25.08.2020.Izvērtējot zinātnisko kameru, tehniskās specifikācijas var būt pārāk svarīgas — pikseļu izmērs, kvantu efektivitāte, dinamiskais diapazons un citas. Starp šīm specifikācijām bitu dziļums ir viens no svarīgākajiem, lai noteiktu, cik daudz informācijas jūsu kamera var uztvert un cik precīzi tā attēlo sīkas detaļas.
Zinātniskajā attēlveidošanā, kur nelielas spilgtuma variācijas var atspoguļot svarīgus datus, bitu dziļuma izpratne nav obligāta — tā ir būtiska.
Šajā rakstā ir paskaidrots, kas ir bitu dziļums, kā tas ietekmē attēla kvalitāti, tā loma datu precizitātē un kā izvēlēties pareizo bitu dziļumu jūsu lietojumprogrammai.
Bitu dziļums: maksimālais pelēktoņu skaits attēla pikselī
Strādājot ar zinātnisko kameru, bitu dziļums nosaka, cik atšķirīgu intensitātes vērtību katrs pikselis var ierakstīt. Tas ir ļoti svarīgi, jo zinātniskajā attēlveidošanā katra pikseļa vērtība var tieši atbilst izmērītam lielumam, piemēram, fotonu skaitam vai fluorescences intensitātei.
Bitu dziļums parāda bināro digitālo datu "bitu" skaitu, ko katrs pikselis izmanto intensitātes vērtību glabāšanai, kur 8 biti veido vienu baitu. Maksimālo pelēkās krāsas līmeni aprēķina pēc šādas formulas:
Maksimālie pelēkie līmeņi = 2^(bitu dziļums)
Piemēram:
● 8 biti = 256 līmeņi
● 12 bitu = 4096 līmeņi
● 16 bitu = 65 536 līmeņi
Vairāk pelēktoņu līmeņu nodrošina smalkākas spilgtuma gradācijas un precīzāku smalku atšķirību attēlojumu, kas var būt kritiski svarīgi, mērot vājus signālus vai veicot kvantitatīvu analīzi.
Bitu dziļums un ātrums
Palielinot bitu dziļumu, analogciparu pārveidotājiem (ADC) ir jāizvada vairāk bitu uz mērījumu. Tas parasti prasa samazināt mērījumu skaitu sekundē, t. i., samazināt kameras kadru ātrumu.
Šī iemesla dēļ daudzizinātniskās kameraspiedāvā divus iegūšanas režīmus:
● Augsta bitu dziļuma režīms — tas parasti piedāvā lielāku dinamisko diapazonu. Prioritāte tiek piešķirta tonālajai izšķirtspējai un dinamiskajam diapazonam tādām lietojumprogrammām kā fluorescences mikroskopija vai spektroskopija.
● Ātrdarbīgs režīms — tas samazina bitu dziļumu par labu lielākam kadru ātrumam, kas ir svarīgi ātru notikumu gadījumā ātrdarbīgā attēlveidošanā.
Šī kompromisa apzināšanās palīdz izvēlēties režīmu, kas atbilst jūsu attēlveidošanas mērķiem — precizitāte pretstatā laika izšķirtspējai.
Bitu dziļums un dinamiskais diapazons
Bitu dziļumu bieži jauc ar dinamisko diapazonu, taču tie nav identiski. Bitu dziļums nosaka iespējamo spilgtuma līmeņu skaitu, savukārt dinamiskais diapazons apraksta attiecību starp vājākajiem un spilgtākajiem uztveramajiem signāliem.
Attiecība starp abiem ir atkarīga no papildu faktoriem, piemēram, kameras pastiprinājuma iestatījumiem un nolasīšanas trokšņa. Faktiski dinamisko diapazonu var izteikt “efektīvajos bitos”, kas nozīmē, ka trokšņa veiktspēja var samazināt bitu skaitu, kas veicina izmantojamos attēla datus.
Kameras izvēlē tas nozīmē, ka jums kopā jāizvērtē gan bitu dziļums, gan dinamiskais diapazons, nevis jāpieņem, ka viens pilnībā nosaka otru.
Datu glabāšanai nepieciešamo baitu skaitu uz vienu kameras kadru (bez saspiešanas) var aprēķināt šādi:
Datu glabāšana
Turklāt daži failu formāti, piemēram, TIFF, 16 bitu "ietinējā" iekšpusē glabā 9 līdz 16 bitu datus. Tas nozīmē, ka pat ja attēls izmanto tikai 12 bitus, krātuves ietilpība var būt tāda pati kā pilnam 16 bitu attēlam.
