25. 8. 2020Pri hodnotení vedeckej kamery môžu byť technické špecifikácie ohromujúce – veľkosť pixelu, kvantová účinnosť, dynamický rozsah a ďalšie. Spomedzi týchto špecifikácií je bitová hĺbka jednou z najdôležitejších pre určenie toho, koľko informácií dokáže kamera zachytiť a ako verne zobrazuje jemné detaily.
Vo vedeckom zobrazovaní, kde jemné zmeny jasu môžu predstavovať dôležité údaje, nie je pochopenie bitovej hĺbky voliteľné – je nevyhnutné.
Tento článok vysvetľuje, čo je bitová hĺbka, ako ovplyvňuje kvalitu obrazu, akú úlohu zohráva v presnosti údajov a ako si vybrať správnu bitovú hĺbku pre vašu aplikáciu.
Bitová hĺbka: Maximálny počet úrovní sivej v pixeli obrázka
Pri práci s vedeckou kamerou bitová hĺbka definuje, koľko rôznych hodnôt intenzity dokáže každý pixel zaznamenať. To je kľúčové, pretože pri vedeckom zobrazovaní môže hodnota každého pixelu priamo zodpovedať nameranej veličine, ako je napríklad počet fotónov alebo intenzita fluorescencie.
Bitová hĺbka ukazuje počet „bitov“ binárnych digitálnych dát, ktoré každý pixel používa na ukladanie hodnôt intenzity, pričom 8 bitov tvorí jeden bajt. Maximálna hodnota úrovne sivej je daná vzťahom:
Maximálne úrovne sivej = 2^(bitová hĺbka)
Napríklad:
● 8-bitový = 256 úrovní
● 12-bitová = 4 096 úrovní
● 16-bitová = 65 536 úrovní
Viac úrovní sivej umožňuje jemnejšie gradácie jasu a presnejšie zobrazenie jemných rozdielov, čo môže byť kritické pri meraní slabých signálov alebo pri vykonávaní kvantitatívnej analýzy.
Bitová hĺbka a rýchlosť
Zvyšujúca sa bitová hĺbka znamená, že analógovo-digitálne prevodníky (ADC) musia na jeden merací signál vydávať viac bitov. To si zvyčajne vyžaduje zníženie počtu meraní za sekundu – t. j. zníženie snímkovej frekvencie kamery.
Z tohto dôvodu mnohívedecké kameryponúkajú dva spôsoby akvizície:
● Režim s vysokou bitovou hĺbkou – Tento režim zvyčajne ponúka vyšší dynamický rozsah. Uprednostňuje tonálne rozlíšenie a dynamický rozsah pre aplikácie ako fluorescenčná mikroskopia alebo spektroskopia.
● Vysokorýchlostný režim – Znižuje bitovú hĺbku v prospech rýchlejších snímkových frekvencií, čo je nevyhnutné pre rýchle udalosti pri vysokorýchlostnom zobrazovaní.
Znalosť tohto kompromisu vám pomôže vybrať režim, ktorý zodpovedá vašim cieľom zobrazovania – presnosť verzus časové rozlíšenie.
Bitová hĺbka a dynamický rozsah
Je bežné zamieňať si bitovú hĺbku s dynamickým rozsahom, ale nie sú to isté. Bitová hĺbka definuje počet možných úrovní jasu, zatiaľ čo dynamický rozsah opisuje pomer medzi najslabším a najjasnejším detekovateľným signálom.
Vzťah medzi týmito dvoma faktormi závisí od ďalších faktorov, ako sú nastavenia zosilnenia kamery a šum pri čítaní. Dynamický rozsah možno v skutočnosti vyjadriť v „efektívnych bitoch“, čo znamená, že šum môže znížiť počet bitov, ktoré prispievajú k použiteľným obrazovým údajom.
Pri výbere kamery to znamená, že by ste mali spoločne vyhodnotiť bitovú hĺbku aj dynamický rozsah, a nie predpokladať, že jeden úplne definuje ten druhý.
