25. 8. 2020Pri ocenjevanju znanstvene kamere so lahko tehnične specifikacije izjemno pomembne – velikost slikovnih pik, kvantna učinkovitost, dinamični razpon in drugo. Med temi specifikacijami je bitna globina ena najpomembnejših za določanje, koliko informacij lahko kamera zajame in kako natančno predstavlja drobne podrobnosti.
Pri znanstvenem slikanju, kjer lahko subtilne spremembe svetlosti predstavljajo pomembne podatke, razumevanje bitne globine ni neobvezno – je bistveno.
Ta članek pojasnjuje, kaj je bitna globina, kako vpliva na kakovost slike, kakšna je njena vloga pri natančnosti podatkov in kako izbrati pravo bitno globino za vašo aplikacijo.
Bitna globina: največje število sivih odtenkov v slikovni piki
Pri delu z znanstveno kamero bitna globina določa, koliko različnih vrednosti intenzivnosti lahko posname vsak slikovni element. To je ključnega pomena, saj lahko pri znanstvenem slikanju vrednost vsakega slikovnega elementa neposredno ustreza izmerjeni količini, kot je število fotonov ali intenzivnost fluorescence.
Bitna globina prikazuje število 'bitov' binarnih digitalnih podatkov, ki jih vsaka slikovna pika uporablja za shranjevanje vrednosti intenzivnosti, kjer 8 bitov tvori en bajt. Najvišja vrednost stopnje sive je podana z:
Največja sivinska raven = 2^(bitna globina)
Na primer:
● 8-bitni = 256 nivojev
● 12-bitni = 4096 nivojev
● 16-bitni = 65.536 nivojev
Več sivih odtenkov omogoča natančnejše stopnjevanje svetlosti in natančnejšo predstavitev subtilnih razlik, kar je lahko ključnega pomena pri merjenju šibkih signalov ali izvajanju kvantitativne analize.
Bitna globina in hitrost
Povečanje bitne globine pomeni, da morajo analogno-digitalni pretvorniki (ADC) oddati več bitov na meritev. To običajno zahteva, da zmanjšajo število meritev na sekundo – tj. zmanjšajo hitrost sličic kamere.
Zaradi tega mnogiznanstvene kamereponujata dva načina pridobivanja:
● Način visoke bitne globine – Ta običajno ponuja višji dinamični razpon. Prednost daje tonalni ločljivosti in dinamičnemu razponu za aplikacije, kot sta fluorescenčna mikroskopija ali spektroskopija.
● Način visoke hitrosti – Ta način zmanjša bitno globino v korist hitrejših sličic na sekundo, kar je bistveno za hitre dogodke pri visokohitrostnem slikanju.
Poznavanje tega kompromisa vam pomaga izbrati način, ki ustreza vašim ciljem slikanja – natančnost v primerjavi s časovno ločljivostjo.
Bitna globina in dinamični razpon
Pogosto se bitno globino zamenjuje z dinamičnim razponom, vendar nista enaka. Bitna globina določa število možnih stopenj svetlosti, medtem ko dinamični razpon opisuje razmerje med najšibkejšimi in najsvetlejšimi zaznavnimi signali.
Razmerje med obema je odvisno od dodatnih dejavnikov, kot so nastavitve ojačanja kamere in šum pri odčitavanju. Pravzaprav lahko dinamični razpon izrazimo v "efektivnih bitih", kar pomeni, da lahko šum zmanjša število bitov, ki prispevajo k uporabnim slikovnim podatkom.
Pri izbiri kamere to pomeni, da morate skupaj oceniti bitno globino in dinamični razpon, namesto da predpostavljate, da eno v celoti določa drugo.
Število bajtov podatkov, potrebnih za shranjevanje na okvir kamere (brez stiskanja), se lahko izračuna kot:
Shranjevanje podatkov
Poleg tega nekatere oblike zapisa datotek – kot je TIFF – shranjujejo 9- do 16-bitne podatke znotraj 16-bitnega »ovoja«. To pomeni, da tudi če vaša slika uporablja le 12 bitov, je lahko prostornina pomnilnika enaka kot pri polni 16-bitni sliki.