Laboratorijām, kas apstrādā lielus datu kopumus, tam ir praktiskas sekas: lielāka bitu dziļuma attēliem ir nepieciešama lielāka diska vieta, ilgāks pārsūtīšanas laiks un lielāka skaitļošanas jauda apstrādei. Precizitātes vajadzību līdzsvarošana ar datu pārvaldības jaudu ir būtiska efektīvai darbplūsmai.
Kā bitu dziļums ietekmē attēla kvalitāti
Attēls: Bitu dziļuma piemēri
PIEZĪMEBitu dziļuma koncepcijas ilustrācija. Bitu dziļuma samazināšana samazina intensitātes pakāpju skaitu, ko var izmantot attēla attēlošanai.
Bitu dziļumam ir tieša ietekme uz vairākiem attēla kvalitātes aspektiem zinātniskajā kamerā.
Dinamiskais diapazons
Lielāks bitu dziļums uztver vairāk spilgtuma līmeņu, saglabājot detaļas ēnās un izgaismotajās vietās.
Piemēram, fluorescences mikroskopijā blāvas iezīmes 8 bitu attēlā var būt tik tikko redzamas, bet 16 bitu attēlā tās ir izteiktākas.
Vienmērīgākas toņu gradācijas
Lielāks bitu dziļums nodrošina vienmērīgākas pārejas starp spilgtuma līmeņiem, izvairoties no "joslošanās" gradientos. Tas ir īpaši svarīgi kvantitatīvajā analīzē, kur pēkšņas lēcieni var izkropļot rezultātus.
Signāla un trokšņa attiecības (SNR) attēlojums
Lai gan bitu dziļums tieši nepalielina sensora signāla un trokšņa attiecību (SNR), tas ļauj kamerai precīzāk attēlot smalkas signāla variācijas virs trokšņa līmeņa.
Ja sensora signāla un trokšņa attiecība (SNR) ir zemāka par bitu dziļuma piedāvāto izšķirtspēju, šie papildu biti var neietekmēt faktisko attēla kvalitāti — šis faktors jāpatur prātā.
Piemērs:
●8 bitu attēlsĒnas saplūst, blāvas iezīmes izzūd, un smalkas izmaiņas tiek zaudētas.
●16 bitu attēlsGradācijas ir nepārtrauktas, vājas struktūras tiek saglabātas, un kvantitatīvie mērījumi ir ticamāki.
Bitu dziļums un datu precizitāte zinātniskajā attēlveidošanā
Zinātniskajā attēlveidošanā attēls nav tikai attēls — tie ir dati. Katra pikseļa vērtība var atbilst izmērāmam lielumam, piemēram, fotonu skaitam, fluorescences intensitātei vai spektrālajai jaudai.
Lielāks bitu dziļums samazina kvantēšanas kļūdu — noapaļošanas kļūdu, kas rodas, kad analogais signāls tiek digitalizēts atsevišķos līmeņos. Jo vairāk pieejamo līmeņu, jo precīzāk pikselim piešķirtā digitālā vērtība atbilst patiesajam analogajam signālam.
Kāpēc tas ir svarīgi
● Fluorescences mikroskopijā vienas pakāpes spilgtuma atšķirība var liecināt par nozīmīgām olbaltumvielu koncentrācijas izmaiņām.
● Astronomijā vāji signāli no tālām zvaigznēm vai galaktikām var tikt zaudēti, ja bitu dziļums ir pārāk mazs.
● Spektroskopijā lielāks bitu dziļums nodrošina precīzākus absorbcijas vai emisijas līniju mērījumus.
sCMOS kamera ar 16 bitu izvadi var ierakstīt smalkas atšķirības, kas būtu neredzamas sistēmā ar zemāku bitu dziļumu, padarot to par būtisku lietojumprogrammām, kurām nepieciešama kvantitatīva precizitāte.
Cik liels bitu dziļums jums ir nepieciešams?
Daudzām lietojumprogrammām ir nepieciešams gan augsts signāla līmenis, gan augsts dinamiskais diapazons, un tādā gadījumā var būt izdevīgs augsts bitu dziļums (14 biti, 16 biti vai vairāk).
Tomēr parasti, uzņemot attēlus vājā apgaismojumā, pieejamais bitu dziļums nodrošinās daudz lielāku piesātinājuma intensitāti nekā vairumā gadījumu. Īpaši 16 bitu kamerām, ja vien pastiprinājums nav īpaši augsts, pilns 16 bitu diapazons reti ir nepieciešams.
