшін оңтайландырылған, бұл ғылыми жұмыс үшін өте маңызды. Бұл негіздер түсті және монохромды камераларды салыстыру үшін негіз болды.
Түсті камералар монохромды камераларға қарсы: негізгі айырмашылықтар
Жарық аз жұмыс үшін түсті және монохромды камера кескіндерін салыстыру
ЕСКЕРТУ: Түсті камера (сол жақта) және монохромды камера (оң жақта) арқылы анықталатын қызыл толқын ұзындығы шығарындысы бар флуоресцентті кескін, басқа камера сипаттамалары өзгеріссіз қалады. Түсті кескін сигнал-шуыл қатынасы мен ажыратымдылықты айтарлықтай төмен көрсетеді.
Түсті және монохромды камералардың екеуі де көптеген құрамдас бөліктерге ие болғанымен, олардың өнімділігі мен пайдалану жағдайларындағы айырмашылықтары айтарлықтай. Міне, жылдам салыстыру:
| Ерекшелік | Түсті камера | Монохромды камера |
| Сенсор түрі | Байер сүзгіленген CMOS/sCMOS | Сүзгіден өтпеген CMOS/sCMOS |
| Жарық сезімталдығы | Төменгі (түс сүзгілерінің жарықты блоктауына байланысты) | Жоғары (сүзгілерде жарық жоғалмайды) |
| Кеңістіктік ажыратымдылық | Төмен тиімді ажыратымдылық (демозайизация) | Толық жергілікті ажыратымдылық |
| Идеалды қолданбалар | Жарқын далалық микроскопия, гистология, материалдарды тексеру | Флуоресценция, аз жарықта бейнелеу, жоғары дәлдіктегі өлшемдер |
| Түс деректері | Толық RGB ақпаратын түсіреді | Тек сұр реңкті түсіреді |
Қысқаша айтқанда, түсті камералар түс түсіндіру немесе талдау үшін маңызды болғанда жақсы, ал монохромды камералар сезімталдық пен дәлдік үшін өте қолайлы.
Ғылыми қолданбалардағы Excel түсті камералары
Шектеулеріне қарамастан, түсті камералар түс айырмашылығы маңызды болып табылатын көптеген мамандандырылған салаларда жақсы жұмыс істейді. Төменде олардың жарқыраған жерлерінің бірнеше мысалдары берілген:
Өмір туралы ғылымдар және микроскопия
Түсті камералар әдетте жарық өрісті микроскопияда, әсіресе гистологиялық талдауда қолданылады. H&E немесе Gram бояуы сияқты бояу әдістері тек RGB кескінімен түсіндіруге болатын түс негізіндегі контрастты береді. Оқу зертханалары мен патология бөлімдері оқыту немесе диагностика үшін биологиялық үлгілердің шынайы кескіндерін түсіру үшін түсті камераларға да сүйенеді.
Материалтану және беттік талдау
Материалдарды зерттеу кезінде түсті бейнелеу коррозияны, тотығуды, жабындарды және материал шекараларын анықтау үшін маңызды. Түрлі-түсті камералар беттің әрлеуіндегі нәзік өзгерістерді немесе монохромды бейнелеу жіберіп алуы мүмкін ақауларды анықтауға көмектеседі. Мысалы, композициялық материалдарды немесе баспа схемаларын бағалау көбінесе түстердің дәл көрсетілуін талап етеді.
Машинаны көру және автоматтандыру
Автоматтандырылған тексеру жүйелерінде түрлі-түсті камералар объектілерді сұрыптау, ақауларды анықтау және таңбалауды тексеру үшін қолданылады. Олар машиналық көру алгоритмдеріне өндірістегі автоматтандыру дәлдігін арттыра отырып, түсті белгілерге негізделген бөлшектерді немесе өнімдерді жіктеуге мүмкіндік береді.
Білім беру, құжаттама және ақпараттандыру
Ғылыми мекемелер жарияланымдарға, гранттық ұсыныстарға және ақпараттық-түсіндіру жұмыстарына жоғары сапалы түсті кескіндерді жиі талап етеді. Түсті кескін ғылыми деректердің интуитивті және көрнекі түрде тартымды көрінісін қамтамасыз етеді, әсіресе пәнаралық байланыс немесе көпшіліктің қатысуы үшін.
Қорытынды ойлар
Түсті ғылыми камералар түс дифференциациясы маңызды болып табылатын заманауи кескіндеу жұмыс процестерінде маңызды рөл атқарады. Сезімталдығы немесе өңделмеген ажыратымдылығы монохромды камераларға сәйкес келмеуі мүмкін болса да, олардың табиғи, түсіндірілетін кескіндерді беру қабілеті оларды өмір туралы ғылымнан өнеркәсіптік инспекцияға дейінгі салаларда таптырмас етеді.
Түсті және монохромды таңдау кезінде кескін мақсаттарыңызды ескеріңіз. Қолданбаңыз жарық аз өнімділікті, жоғары сезімталдықты немесе флуоресценцияны анықтауды қажет етсе, монохромды ғылыми камера ең жақсы нұсқа болуы мүмкін. Бірақ жарқын өрісті кескіндеу, материалды талдау немесе түспен кодталған ақпаратты қамтитын кез келген тапсырма үшін түсті шешім өте қолайлы болуы мүмкін.
Ғылыми зерттеулерге арналған жетілдірілген түсті бейнелеу жүйелерін зерттеу үшін қажеттіліктеріңізге бейімделген өнімділігі жоғары CMOS камералары мен sCMOS үлгілерінің толық тізімін шолыңыз.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Барлық құқықтар қорғалған. Сілтеме жасаған кезде дереккөзді растаңыз:www.tucsen.com
