25/08/12Edhe pse kamerat me ngjyra dominojnë tregun e kamerave të konsumatorit, kamerat monokrome janë më të zakonshme në imazhet shkencore.
Sensorët e kamerave nuk janë në thelb të aftë të zbulojnë ngjyrën ose gjatësinë e valës së dritës që mbledhin. Arritja e një imazhi me ngjyra kërkon një numër kompromise në ndjeshmëri dhe marrjen e mostrave hapësinore. Megjithatë, në shumë aplikime të imazherisë, siç janë patologjia, histologjia ose ndonjë inspektim industrial, informacioni i ngjyrës është thelbësor, kështu që kamerat shkencore me ngjyra janë ende të zakonshme.
Ky artikull shqyrton se çfarë janë kamerat shkencore me ngjyra, si funksionojnë ato, pikat e forta dhe kufizimet e tyre, dhe ku ato i tejkalojnë homologët e tyre monokromë në aplikimet shkencore.
Çfarë janë kamerat shkencore me ngjyra?
Një aparat fotografik shkencor me ngjyra është një pajisje e specializuar imazherie që kap informacionin e ngjyrave RGB me besueshmëri, precizion dhe qëndrueshmëri të lartë. Ndryshe nga kamerat me ngjyra të nivelit të konsumatorit që i japin përparësi pamjes vizuale, kamerat shkencore me ngjyra janë projektuar për imazhe sasiore ku saktësia e ngjyrave, lineariteti i sensorit dhe diapazoni dinamik janë thelbësore.
Këto kamera përdoren gjerësisht në aplikime të tilla si mikroskopia me fushë të ndritshme, histologjia, analiza e materialeve dhe detyrat e shikimit automatik ku interpretimi vizual ose klasifikimi i bazuar në ngjyra është thelbësor. Shumica e kamerave shkencore me ngjyra bazohen në sensorë CMOS ose sCMOS, të projektuar për të përmbushur kërkesat rigoroze të kërkimit shkencor dhe industrial.
Për një vështrim të thelluar mbi sistemet e ndryshme të imazherisë, eksploroni përzgjedhjen tonë të sistemeve me performancë të lartë.kamera shkencoremodele të ndërtuara për aplikime profesionale.
Arritja e Ngjyrës: Filtri Bayer
Konvencionalisht, zbulimi i ngjyrave në kamera arrihet me të njëjtat mjete si riprodhimi i ngjyrave në monitorë dhe ekrane: nëpërmjet kombinimeve të pikselëve të kuq, jeshil dhe blu aty pranë në 'superpikselë' me ngjyra të plota. Kur kanalet R, G dhe B janë të gjitha në vlerën e tyre maksimale, shihet një piksel i bardhë.
Meqenëse kamerat e silikonit nuk mund të zbulojnë gjatësinë e valës së fotoneve hyrëse, ndarja e secilit kanal të gjatësisë së valës R, G ose B duhet të arrihet përmes filtrimit.
Në pikselët e kuq, një filtër individual vendoset mbi piksel për të bllokuar të gjitha gjatësitë e valëve përveç atyre në pjesën e kuqe të spektrit, dhe po kështu për blunë dhe jeshilen. Megjithatë, për të arritur një pllakëzim katror në dy dimensione pavarësisht se ka tre kanale ngjyrash, një superpiksel formohet nga një piksel i kuq, një piksel blu dhe dy jeshilë, siç tregohet në figurë.
Paraqitja e filtrit Bayer për kamerat me ngjyra
SHËNIMParaqitja e filtrave të ngjyrave të shtuara në pikselët individualë për kamerat me ngjyra duke përdorur paraqitjen e filtrit Bayer, duke përdorur njësi katrore të përsëritura me 4 pikselë të pikselëve të Gjelbër, të Kuq, Blu dhe të Gjelbër. Renditja brenda njësisë me 4 pikselë mund të ndryshojë.
