2020-08-25Vertinant mokslinę kamerą, techninės specifikacijos gali būti labai svarbios – pikselių dydis, kvantinis efektyvumas, dinaminis diapazonas ir kita. Iš šių specifikacijų bitų gylis yra vienas iš svarbiausių, lemiančių, kiek informacijos jūsų kamera gali užfiksuoti ir kaip tiksliai ji perteikia smulkias detales.
Moksliniuose vaizduose, kur subtilūs ryškumo pokyčiai gali atspindėti svarbius duomenis, bitų gylio supratimas nėra pasirinktinas – jis yra būtinas.
Šiame straipsnyje paaiškinama, kas yra bitų gylis, kaip jis veikia vaizdo kokybę, koks jo vaidmuo duomenų tikslume ir kaip pasirinkti tinkamą bitų gylį jūsų programai.
Bitų gylis: maksimalus pilkos spalvos lygio skaičius vaizdo pikselyje
Dirbant su moksline kamera, bitų gylis apibrėžia, kiek skirtingų intensyvumo verčių gali įrašyti kiekvienas pikselis. Tai labai svarbu, nes moksliniuose vaizduose kiekvieno pikselio vertė gali tiesiogiai atitikti išmatuotą dydį, pvz., fotonų skaičių arba fluorescencijos intensyvumą.
Bitų gylis rodo dvejetainių skaitmeninių duomenų „bitų“ skaičių, kurį kiekvienas pikselis naudoja intensyvumo reikšmėms saugoti, kur 8 bitai sudaro vieną baitą. Maksimali pilkos spalvos lygio reikšmė apskaičiuojama pagal:
Maksimalus pilkos spalvos lygis = 2^(bitų gylis)
Pavyzdžiui:
● 8 bitų = 256 lygiai
● 12 bitų = 4096 lygiai
● 16 bitų = 65 536 lygiai
Didesnis pilkos spalvos lygis leidžia gauti smulkesnes ryškumo gradacijas ir tiksliau atvaizduoti subtilius skirtumus, o tai gali būti labai svarbu matuojant silpnus signalus arba atliekant kiekybinę analizę.
Bitų gylis ir greitis
Didesnis bitų gylis reiškia, kad analoginiai-skaitmeniniai keitikliai (ADC) turi išvesti daugiau bitų vienam matavimui. Dėl to jie paprastai turi sumažinti matavimų skaičių per sekundę, t. y. sumažinti kameros kadrų dažnį.
Dėl šios priežasties daugelismokslinės kamerossiūlo du įsigijimo režimus:
● Didelio bitų gylio režimas – paprastai jis siūlo didesnį dinaminį diapazoną. Pirmenybė teikiama toninei skiriamajai gebai ir dinaminiam diapazonui tokiose srityse kaip fluorescencinė mikroskopija ar spektroskopija.
● Didelės spartos režimas – jis sumažina bitų gylį, padidindamas kadrų dažnį, o tai labai svarbu greitiems įvykiams didelės spartos vaizdavimo režimu.
Žinodami šį kompromisą, galite pasirinkti režimą, kuris atitinka jūsų vaizdo gavimo tikslus – tikslumą ir laiko skiriamąją gebą.
Bitų gylis ir dinaminis diapazonas
Dažnai painiojamas bitų gylis su dinaminiu diapazonu, tačiau jie nėra tas pats. Bitų gylis apibrėžia galimų ryškumo lygių skaičių, o dinaminis diapazonas – santykį tarp silpniausių ir ryškiausių aptinkamų signalų.
Ryšys tarp šių dviejų parametrų priklauso nuo papildomų veiksnių, tokių kaip kameros stiprinimo nustatymai ir rodmenų triukšmas. Iš tiesų, dinaminį diapazoną galima išreikšti „efektyviais bitais“, o tai reiškia, kad triukšmo lygis gali sumažinti bitų, kurie prisideda prie tinkamų naudoti vaizdo duomenų, skaičių.
Renkantis kamerą, tai reiškia, kad reikia kartu įvertinti ir bitų gylį, ir dinaminį diapazoną, o ne daryti prielaidą, kad vienas visiškai apibrėžia kitą.
