Câmeras coloridas para aplicações científicas: como funcionam e onde se destacam |

Embora as câmeras coloridas dominem o mercado de câmeras de consumo, as câmeras monocromáticas são mais comuns em imagens científicas.

Sensores de câmera não são inerentemente capazes de detectar a cor, ou o comprimento de onda, da luz que coletam. Obter uma imagem colorida requer uma série de concessões em termos de sensibilidade e amostragem espacial. No entanto, em muitas aplicações de imagem, como patologia, histologia ou algumas inspeções industriais, a informação de cor é essencial, portanto, câmeras científicas coloridas ainda são comuns.

Este artigo explora o que são câmeras científicas coloridas, como elas funcionam, seus pontos fortes e limitações e onde elas superam suas contrapartes monocromáticas em aplicações científicas.

O que são câmeras científicas coloridas?

Uma câmera científica colorida é um dispositivo de imagem especializado que captura informações de cores RGB com alta fidelidade, precisão e consistência. Ao contrário das câmeras coloridas de consumo que priorizam o apelo visual, as câmeras científicas coloridas são projetadas para imagens quantitativas, nas quais a precisão das cores, a linearidade do sensor e a faixa dinâmica são cruciais.

Essas câmeras são amplamente utilizadas em aplicações como microscopia de campo claro, histologia, análise de materiais e tarefas de visão computacional, nas quais a interpretação visual ou a classificação baseada em cores são essenciais. A maioria das câmeras científicas coloridas é baseada em sensores CMOS ou sCMOS, projetados para atender às rigorosas demandas da pesquisa científica e industrial.

Para uma análise aprofundada de diferentes sistemas de imagem, explore nossa seleção de sistemas de alto desempenhocâmera científicamodelos construídos para aplicações profissionais.

Obtendo a cor: o filtro Bayer

Tradicionalmente, a detecção de cores em câmeras é obtida pelos mesmos meios que a reprodução de cores em monitores e telas: por meio da combinação de pixels vermelhos, verdes e azuis próximos, formando "superpixels" coloridos. Quando os canais R, G e B estão todos em seus valores máximos, um pixel branco é observado.

Como as câmeras de silício não conseguem detectar o comprimento de onda dos fótons incidentes, a separação de cada canal de comprimento de onda R, G ou B deve ser obtida por meio de filtragem.

Em pixels vermelhos, um filtro individual é colocado sobre o pixel para bloquear todos os comprimentos de onda, exceto aqueles na parte vermelha do espectro, e o mesmo ocorre com o azul e o verde. No entanto, para obter um mosaico quadrado em duas dimensões, apesar de ter três canais de cor, um superpixel é formado por um pixel vermelho, um azul e dois verdes, como mostrado na figura.

Layout de filtro Bayer para câmeras coloridas

OBSERVAÇÃO: Layout de filtros de cor adicionados a pixels individuais para câmeras coloridas usando o layout de filtro Bayer, utilizando unidades quadradas repetidas de 4 pixels de pixels Verde, Vermelho, Azul e Verde. A ordem dentro da unidade de 4 pixels pode ser diferente.

Os pixels verdes são priorizados porque a maioria das fontes de luz (do sol aos LEDs brancos) exibem seu pico de intensidade na parte verde do espectro e porque os detectores de luz (de sensores de câmera baseados em silício aos nossos olhos) geralmente atingem o pico de sensibilidade na parte verde.

No entanto, quando se trata de análise e exibição de imagens, elas geralmente não são entregues ao usuário com pixels exibindo apenas seus valores R, G ou B. Um valor RGB de 3 canais é criado para cada pixel da câmera, por meio da interpolação dos valores de pixels próximos, em um processo chamado "desbayerização".

Por exemplo, cada pixel vermelho gerará um valor verde, seja a partir da média dos quatro pixels verdes próximos, ou por meio de algum outro algoritmo, e o mesmo vale para os quatro pixels azuis próximos.