Ātrdarbīgākas kameras vai kameru režīmi var būt tikai 8 bitu, kas var būt ierobežojošāki, lai gan lielāks ātrums, ko var nodrošināt 8 bitu režīmi, bieži vien padara šo kompromisu vērtīgu. Kameru ražotāji var palielināt 8 bitu režīmu daudzpusību, lai tie tiktu galā ar dažādu attēlveidošanas lietojumprogrammu tipiskajiem signāla līmeņiem, izmantojot maināmus pastiprinājuma iestatījumus.
Pareizā bitu dziļuma izvēle jūsu lietojumprogrammai
Šeit ir īsa atsauce par bitu dziļuma saskaņošanu ar izplatītākajiem zinātniskās attēlveidošanas scenārijiem:
| Pieteikums | Ieteicamais bitu dziļums | Iemesls |
| Fluorescences mikroskopija | 16 bitu | Noteikt vājus signālus un smalkas intensitātes atšķirības |
| Astronomijas attēlveidošana | 14–16 bitu | Uzņemiet plašu dinamisko diapazonu vāja apgaismojuma apstākļos |
| Rūpnieciskā inspekcija | 12–14 bitu | Skaidri identificējiet mazus defektus |
| Vispārīgā dokumentācija | 8 bitu | Pietiekami nekvantitatīviem mērķiem |
| Spektroskopija | 16 bitu | Saglabājiet smalkās spektrālo datu variācijas |
Kompromisi:
●Lielāks bitu dziļums= labāka tonālā izšķirtspēja un precizitāte, bet lielāki faili un ilgāks apstrādes laiks.
●Mazāks dūriena dziļums= ātrāka iegūšana un mazāki faili, bet risks zaudēt sīkas detaļas.
Bitu dziļums salīdzinājumā ar citām kameras specifikācijām
Lai gan bitu dziļums ir svarīgs, tas ir tikai viens no faktoriem, izvēloties zinātnisko kameru.
Sensora tips (CCD vs CMOS vs sCMOS)
● Dažādām sensoru arhitektūrām ir atšķirīgs nolasīšanas troksnis, dinamiskais diapazons un kvantu efektivitāte. Piemēram, sensors ar augstu bitu dziļumu un sliktu kvantu efektivitāti joprojām var sagādāt grūtības attēlveidošanā vājā apgaismojumā.
Kvantu efektivitāte (QE)
● QE (kvantifikācijas elements) nosaka, cik efektīvi sensors pārveido fotonus elektronos. Augsts QE ir ļoti svarīgs vāju signālu uztveršanai, un apvienojumā ar pietiekamu bitu dziļumu tas maksimāli palielina datu precizitāti.
Dinamiskais diapazons
● Kameras dinamiskais diapazons nosaka attālumu starp vājākajiem un spilgtākajiem signāliem, ko tā var uztvert vienlaicīgi. Lielāks dinamiskais diapazons ir visizdevīgākais, ja to apvieno ar bitu dziļumu, kas spēj attēlot šos spilgtuma līmeņus.
Piezīme:
Lielāks bitu dziļums neuzlabos attēla kvalitāti, ja citi sistēmas ierobežojumi (piemēram, troksnis vai optika) ir patiesais vājais punkts.
Piemēram, 8 bitu kamera ar ļoti zemu trokšņu līmeni dažās lietojumprogrammās varētu pārspēt trokšņainu 16 bitu sistēmu.
Secinājums
Zinātniskajā attēlveidošanā bitu dziļums ir vairāk nekā tikai tehniska specifikācija — tas ir būtisks faktors precīzu un uzticamu datu iegūšanā.
No vāju struktūru noteikšanas mikroskopijā līdz tālu galaktiku reģistrēšanai astronomijā, pareizais bitu dziļums nodrošina, ka jūsu zinātniskā kamera saglabā detaļas un mērījumus, no kuriem ir atkarīgs jūsu pētījums.
Izvēloties kameru:
1. Pielāgojiet bitu dziļumu savas lietojumprogrammas precizitātes vajadzībām.
2. Apsveriet to līdzās citām svarīgām specifikācijām, piemēram, kvantu efektivitāti, troksni un dinamisko diapazonu.
3. Atcerieties, ka lielāks bitu dziļums ir visvērtīgākais, ja jūsu sistēma to var izmantot savā labā.
Ja meklējatCMOS kamera orsCMOS kameraizstrādāti augsta bitu dziļuma zinātniskai attēlveidošanai, iepazīstieties ar mūsu modeļu klāstu, kas izstrādāti precizitātei, uzticamībai un datu precizitātei.
