25.08.2012.Иако камере у боји доминирају на тржишту потрошачких камера, монохроматске камере су чешће у научној употреби.
Сензори камере нису инхерентно способни да детектују боју или таласну дужину светлости коју сакупљају. Постизање слике у боји захтева низ компромиса у осетљивости и просторном узорковању. Међутим, у многим применама снимања, као што су патологија, хистологија или нека индустријска инспекција, информације о боји су неопходне, тако да су научне камере у боји и даље уобичајене.
Овај чланак истражује шта су научне камере у боји, како раде, њихове предности и ограничења, и где надмашују своје монохроматске еквиваленте у научним применама.
Шта су научне камере у боји?
Научна камера у боји је специјализовани уређај за снимање који снима RGB информације о бојама са високом верношћу, прецизношћу и конзистентношћу. За разлику од камера у боји потрошачког квалитета које дају приоритет визуелној привлачности, научне камере у боји су пројектоване за квантитативно снимање где су тачност боја, линеарност сензора и динамички опсег кључни.
Ове камере се широко користе у применама као што су микроскопија светлог поља, хистологија, анализа материјала и задаци машинског вида где је визуелна интерпретација или класификација заснована на бојама неопходна. Већина научних камера у боји заснована је на CMOS или sCMOS сензорима, дизајнираним да задовоље строге захтеве научних и индустријских истраживања.
За детаљнији преглед различитих система за снимање, истражите наш избор високоперформанснихнаучна камерамодели направљени за професионалне примене.
Постизање боје: Бајеров филтер
Конвенционално, детекција боја у камерама се постиже истим средствима као и репродукција боја на мониторима и екранима: комбинацијама оближњих црвених, зелених и плавих пиксела у „суперпикселе“ пуне боје. Када су R, G и B канали на својој максималној вредности, види се бели пиксел.
Пошто силицијумске камере не могу да детектују таласну дужину долазних фотона, раздвајање сваког R, G или B канала таласне дужине мора се постићи филтрирањем.
Код црвених пиксела, појединачни филтер се поставља преко пиксела како би блокирао све таласне дужине осим оних у црвеном делу спектра, а слично и за плаву и зелену. Међутим, да би се постигло квадратно поплочавање у две димензије упркос постојању три канала боја, суперпиксел се формира од једног црвеног, једног плавог и два зелена пиксела, као што је приказано на слици.
Распоред Бајеровог филтера за камере у боји
НАПОМЕНАРаспоред филтера боја додатих појединачним пикселима за камере у боји коришћењем распореда Бајеровог филтера, користећи понављајуће квадратне јединице од 4 пиксела зелених, црвених, плавих и зелених пиксела. Редослед унутар јединице од 4 пиксела може се разликовати.
Зелени пиксели су приоритетни и зато што већина извора светлости (од сунца до белих ЛЕД диода) показује свој вршни интензитет у зеленом делу спектра, и зато што детектори светлости (од сензора камере на бази силицијума до наших очију) обично постижу максималну осетљивост у зеленом делу.
Међутим, када је у питању анализа и приказивање слике, слике се обично не испоручују кориснику са пикселима који приказују само своју R, G или B вредност. Троканална RGB вредност се креира за сваки пиксел камере, интерполацијом вредности оближњих пиксела, у процесу који се назива „дебајеринг“.
На пример, сваки црвени пиксел ће генерисати зелену вредност, било из просека четири оближња зелена пиксела, или путем неког другог алгоритма, а слично и за четири оближња плава пиксела.
Предности и мане боје
Професионалци
● Можете га видети у боји! Боја преноси вредне информације које побољшавају људско тумачење, посебно приликом анализе биолошких или материјалних узорака.
● Много једноставније је снимати RGB слике у боји у односу на снимање секвенцијалних R, G и B слика помоћу монохроматске камере
Мане
● Осетљивост камера у боји је драстично смањена у поређењу са њиховим монохроматским еквивалентима, у зависности од таласне дужине. У црвеном и плавом делу спектра, због тога што само један од четири пиксел филтера пропушта ове таласне дужине, сакупљање светлости је највише 25% од сакупљања светлости еквивалентне монохроматске камере у овим таласним дужинама. У зеленом делу, фактор је 50%. Поред тога, ниједан филтер није савршен: вршна преносивост ће бити мања од 100% и може бити много нижа у зависности од тачне таласне дужине.
● Резолуција финих детаља је такође погоршана, јер су брзине узорковања смањене истим овим факторима (на 25% за R, B и на 50% за G). У случају црвених пиксела, где само 1 од 4 пиксела хвата црвену светлост, ефективна величина пиксела за израчунавање резолуције је 2 пута већа у свакој димензији.
● Камере у боји такође увек укључују инфрацрвени (ИЦ) филтер. То је због способности силицијумских камера да детектују неке ИЦ таласне дужине невидљиве људском оку, од 700 nm до око 1100 nm. Ако се ова ИЦ светлост не би филтрирала, она би утицала на баланс белог, што би резултирало нетачном репродукцијом боја, а добијена слика не би одговарала ономе што се види оком. Стога, ова ИЦ светлост мора бити филтрирана, што значи да се камере у боји не могу користити за примене снимања, које користе ове таласне дужине.
Како раде камере у боји?
Пример типичне криве квантне ефикасности камере у боји
НАПОМЕНАЗависност квантне ефикасности од таласне дужине приказана је одвојено за пикселе са црвеним, плавим и зеленим филтером. Такође је приказана квантна ефикасност истог сензора без филтера у боји. Додавање филтера у боји значајно смањује квантну ефикасност.