Počet bajtov dátového úložiska potrebných na jeden snímok kamery (bez kompresie) možno vypočítať takto:
Ukladanie dát
Okrem toho niektoré formáty súborov – ako napríklad TIFF – ukladajú 9- až 16-bitové dáta do 16-bitového „obalu“. To znamená, že aj keď váš obrázok používa iba 12 bitov, pamäťová stopa môže byť rovnaká ako pri plnom 16-bitovom obrázku.
Pre laboratóriá spracovávajúce rozsiahle súbory údajov to má praktické dôsledky: obrázky s vyššou bitovou hĺbkou vyžadujú viac miesta na disku, dlhšie časy prenosu a väčší výpočtový výkon na spracovanie. Vyváženie potrieb presnosti s kapacitou správy údajov je nevyhnutné pre efektívny pracovný postup.
Ako bitová hĺbka ovplyvňuje kvalitu obrazu
Obrázok: Príklady bitovej hĺbky
POZNÁMKAIlustrácia konceptu bitovej hĺbky. Zníženie bitovej hĺbky znižuje počet krokov intenzity, ktoré je možné použiť na zobrazenie obrázka.
Bitová hĺbka má priamy vplyv na niekoľko aspektov kvality obrazu vo vedeckej kamere.
Dynamický rozsah
Vyššia bitová hĺbka zachytáva viac úrovní jasu a zachováva detaily v tieňoch aj svetlých oblastiach.
Napríklad vo fluorescenčnej mikroskopii môžu byť slabé prvky sotva viditeľné na 8-bitovom obraze, ale sú zreteľnejšie na 16-bitovom snímkovaní.
Plynulejšie tónové gradácie
Vyššia bitová hĺbka umožňuje plynulejšie prechody medzi úrovňami jasu, čím sa predchádza „pruhovaniu“ v gradientoch. To je obzvlášť dôležité pri kvantitatívnej analýze, kde náhle skoky môžu skresliť výsledky.
Reprezentácia pomeru signálu k šumu (SNR)
Hoci bitová hĺbka priamo nezvyšuje pomer signálu k šumu (SNR) snímača, umožňuje kamere presnejšie reprezentovať jemné variácie signálu nad úrovňou šumu.
Ak je pomer signálu k šumu (SNR) snímača nižší ako rozlíšenie ponúkané bitovou hĺbkou, tieto ďalšie bity nemusia prispieť k skutočnej kvalite obrazu – čo je faktor, ktorý treba mať na pamäti.
Príklad:
●8-bitový obrázokTiene splývajú, slabé črty miznú a jemné zmeny sa strácajú.
●16-bitový obrázokGradácie sú spojité, slabé štruktúry sú zachované a kvantitatívne merania sú spoľahlivejšie.
Bitová hĺbka a presnosť dát vo vedeckom zobrazovaní
Vo vedeckom zobrazovaní nie je obrázok len obrázkom – sú to dáta. Hodnota každého pixelu môže zodpovedať merateľnej veličine, ako je počet fotónov, intenzita fluorescencie alebo spektrálny výkon.
Vyššia bitová hĺbka znižuje chybu kvantizácie – chybu zaokrúhľovania, ktorá vzniká pri digitalizácii analógového signálu do diskrétnych úrovní. S väčším počtom dostupných úrovní sa digitálna hodnota priradená pixelu viac zhoduje so skutočným analógovým signálom.
Prečo je to dôležité
● Vo fluorescenčnej mikroskopii môže rozdiel v jasnosti o jeden krok predstavovať významnú zmenu v koncentrácii proteínu.
● V astronómii sa slabé signály zo vzdialených hviezd alebo galaxií môžu stratiť, ak je bitová hĺbka príliš nízka.
● V spektroskopii zabezpečuje vyššia bitová hĺbka presnejšie merania absorpčných alebo emisných čiar.
sCMOS kamera so 16-bitovým výstupom dokáže zaznamenať jemné rozdiely, ktoré by boli v systéme s nižšou bitovou hĺbkou neviditeľné, čo ju robí nevyhnutnou pre aplikácie vyžadujúce kvantitatívnu presnosť.
Akú bitovú hĺbku potrebujete?
Mnohé aplikácie vyžadujú vysoké úrovne signálu aj vysoký dynamický rozsah, v takom prípade môže byť vysoká bitová hĺbka (14-bitová, 16-bitová alebo viac) výhodná.
