25/08/12Rangli kameralar iste'molchi kameralari bozorida ustunlik qilsa-da, monoxrom kameralar ilmiy tasvirda ko'proq uchraydi.
Kamera sensorlari tabiatan ular to'plagan yorug'likning rangini yoki to'lqin uzunligini aniqlashga qodir emas. Rangli tasvirga erishish sezgirlik va fazoviy namuna olishda bir qator murosalarni talab qiladi. Biroq, patologiya, gistologiya yoki sanoat tekshiruvi kabi ko'plab tasvirlash dasturlarida rangli ma'lumotlar muhim ahamiyatga ega, shuning uchun rangli ilmiy kameralar hali ham odatiy holdir.
Ushbu maqolada ilmiy kameralar qanday rangda ekanligi, ular qanday ishlashi, kuchli tomonlari va cheklovlari hamda ilmiy ilovalarda monoxromli hamkasblaridan qayerda ustunlik qilishlari ko'rib chiqiladi.
Rangli ilmiy kameralar nima?
Rangli ilmiy kamera - bu RGB rangli ma'lumotlarni yuqori aniqlik, aniqlik va izchillik bilan ushlaydigan maxsus tasvirlash qurilmasi. Vizual jozibadorlikni birinchi o'ringa qo'yadigan iste'molchi darajasidagi rangli kameralardan farqli o'laroq, ilmiy rangli kameralar ranglarning aniqligi, sensorning chiziqliligi va dinamik diapazon juda muhim bo'lgan miqdoriy tasvirlash uchun ishlab chiqilgan.
Ushbu kameralar yorqin maydon mikroskopiyasi, gistologiya, materiallar tahlili va vizual talqin yoki rangga asoslangan tasniflash zarur bo'lgan mashinani ko'rish vazifalari kabi ilovalarda keng qo'llaniladi. Ko'pgina rangli ilmiy kameralar CMOS yoki sCMOS sensorlariga asoslangan bo'lib, ilmiy va sanoat tadqiqotlarining qat'iy talablarini qondirish uchun mo'ljallangan.
Turli tasvirlash tizimlarini chuqurroq ko'rib chiqish uchun yuqori unumdorlikdagi tanlovimizni o'rganingilmiy kameraprofessional ilovalar uchun yaratilgan modellar.
Rangga erishish: Bayer filtri
An'anaviy ravishda kameralarda ranglarni aniqlash monitorlar va ekranlardagi ranglarni takrorlash bilan bir xil vositalar orqali amalga oshiriladi: yaqin atrofdagi qizil, yashil va ko'k piksellarning to'liq rangli "superpiksellarga" kombinatsiyasi orqali. R, G va B kanallari maksimal qiymatga ega bo'lganda, oq piksel ko'rinadi.
Silikon kameralar kiruvchi fotonlarning to'lqin uzunligini aniqlay olmasligi sababli, har bir R, G yoki B to'lqin uzunligi kanalini filtrlash orqali ajratish kerak.
Qizil piksellarda spektrning qizil qismidagi to'lqin uzunliklaridan tashqari barcha to'lqin uzunliklarini bloklash uchun piksel ustiga individual filtr o'rnatiladi, shuningdek, ko'k va yashil uchun. Biroq, uchta rangli kanalga ega bo'lishiga qaramay, ikki o'lchamdagi kvadrat plitkaga erishish uchun rasmda ko'rsatilganidek, bitta qizil, bitta ko'k va ikkita yashil pikseldan superpiksel hosil bo'ladi.
Rangli kameralar uchun Bayer filtri tartibi
ESLATMA: Yashil, Qizil, Moviy, Yashil piksellarning takroriy kvadratli 4 pikselli birliklaridan foydalangan holda Bayer filtri tartibidan foydalangan holda rangli kameralar uchun alohida piksellarga qo'shilgan rangli filtrlar tartibi. 4 pikselli birlikdagi tartib farq qilishi mumkin.
