25.08.12Chociaż na rynku aparatów konsumenckich dominują kamery kolorowe, w obrazowaniu naukowym powszechniejsze są kamery monochromatyczne.
Czujniki kamer z natury nie są w stanie wykryć koloru ani długości fali rejestrowanego przez nie światła. Uzyskanie kolorowego obrazu wymaga szeregu kompromisów w zakresie czułości i próbkowania przestrzennego. Jednak w wielu zastosowaniach obrazowania, takich jak patologia, histologia czy niektóre rodzaje inspekcji przemysłowej, informacja o kolorze jest niezbędna, dlatego kolorowe kamery naukowe są nadal powszechne.
W tym artykule przyjrzymy się bliżej temu, czym są kolorowe kamery naukowe, jak działają, jakie mają mocne i słabe strony oraz w jakich dziedzinach przewyższają swoje monochromatyczne odpowiedniki w zastosowaniach naukowych.
Czym są kolorowe kamery naukowe?
Kolorowa kamera naukowa to specjalistyczne urządzenie obrazujące, które rejestruje informacje o kolorze RGB z wysoką wiernością, precyzją i spójnością. W przeciwieństwie do kolorowych kamer klasy konsumenckiej, które stawiają na atrakcyjność wizualną, kolorowe kamery naukowe są zaprojektowane do obrazowania ilościowego, gdzie dokładność kolorów, liniowość matrycy i zakres dynamiki mają kluczowe znaczenie.
Kamery te są szeroko stosowane w takich zastosowaniach jak mikroskopia jasnego pola, histologia, analiza materiałów i zadania z zakresu wizji maszynowej, gdzie niezbędna jest interpretacja wizualna lub klasyfikacja oparta na kolorach. Większość kolorowych kamer naukowych oparta jest na matrycach CMOS lub sCMOS, zaprojektowanych tak, aby sprostać rygorystycznym wymaganiom badań naukowych i przemysłowych.
Aby uzyskać szczegółowy przegląd różnych systemów obrazowania, zapoznaj się z naszą ofertą systemów o wysokiej wydajnościkamera naukowamodele przeznaczone do zastosowań profesjonalnych.
Osiągnięcie koloru: filtr Bayera
Tradycyjnie detekcja kolorów w aparatach odbywa się tą samą metodą, co reprodukcja kolorów na monitorach i ekranach: poprzez kombinację pobliskich czerwonych, zielonych i niebieskich pikseli w pełnokolorowe „superpiksele”. Gdy kanały R, G i B osiągają maksymalną wartość, widoczny jest biały piksel.
Ponieważ kamery krzemowe nie są w stanie wykryć długości fali nadchodzących fotonów, rozdzielenie każdego kanału długości fali R, G lub B musi zostać osiągnięte poprzez filtrowanie.
W przypadku pikseli czerwonych, na piksel nakładany jest indywidualny filtr blokujący wszystkie długości fal poza czerwonymi, a także niebieskie i zielone. Jednak, aby uzyskać kwadratowe kafelkowanie w dwóch wymiarach, pomimo trzech kanałów kolorów, superpiksel tworzy się z jednego piksela czerwonego, jednego niebieskiego i dwóch zielonych, jak pokazano na rysunku.
Układ filtrów Bayera dla kamer kolorowych
NOTATKA: Układ filtrów kolorów dodawanych do poszczególnych pikseli w kamerach kolorowych z wykorzystaniem układu filtrów Bayera, wykorzystujący powtarzalne kwadratowe jednostki 4-pikselowe: zielony, czerwony, niebieski, zielony. Kolejność w obrębie jednostki 4-pikselowej może się różnić.
Zielone piksele są traktowane priorytetowo, ponieważ większość źródeł światła (od słońca po białe diody LED) wykazuje największą intensywność w zielonej części widma, a także dlatego, że detektory światła (od czujników aparatów na bazie krzemu po nasze oczy) zwykle wykazują największą czułość w zieleni.
Jeśli chodzi o analizę i wyświetlanie obrazu, obrazy nie są zazwyczaj dostarczane użytkownikowi w postaci pikseli, z których każdy wyświetla tylko wartość R, G lub B. Dla każdego piksela kamery tworzona jest 3-kanałowa wartość RGB poprzez interpolację wartości pobliskich pikseli w procesie zwanym „debayeringiem”.
Na przykład każdy czerwony piksel wygeneruje wartość zieloną, albo na podstawie średniej czterech pobliskich zielonych pikseli, albo za pomocą jakiegoś innego algorytmu. Podobnie będzie w przypadku czterech pobliskich niebieskich pikseli.
Plusy i minusy koloru
Zalety
● Można to zobaczyć w kolorze! Kolor przekazuje cenne informacje, które ułatwiają ludzką interpretację, zwłaszcza podczas analizy próbek biologicznych lub materiałowych.