Bieži uzdotie jautājumi
Kāda ir praktiskā atšķirība starp 12 bitu, 14 bitu un 16 bitu tehnoloģiju zinātniskajā attēlveidošanā?
Praktiski pāreja no 12 bitiem (4096 līmeņi) uz 14 bitiem (16 384 līmeņi) un pēc tam uz 16 bitiem (65 536 līmeņi) ļauj pakāpeniski smalkāk atšķirt spilgtuma vērtības.
● 12 bitu izšķirtspēja ir pietiekama daudzām rūpnieciskām un dokumentācijas lietojumprogrammām, kurās apgaismojums ir labi kontrolēts.
● 14 bitu versija piedāvā labu precizitātes un pārvaldāma faila lieluma līdzsvaru, kas ir ideāli piemērots lielākajai daļai laboratorijas darbplūsmu.
● 16 bitu izšķirtspēja ir lieliska vāja apgaismojuma un plaša dinamiskā diapazona apstākļos, piemēram, fluorescences mikroskopijā vai astronomiskā attēlveidošanā, kur ir ļoti svarīgi ierakstīt vājus signālus, nezaudējot spilgtas detaļas.
Tomēr atcerieties, ka kameras sensora trokšņiem un dinamiskajam diapazonam ir jābūt pietiekami labiem, lai izmantotu šīs papildu tonālās pakāpes — pretējā gadījumā ieguvumi var netikt sasniegti.
Vai lielāks bitu dziļums vienmēr nodrošina labākus attēlus?
Ne automātiski. Bitu dziļums nosaka potenciālo tonālo izšķirtspēju, bet faktiskā attēla kvalitāte ir atkarīga no citiem faktoriem, tostarp:
● Sensora jutība (kvantu efektivitāte)
● Nolasījuma troksnis
● Optikas kvalitāte
● Apgaismojuma stabilitāte
Piemēram, 16 bitu CMOS kamera ar augstu trokšņa līmeni noteiktos apstākļos varētu neuztvert vairāk noderīgu detaļu nekā 12 bitu sCMOS kamera ar zemu trokšņa līmeni. Citiem vārdiem sakot, lielāks bitu dziļums ir visizdevīgākais, ja to izmanto kopā ar labi optimizētu attēlveidošanas sistēmu.
Vai es varu samazināt paraugu ņemšanas ātrumu no attēla ar augstu bitu dziļumu, nezaudējot svarīgus datus?
Jā — patiesībā šī ir izplatīta prakse. Attēlu uzņemšana lielākā bitu dziļumā sniedz elastību pēcapstrādē un kvantitatīvajā analīzē. Vēlāk var samazināt izšķirtspēju līdz 8 bitiem prezentācijai vai arhivēšanai, saglabājot analīzes rezultātus, neuzglabājot visu datu kopu. Tikai pārliecinieties, vai sākotnējie faili ar augstu bitu dziļumu ir kaut kur saglabāti, ja varētu būt nepieciešama atkārtota analīze.
Kāda loma kvantitatīvos zinātniskos mērījumos ir bitu dziļumam?
Kvantitatīvajā attēlveidošanā bitu dziļums tieši ietekmē to, cik precīzi pikseļu vērtības atspoguļo reālās pasaules signāla intensitāti. Tas ir svarīgi:
● Mikroskopija – fluorescences intensitātes izmaiņu mērīšana šūnu līmenī.
● Spektroskopija – nelielu absorbcijas/emisijas līniju nobīžu noteikšana.
● Astronomija — vājas gaismas avotu ierakstīšana ar ilgu ekspozīciju.
Šādos gadījumos nepietiekams bitu dziļums var izraisīt noapaļošanas kļūdas vai signāla nogriešanu, kas noved pie neprecīzas datu interpretācijas.
Vai vēlaties uzzināt vairāk? Apskatiet saistītos rakstus:
[Dinamiskais diapazons] — Kas ir dinamiskais diapazons?
Kvantu efektivitāte zinātniskajās kamerās: iesācēja ceļvedis
Tucsen Photonics Co., Ltd. Visas tiesības aizsargātas. Citējot, lūdzu, norādiet avotu:www.tucsen.com
