2012-08-25Nors spalvotos kameros dominuoja vartotojų kamerų rinkoje, nespalvotos kameros labiau paplitusios moksliniuose vaizduose.
Kamerų jutikliai iš esmės negali aptikti surenkamos šviesos spalvos ar bangos ilgio. Norint gauti spalvotą vaizdą, reikia nemažai kompromisų jautrumo ir erdvinio atrankos srityse. Tačiau daugelyje vaizdavimo sričių, pavyzdžiui, patologijoje, histologijoje ar kai kuriuose pramoniniuose tyrimuose, spalvų informacija yra būtina, todėl spalvotos mokslinės kameros vis dar yra įprastos.
Šiame straipsnyje nagrinėjama, kas yra spalvotos mokslinės kameros, kaip jos veikia, jų stipriosios ir silpnosios pusės bei kur jos pranoksta savo nespalvotas analogijas mokslinėse srityse.
Kas yra spalvotos mokslinės kameros?
Spalvota mokslinė kamera yra specializuotas vaizdo gavimo įrenginys, kuris fiksuoja RGB spalvų informaciją su didele raiška, tikslumu ir nuoseklumu. Skirtingai nuo vartotojams skirtų spalvotų kamerų, kurios teikia pirmenybę vizualiniam patrauklumui, mokslinės spalvotos kameros yra sukurtos kiekybiniam vaizdavimui, kur spalvų tikslumas, jutiklio tiesiškumas ir dinaminis diapazonas yra labai svarbūs.
Šios kameros plačiai naudojamos tokiose srityse kaip šviesaus lauko mikroskopija, histologija, medžiagų analizė ir mašininio matymo užduotys, kur būtinas vizualinis interpretavimas arba spalvų pagrindu veikiantis klasifikavimas. Dauguma spalvotų mokslinių kamerų yra pagrįstos CMOS arba sCMOS jutikliais, sukurtais siekiant patenkinti griežtus mokslinių ir pramoninių tyrimų reikalavimus.
Norėdami išsamiau susipažinti su skirtingomis vaizdo gavimo sistemomis, peržiūrėkite mūsų didelio našumo sistemų pasirinkimąmokslinė kameramodeliai, sukurti profesionaliam naudojimui.
Spalvos pasiekimas: „Bayer“ filtras
Įprastai spalvų atpažinimas kamerose atliekamas tais pačiais būdais kaip ir spalvų atkūrimas monitoriuose bei ekranuose: sujungiant netoliese esančius raudonus, žalius ir mėlynus pikselius į pilnai spalvotus „superpikselius“. Kai R, G ir B kanalų reikšmės yra maksimalios, matomas baltas pikselis.
Kadangi silicio kameros negali aptikti įeinančių fotonų bangos ilgio, kiekvieno R, G arba B bangos ilgio kanalo atskyrimas turi būti pasiektas filtruojant.
Raudonuose pikseliuose ant pikselio uždedamas individualus filtras, kuris blokuoja visus bangos ilgius, išskyrus raudonąją spektro dalį, taip pat mėlyną ir žalią spalvas. Tačiau norint pasiekti kvadratinį išdėstymą dviejuose matmenyse, nepaisant trijų spalvų kanalų, superpikselis suformuojamas iš vieno raudono, vieno mėlyno ir dviejų žalių pikselių, kaip parodyta paveikslėlyje.
„Bayer“ filtro išdėstymas spalvotoms kameroms
PASTABASpalvų filtrų, pridėtų prie atskirų spalvotų fotoaparatų pikselių naudojant „Bayer“ filtrų išdėstymą, išdėstymas, naudojant pasikartojančius kvadratinius 4 pikselių vienetus: žalius, raudonus, mėlynus, žalius pikselius. Eilės tvarka 4 pikselių vienete gali skirtis.
Žalieji pikseliai yra prioritetiniai tiek dėl to, kad dauguma šviesos šaltinių (nuo saulės iki baltų šviesos diodų) pasižymi didžiausiu intensyvumu žaliojoje spektro dalyje, tiek dėl to, kad šviesos detektoriai (nuo silicio pagrindu veikiančių kamerų jutiklių iki mūsų akių) paprastai yra jautriausi žalioje spalvoje.
Tačiau analizuojant ir rodant vaizdus, vaizdai vartotojui paprastai nepateikiami su pikseliais, kuriuose rodoma tik jų R, G arba B reikšmė. Kiekvienam kameros pikseliui sukuriama 3 kanalų RGB reikšmė, interpoliuojant netoliese esančių pikselių reikšmes procese, vadinamame „debayering“.
Pavyzdžiui, kiekvienas raudonas pikselis sugeneruos žalios spalvos reikšmę, apskaičiuotą pagal keturių gretimų žalių pikselių vidurkį arba naudojant kokį nors kitą algoritmą, ir panašiai bus su keturiais gretimais mėlynais pikseliais.
Spalvų privalumai ir trūkumai
Privalumai
● Tai galima pamatyti spalvomis! Spalva perteikia vertingą informaciją, kuri pagerina žmogaus interpretaciją, ypač analizuojant biologinius ar medžiagų mėginius.