Pri snímaní pri slabom osvetlení však dostupná bitová hĺbka zvyčajne poskytne oveľa vyššie intenzity sýtosti, než aké sa dosiahnu vo väčšine prípadov. Najmä pri 16-bitových kamerách, pokiaľ nie je zisk obzvlášť vysoký, je plný 16-bitový rozsah zriedkakedy potrebný.
Kamery alebo režimy kamier s vyššou rýchlosťou môžu byť iba 8-bitové, čo môže byť viac obmedzujúce, hoci vyššie rýchlosti, ktoré 8-bitové režimy umožňujú, často robia tento kompromis užitočným. Výrobcovia fotoaparátov môžu zvýšiť všestrannosť 8-bitových režimov, aby sa vyrovnali s typickými úrovňami signálu rôznych zobrazovacích aplikácií, a to prostredníctvom premenlivých nastavení zosilnenia.
Výber správnej bitovej hĺbky pre vašu aplikáciu
Tu je stručný prehľad o porovnaní bitovej hĺbky s bežnými vedeckými zobrazovacími scenármi:
| Aplikácia | Odporúčaná bitová hĺbka | Dôvod |
| Fluorescenčná mikroskopia | 16-bitový | Detekcia slabých signálov a jemných rozdielov v intenzite |
| Astronomické zobrazovanie | 14–16-bitový | Zachytávajte vysoký dynamický rozsah v podmienkach so slabým osvetlením |
| Priemyselná inšpekcia | 12–14-bitový | Jasne identifikujte malé nedostatky |
| Všeobecná dokumentácia | 8-bitový | Dostatočné na nekvantitatívne účely |
| Spektroskopia | 16-bitový | Zachovanie jemných variácií v spektrálnych dátach |
Kompromisy:
●Vyššia bitová hĺbka= lepšie tónové rozlíšenie a presnosť, ale väčšie súbory a dlhšie časy spracovania.
●Nižšia bitová hĺbka= rýchlejšie získavanie a menšie súbory, ale riziko straty jemných detailov.
Bitová hĺbka v porovnaní s inými špecifikáciami fotoaparátu
Aj keď je bitová hĺbka dôležitá, pri výbere vedeckej kamery je to len jeden dielik skladačky.
Typ snímača (CCD vs. CMOS vs. sCMOS)
● Rôzne architektúry senzorov majú rôzny šum pri čítaní, dynamický rozsah a kvantovú účinnosť. Napríklad senzor s vysokou bitovou hĺbkou a nízkou kvantovou účinnosťou môže mať stále problémy so zobrazovaním pri slabom osvetlení.
Kvantová efektívnosť (QE)
● QE definuje, ako efektívne senzor premieňa fotóny na elektróny. Vysoká QE je kľúčová pre zachytenie slabých signálov a v kombinácii s dostatočnou bitovou hĺbkou maximalizuje presnosť údajov.
Dynamický rozsah
● Dynamický rozsah fotoaparátu určuje rozsah medzi najslabšími a najjasnejšími signálmi, ktoré dokáže súčasne zachytiť. Vyšší dynamický rozsah je najvýhodnejší, keď je spárovaný s bitovou hĺbkou schopnou reprezentovať tieto úrovne jasu.
Poznámka:
Vyššia bitová hĺbka nezlepší kvalitu obrazu, ak sú skutočnou prekážkou iné systémové obmedzenia (ako napríklad šum alebo optika).
Napríklad 8-bitová kamera s veľmi nízkym šumom by mohla v niektorých aplikáciách prekonať hlučný 16-bitový systém.
Záver
Vo vedeckom zobrazovaní je bitová hĺbka viac než len technická špecifikácia – je to základný faktor pri zachytávaní presných a spoľahlivých údajov.
Od detekcie slabých štruktúr v mikroskopii až po zaznamenávanie vzdialených galaxií v astronómii, správna bitová hĺbka zabezpečí, že vaša vedecká kamera zachová detaily a merania, od ktorých je váš výskum závislý.
