25/08/20При оценување на научна камера, техничките спецификации можат да бидат огромни - големина на пикселите, квантна ефикасност, динамички опсег и друго. Меѓу овие спецификации, длабочината на битовите е една од најважните за одредување колку информации може да сними вашата камера и колку верно ги прикажува фините детали.
Во научното снимање, каде што суптилните варијации во осветленоста можат да претставуваат важни податоци, разбирањето на длабочината на битови не е опционално - туку е од суштинско значење.
Оваа статија објаснува што е длабочина на битови, како влијае на квалитетот на сликата, нејзината улога во точноста на податоците и како да ја изберете вистинската длабочина на битови за вашата апликација.
Длабочина на битови: Максималниот број на нивоа на сива боја во пиксел на слика
Кога се работи со научна камера, длабочината на битовите дефинира колку различни вредности на интензитет може да сними секој пиксел. Ова е клучно бидејќи во научното снимање, вредноста на секој пиксел може директно да одговара на измерена количина, како што се бројот на фотони или интензитетот на флуоресценција.
Длабочината на битови го покажува бројот на „битови“ од бинарни дигитални податоци што секој пиксел ги користи за складирање на вредности на интензитет, каде што 8 бита формираат еден бајт. Максималната вредност на нивото на сива боја е дадена со:
Максимални нивоа на сива боја = 2^(Длабочина на битови)
На пример:
● 8-битни = 256 нивоа
● 12-битни = 4.096 нивоа
● 16-битни = 65.536 нивоа
Поголемите нивоа на сива боја овозможуваат пофини градации на осветленоста и попрецизно претставување на суптилните разлики, што може да биде критично при мерење на слаби сигнали или вршење квантитативна анализа.
Длабочина на битови и брзина
Зголемувањето на длабочината на битови значи дека аналогно-дигиталните конвертори (ADC) мора да даваат повеќе битови по мерење. Ова обично бара од нив да ги намалат своите мерења во секунда - т.е. да ја намалат брзината на сликите од камерата.
Поради оваа причина, многуминанаучни камеринудат два режима на аквизиција:
● Режим со голема длабочина на битови – Ова обично нуди повисок динамички опсег. Дава приоритет на тоналната резолуција и динамичкиот опсег за апликации како што се флуоресцентна микроскопија или спектроскопија.
● Режим со голема брзина – Ова ја намалува длабочината на битовите во корист на побрзи стапки на слики, што е од суштинско значење за брзи настани при снимање со голема брзина.
Познавањето на овој компромис ви помага да го изберете режимот што е во согласност со вашите цели за снимање - прецизност наспроти временска резолуција.
Длабочина на битови и динамички опсег
Вообичаено е да се мешаат длабочината на битови со динамичкиот опсег, но тие не се идентични. Длабочината на битови го дефинира бројот на можни нивоа на осветленост, додека динамичкиот опсег го опишува односот помеѓу најслабите и најсветлите детектабилни сигнали.
Односот меѓу двата зависи од дополнителни фактори како што се поставките за засилување на камерата и шумот при отчитување. Всушност, динамичкиот опсег може да се изрази во „ефективни битови“, што значи дека перформансите на шумот може да го намалат бројот на битови што придонесуваат за употребливи податоци за сликата.
За избор на камера, ова значи дека треба да ги процените и длабочината на битови и динамичкиот опсег заедно, наместо да претпоставувате дека едното целосно го дефинира другото.
Бајтите за складирање на податоци потребни за секој кадар од камерата (без компресија) може да се пресметаат како:
Складирање на податоци
Дополнително, некои формати на датотеки - како TIFF - складираат 9 до 16-битни податоци во 16-битна „обвивка“. Ова значи дека дури и ако вашата слика користи само 12 бита, просторот за складирање може да биде ист како и за целосна 16-битна слика.
За лабораториите што работат со големи бази на податоци, ова има практични импликации: сликите со поголема битна длабочина бараат повеќе простор на дискот, подолго време на пренос и поголема компјутерска моќ за обработка. Балансирањето на потребите за прецизност со капацитетот за управување со податоци е од суштинско значење за ефикасен работен тек.
Како длабочината на битовите влијае на квалитетот на сликата
Слика: Примери за длабочина на битови
ЗАБЕЛЕШКА: Илустрација на концептот на длабочина на битови. Намалувањето на длабочината на битови го намалува бројот на чекори на интензитет што можат да се користат за прикажување на сликата.
Длабочината на битови има директно влијание врз неколку аспекти на квалитетот на сликата кај научна камера.
Динамички опсег
Повисоката длабочина на битови доловува повеќе нивоа на осветленост, зачувувајќи ги деталите во сенките и светлите делови.
На пример, кај флуоресцентната микроскопија, бледите карактеристики може да бидат едвај видливи на 8-битна слика, но се поизразени на 16-битна слика.