● Daug paprasčiau užfiksuoti RGB spalvų vaizdus, palyginti su nuosekliais R, G ir B vaizdų fiksavimu monochromatine kamera
Trūkumai
● Spalvotų kamerų jautrumas, palyginti su jų nespalvotomis kameromis, yra gerokai mažesnis, priklausomai nuo bangos ilgio. Raudonojoje ir mėlynojoje spektro dalyje, kadangi tik vienas iš keturių pikselių filtrų praleidžia šiuos bangos ilgius, šviesos surinkimas sudaro ne daugiau kaip 25 % lygiavertės nespalvotos kameros šviesos surinkimo tokiuose bangos ilgiuose. Žaliame spektre šis koeficientas yra 50 %. Be to, joks filtras nėra tobulas: didžiausias pralaidumas bus mažesnis nei 100 % ir gali būti daug mažesnis, priklausomai nuo tikslaus bangos ilgio.
● Smulkių detalių skiriamoji geba taip pat pablogėja, nes dėl tų pačių veiksnių sumažėja diskretizavimo dažnis (iki 25 % raudonai ir mėlynai spalvoms, o žaliai – iki 50 %). Raudonų pikselių atveju, kai tik 1 iš 4 pikselių fiksuoja raudoną šviesą, efektyvus pikselio dydis, skirtas skiriamajai gebai apskaičiuoti, kiekviename matmenyje yra 2 kartus didesnis.
● Spalvotose kamerose taip pat visada yra infraraudonųjų spindulių (IR) filtras. Taip yra dėl silicio kamerų gebėjimo aptikti kai kuriuos žmogaus akiai nematomus IR bangos ilgius – nuo 700 nm iki maždaug 1100 nm. Jei ši IR šviesa nebūtų išfiltruota, tai paveiktų baltos spalvos balansą, dėl to būtų netiksliai atkurtos spalvos, o gautas vaizdas neatitiktų to, ką mato akis. Todėl ši IR šviesa turi būti išfiltruota, o tai reiškia, kad spalvotos kameros negali būti naudojamos vaizdavimo reikmėms, kuriose naudojami šie bangos ilgiai.
Kaip veikia spalvotos kameros?
Tipinės spalvotos kameros kvantinio efektyvumo kreivės pavyzdys
PASTABAKvantinio efektyvumo priklausomybė nuo bangos ilgio, parodyta atskirai pikseliams su raudonu, mėlynu ir žaliu filtrais. Taip pat parodytas to paties jutiklio kvantinis efektyvumas be spalvų filtrų. Pridėjus spalvų filtrus, kvantinis efektyvumas žymiai sumažėja.
Mokslinės spalvotos kameros pagrindas yra jos vaizdo jutiklis, paprastaiCMOS kamera or sCMOS kamera(mokslinė CMOS sistema), aprūpinta Bayer filtru. Darbo eiga nuo fotonų fiksavimo iki vaizdo išvesties apima kelis pagrindinius veiksmus:
1. Fotonų aptikimas: šviesa patenka į objektyvą ir atsitrenkia į jutiklį. Kiekvienas pikselis yra jautrus konkrečiam bangos ilgiui, priklausomai nuo jame esančio spalvų filtro.
2. Krūvio konversija: fotonai generuoja elektros krūvį fotodiode po kiekvienu pikseliu.
3. Nuskaitymas ir stiprinimas: krūviai konvertuojami į įtampas, nuskaitomi eilutė po eilutės ir skaitmeninami analoginiais-skaitmeniniais keitikliais.
4. Spalvų rekonstrukcija: Kameros integruotas procesorius arba išorinė programinė įranga interpoliuoja spalvotą vaizdą iš filtruotų duomenų, naudodama demosaicing algoritmus.
5. Vaizdo korekcija: Siekiant užtikrinti tikslų ir patikimą rezultatą, taikomi tokie papildomo apdorojimo veiksmai kaip plokščio lauko korekcija, baltos spalvos balansas ir triukšmo mažinimas.
Spalvoto fotoaparato našumas labai priklauso nuo jo jutiklių technologijos. Šiuolaikiniai CMOS fotoaparatų jutikliai pasižymi dideliu kadrų dažniu ir mažu triukšmu, o sCMOS jutikliai yra optimizuoti jautrumui esant silpnam apšvietimui ir plačiam dinaminiam diapazonui, o tai yra labai svarbu moksliniam darbui. Šie pagrindai sudaro pagrindą palyginti spalvotas ir nespalvotas kameras.
Spalvoti fotoaparatai ir nespalvoti fotoaparatai: pagrindiniai skirtumai
Spalvotų ir nespalvotų fotoaparatų vaizdų palyginimas dirbant prasto apšvietimo sąlygomis
PASTABAFluorescencinis vaizdas su raudonos bangos ilgio emisija, aptikta spalvotos kameros (kairėje) ir nespalvotos kameros (dešinėje), o kitos kameros specifikacijos išlieka tos pačios. Spalvotas vaizdas pasižymi žymiai mažesniu signalo ir triukšmo santykiu bei skiriamąja geba.