Pri výbere fotoaparátu:
1. Prispôsobte bitovú hĺbku presnosti potrebám vašej aplikácie.
2. Zvážte to spolu s ďalšími kritickými špecifikáciami, ako je kvantová účinnosť, šum a dynamický rozsah.
3. Pamätajte, že vyššia bitová hĺbka je najcennejšia, keď ju váš systém dokáže využiť.
Ak hľadáteCMOS kamera orsCMOS kameraNavrhnuté pre vedecké zobrazovanie s vysokou bitovou hĺbkou, preskúmajte našu ponuku modelov navrhnutých pre presnosť, spoľahlivosť a presnosť údajov.
Často kladené otázky
Aký je praktický rozdiel medzi 12-bitovým, 14-bitovým a 16-bitovým rozlíšením vo vedeckom zobrazovaní?
V praxi umožňuje prechod z 12-bitovej (4 096 úrovní) na 14-bitovú (16 384 úrovní) a potom na 16-bitovú (65 536 úrovní) postupne jemnejšie rozlíšenie medzi hodnotami jasu.
● 12-bitová hĺbka je postačujúca pre mnohé priemyselné a dokumentačné aplikácie, kde je osvetlenie dobre riadené.
● 14-bitová verzia ponúka dobrú rovnováhu medzi presnosťou a zvládnuteľnou veľkosťou súboru, ideálna pre väčšinu laboratórnych pracovných postupov.
● 16-bitový režim vyniká v scenároch so slabým osvetlením a vysokým dynamickým rozsahom, ako je fluorescenčná mikroskopia alebo astronomické zobrazovanie, kde je schopnosť zaznamenávať slabé signály bez straty jasných detailov kľúčová.
Pamätajte však, že šum snímača a dynamický rozsah fotoaparátu musia byť dostatočne dobré na využitie týchto dodatočných tónových krokov – inak sa výhody nemusia prejaviť.
Vedie vyššia bitová hĺbka vždy k lepšiemu obrazu?
Nie automaticky. Bitová hĺbka určuje potenciálne tónové rozlíšenie, ale skutočná kvalita obrazu závisí od iných faktorov vrátane:
● Citlivosť senzora (kvantová účinnosť)
● Hluk pri odčítaní
● Kvalita optiky
● Stabilita osvetlenia
Napríklad 16-bitová CMOS kamera s vysokým šumom nemusí za určitých podmienok zachytiť o nič viac užitočných detailov ako 12-bitová sCMOS kamera s nízkym šumom. Inými slovami, vyššia bitová hĺbka je najvýhodnejšia v spojení s dobre optimalizovaným zobrazovacím systémom.
Môžem znížiť vzorkovanie z obrázka s vysokou bitovou hĺbkou bez straty dôležitých údajov?
Áno – v skutočnosti je to bežná prax. Zachytávanie s vyššou bitovou hĺbkou vám poskytuje flexibilitu pre následné spracovanie a kvantitatívnu analýzu. Neskôr môžete prevzorkovať na 8 bitov pre prezentáciu alebo archiváciu a zachovať si výsledky analýzy bez toho, aby ste museli uchovávať celý súbor údajov. Len sa uistite, že pôvodné súbory s vysokou bitovou hĺbkou sú niekde uložené, ak by mohla byť potrebná opätovná analýza.
Akú úlohu hrá bitová hĺbka v kvantitatívnych vedeckých meraniach?
Pri kvantitatívnom zobrazovaní bitová hĺbka priamo ovplyvňuje, ako presne hodnoty pixelov zobrazujú intenzity signálu v reálnom svete. To je nevyhnutné pre:
● Mikroskopia – Meranie zmien intenzity fluorescencie na bunkovej úrovni.
● Spektroskopia – Detekcia jemných posunov v absorpčných/emisných čiarach.
● Astronómia – Zaznamenávanie slabých svetelných zdrojov pri dlhých expozíciách.
V týchto prípadoch môže nedostatočná bitová hĺbka spôsobiť chyby zaokrúhľovania alebo orezanie signálu, čo vedie k nepresnej interpretácii údajov.
Chcete sa dozvedieť viac? Pozrite si súvisiace články:
[Dynamický rozsah] – Čo je dynamický rozsah?
Kvantová účinnosť vo vedeckých fotoaparátoch: Sprievodca pre začiatočníkov
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všetky práva vyhradené. Pri citovaní uveďte zdroj:www.tucsen.com