● Znacznie łatwiej jest uchwycić obrazy w kolorze RGB niż robić sekwencyjne zdjęcia R, G i B przy użyciu aparatu monochromatycznego
Wady
● Czułość kamer kolorowych jest drastycznie zmniejszona w porównaniu z ich monochromatycznymi odpowiednikami, w zależności od długości fali. W czerwonej i niebieskiej części widma, ze względu na to, że tylko co czwarty filtr pikselowy przepuszcza te długości fal, rejestracja światła wynosi maksymalnie 25% tego, co rejestruje odpowiedni aparat monochromatyczny w tych długościach fal. W przypadku zieleni współczynnik ten wynosi 50%. Ponadto żaden filtr nie jest idealny: maksymalna transmisja będzie mniejsza niż 100% i może być znacznie niższa w zależności od konkretnej długości fali.
● Rozdzielczość drobnych szczegółów również ulega pogorszeniu, ponieważ częstotliwość próbkowania jest zmniejszana o te same czynniki (do 25% dla R, B i do 50% dla G). W przypadku czerwonych pikseli, gdzie tylko 1 na 4 piksele rejestruje światło czerwone, efektywny rozmiar piksela do obliczania rozdzielczości jest 2 razy większy w każdym wymiarze.
● Kamery kolorowe są również zazwyczaj wyposażone w filtr podczerwieni (IR). Wynika to ze zdolności kamer krzemowych do wykrywania niektórych długości fal podczerwieni niewidocznych dla ludzkiego oka, od 700 nm do około 1100 nm. Brak filtrowania tego promieniowania podczerwonego wpłynąłby na balans bieli, skutkując niedokładnym odwzorowaniem kolorów, a uzyskany obraz nie odpowiadałby temu, co widzi ludzkie oko. W związku z tym to promieniowanie podczerwone musi zostać odfiltrowane, co oznacza, że kamery kolorowe nie mogą być używane w aplikacjach obrazowania wykorzystujących te długości fal.
Jak działają kamery kolorowe?
Przykład typowej krzywej wydajności kwantowej kamery kolorowej
NOTATKA: Zależność długości fali od wydajności kwantowej pokazana oddzielnie dla pikseli z filtrem czerwonym, niebieskim i zielonym. Pokazano również wydajność kwantową tego samego czujnika bez filtrów kolorów. Dodanie filtrów kolorów znacząco obniża wydajność kwantową.
Sercem naukowej kamery kolorowej jest jej czujnik obrazu, zwykleKamera CMOS or Kamera sCMOS(naukowy CMOS), wyposażony w filtr Bayera. Proces od rejestracji fotonów do uzyskania obrazu obejmuje kilka kluczowych kroków:
1. Detekcja fotonów: Światło wpada przez soczewkę i trafia w czujnik. Każdy piksel jest czuły na określoną długość fali, w zależności od filtra koloru, który przenosi.
2. Konwersja ładunku: Fotony generują ładunek elektryczny w fotodiodzie znajdującej się pod każdym pikselem.
3. Odczyt i wzmocnienie: Ładunki są zamieniane na napięcia, odczytywane wiersz po wierszu i digitalizowane przez przetworniki analogowo-cyfrowe.
4. Rekonstrukcja kolorów: Wbudowany procesor kamery lub zewnętrzne oprogramowanie interpoluje pełnokolorowy obraz z przefiltrowanych danych, wykorzystując algorytmy demosaikowania.
5. Korekta obrazu: W celu zapewnienia dokładnych i niezawodnych wyników stosowane są czynności przetwarzania końcowego, takie jak korekcja płaskiego pola, balans bieli i redukcja szumów.
Wydajność kamery kolorowej w dużej mierze zależy od technologii matrycy. Nowoczesne matryce CMOS oferują wysoką częstotliwość odświeżania obrazu i niski poziom szumów, natomiast matryce sCMOS są zoptymalizowane pod kątem czułości przy słabym oświetleniu i szerokiego zakresu dynamiki, co jest kluczowe w pracach naukowych. Te podstawowe założenia stanowią podstawę do porównania kamer kolorowych i monochromatycznych.
Kamery kolorowe a monochromatyczne: kluczowe różnice
Porównanie obrazów z kamer kolorowych i monochromatycznych w warunkach słabego oświetlenia
NOTATKA: Obraz fluorescencyjny z emisją w zakresie długości fali czerwonej wykryty przez kamerę kolorową (po lewej) i kamerę monochromatyczną (po prawej), przy czym pozostałe parametry kamery pozostają bez zmian. Obraz kolorowy charakteryzuje się znacznie niższym stosunkiem sygnału do szumu i rozdzielczością.