Језгро научне камере у боји је њен сензор слике, обичноЦМОС камера or sCMOS камера(научни CMOS), опремљен Бајеровим филтером. Радни ток од снимања фотона до излаза слике укључује неколико кључних корака:
1. Детекција фотона: Светлост улази у сочиво и пада на сензор. Сваки пиксел је осетљив на одређену таласну дужину на основу филтера боја који носи.
2. Конверзија наелектрисања: Фотони генеришу електрично наелектрисање у фотодиоди испод сваког пиксела.
3. Очитавање и појачавање: Наелектрисања се претварају у напоне, очитавају ред по ред и дигитализују аналогно-дигиталним конверторима.
4. Реконструкција боја: Уграђени процесор камере или екстерни софтвер интерполира слику у пуној боји из филтрираних података користећи алгоритме за демозаиковање.
5. Корекција слике: Примењују се кораци накнадне обраде попут корекције равног поља, баланса белог и смањења шума како би се осигурао тачан и поуздан резултат.
Перформансе камере у боји у великој мери зависе од технологије њених сензора. Модерни CMOS сензори камера нуде брзу брзину кадрова и низак ниво шума, док су sCMOS сензори оптимизовани за осетљивост при слабом осветљењу и широк динамички опсег, што је кључно за научни рад. Ове основе постављају темеље за поређење камера у боји и монохроматских камера.
Камере у боји у односу на монохроматске камере: кључне разлике
Поређење слика са камере у боји и монохроматских слика за рад у условима слабог осветљења
НАПОМЕНАФлуоресцентна слика са емисијом црвене таласне дужине детектована камером у боји (лево) и монохроматском камером (десно), при чему су остале спецификације камере остале исте. Слика у боји показује знатно нижи однос сигнал-шум и резолуцију.
Иако и камере у боји и монохроматске камере деле многе компоненте, њихове разлике у перформансама и случајевима употребе су значајне. Ево кратког поређења:
| Карактеристика | Камера у боји | Монохромна камера |
| Тип сензора | Бајеров филтрирани CMOS/sCMOS | Нефилтрирани CMOS/sCMOS |
| Осетљивост на светлост | Нижа (због филтера у боји који блокирају светлост) | Више (нема губитка светлости на филтерима) |
| Просторна резолуција | Нижа ефективна резолуција (демозаиковање) | Пуна нативна резолуција |
| Идеалне примене | Микроскопија светлог поља, хистологија, инспекција материјала | Флуоресценција, снимање при слабом осветљењу, високопрецизна мерења |
| Подаци о боји | Снима комплетне RGB информације | Снима само сиве тонове |
Укратко, камере у боји су најбоље када је боја битна за интерпретацију или анализу, док су монохроматске камере идеалне за осетљивост и прецизност.
Где се камере у боји истичу у научним применама
Упркос својим ограничењима, камере у боји надмашују многе специјализоване области где је разликовање боја кључно. У наставку је неколико примера где блистају:
Науке о животу и микроскопија
Камере у боји се често користе у микроскопији светлог поља, посебно у хистолошкој анализи. Технике бојења као што су хематоксилин и еозинофил или Грамово бојење производе контраст заснован на боји који се може интерпретирати само RGB снимањем. Образовне лабораторије и одељења за патологију такође се ослањају на камере у боји за снимање реалистичних слика биолошких узорака за наставу или дијагностичку употребу.
Наука о материјалима и анализа површина
У истраживању материјала, снимање у боји је вредно за идентификацију корозије, оксидације, премаза и граница материјала. Камере у боји помажу у откривању суптилних варијација у завршној обради површине или дефеката које монохроматско снимање може пропустити. На пример, процена композитних материјала или штампаних плоча често захтева тачну репрезентацију боја.
Машински вид и аутоматизација
У аутоматизованим системима за инспекцију, камере у боји се користе за сортирање објеката, откривање дефеката и верификацију обележавања. Оне омогућавају алгоритмима машинског вида да класификују делове или производе на основу ознака боја, побољшавајући тачност аутоматизације у производњи.
Образовање, документација и информисање
Научне институције често захтевају висококвалитетне слике у боји за публикације, предлоге за грантове и информисање јавности. Слика у боји пружа интуитивнији и визуелно привлачнији приказ научних података, посебно за интердисциплинарну комуникацију или ангажовање јавности.
Завршне мисли
Научне камере у боји играју суштинску улогу у модерним радним процесима снимања где је разликовање боја важно. Иако се можда не могу поредити са монохроматским камерама по осетљивости или сировој резолуцији, њихова способност да пруже природне, интерпретабилне слике чини их неопходним у областима које се крећу од наука о животу до индустријске инспекције.
Приликом избора између боје и монохроматске камере, узмите у обзир своје циљеве снимања. Ако ваша апликација захтева перформансе у условима слабог осветљења, високу осетљивост или детекцију флуоресценције, монохроматска научна камера може бити ваша најбоља опција. Али за снимање у светлом пољу, анализу материјала или било који задатак који укључује информације кодиране бојама, решење у боји може бити идеално.
Да бисте истражили напредне системе за снимање у боји за научна истраживања, прегледајте нашу комплетну линију високоперформансних CMOS камера и sCMOS модела прилагођених вашим потребама.
Тусен Фотоникс Ко., Лтд. Сва права задржана. Приликом цитирања, молимо вас да наведете извор:www.tucsen.com