Yashil piksellarga ustuvorlik beriladi, chunki yorug'lik manbalarining aksariyati (quyoshdan oq LEDlargacha) spektrning yashil qismida o'zining eng yuqori intensivligini namoyish etadi va yorug'lik detektorlari (kremniy asosidagi kamera sensorlaridan ko'zimizga) odatda yashil rangda sezgirlikning eng yuqori nuqtasiga etadi.
Tasvirni tahlil qilish va ko'rsatish haqida gap ketganda, tasvirlar odatda foydalanuvchiga har birida faqat R, G yoki B qiymatini ko'rsatadigan piksellar bilan yetkazilmaydi. Kameraning har bir pikseli uchun 3-kanalli RGB qiymati “debayering” deb ataladigan jarayonda yaqin-atrofdagi piksellar qiymatlarini interpolyatsiya qilish orqali yaratiladi.
Misol uchun, har bir qizil piksel to'rtta yashil pikselning o'rtacha qiymatidan yoki boshqa algoritm orqali va to'rtta yaqin ko'k piksel uchun yashil qiymat hosil qiladi.
Rangning ijobiy va salbiy tomonlari
Pros
● Siz uni rangli ko'rishingiz mumkin! Rang, ayniqsa, biologik yoki moddiy namunalarni tahlil qilishda inson talqinini yaxshilaydigan qimmatli ma'lumotlarni beradi.
● RGB rangli tasvirlarni olish monoxrom kamera yordamida ketma-ket R, G va B tasvirlarni olishdan ko‘ra ancha oson.
Kamchiliklari
● Rangli kameralarning sezgirligi to'lqin uzunligiga qarab monoxromli hamkasblariga nisbatan keskin kamayadi. Spektrning qizil va ko'k qismida, bu to'lqin uzunliklaridan o'tgan to'rtta pikselli filtrdan faqat bittasi tufayli yorug'lik to'plami ushbu to'lqin uzunliklarida ekvivalent monoxrom kameraning eng ko'pi 25% ni tashkil qiladi. Yashil rangda koeffitsient 50% ni tashkil qiladi. Bundan tashqari, hech qanday filtr mukammal emas: eng yuqori uzatish 100% dan kam bo'ladi va aniq to'lqin uzunligiga qarab ancha past bo'lishi mumkin.
● Namuna olish stavkalari xuddi shu omillar ta'sirida (R, B uchun 25% va G uchun 50% gacha) kamayganligi sababli nozik detallarning ravshanligi ham yomonlashadi. Qizil piksellar bo'lsa, 4 pikseldan atigi 1 tasi qizil yorug'likni ushlab turadi, piksellar sonini hisoblash uchun samarali piksel o'lchami har bir o'lchamda 2 baravar kattaroqdir.
● Rangli kameralar har doim infraqizil (IR) filtrni o'z ichiga oladi. Bu kremniy kameralarining inson ko'ziga ko'rinmaydigan 700 nm dan 1100 nm gacha bo'lgan ba'zi IR to'lqin uzunliklarini aniqlash qobiliyati bilan bog'liq. Agar bu IR nuri filtrlanmagan bo'lsa, u oq rang balansiga ta'sir qiladi, natijada ranglar noto'g'ri ko'paytiriladi va olingan tasvir ko'z bilan ko'rilgan narsaga mos kelmaydi. Shunday qilib, bu IQ nuri filtrlanishi kerak, ya'ni rangli kameralarni ushbu to'lqin uzunliklaridan foydalanadigan tasvirlash ilovalari uchun ishlatib bo'lmaydi.
Rangli kameralar qanday ishlaydi?
Oddiy rangli kamera kvant samaradorligi egri chizig'iga misol
ESLATMA: Kvant samaradorligining to'lqin uzunligiga bog'liqligi qizil, ko'k va yashil filtrli piksellar uchun alohida ko'rsatilgan. Rangli filtrlarsiz bir xil sensorning kvant samaradorligi ham ko'rsatilgan. Rangli filtrlarni qo'shish kvant samaradorligini sezilarli darajada pasaytiradi.