Za laboratorije, ki obdelujejo velike nabore podatkov, ima to praktične posledice: slike z večjo bitno globino zahtevajo več prostora na disku, daljše čase prenosa in večjo računalniško moč za obdelavo. Uravnoteženje potreb po natančnosti z zmogljivostjo upravljanja podatkov je bistvenega pomena za učinkovit potek dela.
Kako bitna globina vpliva na kakovost slike
Slika: Primeri bitne globine
OPOMBA: Ponazoritev koncepta bitne globine. Zmanjšanje bitne globine zmanjša število korakov intenzivnosti, ki jih je mogoče uporabiti za prikaz slike.
Bitna globina ima neposreden vpliv na več vidikov kakovosti slike v znanstveni kameri.
Dinamični razpon
Višja bitna globina zajame več ravni svetlosti, ohrani podrobnosti v sencah in svetlih delih.
Na primer, pri fluorescenčni mikroskopiji so lahko temne značilnosti na 8-bitni sliki komaj vidne, na 16-bitni sliki pa so bolj izrazite.
Gladkejše tonske gradacije
Večje bitne globine omogočajo bolj gladke prehode med stopnjami svetlosti, s čimer se izognemo »pasovom« v gradientih. To je še posebej pomembno pri kvantitativni analizi, kjer lahko nenadni skoki popačijo rezultate.
Predstavitev razmerja signal/šum (SNR)
Čeprav bitna globina neposredno ne poveča razmerja signal-šum (SNR) senzorja, omogoča kameri, da natančneje predstavi subtilne spremembe signala nad mejo šuma.
Če je razmerje signal-šum (SNR) senzorja nižje od ločljivosti, ki jo ponuja bitna globina, ti dodatni biti morda ne bodo prispevali k dejanski kakovosti slike – dejavnik, ki ga je treba upoštevati.
Primer:
●8-bitna slikaSence se zlijejo, šibke poteze izginejo in subtilne spremembe se izgubijo.
●16-bitna slikaGradacije so neprekinjene, ohranjene so šibke strukture in kvantitativne meritve so zanesljivejše.
Bitna globina in natančnost podatkov pri znanstvenem slikanju
V znanstvenem slikanju slika ni le slika – to so podatki. Vrednost vsakega slikovnega piksla lahko ustreza merljivi količini, kot so število fotonov, intenzivnost fluorescence ali spektralna moč.
Večja bitna globina zmanjša napako kvantizacije – napako zaokroževanja, ki nastane pri digitalizaciji analognega signala v diskretne nivoje. Ko je na voljo več nivojev, se digitalna vrednost, dodeljena slikovni piki, bolj ujema z dejanskim analognim signalom.
Zakaj je to pomembno
● Pri fluorescenčni mikroskopiji lahko že ena sama razlika v svetlosti predstavlja pomembno spremembo koncentracije beljakovin.
● V astronomiji se lahko šibki signali oddaljenih zvezd ali galaksij izgubijo, če je bitna globina prenizka.
● V spektroskopiji večja bitna globina zagotavlja natančnejše meritve absorpcijskih ali emisijskih črt.
sCMOS kamera s 16-bitnim izhodom lahko posname subtilne razlike, ki bi bile v sistemu z manjšo bitno globino nevidne, zato je bistvena za aplikacije, ki zahtevajo kvantitativno natančnost.
Koliko bitne globine potrebujete?
Številne aplikacije zahtevajo tako visoke ravni signala kot tudi visok dinamični razpon, v tem primeru je lahko visoka bitna globina (14-bitna, 16-bitna ali več) koristna.