Duomenų saugojimo baitų, reikalingų vienam kameros kadrui (be suspaudimo), kiekį galima apskaičiuoti taip:
Duomenų saugojimas
Be to, kai kurie failų formatai, pvz., TIFF, saugo 9–16 bitų duomenis 16 bitų „apvalkale“. Tai reiškia, kad net jei jūsų vaizdas naudoja tik 12 bitų, saugojimo vietos užtektinai gali būti tiek pat, kiek ir visas 16 bitų vaizdas.
Laboratorijoms, tvarkančioms didelius duomenų rinkinius, tai turi praktinių pasekmių: didesnio bitų gylio vaizdams reikia daugiau vietos diske, ilgesnio perdavimo laiko ir daugiau skaičiavimo galios apdorojimui. Tikslumo poreikių ir duomenų valdymo pajėgumų suderinimas yra būtinas efektyviam darbo eigai.
Kaip bitų gylis veikia vaizdo kokybę
Paveikslėlis: Bitų gylio pavyzdžiai
PASTABABitų gylio sąvokos iliustracija. Sumažinus bitų gylį, sumažėja intensyvumo žingsnių, kuriuos galima naudoti vaizdui rodyti, skaičius.
Bitų gylis tiesiogiai veikia kelis mokslinės kameros vaizdo kokybės aspektus.
Dinaminis diapazonas
Didesnis bitų gylis užfiksuoja daugiau ryškumo lygių, išsaugodamas detales šešėliuose ir šviesiose vietose.
Pavyzdžiui, fluorescencinėje mikroskopijoje blankios savybės 8 bitų vaizde gali būti vos matomos, tačiau 16 bitų vaizde jos yra ryškesnės.
Sklandesni tonų perėjimai
Didesnis bitų gylis leidžia sklandžiau pereiti tarp ryškumo lygių, išvengiant „juostų“ gradientuose. Tai ypač svarbu kiekybinėje analizėje, kur staigūs šuoliai gali iškreipti rezultatus.
Signalo ir triukšmo santykio (SNR) atvaizdavimas
Nors bitų gylis tiesiogiai nepadidina jutiklio signalo ir triukšmo santykio (SNR), jis leidžia kamerai tiksliau atvaizduoti subtilius signalo pokyčius, viršijančius triukšmo lygį.
Jei jutiklio SNR yra mažesnis už bitų gylio siūlomą skiriamąją gebą, tie papildomi bitai gali neprisidėti prie faktinės vaizdo kokybės – tai veiksnys, į kurį reikia atsižvelgti.
Pavyzdys:
●8 bitų vaizdasŠešėliai susilieja, neryškūs bruožai išnyksta, o subtilūs pokyčiai prarandami.
●16 bitų vaizdasGradacijos yra tolydžios, išsaugomos silpnos struktūros, o kiekybiniai matavimai yra patikimesni.
Bitų gylis ir duomenų tikslumas moksliniuose vaizduose
Moksliniame vaizdavime vaizdas nėra tiesiog paveikslėlis – tai duomenys. Kiekvieno pikselio vertė gali atitikti išmatuojamą dydį, pvz., fotonų skaičių, fluorescencijos intensyvumą arba spektrinę galią.
Didesnis bitų gylis sumažina kvantavimo paklaidą – apvalinimo paklaidą, kuri atsiranda, kai analoginis signalas skaitmeninamas į atskirus lygius. Kuo daugiau lygių, tuo pikseliui priskirta skaitmeninė reikšmė labiau atitinka tikrąjį analoginį signalą.
Kodėl tai svarbu
● Fluorescencinėje mikroskopijoje vieno žingsnio ryškumo skirtumas gali reikšti reikšmingą baltymų koncentracijos pokytį.
● Astronomijoje silpni signalai iš tolimų žvaigždžių ar galaktikų gali būti prarasti, jei bitų gylis yra per mažas.
● Spektroskopijoje didesnis bitų gylis užtikrina tikslesnius absorbcijos arba emisijos linijų matavimus.
16 bitų išvesties sCMOS kamera gali įrašyti subtilius skirtumus, kurie būtų nematomi mažesnio bitų gylio sistemoje, todėl ji yra būtina taikymams, kuriems reikalingas kiekybinis tikslumas.
Kiek bitų gylio jums reikia?
Daugeliui programų reikalingas ir aukštas signalo lygis, ir didelis dinaminis diapazonas, todėl didelis bitų gylis (14 bitų, 16 bitų ar daugiau) gali būti naudingas.
