25/08/12Хоча кольорові камери домінують на ринку споживчих фотоапаратів, монохромні камери більш поширені в науковій візуалізації.
Датчики камер за своєю суттю не здатні визначати колір або довжину хвилі світла, яке вони збирають. Отримання кольорового зображення вимагає низки компромісів у чутливості та просторовій дискретизації. Однак у багатьох застосуваннях візуалізації, таких як патологія, гістологія або деякі промислові інспекції, інформація про колір є важливою, тому кольорові наукові камери все ще є поширеним явищем.
У цій статті розглядається, що таке кольорові наукові камери, як вони працюють, їхні сильні та обмежені сторони, а також де вони перевершують свої монохромні аналоги в наукових застосуваннях.
Що таке кольорові наукові камери?
Кольорова наукова камера – це спеціалізований пристрій обробки зображень, який захоплює кольорову інформацію RGB з високою точністю, точністю та стабільністю. На відміну від кольорових камер споживчого класу, які надають пріоритет візуальній привабливості, наукові кольорові камери розроблені для кількісної візуалізації, де точність кольору, лінійність сенсора та динамічний діапазон мають вирішальне значення.
Ці камери широко використовуються в таких сферах, як світлопольна мікроскопія, гістологія, аналіз матеріалів та завдання машинного зору, де візуальна інтерпретація або класифікація на основі кольору є важливими. Більшість кольорових наукових камер базуються на CMOS- або sCMOS-сенсорах, розроблених для задоволення суворих вимог наукових та промислових досліджень.
Щоб детальніше ознайомитися з різними системами візуалізації, ознайомтеся з нашим асортиментом високопродуктивнихнаукова камерамоделі, створені для професійного застосування.
Досягнення кольору: фільтр Байєра
Традиційно, розпізнавання кольору в камерах досягається тими ж засобами, що й відтворення кольору на моніторах та екранах: шляхом поєднання сусідніх червоних, зелених та синіх пікселів у повнокольорові «суперпікселі». Коли канали R, G та B мають максимальне значення, видно білий піксель.
Оскільки кремнієві камери не можуть виявити довжину хвилі вхідних фотонів, розділення кожного каналу довжин хвиль R, G або B має бути досягнуто за допомогою фільтрації.
У червоних пікселях на піксель накладається окремий фільтр, який блокує всі довжини хвиль, крім тих, що знаходяться в червоній частині спектра, а також для синього та зеленого кольорів. Однак, щоб досягти квадратного мозаїчного розміщення у двох вимірах, незважаючи на наявність трьох кольорових каналів, суперпіксель формується з одного червоного, одного синього та двох зелених пікселів, як показано на рисунку.
Схема розташування фільтрів Баєра для кольорових камер
ПРИМІТКАРозташування кольорових фільтрів, доданих до окремих пікселів для кольорових камер з використанням розмітки фільтра Байєра, з використанням повторюваних квадратних 4-піксельних одиниць зеленого, червоного, синього, зеленого пікселів. Порядок у межах 4-піксельної одиниці може відрізнятися.
Зелені пікселі мають пріоритет, оскільки більшість джерел світла (від сонця до білих світлодіодів) демонструють свою пікову інтенсивність у зеленій частині спектра, а також тому, що детектори світла (від кремнієвих датчиків камер до наших очей) зазвичай досягають пікової чутливості в зеленому діапазоні.
Однак, коли справа доходить до аналізу та відображення зображень, зображення зазвичай не передаються користувачеві з пікселями, кожен з яких відображає лише своє значення R, G або B. Для кожного пікселя камери створюється 3-канальне значення RGB шляхом інтерполяції значень сусідніх пікселів у процесі, який називається «дебаєризація».
Наприклад, кожен червоний піксель генеруватиме зелене значення, або на основі середнього значення чотирьох сусідніх зелених пікселів, або за допомогою якогось іншого алгоритму, і аналогічно для чотирьох сусідніх синіх пікселів.