Običajno pa bo pri slikanju pri šibki svetlobi razpoložljiva bitna globina zagotovila veliko višje intenzivnosti nasičenosti, kot jih bo mogoče doseči v večini primerov. Zlasti pri 16-bitnih kamerah je polno 16-bitno območje redko potrebno, razen če je ojačanje posebej visoko.
Kamere ali načini kamer z višjo hitrostjo so lahko le 8-bitni, kar je lahko bolj omejujoče, čeprav višje hitrosti, ki jih omogočajo 8-bitni načini, pogosto naredijo kompromis vreden. Proizvajalci kamer lahko s spremenljivimi nastavitvami ojačanja povečajo vsestranskost 8-bitnih načinov, da se spopadejo s tipičnimi nivoji signalov različnih slikovnih aplikacij.
Izbira prave bitne globine za vašo aplikacijo
Tukaj je kratek priročnik za ujemanje bitne globine z običajnimi scenariji znanstvenega slikanja:
| Uporaba | Priporočena bitna globina | Razlog |
| Fluorescenčna mikroskopija | 16-bitni | Zaznavanje šibkih signalov in subtilnih razlik v intenzivnosti |
| Astronomsko slikanje | 14–16-bitni | Zajemite visok dinamični razpon v pogojih slabe svetlobe |
| Industrijski pregled | 12–14-bitni | Jasno prepoznajte majhne napake |
| Splošna dokumentacija | 8-bitni | Zadostuje za nekvantitativne namene |
| Spektroskopija | 16-bitni | Ohrani fine variacije v spektralnih podatkih |
Kompromisi:
●Večja bitna globina= boljša tonska ločljivost in natančnost, vendar večje datoteke in daljši časi obdelave.
●Nižja bitna globina= hitrejše zajemanje in manjše datoteke, vendar obstaja tveganje izgube drobnih podrobnosti.
Bitna globina v primerjavi z drugimi specifikacijami kamere
Čeprav je bitna globina pomembna, je le en del sestavljanke pri izbiri znanstvene kamere.
Vrsta senzorja (CCD v primerjavi s CMOS v primerjavi s sCMOS)
● Različne arhitekture senzorjev imajo različen šum pri odčitavanju, dinamični razpon in kvantno učinkovitost. Na primer, senzor z visoko bitno globino in slabo kvantno učinkovitostjo ima lahko še vedno težave pri slikanju pri šibki svetlobi.
Kvantna učinkovitost (QE)
● Kvantni izkoristek (QE) določa, kako učinkovito senzor pretvarja fotone v elektrone. Visok QE je ključnega pomena za zajem šibkih signalov in v kombinaciji z zadostno bitno globino poveča natančnost podatkov.
Dinamični razpon
● Dinamični razpon kamere določa razpon med najšibkejšimi in najsvetlejšimi signali, ki jih lahko hkrati zajame. Višji dinamični razpon je najbolj koristen, če ga ujema z bitno globino, ki lahko predstavi te ravni svetlosti.
Opomba:
Večja bitna globina ne bo izboljšala kakovosti slike, če so druge sistemske omejitve (kot sta šum ali optika) resnično ozko grlo.
Na primer, 8-bitna kamera z zelo nizkim šumom bi lahko v nekaterih aplikacijah presegla hrupni 16-bitni sistem.
Zaključek
Pri znanstvenem slikanju je bitna globina več kot le tehnična specifikacija – je temeljni dejavnik za zajemanje natančnih in zanesljivih podatkov.
Od zaznavanja šibkih struktur v mikroskopiji do snemanja oddaljenih galaksij v astronomiji, prava bitna globina zagotavlja, da vaša znanstvena kamera ohrani podrobnosti in meritve, od katerih je odvisna vaša raziskava.
Pri izbiri fotoaparata:
1. Bitno globino prilagodite potrebam vaše aplikacije glede natančnosti.
2. Upoštevajte ga skupaj z drugimi kritičnimi specifikacijami, kot so kvantna učinkovitost, šum in dinamični razpon.
3. Ne pozabite, da je večja bitna globina najbolj dragocena, kadar jo vaš sistem lahko izkoristi.
Če iščeteCMOS kamera orsCMOS kameraZasnovani za znanstveno slikanje z visoko bitno globino, raziščite našo ponudbo modelov, zasnovanih za natančnost, zanesljivost in točnost podatkov.