Chociaż kamery kolorowe i monochromatyczne mają wiele wspólnych komponentów, ich różnice w wydajności i zastosowaniach są znaczące. Oto krótkie porównanie:
| Funkcja | Kamera kolorowa | Monochromatyczna kamera |
| Typ czujnika | CMOS/sCMOS z filtrem Bayera | Niefiltrowane CMOS/sCMOS |
| Wrażliwość na światło | Niższy (z powodu filtrów kolorów blokujących światło) | Wyżej (brak utraty światła przez filtry) |
| Rozdzielczość przestrzenna | Niższa efektywna rozdzielczość (demosaicyzacja) | Pełna rozdzielczość natywna |
| Idealne zastosowania | Mikroskopia w jasnym polu, histologia, kontrola materiałów | Fluorescencja, obrazowanie przy słabym oświetleniu, pomiary o wysokiej precyzji |
| Dane kolorów | Rejestruje pełne informacje RGB | Rejestruje tylko skalę szarości |
Krótko mówiąc, kamery kolorowe sprawdzają się najlepiej, gdy kolor ma znaczenie dla interpretacji lub analizy, natomiast kamery monochromatyczne są idealne pod kątem czułości i precyzji.
Gdzie kolorowe kamery sprawdzają się w zastosowaniach naukowych
Pomimo swoich ograniczeń, kamery kolorowe sprawdzają się znakomicie w wielu specjalistycznych dziedzinach, w których rozróżnianie kolorów jest kluczowe. Poniżej kilka przykładów, gdzie sprawdzają się znakomicie:
Nauki o życiu i mikroskopia
Kamery kolorowe są powszechnie stosowane w mikroskopii jasnego pola, zwłaszcza w analizie histologicznej. Techniki barwienia, takie jak barwienie hematoksyliną i eozyną (H&E) czy metodą Grama, zapewniają kontrast oparty na kolorze, który można zinterpretować jedynie za pomocą obrazowania RGB. Laboratoria edukacyjne i zakłady patologii również wykorzystują kamery kolorowe do rejestrowania realistycznych obrazów preparatów biologicznych do celów dydaktycznych lub diagnostycznych.
Materiałoznawstwo i analiza powierzchni
W badaniach materiałowych obrazowanie barwne jest cenne dla identyfikacji korozji, utleniania, powłok i granic materiałów. Kamery kolorowe pomagają wykryć subtelne różnice w wykończeniu powierzchni lub defekty, które mogą zostać przeoczone przez obrazowanie monochromatyczne. Na przykład, ocena materiałów kompozytowych lub płytek drukowanych często wymaga dokładnego odwzorowania kolorów.
Wizja maszynowa i automatyzacja
W zautomatyzowanych systemach kontroli kamery kolorowe służą do sortowania obiektów, wykrywania defektów i weryfikacji etykiet. Umożliwiają one algorytmom wizji maszynowej klasyfikację części lub produktów na podstawie sygnałów kolorystycznych, zwiększając dokładność automatyzacji w produkcji.
Edukacja, dokumentacja i zasięg
Instytucje naukowe często wymagają wysokiej jakości kolorowych obrazów do publikacji, wniosków grantowych i działań informacyjnych. Kolorowy obraz zapewnia bardziej intuicyjną i atrakcyjną wizualnie reprezentację danych naukowych, szczególnie w komunikacji interdyscyplinarnej lub w kontaktach z opinią publiczną.
Ostatnie myśli
Kolorowe kamery naukowe odgrywają kluczową rolę w nowoczesnych procesach obrazowania, gdzie istotne jest rozróżnianie kolorów. Choć mogą nie dorównywać kamerom monochromatycznym pod względem czułości i rozdzielczości RAW, ich zdolność do dostarczania naturalnych, łatwych do interpretacji obrazów sprawia, że są niezastąpione w dziedzinach od nauk przyrodniczych po inspekcję przemysłową.
Wybierając między kamerą kolorową a monochromatyczną, należy wziąć pod uwagę cele obrazowania. Jeśli aplikacja wymaga wydajności przy słabym oświetleniu, wysokiej czułości lub detekcji fluorescencji, monochromatyczna kamera naukowa może być najlepszym rozwiązaniem. Jednak w przypadku obrazowania w jasnym polu, analizy materiałów lub dowolnego zadania wymagającego informacji kodowanej kolorami, rozwiązanie kolorowe może być idealne.
Aby poznać zaawansowane systemy obrazowania kolorowego do badań naukowych, przejrzyj naszą pełną ofertę wydajnych kamer CMOS i modeli sCMOS dostosowanych do Twoich potrzeb.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Wszelkie prawa zastrzeżone. Przy cytowaniu prosimy o podanie źródła:www.tucsen.com