Плюси та мінуси кольору
Плюси
● Ви можете бачити це в кольорі! Колір передає цінну інформацію, яка покращує інтерпретацію людиною, особливо під час аналізу біологічних або матеріальних зразків.
● Набагато простіше знімати кольорові зображення RGB, ніж послідовно знімати зображення R, G та B за допомогою монохромної камери
Мінуси
● Чутливість кольорових камер значно знижується порівняно з їхніми монохромними аналогами, залежно від довжини хвилі. У червоній та синій частині спектра, оскільки лише один з чотирьох піксельних фільтрів пропускає ці довжини хвиль, збір світла становить щонайбільше 25% від збірного числа еквівалентною монохромною камерою на цих довжинах хвиль. У зеленій частині цей коефіцієнт становить 50%. Крім того, жоден фільтр не є ідеальним: пікове пропускання буде менше 100% і може бути значно нижчим залежно від точної довжини хвилі.
● Роздільна здатність дрібних деталей також погіршується, оскільки частота дискретизації зменшується на ті ж фактори (до 25% для R, B та до 50% для G). У випадку червоних пікселів, коли лише 1 з 4 пікселів захоплює червоне світло, ефективний розмір пікселя для розрахунку роздільної здатності вдвічі більший у кожному вимірі.
● Кольорові камери також незмінно містять інфрачервоний (ІЧ) фільтр. Це пов'язано зі здатністю кремнієвих камер виявляти деякі довжини хвиль ІЧ-випромінювання, невидимі для людського ока, від 700 нм до приблизно 1100 нм. Якби це ІЧ-світло не фільтрувалося, це вплинуло б на баланс білого, що призвело б до неточної передачі кольору, а отримане зображення не відповідало б тому, що сприймається оком. Отже, це ІЧ-світло необхідно фільтрувати, а це означає, що кольорові камери не можна використовувати для обробки зображень, які використовують ці довжини хвиль.
Як працюють кольорові камери?
Приклад типової кривої квантової ефективності кольорової камери
ПРИМІТКАЗалежність квантової ефективності від довжини хвилі показано окремо для пікселів з червоним, синім та зеленим фільтрами. Також показано квантову ефективність того ж сенсора без кольорових фільтрів. Додавання кольорових фільтрів значно знижує квантову ефективність.
Основою наукової кольорової камери є її сенсор зображення, зазвичайCMOS-камера or sCMOS-камера(наукова КМОП-матриця), оснащена байєрівським фільтром. Робочий процес від захоплення фотонів до виведення зображення включає кілька ключових кроків:
1. Виявлення фотонів: Світло потрапляє в об'єктив і потрапляє на сенсор. Кожен піксель чутливий до певної довжини хвилі залежно від кольорового фільтра, який він містить.
2. Перетворення заряду: Фотони генерують електричний заряд у фотодіоді під кожним пікселем.
3. Зчитування та посилення: Заряди перетворюються на напруги, зчитуються рядок за рядком та оцифровуються аналого-цифровими перетворювачами.
4. Реконструкція кольору: Вбудований процесор камери або зовнішнє програмне забезпечення інтерполює повнокольорове зображення з відфільтрованих даних за допомогою алгоритмів демозаїзації.
5. Корекція зображення: Для забезпечення точного та надійного результату застосовуються такі етапи постобробки, як корекція плоского поля, баланс білого та зменшення шуму.
Продуктивність кольорової камери значною мірою залежить від технології її сенсора. Сучасні CMOS-сенсори камер пропонують високу частоту кадрів і низький рівень шуму, тоді як sCMOS-сенсори оптимізовані для чутливості до слабкого освітлення та широкого динамічного діапазону, що є вирішальним для наукової роботи. Ці фундаментальні принципи закладають основу для порівняння кольорових і монохромних камер.