Tačiau paprastai, fotografuojant esant prastam apšvietimui, galimas bitų gylis užtikrins daug didesnį sodrumo intensyvumą nei pasiekiama daugeliu atvejų. Ypač 16 bitų kameroms, nebent stiprinimas būtų itin didelis, visas 16 bitų diapazonas retai reikalingas.
Didesnės spartos kameros arba kamerų režimai gali būti tik 8 bitų, o tai gali būti labiau ribojantys veiksniai, nors didesnis greitis, kurį gali suteikti 8 bitų režimai, dažnai pateisina šį kompromisą. Kamerų gamintojai gali padidinti 8 bitų režimų universalumą, kad jie galėtų susidoroti su tipiniais skirtingų vaizdo gavimo programų signalo lygiais, naudodami keičiamus stiprinimo nustatymus.
Tinkamo bitų gylio pasirinkimas jūsų programai
Štai trumpa nuoroda, kaip suderinti bitų gylį su įprastais mokslinio vaizdavimo scenarijais:
| Paraiška | Rekomenduojamas bitų gylis | Priežastis |
| Fluorescencinė mikroskopija | 16 bitų | Aptikti silpnus signalus ir subtilius intensyvumo skirtumus |
| Astronomijos vaizdavimas | 14–16 bitų | Užfiksuokite didelį dinaminį diapazoną esant prastam apšvietimui |
| Pramoninė inspekcija | 12–14 bitų | Aiškiai nustatykite mažus defektus |
| Bendroji dokumentacija | 8 bitų | Pakankamas ne kiekybiniams tikslams |
| Spektroskopija | 16 bitų | Išsaugoti smulkius spektrinių duomenų variantus |
Kompromisai:
●Didesnis bitų gylis= geresnė toninė skiriamoji geba ir tikslumas, bet didesni failai ir ilgesnis apdorojimo laikas.
●Mažesnis gręžimo gylis= greitesnis duomenų gavimas ir mažesni failai, bet rizikuojama prarasti smulkias detales.
Bitų gylis, palyginti su kitomis kamerų specifikacijomis
Nors bitų gylis yra svarbus, tai tik viena dėlionės detalė renkantis mokslinę kamerą.
Jutiklio tipas (CCD, CMOS ir sCMOS)
● Skirtingos jutiklių architektūros pasižymi skirtingu nuskaitymo triukšmu, dinaminiu diapazonu ir kvantiniu efektyvumu. Pavyzdžiui, didelio bitų gylio jutiklis, kurio kvantinis efektyvumas yra prastas, vis tiek gali sunkiai dirbti fotografuojant esant silpnam apšvietimui.
Kvantinis efektyvumas (QE)
● QE apibrėžia, kaip efektyviai jutiklis konvertuoja fotonus į elektronus. Didelis QE yra labai svarbus norint užfiksuoti silpnus signalus, o kartu su pakankamu bitų gyliu jis maksimaliai padidina duomenų tikslumą.
Dinaminis diapazonas
● Kameros dinaminis diapazonas nustato atstumą tarp silpniausių ir ryškiausių signalų, kuriuos ji gali užfiksuoti vienu metu. Didesnis dinaminis diapazonas yra naudingiausias, kai derinamas su bitų gyliu, galinčiu atvaizduoti tuos ryškumo lygius.
Pastaba:
Didesnis bitų gylis nepagerins vaizdo kokybės, jei tikroji kliūtis yra kiti sistemos apribojimai (pvz., triukšmas ar optika).
Pavyzdžiui, 8 bitų kamera su labai mažu triukšmo lygiu kai kuriose programose gali pranokti triukšmingą 16 bitų sistemą.
Išvada
Moksliniame vaizdavime bitų gylis yra daugiau nei techninė specifikacija – tai esminis veiksnys norint užfiksuoti tikslius ir patikimus duomenis.
Nuo silpnų struktūrų aptikimo mikroskopu iki tolimų galaktikų fiksavimo astronomijoje – tinkamas bitų gylis užtikrina, kad jūsų mokslinė kamera išsaugos detales ir matavimus, nuo kurių priklauso jūsų tyrimas.
Renkantis fotoaparatą:
1. Pritaikykite bitų gylį prie savo programos tikslumo poreikių.
2. Atsižvelkite į tai kartu su kitomis svarbiomis specifikacijomis, tokiomis kaip kvantinis efektyvumas, triukšmas ir dinaminis diapazonas.