Pogosta vprašanja
Kakšna je praktična razlika med 12-bitnim, 14-bitnim in 16-bitnim slikovnim sistemom pri znanstvenem slikanju?
V praksi skok z 12-bitne (4096 nivojev) na 14-bitno (16.384 nivojev) in nato na 16-bitno (65.536 nivojev) omogoča postopno natančnejše razlikovanje med vrednostmi svetlosti.
● 12-bitna globina zadostuje za številne industrijske in dokumentacijske aplikacije, kjer je osvetlitev dobro nadzorovana.
● 14-bitna različica ponuja dobro ravnovesje med natančnostjo in obvladljivo velikostjo datoteke, kar je idealno za večino laboratorijskih delovnih procesov.
● 16-bitna tehnologija se odlično obnese v scenarijih s šibko svetlobo in visokim dinamičnim razponom, kot sta fluorescenčna mikroskopija ali astronomsko slikanje, kjer je ključnega pomena sposobnost snemanja šibkih signalov brez izgube svetlih podrobnosti.
Vendar ne pozabite, da morata biti šum senzorja in dinamični razpon fotoaparata dovolj dobra, da izkoristita te dodatne tonske korake – sicer prednosti morda ne bodo dosežene.
Ali večja bitna globina vedno pomeni boljše slike?
Ne samodejno. Bitna globina določa potencialno tonsko ločljivost, dejanska kakovost slike pa je odvisna od drugih dejavnikov, vključno z:
● Občutljivost senzorja (kvantna učinkovitost)
● Hrup pri odčitavanju
● Kakovost optike
● Stabilnost osvetlitve
Na primer, 16-bitna CMOS kamera z visokim šumom v določenih pogojih morda ne bo zajela nič bolj uporabnih podrobnosti kot 12-bitna sCMOS kamera z nizkim šumom. Z drugimi besedami, večja bitna globina je najbolj koristna v kombinaciji z dobro optimiziranim sistemom za slikanje.
Ali lahko zmanjšam število vzorcev iz slike z visoko bitno globino, ne da bi pri tem izgubil pomembne podatke?
Da – pravzaprav je to običajna praksa. Zajemanje z večjo bitno globino vam daje fleksibilnost za naknadno obdelavo in kvantitativno analizo. Kasneje lahko za predstavitev ali arhiviranje zmanjšate vzorčenje na 8 bitov in ohranite rezultate analize, ne da bi ohranili celoten nabor podatkov. Le poskrbite, da so originalne datoteke z visoko bitno globino shranjene nekje, če bi bila morda potrebna ponovna analiza.
Kakšno vlogo igra bitna globina pri kvantitativnih znanstvenih meritvah?
Pri kvantitativnem slikanju bitna globina neposredno vpliva na to, kako natančno vrednosti slikovnih pik predstavljajo intenzivnost signalov v resničnem svetu. To je ključnega pomena za:
● Mikroskopija – Merjenje sprememb intenzivnosti fluorescence na celični ravni.
● Spektroskopija – Zaznavanje subtilnih premikov v absorpcijskih/emisijskih linijah.
● Astronomija – Snemanje šibkih svetlobnih virov pri dolgih osvetlitvah.
V teh primerih lahko nezadostna bitna globina povzroči napake zaokroževanja ali obrezovanje signala, kar vodi do netočne interpretacije podatkov.
Želite izvedeti več? Oglejte si povezane članke:
[Dinamični razpon] – Kaj je dinamični razpon?
Kvantna učinkovitost v znanstvenih kamerah: Vodnik za začetnike
Tucsen Photonics Co., Ltd. Vse pravice pridržane. Pri citiranju navedite vir:www.tucsen.com