Pikselëve të gjelbër u jepet përparësi si sepse shumica e burimeve të dritës (nga dielli te LED-et e bardha) shfaqin intensitetin e tyre maksimal në pjesën e gjelbër të spektrit, ashtu edhe sepse detektorët e dritës (nga sensorët e kamerave me bazë silikoni te sytë tanë) zakonisht arrijnë kulmin e ndjeshmërisë në të gjelbër.
Megjithatë, kur bëhet fjalë për analizën dhe shfaqjen e imazheve, imazhet zakonisht nuk i dorëzohen përdoruesit me pikselë ku secili shfaq vetëm vlerën e tij R, G ose B. Një vlerë RGB me 3 kanale krijohet për çdo piksel të kamerës, duke interpoluar vlerat e pikselëve aty pranë, në një proces të quajtur 'debayering'.
Për shembull, çdo piksel i kuq do të gjenerojë një vlerë të gjelbër, ose nga mesatarja e katër pikselëve të gjelbër aty pranë, ose përmes ndonjë algoritmi tjetër, dhe po kështu për katër pikselët blu aty pranë.
Pro dhe Kundra të Ngjyrës
Pro
● Mund ta shihni me ngjyra! Ngjyra përcjell informacion të vlefshëm që përmirëson interpretimin njerëzor, veçanërisht kur analizohen mostra biologjike ose materiale.
● Shumë më e thjeshtë për të kapur imazhe me ngjyra RGB krahasuar me marrjen e imazheve të njëpasnjëshme R, G dhe B duke përdorur një aparat fotografik monokrom
Kundër
● Ndjeshmëria e kamerave me ngjyra zvogëlohet në mënyrë drastike krahasuar me homologët e tyre monokromë, varësisht nga gjatësia e valës. Në pjesën e kuqe dhe blu të spektrit, për shkak se vetëm një në katër filtra pikselësh kalojnë këto gjatësi vale, mbledhja e dritës është maksimumi 25% e asaj të një kamere monokrome ekuivalente në këto gjatësi vale. Në të gjelbër, faktori është 50%. Përveç kësaj, asnjë filtër nuk është perfekt: transmetimi maksimal do të jetë më pak se 100% dhe mund të jetë shumë më i ulët në varësi të gjatësisë së saktë të valës.
● Rezolucioni i detajeve të imëta përkeqësohet gjithashtu, pasi shkallët e marrjes së mostrave zvogëlohen nga të njëjtët faktorë (në 25% për R, B dhe në 50% për G). Në rastin e pikselëve të kuq, me vetëm 1 në 4 pikselë që kapin dritën e kuqe, madhësia efektive e pikselit për llogaritjen e rezolucionit është 2 herë më e madhe në secilin dimension.
● Kamerat me ngjyra gjithashtu përfshijnë gjithmonë një filtër infra të kuq (IR). Kjo për shkak të aftësisë së kamerave të silikonit për të zbuluar disa gjatësi vale IR të padukshme për syrin e njeriut, nga 700 nm në rreth 1100 nm. Nëse kjo dritë IR nuk do të filtrohej, do të ndikonte në balancën e bardhë, duke rezultuar në riprodhim të pasaktë të ngjyrave, dhe imazhi i prodhuar nuk do të përputhej me atë që shihet me sy. Prandaj, kjo dritë IR duhet të filtrohet, që do të thotë se kamerat me ngjyra nuk mund të përdoren për aplikime imazherie, të cilat përdorin këto gjatësi vale.
Si funksionojnë kamerat me ngjyra?
Shembull i një kurbe tipike të efikasitetit kuantik të kamerës me ngjyra
SHËNIMVarësia e gjatësisë së valës së efikasitetit kuantik tregohet veçmas për pikselët me një filtër të kuq, blu dhe jeshil. Gjithashtu tregohet efikasiteti kuantik i të njëjtit sensor pa filtra ngjyrash. Shtimi i filtrave të ngjyrave e zvogëlon ndjeshëm efikasitetin kuantik.