Ilmiy rangli kameraning yadrosi uning tasvir sensori, odatda aCMOS kamera or sCMOS kamera(ilmiy CMOS), Bayer filtri bilan jihozlangan. Fotonni suratga olishdan tasvirni chiqarishgacha bo'lgan ish jarayoni bir necha asosiy bosqichlarni o'z ichiga oladi:
1. Fotonni aniqlash: yorug'lik linzaga kiradi va sensorga tushadi. Har bir piksel o'zi olib yuradigan rang filtri asosida ma'lum bir to'lqin uzunligiga sezgir.
2. Zaryad konvertatsiyasi: Fotonlar har bir piksel ostidagi fotodiodda elektr zaryadini hosil qiladi.
3. O'qish va kuchaytirish: Zaryadlar kuchlanishga aylantiriladi, satr-qator o'qiladi va analog-raqamli konvertorlar orqali raqamlashtiriladi.
4. Rangni qayta tiklash: kameraning bort protsessori yoki tashqi dasturiy ta'minoti demozaika algoritmlari yordamida filtrlangan ma'lumotlardan to'liq rangli tasvirni interpolyatsiya qiladi.
5. Rasmni tuzatish: To'g'ri va ishonchli chiqishni ta'minlash uchun tekis maydonni tuzatish, oq rang balansi va shovqinni kamaytirish kabi keyingi ishlov berish bosqichlari qo'llaniladi.
Rangli kameraning ishlashi ko'p jihatdan uning sensor texnologiyasiga bog'liq. Zamonaviy CMOS kamera sensorlari tez kadr tezligi va past shovqinni taklif qiladi, sCMOS sensorlari esa ilmiy ish uchun juda muhim boʻlgan past yorugʻlik sezgirligi va keng dinamik diapazon uchun optimallashtirilgan. Ushbu asoslar rangli va monoxrom kameralarni solishtirish uchun zamin yaratadi.
Rangli kameralar va monoxrom kameralar: asosiy farqlar
Kam yorug'likda ishlash uchun rangli va monoxrom kamera tasvirlarini solishtirish
ESLATMA: Rangli kamera (chapda) va monoxrom kamera (o'ngda) tomonidan aniqlangan qizil to'lqin uzunligi emissiyasi bilan lyuminestsent tasvir, boshqa kamera xususiyatlari bir xil bo'lib qoladi. Rangli tasvir sezilarli darajada pastroq signal-shovqin nisbati va piksellar sonini ko'rsatadi.
Rangli va monoxrom kameralar ko'plab komponentlarga ega bo'lsa-da, ularning ishlash va foydalanish holatlaridagi farqlari sezilarli. Mana tez taqqoslash:
| Xususiyat | Rangli kamera | Monoxrom kamera |
| Sensor turi | Bayer tomonidan filtrlangan CMOS/sCMOS | Filtrlanmagan CMOS/sCMOS |
| Nurga sezgirlik | Pastroq (rang filtrlari yorug'likni to'sib qo'yganligi sababli) | Yuqori (filtrlarga yorug'lik yo'qolmaydi) |
| Fazoviy rezolyutsiya | Pastroq samarali ruxsat (demozaika) | To'liq mahalliy ruxsat |
| Ideal ilovalar | Brightfield mikroskopiyasi, gistologiya, materiallarni tekshirish | Floresan, past nurli tasvirlash, yuqori aniqlikdagi o'lchovlar |
| Rang ma'lumotlari | To'liq RGB ma'lumotlarini oladi | Faqat kulrang rangni suratga oladi |
Muxtasar qilib aytganda, rangli kameralar talqin qilish yoki tahlil qilish uchun rang muhim bo'lsa, monoxrom kameralar esa sezgirlik va aniqlik uchun idealdir.