Nors tiek spalvotos, tiek nespalvotos kameros turi daug bendrų komponentų, jų veikimo ir naudojimo atvejų skirtumai yra reikšmingi. Pateikiame trumpą palyginimą:
| Funkcija | Spalvota kamera | Monochrominė kamera |
| Jutiklio tipas | Bayer filtruojamas CMOS/sCMOS | Nefiltruotas CMOS/sCMOS |
| Jautrumas šviesai | Žemesnis (dėl spalvų filtrų, blokuojančių šviesą) | Didesnis (filtrai nepraranda šviesos) |
| Erdvinė skiriamoji geba | Mažesnė efektyvi skiriamoji geba (mozaikos atkūrimas) | Pilna gimtoji raiška |
| Idealios taikymo sritys | Šviesaus lauko mikroskopija, histologija, medžiagų apžiūra | Fluorescencija, vaizdavimas esant silpnam apšvietimui, didelio tikslumo matavimai |
| Spalvų duomenys | Užfiksuoja visą RGB informaciją | Fiksuoja tik pilkos spalvos tonus |
Trumpai tariant, spalvotos kameros geriausiai tinka, kai spalva svarbi interpretavimui ar analizei, o nespalvotos kameros idealiai tinka jautrumui ir tikslumui.
Kur spalvotos kameros puikiai tinka mokslinėse srityse
Nepaisant savo apribojimų, spalvotos kameros pranoksta daugelį specializuotų sričių, kur spalvų skiriamumas yra labai svarbus. Žemiau pateikiami keli pavyzdžiai, kur jos sužiba:
Gyvybės mokslai ir mikroskopija
Spalvotos kameros dažnai naudojamos ryškiojo lauko mikroskopijoje, ypač histologinėje analizėje. Dažymo metodai, tokie kaip H&E arba Gramo dažymas, sukuria spalvomis pagrįstą kontrastą, kurį galima interpretuoti tik naudojant RGB vaizdavimą. Švietimo laboratorijos ir patologijos skyriai taip pat naudoja spalvotas kameras, kad užfiksuotų tikroviškus biologinių mėginių vaizdus mokymo ar diagnostikos tikslais.
Medžiagų mokslas ir paviršiaus analizė
Medžiagų tyrimuose spalvotas vaizdavimas yra vertingas korozijos, oksidacijos, dangų ir medžiagų ribų nustatymui. Spalvotos kameros padeda aptikti subtilius paviršiaus apdailos variantus arba defektus, kurių nespalvotuose vaizduose gali būti nepastebėta. Pavyzdžiui, norint įvertinti kompozicines medžiagas arba spausdintines plokštes, dažnai reikia tikslaus spalvų atvaizdavimo.
Mašininis matymas ir automatizavimas
Automatizuotose tikrinimo sistemose spalvotos kameros naudojamos objektų rūšiavimui, defektų aptikimui ir ženklinimo patikrinimui. Jos leidžia mašininio matymo algoritmams klasifikuoti dalis ar gaminius pagal spalvų užuominas, taip padidinant automatizavimo tikslumą gamyboje.
Švietimas, dokumentavimas ir informavimas
Mokslo įstaigoms dažnai reikia aukštos kokybės spalvotų vaizdų leidiniams, dotacijų paraiškoms ir informavimo veiklai. Spalvotas vaizdas suteikia intuityvesnį ir vizualiai patrauklesnį mokslinių duomenų vaizdavimą, ypač tarpdisciplininės komunikacijos ar viešo įsitraukimo atveju.
Baigiamosios mintys
Spalvotos mokslinės kameros atlieka esminį vaidmenį šiuolaikiniuose vaizdavimo procesuose, kur svarbus spalvų diferencijavimas. Nors jos gali neprilygti nespalvotoms kameroms jautrumu ar neapdorota raiška, jų gebėjimas pateikti natūralius, interpretuojamus vaizdus daro jas nepakeičiamomis įvairiose srityse – nuo gyvybės mokslų iki pramoninių inspekcijų.
Rinkdamiesi tarp spalvoto ir nespalvoto vaizdo, atsižvelkite į savo vaizdavimo tikslus. Jei jūsų pritaikymui reikalingas veikimas esant prastam apšvietimui, didelis jautrumas arba fluorescencijos aptikimas, geriausias pasirinkimas gali būti nespalvota mokslinė kamera. Tačiau ryškių laukų vaizdavimui, medžiagų analizei ar bet kokiai kitai užduočiai, susijusiai su spalvomis koduojama informacija, spalvotas sprendimas gali būti idealus.
Norėdami ištirti pažangias spalvoto vaizdo gavimo sistemas moksliniams tyrimams, peržiūrėkite visą mūsų didelio našumo CMOS kamerų ir sCMOS modelių, pritaikytų jūsų poreikiams, asortimentą.
„Tucsen Photonics Co., Ltd.“ Visos teisės saugomos. Cituojant prašome nurodyti šaltinį:www.tucsen.com
