25/08/20Khi đánh giá một máy ảnh khoa học, các thông số kỹ thuật có thể rất phức tạp — kích thước điểm ảnh, hiệu suất lượng tử, dải động, v.v. Trong số các thông số này, độ sâu bit là một trong những thông số quan trọng nhất để xác định lượng thông tin mà máy ảnh của bạn có thể thu được và mức độ trung thực của việc tái tạo các chi tiết nhỏ.
Trong hình ảnh khoa học, nơi những thay đổi nhỏ về độ sáng có thể biểu thị dữ liệu quan trọng, việc hiểu độ sâu bit không phải là tùy chọn mà là điều cần thiết.
Bài viết này giải thích độ sâu bit là gì, nó ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh như thế nào, vai trò của nó trong độ chính xác của dữ liệu và cách chọn độ sâu bit phù hợp cho ứng dụng của bạn.
Độ sâu bit: Số lượng mức xám tối đa trong một điểm ảnh của hình ảnh
Khi làm việc với máy ảnh khoa học, độ sâu bit xác định số lượng giá trị cường độ riêng biệt mà mỗi pixel có thể ghi lại. Điều này rất quan trọng vì trong hình ảnh khoa học, giá trị của mỗi pixel có thể tương ứng trực tiếp với một đại lượng đo được, chẳng hạn như số lượng photon hoặc cường độ huỳnh quang.
Độ sâu bit thể hiện số lượng 'bit' dữ liệu số nhị phân mà mỗi điểm ảnh sử dụng để lưu trữ các giá trị cường độ, trong đó 8 bit tạo thành một byte. Giá trị mức xám tối đa được xác định bằng:
Mức độ xám tối đa = 2^(Độ sâu bit)
Ví dụ:
● 8-bit = 256 cấp độ
● 12-bit = 4.096 cấp độ
● 16-bit = 65.536 cấp độ
Nhiều mức độ xám hơn cho phép phân cấp độ sáng tốt hơn và thể hiện chính xác hơn những khác biệt nhỏ, điều này có thể rất quan trọng khi đo tín hiệu yếu hoặc thực hiện phân tích định lượng.
Độ sâu bit và tốc độ
Việc tăng độ sâu bit đồng nghĩa với việc bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) phải xuất ra nhiều bit hơn cho mỗi phép đo. Điều này thường đòi hỏi chúng phải giảm số phép đo mỗi giây – tức là giảm tốc độ khung hình của camera.
Vì lý do này, nhiềumáy ảnh khoa họccung cấp hai chế độ thu thập:
● Chế độ độ sâu bit cao – Chế độ này thường cung cấp dải động cao hơn. Ưu tiên độ phân giải tông màu và dải động cho các ứng dụng như kính hiển vi huỳnh quang hoặc quang phổ.
● Chế độ tốc độ cao – Chế độ này làm giảm độ sâu bit để có tốc độ khung hình nhanh hơn, điều này rất cần thiết cho các sự kiện nhanh trong hình ảnh tốc độ cao.
Biết được sự đánh đổi này sẽ giúp bạn chọn được chế độ phù hợp với mục tiêu chụp ảnh của mình — độ chính xác so với độ phân giải thời gian.
Độ sâu bit và dải động
Người ta thường nhầm lẫn giữa độ sâu bit và dải động, nhưng chúng không giống nhau. Độ sâu bit xác định số mức độ sáng có thể có, trong khi dải động mô tả tỷ lệ giữa tín hiệu yếu nhất và sáng nhất có thể phát hiện được.
Mối quan hệ giữa hai yếu tố này phụ thuộc vào các yếu tố bổ sung như cài đặt độ lợi của camera và nhiễu đầu ra. Trên thực tế, dải động có thể được biểu thị bằng "bit hiệu dụng", nghĩa là hiệu suất nhiễu có thể làm giảm số bit góp phần tạo nên dữ liệu hình ảnh hữu ích.
Khi lựa chọn máy ảnh, điều này có nghĩa là bạn nên đánh giá cả độ sâu bit và dải động cùng lúc thay vì cho rằng một trong hai yếu tố này có thể quyết định hoàn toàn yếu tố còn lại.