Ilmiy ilovalarda rangli kameralar Excel qayerda
Cheklovlarga qaramay, rangli kameralar rang farqi muhim bo'lgan ko'plab ixtisoslashgan sohalarda ustunlik qiladi. Quyida ular qaerda porlashiga bir nechta misollar keltirilgan:
Hayot fanlari va mikroskopiya
Rangli kameralar odatda yorqin maydon mikroskopida, ayniqsa gistologik tahlilda qo'llaniladi. H&E yoki Gram bo'yash kabi bo'yash usullari rangga asoslangan kontrastni hosil qiladi, bu faqat RGB tasvirida talqin qilinishi mumkin. O'quv laboratoriyalari va patologiya bo'limlari, shuningdek, o'qitish yoki diagnostika uchun biologik namunalarning real tasvirlarini olish uchun rangli kameralarga tayanadi.
Materialshunoslik va sirt tahlili
Materiallarni tadqiq qilishda rangli tasvirlar korroziya, oksidlanish, qoplamalar va material chegaralarini aniqlash uchun qimmatlidir. Rangli kameralar monoxrom tasvirni o'tkazib yuborishi mumkin bo'lgan sirt qoplamasidagi nozik o'zgarishlarni yoki nuqsonlarni aniqlashga yordam beradi. Misol uchun, kompozit materiallar yoki bosilgan elektron platalarni baholash ko'pincha ranglarning aniq tasvirini talab qiladi.
Mashinani ko'rish va avtomatlashtirish
Avtomatlashtirilgan tekshirish tizimlarida rangli kameralar ob'ektlarni saralash, nuqsonlarni aniqlash va etiketkalarni tekshirish uchun ishlatiladi. Ular mashinani ko'rish algoritmlariga qismlarni yoki mahsulotlarni rangli belgilar asosida tasniflash imkonini beradi, bu esa ishlab chiqarishda avtomatlashtirishning aniqligini oshiradi.
Ta'lim, hujjatlashtirish va targ'ibot
Ilmiy muassasalar ko'pincha nashrlar, grant takliflari va targ'ibot uchun yuqori sifatli rangli tasvirlarni talab qiladi. Rangli tasvir, ayniqsa, fanlararo aloqa yoki jamoatchilikni jalb qilish uchun ilmiy ma'lumotlarning yanada intuitiv va vizual tarzda taqdim etilishini ta'minlaydi.
Yakuniy fikrlar
Rangli ilmiy kameralar ranglarni farqlash muhim bo'lgan zamonaviy tasvirlash ish oqimlarida muhim rol o'ynaydi. Ular monoxrom kameralarga sezgirlik yoki aniqlik darajasida mos kelmasligi mumkin bo'lsa-da, ularning tabiiy, talqin qilinadigan tasvirlarni yetkazib berish qobiliyati ularni hayot fanlaridan tortib sanoat tekshiruvigacha bo'lgan sohalarda ajralmas qiladi.
Rangli va monoxromni tanlayotganda, tasvir maqsadlaringizni hisobga oling. Agar ilovangiz kam yorug'lik ishlashi, yuqori sezuvchanlik yoki lyuminestsentni aniqlashni talab qilsa, monoxrom ilmiy kamera sizning eng yaxshi variantingiz bo'lishi mumkin. Ammo yorqin maydonni tasvirlash, materiallarni tahlil qilish yoki rangli kodli ma'lumotni o'z ichiga olgan har qanday vazifa uchun rangli echim ideal bo'lishi mumkin.
Ilmiy tadqiqotlar uchun ilg‘or rangli tasvirlash tizimlarini o‘rganish uchun bizning ehtiyojlaringizga moslashtirilgan yuqori unumdor CMOS kameralar va sCMOS modellarining to‘liq qatorini ko‘rib chiqing.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Barcha huquqlar himoyalangan. Iqtibos keltirayotganda manbani ko'rsating:www.tucsen.com