Bërthama e një aparati fotografik shkencor me ngjyra është sensori i imazhit, zakonisht njëKamera CMOS or kamera sCMOS(CMOS shkencor), i pajisur me një filtër Bayer. Procesi i punës nga kapja e fotoneve deri te dalja e imazhit përfshin disa hapa kryesorë:
1. Zbulimi i fotoneve: Drita hyn në lente dhe godet sensorin. Çdo piksel është i ndjeshëm ndaj një gjatësie vale specifike bazuar në filtrin e ngjyrave që mbart.
2. Konvertimi i Ngarkesës: Fotonet gjenerojnë një ngarkesë elektrike në fotodiodë poshtë çdo pikseli.
3. Leximi dhe Amplifikimi: Ngarkesat shndërrohen në tensione, lexohen rresht pas rreshti dhe dixhitalizohen nga konvertuesit analog-në-dixhital.
4. Rindërtimi i Ngjyrave: Procesori i integruar i kamerës ose softueri i jashtëm interpolon imazhin me ngjyra të plota nga të dhënat e filtruara duke përdorur algoritme demosaicimi.
5. Korrigjimi i Imazhit: Hapat e përpunimit pas përpunimit si korrigjimi i fushës së sheshtë, balancimi i të bardhës dhe ulja e zhurmës zbatohen për të siguruar rezultate të sakta dhe të besueshme.
Performanca e një kamere me ngjyra varet shumë nga teknologjia e sensorëve të saj. Sensorët modernë të kamerave CMOS ofrojnë shpejtësi të larta kuadrosh dhe zhurmë të ulët, ndërsa sensorët sCMOS janë të optimizuar për ndjeshmëri ndaj dritës së ulët dhe gamë të gjerë dinamike, thelbësore për punën shkencore. Këto baza përgatitin terrenin për krahasimin e kamerave me ngjyra dhe atyre monokrome.
Kamerat me Ngjyra kundrejt Kamerave Monokrome: Dallimet Kryesore
Krahasimi midis imazheve me ngjyra dhe monokrome të kamerës për punë në dritë të ulët
SHËNIMImazh fluoreshent me emetim të gjatësisë së valës së kuqe të zbuluar nga një kamera me ngjyra (majtas) dhe një kamera monokrome (djathtas), me specifikimet e tjera të kamerës që mbeten të njëjta. Imazhi me ngjyra tregon raport sinjal-zhurmë dhe rezolucion dukshëm më të ulët.
Ndërkohë që kamerat me ngjyra dhe ato monokrome kanë shumë komponentë të përbashkët, ndryshimet e tyre në performancë dhe raste përdorimi janë të konsiderueshme. Ja një krahasim i shpejtë:
| Karakteristikë | Kamera me ngjyra | Kamera Monokrome |
| Lloji i sensorit | CMOS/sCMOS i filtruar nga Bayer | CMOS/sCMOS i pafiltruar |
| Ndjeshmëria ndaj dritës | Më e ulët (për shkak të filtrave të ngjyrave që bllokojnë dritën) | Më i lartë (nuk humbet dritë në filtra) |
| Rezolucioni Hapësinor | Rezolucion më i ulët efektiv (demozaicing) | Rezolucion i plotë origjinal |
| Aplikime ideale | Mikroskopia me fushë të ndritshme, histologjia, inspektimi i materialeve | Fluoreshencë, imazhe me dritë të ulët, matje me saktësi të lartë |
| Të dhënat e ngjyrave | Kap informacionin e plotë RGB | Kap vetëm shkallën e grisë |
Shkurt, kamerat me ngjyra janë më të mirat kur ngjyra ka rëndësi për interpretim ose analizë, ndërsa kamerat monokrome janë ideale për ndjeshmëri dhe saktësi.