Порамномерни тонални градации
Повисоките длабочини на битови овозможуваат помеки транзиции помеѓу нивоата на осветленост, избегнувајќи „ленти“ во градиентите. Ова е особено важно во квантитативната анализа, каде што наглите скокови можат да ги нарушат резултатите.
Претставување на односот сигнал-шум (SNR)
Иако длабочината на битови не го зголемува директно SNR на сензорот, таа ѝ овозможува на камерата попрецизно да ги прикаже суптилните варијации на сигналот над нивото на шумот.
Ако SNR на сензорот е помал од резолуцијата што ја нуди длабочината на битови, тие дополнителни битови можеби нема да придонесат за вистинскиот квалитет на сликата — фактор што треба да се има предвид.
Пример:
●8-битна сликаСенките се спојуваат, бледите црти исчезнуваат, а суптилните промени се губат.
●16-битна сликаГрадациите се континуирани, бледите структури се зачувани, а квантитативните мерења се посигурни.
Длабочина на битови и точност на податоците во научното снимање
Во научното снимање, сликата не е само слика - таа е податок. Вредноста на секој пиксел може да одговара на мерлива количина, како што се бројот на фотони, интензитетот на флуоресценцијата или спектралната моќност.
Поголемата длабочина на битови ја намалува грешката при квантизација - грешката при заокружување што се јавува кога аналогниот сигнал се дигитализира во дискретни нивоа. Со повеќе достапни нивоа, дигиталната вредност доделена на пиксел поблиску се совпаѓа со вистинскиот аналоген сигнал.
Зошто ова е важно
● Во флуоресцентната микроскопија, едностепена разлика во осветленоста може да претставува значајна промена во концентрацијата на протеини.
● Во астрономијата, слабите сигнали од далечни ѕвезди или галаксии би можеле да се изгубат ако длабочината на битот е премногу мала.
● Во спектроскопијата, поголемата длабочина на битот обезбедува попрецизни мерења на линиите на апсорпција или емисија.
sCMOS камера со 16-битен излез може да снима суптилни разлики што би биле невидливи во систем со помала битна длабочина, што ја прави неопходна за апликации што бараат квантитативна точност.
Колку битна длабочина ви е потребна?
Многу апликации бараат и високи нивоа на сигнал и висок динамички опсег, во кој случај високата длабочина на битот (14-битна, 16-битна или повеќе) може да биде корисна.
Сепак, обично кај снимањето при слаба осветленост, достапната битна длабочина ќе обезбеди многу поголем интензитет на сатурација отколку што ќе се постигне во повеќето случаи. Особено за 16-битни камери, освен ако засилувањето не е особено високо, целиот 16-битен опсег ретко е потребен.
Камерите со поголема брзина или режимите на камерата можат да бидат само 8-битни, што може да биде поограничувачко, иако повисоките брзини што можат да ги овозможат 8-битните режими честопати го прават компромисот исплатлив. Производителите на камери можат да ја зголемат разновидноста на 8-битните режими за да се справат со типичните нивоа на сигнал на различни апликации за снимање преку променливи поставки за засилување.
Избор на вистинската длабочина на битови за вашата апликација
Еве еден краток водич за усогласување на длабочината на битови со вообичаените сценарија за научно снимање:
| Апликација | Препорачана длабочина на битови | Причина |
| Флуоресцентна микроскопија | 16-битен | Детектирајте слаби сигнали и суптилни разлики во интензитетот |
| Астрономско снимање | 14–16-битен | Снимајте висок динамички опсег во услови на слаба осветленост |
| Индустриска инспекција | 12–14-битен | Идентификувајте ги малите дефекти со јасност |
| Општа документација | 8-битен | Доволно за неквантитативни цели |
| Спектроскопија | 16-битен | Зачувајте ги фините варијации во спектралните податоци |
Компромиси:
●Повисока длабочина на битови= подобра тонална резолуција и точност, но поголеми датотеки и подолго време на обработка.
●Пониска длабочина на битови= побрзо снимање и помали датотеки, но ризик од губење на суптилни детали.
Длабочина на битови наспроти други спецификации на камерата
Иако длабочината на битовите е важна, таа е само еден дел од сложувалката при избор на научна камера.
Тип на сензор (CCD наспроти CMOS наспроти sCMOS)
● Различните архитектури на сензори имаат различен шум на отчитување, динамички опсег и квантна ефикасност. На пример, сензор со голема битна длабочина со слаба квантна ефикасност може сè уште да има проблеми при снимање при слаба осветленост.
Квантна ефикасност (QE)
● QE дефинира колку ефикасно сензорот ги претвора фотоните во електрони. Високиот QE е клучен за снимање на слаби сигнали, а кога е поврзан со доволна длабочина на битови, ја максимизира точноста на податоците.