Số byte lưu trữ dữ liệu cần thiết cho mỗi khung hình camera (không nén) có thể được tính như sau:
Lưu trữ dữ liệu
Ngoài ra, một số định dạng tệp — như TIFF — lưu trữ dữ liệu từ 9 đến 16 bit bên trong "lớp bọc" 16 bit. Điều này có nghĩa là ngay cả khi ảnh của bạn chỉ sử dụng 12 bit, dung lượng lưu trữ vẫn có thể tương đương với ảnh 16 bit đầy đủ.
Đối với các phòng thí nghiệm xử lý tập dữ liệu lớn, điều này có ý nghĩa thực tế: hình ảnh có độ sâu bit cao hơn đòi hỏi nhiều dung lượng đĩa hơn, thời gian truyền dữ liệu lâu hơn và sức mạnh tính toán lớn hơn để xử lý. Việc cân bằng nhu cầu về độ chính xác với khả năng quản lý dữ liệu là điều cần thiết cho một quy trình làm việc hiệu quả.
Độ sâu bit ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh như thế nào
Hình: Ví dụ về độ sâu bit
GHI CHÚ: Minh họa khái niệm độ sâu bit. Giảm độ sâu bit sẽ làm giảm số bước cường độ có thể được sử dụng để hiển thị hình ảnh.
Độ sâu bit có tác động trực tiếp đến một số khía cạnh của chất lượng hình ảnh trong máy ảnh khoa học.
Dải động
Độ sâu bit cao hơn sẽ thu được nhiều mức độ sáng hơn, giữ nguyên chi tiết trong vùng tối và vùng sáng.
Ví dụ, trong kính hiển vi huỳnh quang, các đặc điểm mờ có thể khó nhìn thấy trong hình ảnh 8 bit nhưng lại rõ nét hơn trong hình ảnh chụp 16 bit.
Chuyển màu mượt mà hơn
Độ sâu bit cao hơn cho phép chuyển đổi mượt mà hơn giữa các mức độ sáng, tránh hiện tượng "dải" trong gradient. Điều này đặc biệt quan trọng trong phân tích định lượng, nơi các bước nhảy đột ngột có thể làm sai lệch kết quả.
Biểu diễn tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR)
Mặc dù độ sâu bit không trực tiếp làm tăng SNR của cảm biến, nhưng nó cho phép máy ảnh thể hiện chính xác hơn các biến thể tín hiệu tinh tế trên nền nhiễu.
Nếu SNR của cảm biến thấp hơn độ phân giải mà độ sâu bit mang lại, thì những bit bổ sung đó có thể không góp phần tạo nên chất lượng hình ảnh thực tế - một yếu tố cần lưu ý.
Ví dụ:
●hình ảnh 8-bit: Bóng tối hòa vào nhau, các nét mờ nhạt biến mất và những thay đổi tinh tế bị mất đi.
●hình ảnh 16-bit: Sự phân cấp diễn ra liên tục, các cấu trúc mờ được bảo tồn và các phép đo định lượng đáng tin cậy hơn.
Độ sâu bit và độ chính xác của dữ liệu trong hình ảnh khoa học
Trong hình ảnh khoa học, một hình ảnh không chỉ là một bức ảnh — mà là dữ liệu. Giá trị của mỗi pixel có thể tương ứng với một đại lượng có thể đo lường được, chẳng hạn như số lượng photon, cường độ huỳnh quang hoặc công suất quang phổ.
Độ sâu bit cao hơn giúp giảm lỗi lượng tử hóa — lỗi làm tròn xảy ra khi tín hiệu tương tự được số hóa thành các mức rời rạc. Với nhiều mức hơn, giá trị số được gán cho một pixel sẽ khớp với tín hiệu tương tự thực hơn.
Tại sao điều này quan trọng
● Trong kính hiển vi huỳnh quang, sự khác biệt một bước về độ sáng có thể biểu thị sự thay đổi có ý nghĩa về nồng độ protein.
● Trong thiên văn học, các tín hiệu yếu từ các ngôi sao hoặc thiên hà xa xôi có thể bị mất nếu độ sâu bit quá thấp.
● Trong quang phổ học, độ sâu bit cao hơn đảm bảo phép đo chính xác hơn về các vạch hấp thụ hoặc phát xạ.
Camera sCMOS với đầu ra 16 bit có thể ghi lại những khác biệt tinh tế mà hệ thống có độ sâu bit thấp hơn không thể nhìn thấy, khiến nó trở nên cần thiết cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác về mặt định lượng.
Bạn cần độ sâu bit bao nhiêu?