Prós e contras da cor

Prós

● Você pode ver em cores! As cores transmitem informações valiosas que aprimoram a interpretação humana, especialmente ao analisar amostras biológicas ou materiais.

● Muito mais simples capturar imagens coloridas RGB em comparação com a captura sequencial de imagens R, G e B usando uma câmera monocromática

Contras

● A sensibilidade das câmeras coloridas é drasticamente reduzida em comparação com suas contrapartes monocromáticas, dependendo do comprimento de onda. Na parte vermelha e azul do espectro, como apenas um em cada quatro filtros de pixel passa por esses comprimentos de onda, a captação de luz é, no máximo, 25% da de uma câmera monocromática equivalente nesses comprimentos de onda. Em verde, o fator é de 50%. Além disso, nenhum filtro é perfeito: o pico de transmissão será inferior a 100% e pode ser muito menor dependendo do comprimento de onda exato.

● A resolução de detalhes finos também é prejudicada, pois as taxas de amostragem são reduzidas pelos mesmos fatores (para 25% para R, B e para 50% para G). No caso de pixels vermelhos, com apenas 1 em cada 4 pixels capturando luz vermelha, o tamanho efetivo do pixel para calcular a resolução é 2x maior em cada dimensão.

● Câmeras coloridas também incluem invariavelmente um filtro infravermelho (IR). Isso se deve à capacidade das câmeras de silício de detectar alguns comprimentos de onda infravermelhos invisíveis ao olho humano, de 700 nm a cerca de 1100 nm. Se essa luz infravermelha não fosse filtrada, afetaria o balanço de branco, resultando em uma reprodução de cores imprecisa, e a imagem produzida não corresponderia ao que é visto a olho nu. Portanto, essa luz infravermelha deve ser filtrada, o que significa que câmeras coloridas não podem ser usadas para aplicações de geração de imagens que utilizam esses comprimentos de onda.

Como funcionam as câmeras coloridas?

Exemplo de uma curva típica de eficiência quântica de câmera colorida

OBSERVAÇÃO: Dependência do comprimento de onda da eficiência quântica mostrada separadamente para pixels com filtros vermelho, azul e verde. Também é mostrada a eficiência quântica do mesmo sensor sem filtros de cor. A adição de filtros de cor reduz significativamente a eficiência quântica.

O núcleo de uma câmera científica colorida é seu sensor de imagem, normalmente umCâmera CMOS or câmera sCMOS(CMOS científico), equipado com um filtro Bayer. O fluxo de trabalho, desde a captura de fótons até a saída da imagem, envolve várias etapas importantes:

1. Detecção de fótons: a luz entra na lente e atinge o sensor. Cada pixel é sensível a um comprimento de onda específico com base no filtro de cor que ele carrega.

2. Conversão de carga: os fótons geram uma carga elétrica no fotodiodo abaixo de cada pixel.

3. Leitura e amplificação: as cargas são convertidas em tensões, lidas linha por linha e digitalizadas por conversores analógico-digitais.

4. Reconstrução de cores: o processador interno da câmera ou o software externo interpola a imagem colorida a partir dos dados filtrados usando algoritmos de demosaicing.

5. Correção de imagem: etapas de pós-processamento como correção de campo plano, balanço de branco e redução de ruído são aplicadas para garantir uma saída precisa e confiável.

O desempenho de uma câmera colorida depende fortemente da tecnologia do seu sensor. Os sensores CMOS modernos oferecem taxas de quadros rápidas e baixo ruído, enquanto os sensores sCMOS são otimizados para sensibilidade à baixa luminosidade e ampla faixa dinâmica, cruciais para trabalhos científicos. Esses fundamentos preparam o terreno para a comparação entre câmeras coloridas e monocromáticas.

Câmeras coloridas vs. câmeras monocromáticas: principais diferenças

Comparação entre imagens de câmeras coloridas e monocromáticas para trabalhos com pouca luz

OBSERVAÇÃO: Imagem fluorescente com emissão no comprimento de onda vermelho detectada por uma câmera colorida (esquerda) e uma câmera monocromática (direita), com as demais especificações da câmera permanecendo as mesmas. A imagem colorida apresenta relação sinal-ruído e resolução consideravelmente menores.