Кольорові камери проти монохромних камер: ключові відмінності
Порівняння кольорових та монохромних зображень з камери для роботи в умовах низької освітленості
ПРИМІТКАФлуоресцентне зображення з випромінюванням червоної довжини хвилі, виявлене кольоровою камерою (ліворуч) та монохромною камерою (праворуч), при цьому інші характеристики камери залишаються незмінними. Кольорове зображення демонструє значно нижче співвідношення сигнал/шум та роздільну здатність.
Хоча кольорові та монохромні камери мають багато спільних компонентів, їхня продуктивність та варіанти використання мають значні відмінності. Ось коротке порівняння:
| Функція | Кольорова камера | Монохромна камера |
| Тип датчика | CMOS/sCMOS з байєрівським фільтром | Нефільтрований CMOS/sCMOS |
| Світлочутливість | Нижча (через блокування світла кольоровими фільтрами) | Вища (світло не втрачається через фільтри) |
| Просторова роздільна здатність | Нижча ефективна роздільна здатність (демозаїнг) | Повна рідна роздільна здатність |
| Ідеальні застосування | Світлопольна мікроскопія, гістологія, перевірка матеріалів | Флуоресценція, візуалізація в умовах низької освітленості, високоточні вимірювання |
| Кольорові дані | Захоплює повну інформацію RGB | Захоплює лише відтінки сірого |
Коротше кажучи, кольорові камери найкраще підходять, коли колір має значення для інтерпретації чи аналізу, тоді як монохромні камери ідеально підходять для чутливості та точності.
Де кольорові камери перевершують у наукових застосуваннях
Незважаючи на свої обмеження, кольорові камери перевершують інших у багатьох спеціалізованих галузях, де розрізнення кольорів є ключовим. Нижче наведено кілька прикладів того, де вони досягають успіху:
Науки про життя та мікроскопія
Кольорові камери зазвичай використовуються в світлопольній мікроскопії, особливо в гістологічному аналізі. Методи фарбування, такі як гематоенцефалографія та ембріональна ...
Матеріалознавство та аналіз поверхні
У дослідженні матеріалів кольорове зображення є цінним для виявлення корозії, окислення, покриттів та меж матеріалів. Кольорові камери допомагають виявляти незначні зміни в обробці поверхні або дефекти, які монохромне зображення може пропустити. Наприклад, оцінка композитних матеріалів або друкованих плат часто вимагає точного відображення кольорів.
Машинний зір та автоматизація
В автоматизованих системах контролю кольорові камери використовуються для сортування об'єктів, виявлення дефектів та перевірки маркування. Вони дозволяють алгоритмам машинного зору класифікувати деталі або вироби на основі колірних ознак, підвищуючи точність автоматизації у виробництві.
Освіта, документація та інформаційно-просвітницька робота
Наукові установи часто потребують високоякісних кольорових зображень для публікацій, грантових заявок та інформаційно-просвітницької роботи. Кольорове зображення забезпечує більш інтуїтивне та візуально привабливе представлення наукових даних, особливо для міждисциплінарної комунікації або залучення громадськості.
Заключні думки
Кольорові наукові камери відіграють важливу роль у сучасних робочих процесах обробки зображень, де важлива диференціація кольорів. Хоча вони можуть не зрівнятися з монохромними камерами за чутливістю чи роздільною здатністю у форматі RAW, їхня здатність передавати природні, інтерпретовані зображення робить їх незамінними в різних галузях, від наук про життя до промислового інспекції.
Вибираючи між кольоровим та монохромним режимами, враховуйте свої цілі щодо зображення. Якщо ваша програма вимагає роботи в умовах низької освітленості, високої чутливості або флуоресцентного виявлення, монохромна наукова камера може бути найкращим варіантом. Але для світлопольної зйомки, аналізу матеріалів або будь-якого завдання, що включає кольорове кодування інформації, кольорове рішення може бути ідеальним.
Щоб ознайомитися з передовими системами кольорової візуалізації для наукових досліджень, перегляньте наш повний асортимент високопродуктивних CMOS-камер та моделей sCMOS, адаптованих до ваших потреб.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усі права захищено. Під час цитування, будь ласка, вкажіть джерело:www.tucsen.com