Ku kamerat me ngjyra shkëlqejnë në zbatimet shkencore
Pavarësisht kufizimeve të tyre, kamerat me ngjyra kanë performancë më të mirë në shumë fusha të specializuara ku dallimi i ngjyrave është thelbësor. Më poshtë janë disa shembuj se ku ato shkëlqejnë:
Shkencat e Jetës dhe Mikroskopia
Kamerat me ngjyra përdoren zakonisht në mikroskopinë me fushë të ndritshme, veçanërisht në analizën histologjike. Teknikat e ngjyrosjes si H&E ose ngjyrosja Gram prodhojnë kontrast me bazë ngjyrash që mund të interpretohet vetëm me imazhe RGB. Laboratorët arsimorë dhe departamentet e patologjisë mbështeten gjithashtu në kamerat me ngjyra për të kapur imazhe realiste të mostrave biologjike për përdorim mësimor ose diagnostikues.
Shkenca e Materialeve dhe Analiza e Sipërfaqeve
Në kërkimin e materialeve, imazhet me ngjyra janë të vlefshme për identifikimin e korrozionit, oksidimit, veshjeve dhe kufijve të materialeve. Kamerat me ngjyra ndihmojnë në zbulimin e ndryshimeve delikate në përfundimin e sipërfaqes ose defekteve që imazhet monokrome mund të mos i shohin. Për shembull, vlerësimi i materialeve kompozite ose i tabelave të qarqeve të shtypura shpesh kërkon përfaqësim të saktë të ngjyrave.
Vizioni i Makinerisë dhe Automatizimi
Në sistemet e automatizuara të inspektimit, kamerat me ngjyra përdoren për renditjen e objekteve, zbulimin e defekteve dhe verifikimin e etiketimit. Ato lejojnë algoritmet e shikimit të makinerive të klasifikojnë pjesët ose produktet bazuar në sinjalet e ngjyrave, duke rritur saktësinë e automatizimit në prodhim.
Edukimi, Dokumentimi dhe Shtrirja e Publikut
Institucionet shkencore shpesh kërkojnë imazhe me ngjyra me cilësi të lartë për botime, propozime për grante dhe shtrirje në publik. Një imazh me ngjyra ofron një përfaqësim më intuitiv dhe vizualisht tërheqës të të dhënave shkencore, veçanërisht për komunikimin ndërdisiplinor ose angazhimin publik.
Mendime përfundimtare
Kamerat shkencore me ngjyra luajnë një rol thelbësor në rrjedhat moderne të punës së imazhit, ku diferencimi i ngjyrave është i rëndësishëm. Ndërsa ato mund të mos jenë të krahasueshme me kamerat monokrome në ndjeshmëri ose rezolucion të papërpunuar, aftësia e tyre për të ofruar imazhe natyrale dhe të interpretueshme i bën ato të domosdoshme në fusha që variojnë nga shkencat e jetës deri te inspektimi industrial.
Kur zgjidhni midis imazhit me ngjyra dhe atij monokromatik, merrni në konsideratë objektivat tuaja të imazhit. Nëse aplikacioni juaj kërkon performancë në dritë të ulët, ndjeshmëri të lartë ose zbulim të fluoreshencës, një aparat fotografik shkencor monokromatik mund të jetë opsioni juaj më i mirë. Por për imazhe me fushë të ndritshme, analizë të materialeve ose çdo detyrë që përfshin informacion të koduar me ngjyra, një zgjidhje me ngjyra mund të jetë ideale.
Për të eksploruar sistemet e përparuara të imazherisë me ngjyra për kërkime shkencore, shfletoni gamën tonë të plotë të kamerave CMOS me performancë të lartë dhe modeleve sCMOS të përshtatura sipas nevojave tuaja.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Të gjitha të drejtat e rezervuara. Kur citoni, ju lutemi përmendni burimin:www.tucsen.com