Динамички опсег
● Динамичкиот опсег на камерата го одредува распонот помеѓу најслабите и најсветлите сигнали што може да ги сними истовремено. Повисокиот динамички опсег е најкорисен кога се комбинира со длабочина на битови што може да ги претстави тие нивоа на осветленост.
Забелешка:
Повисоката длабочина на битови нема да го подобри квалитетот на сликата ако другите системски ограничувања (како што се шумот или оптиката) се вистинското тесно грло.
На пример, 8-битна камера со многу низок шум би можела да ги надмине бучните 16-битен систем во некои апликации.
Заклучок
Во научното снимање, длабочината на битови е повеќе од техничка спецификација - таа е фундаментален фактор за снимање точни и сигурни податоци.
Од откривање на бледи структури во микроскопија до снимање на далечни галаксии во астрономијата, вистинската длабочина на битови гарантира дека вашата научна камера ги зачувува деталите и мерењата од кои зависи вашето истражување.
При избор на камера:
1. Усогласете ја длабочината на битовите со потребите за прецизност на вашата апликација.
2. Разгледајте го заедно со други критични спецификации како што се квантната ефикасност, шумот и динамичкиот опсег.
3. Запомнете дека поголемата длабочина на битови е највредна кога вашиот систем може да ја искористи.
Ако баратеCMOS камера orsCMOS камерадизајнирани за научно снимање со голема битна длабочина, истражете ја нашата палета на модели дизајнирани за прецизност, сигурност и точност на податоците.
Најчесто поставувани прашања
Која е практичната разлика помеѓу 12-битните, 14-битните и 16-битните технологии во научното снимање?
Практично, скокот од 12-битни (4.096 нивоа) на 14-битни (16.384 нивоа), а потоа на 16-битни (65.536 нивоа) овозможува прогресивно пофина разлика помеѓу вредностите на осветленоста.
● 12-битниот е доволен за многу индустриски и документациски апликации каде што осветлувањето е добро контролирано.
● 14-битната верзија нуди добра рамнотежа помеѓу прецизност и управлива големина на датотека, идеална за повеќето лабораториски работни процеси.
● 16-битниот се истакнува во сценарија со слаба осветленост и висок динамички опсег, како што се флуоресцентна микроскопија или астрономско снимање, каде што можноста за снимање слаби сигнали без губење на светли детали е клучна.
Сепак, запомнете дека шумот на сензорот и динамичкиот опсег на камерата мора да бидат доволно добри за да ги искористат тие дополнителни тонски чекори - во спротивно, придобивките може да не се реализираат.
Дали поголемата длабочина на битови секогаш резултира со подобри слики?
Не автоматски. Длабочината на битови ја одредува потенцијалната тонална резолуција, но вистинскиот квалитет на сликата зависи од други фактори, вклучувајќи:
● Чувствителност на сензорот (квантна ефикасност)
● Шум на отчитување
● Квалитет на оптика
● Стабилност на осветлувањето
На пример, 16-битна CMOS камера со висок шум можеби нема да сними повеќе корисни детали од 12-битна sCMOS камера со низок шум во одредени услови. Со други зборови, поголемата длабочина на битови е најкорисна кога е поврзана со добро оптимизиран систем за снимање.
Може ли да се намали примерокот од слика со голема битна длабочина без да се изгубат важни податоци?
Да - всушност, ова е вообичаена практика. Снимањето со поголема битна длабочина ви дава флексибилност за пост-обработка и квантитативна анализа. Подоцна можете да го намалите примерокот на 8-битни за презентација или архивирање, задржувајќи ги резултатите од анализата без да го чувате целиот сет на податоци. Само осигурајте се дека оригиналните датотеки со голема битна длабочина се зачувани некаде доколку е потребна повторна анализа.
Каква улога игра длабочината на битови во квантитативните научни мерења?
При квантитативното снимање, длабочината на битови директно влијае на тоа колку точно вредностите на пикселите ги претставуваат интензитетите на сигналот во реалниот свет. Ова е од витално значење за:
● Микроскопија – Мерење на промените во интензитетот на флуоресценцијата на клеточно ниво.
● Спектроскопија – Детектирање на суптилни поместувања во линиите на апсорпција/емисија.
● Астрономија – Снимање на слаби извори на светлина при долги експозиции.
Во овие случаи, недоволната длабочина на битот може да предизвика грешки при заокружување или отсекување на сигналот, што доведува до неточна интерпретација на податоците.
Сакате да дознаете повеќе? Погледнете ги поврзаните статии:
[Динамички опсег] – Што е динамички опсег?
Квантна ефикасност кај научните камери: Водич за почетници
Tucsen Photonics Co., Ltd. Сите права се задржани. При цитирање, ве молиме наведете го изворот:www.tucsen.com