Embora câmeras coloridas e monocromáticas compartilhem muitos componentes, suas diferenças em desempenho e casos de uso são significativas. Aqui está uma rápida comparação:

Recurso	Câmera colorida	Câmera monocromática
Tipo de sensor	CMOS/sCMOS filtrado por Bayer	CMOS/sCMOS não filtrado
Sensibilidade à luz	Inferior (devido aos filtros de cor que bloqueiam a luz)	Mais alto (nenhuma luz perdida para filtros)
Resolução Espacial	Resolução efetiva mais baixa (desmosaicing)	Resolução nativa completa
Aplicações ideais	Microscopia de campo claro, histologia, inspeção de materiais	Fluorescência, imagens com pouca luz, medições de alta precisão
Dados de cor	Captura informações RGB completas	Captura apenas em tons de cinza

Resumindo, câmeras coloridas são melhores quando a cor é importante para interpretação ou análise, enquanto câmeras monocromáticas são ideais para sensibilidade e precisão.

Onde as câmeras coloridas se destacam em aplicações científicas

Apesar de suas limitações, as câmeras coloridas superam em muitas áreas especializadas onde a distinção de cores é fundamental. Abaixo estão alguns exemplos de onde elas se destacam:

Ciências da Vida e Microscopia

Câmeras coloridas são comumente usadas em microscopia de campo claro, especialmente em análises histológicas. Técnicas de coloração como H&E ou coloração de Gram produzem contraste baseado em cores que só pode ser interpretado com imagens RGB. Laboratórios educacionais e departamentos de patologia também contam com câmeras coloridas para capturar imagens realistas de espécimes biológicos para uso didático ou diagnóstico.

Ciência dos Materiais e Análise de Superfícies

Na pesquisa de materiais, a geração de imagens coloridas é valiosa para identificar corrosão, oxidação, revestimentos e limites de materiais. Câmeras coloridas ajudam a detectar variações sutis no acabamento da superfície ou defeitos que a geração de imagens monocromáticas pode não detectar. Por exemplo, a avaliação de materiais compósitos ou placas de circuito impresso geralmente exige uma representação precisa das cores.

Visão de Máquina e Automação

Em sistemas de inspeção automatizados, câmeras coloridas são usadas para classificação de objetos, detecção de defeitos e verificação de etiquetagem. Elas permitem que algoritmos de visão computacional classifiquem peças ou produtos com base em indicações de cores, aumentando a precisão da automação na fabricação.

Educação, Documentação e Divulgação

Instituições científicas frequentemente exigem imagens coloridas de alta qualidade para publicações, propostas de financiamento e divulgação. Uma imagem colorida proporciona uma representação mais intuitiva e visualmente envolvente de dados científicos, especialmente para comunicação interdisciplinar ou engajamento público.

Considerações finais

Câmeras científicas coloridas desempenham um papel essencial nos fluxos de trabalho de imagem modernos, onde a diferenciação de cores é importante. Embora possam não se igualar às câmeras monocromáticas em sensibilidade ou resolução bruta, sua capacidade de fornecer imagens naturais e interpretáveis as torna indispensáveis em áreas que vão das ciências biológicas à inspeção industrial.

Ao escolher entre colorido e monocromático, considere seus objetivos de imagem. Se sua aplicação exige desempenho em baixa luminosidade, alta sensibilidade ou detecção de fluorescência, uma câmera científica monocromática pode ser sua melhor opção. Mas para imagens de campo claro, análise de materiais ou qualquer tarefa que envolva informações codificadas por cores, uma solução colorida pode ser ideal.

Para explorar sistemas avançados de imagens coloridas para pesquisa científica, navegue por nossa linha completa de câmeras CMOS de alto desempenho e modelos sCMOS adaptados às suas necessidades.