3. Atminkite, kad didesnis bitų gylis yra vertingiausias, kai jūsų sistema gali juo pasinaudoti.
Jei ieškoteCMOS kamera orsCMOS kameraSukurti didelio bitų gylio moksliniams vaizdams, išbandykite mūsų modelių asortimentą, sukurtą tikslumui, patikimumui ir duomenų tikslumui užtikrinti.
DUK
Kuo praktinis skirtumas tarp 12 bitų, 14 bitų ir 16 bitų moksliniame vaizdavime?
Praktiškai perėjimas nuo 12 bitų (4096 lygiai) iki 14 bitų (16 384 lygiai), o vėliau iki 16 bitų (65 536 lygiai), leidžia vis tiksliau atskirti ryškumo vertes.
● 12 bitų pakanka daugeliui pramoninių ir dokumentacijos pritaikymų, kur apšvietimas yra gerai valdomas.
● 14 bitų versija pasižymi geru tikslumo ir valdomo failo dydžio balansu, idealiai tinkančiu daugumai laboratorinių darbo eigų.
● 16 bitų raiška puikiai tinka esant prastam apšvietimui ir dideliam dinaminiam diapazonui, pavyzdžiui, fluorescencinei mikroskopijai ar astronominiams vaizdams, kur labai svarbu įrašyti silpnus signalus neprarandant ryškių detalių.
Tačiau nepamirškite, kad fotoaparato jutiklio triukšmas ir dinaminis diapazonas turi būti pakankamai geri, kad būtų galima panaudoti tuos papildomus toninius žingsnius – kitaip nauda gali būti nepasiekta.
Ar didesnis bitų gylis visada lemia geresnius vaizdus?
Ne automatiškai. Bitų gylis lemia potencialią toninę skiriamąją gebą, tačiau faktinė vaizdo kokybė priklauso nuo kitų veiksnių, įskaitant:
● Jutiklio jautrumas (kvantinis efektyvumas)
● Rodmenų triukšmas
● Optikos kokybė
● Apšvietimo stabilumas
Pavyzdžiui, tam tikromis sąlygomis didelio triukšmo lygio 16 bitų CMOS kamera gali užfiksuoti ne daugiau naudingų detalių nei mažo triukšmo lygio 12 bitų sCMOS kamera. Kitaip tariant, didesnis bitų gylis yra naudingiausias, kai jis derinamas su gerai optimizuota vaizdo gavimo sistema.
Ar galiu sumažinti didelio bitų gylio vaizdo diskretizavimą neprarasdamas svarbių duomenų?
Taip – iš tiesų, tai įprasta praktika. Fiksavimas didesniu bitų gyliu suteikia lankstumo atliekant tolesnį apdorojimą ir kiekybinę analizę. Vėliau galite sumažinti diskretizavimą iki 8 bitų pateikimui ar archyvavimui, išsaugodami analizės rezultatus neišsaugodami viso duomenų rinkinio. Tik įsitikinkite, kad originalūs didelio bitų gylio failai yra kažkur saugomi, jei gali prireikti pakartotinės analizės.
Kokį vaidmenį bitų gylis atlieka kiekybiniuose moksliniuose matavimuose?
Kiekybiniame vaizdavime bitų gylis tiesiogiai veikia tai, kaip tiksliai pikselių vertės atspindi realaus pasaulio signalo intensyvumą. Tai labai svarbu:
● Mikroskopija – fluorescencijos intensyvumo pokyčių matavimas ląstelių lygmenyje.
● Spektroskopija – subtilių absorbcijos / emisijos linijų poslinkių aptikimas.
● Astronomija – Silpnų šviesos šaltinių filmavimas ilgomis ekspozicijomis.
Tokiais atvejais nepakankamas bitų gylis gali sukelti apvalinimo klaidas arba signalo nukrypimą, dėl kurio duomenys gali būti interpretuojami netiksliai.
Norite sužinoti daugiau? Peržiūrėkite susijusius straipsnius:
[Dinaminis diapazonas] – Kas yra dinaminis diapazonas?
Kvantinis efektyvumas mokslinėse kamerose: pradedančiųjų vadovas
„Tucsen Photonics Co., Ltd.“ Visos teisės saugomos. Cituojant prašome nurodyti šaltinį:www.tucsen.com