Nhiều ứng dụng yêu cầu cả mức tín hiệu cao và dải động cao, trong trường hợp đó, độ sâu bit cao (14 bit, 16 bit hoặc hơn) có thể mang lại lợi ích.
Tuy nhiên, thông thường với hình ảnh thiếu sáng, độ sâu bit khả dụng sẽ cung cấp cường độ bão hòa cao hơn nhiều so với mức có thể đạt được trong hầu hết các trường hợp. Đặc biệt đối với máy ảnh 16 bit, trừ khi mức tăng đặc biệt cao, hiếm khi cần đến toàn bộ dải 16 bit.
Máy ảnh hoặc chế độ máy ảnh tốc độ cao hơn có thể chỉ là 8-bit, điều này có thể hạn chế hơn, mặc dù tốc độ cao hơn mà chế độ 8-bit mang lại thường khiến sự đánh đổi này trở nên xứng đáng. Các nhà sản xuất máy ảnh có thể tăng tính linh hoạt của chế độ 8-bit để đáp ứng mức tín hiệu điển hình của các ứng dụng hình ảnh khác nhau thông qua các cài đặt khuếch đại có thể thay đổi.
Chọn độ sâu bit phù hợp cho ứng dụng của bạn
Sau đây là tài liệu tham khảo nhanh về cách kết hợp độ sâu bit với các tình huống chụp ảnh khoa học phổ biến:
| Ứng dụng | Độ sâu bit được đề xuất | Lý do |
| Kính hiển vi huỳnh quang | 16-bit | Phát hiện tín hiệu yếu và sự khác biệt về cường độ tinh tế |
| Hình ảnh thiên văn | 14–16-bit | Chụp ảnh có dải động cao trong điều kiện ánh sáng yếu |
| Kiểm tra công nghiệp | 12–14-bit | Xác định các khuyết tật nhỏ một cách rõ ràng |
| Tài liệu chung | 8-bit | Đủ cho mục đích không định lượng |
| Quang phổ học | 16-bit | Bảo tồn các biến thể tốt trong dữ liệu quang phổ |
Sự đánh đổi:
●Độ sâu bit cao hơn= độ phân giải và độ chính xác tông màu tốt hơn, nhưng tệp lớn hơn và thời gian xử lý lâu hơn.
●Độ sâu bit thấp hơn= thu thập dữ liệu nhanh hơn và tệp nhỏ hơn, nhưng có nguy cơ mất đi các chi tiết tinh tế.
Độ sâu bit so với các thông số kỹ thuật khác của máy ảnh
Mặc dù độ sâu bit rất quan trọng, nhưng đó chỉ là một phần khi lựa chọn máy ảnh khoa học.
Loại cảm biến (CCD so với CMOS so với sCMOS)
● Các kiến trúc cảm biến khác nhau có độ nhiễu, dải động và hiệu suất lượng tử khác nhau. Ví dụ, một cảm biến có độ sâu bit cao nhưng hiệu suất lượng tử kém vẫn có thể gặp khó khăn khi chụp ảnh thiếu sáng.
Hiệu suất lượng tử (QE)
● QE xác định hiệu quả chuyển đổi photon thành electron của cảm biến. QE cao rất quan trọng để thu được tín hiệu yếu, và khi kết hợp với độ sâu bit đủ, nó sẽ tối đa hóa độ chính xác của dữ liệu.
Dải động
● Dải động của máy ảnh quyết định khoảng cách giữa tín hiệu yếu nhất và sáng nhất mà nó có thể thu được đồng thời. Dải động cao hơn sẽ có lợi nhất khi kết hợp với độ sâu bit có khả năng thể hiện các mức độ sáng đó.
Ghi chú:
Độ sâu bit cao hơn sẽ không cải thiện chất lượng hình ảnh nếu các hạn chế khác của hệ thống (như nhiễu hoặc quang học) là nguyên nhân thực sự.
Ví dụ, camera 8 bit có độ nhiễu rất thấp có thể hoạt động tốt hơn hệ thống 16 bit có độ nhiễu trong một số ứng dụng.
Phần kết luận
Trong hình ảnh khoa học, độ sâu bit không chỉ là thông số kỹ thuật mà còn là yếu tố cơ bản để thu thập dữ liệu chính xác và đáng tin cậy.
Từ việc phát hiện các cấu trúc mờ trong kính hiển vi đến việc ghi lại các thiên hà xa xôi trong thiên văn học, độ sâu bit phù hợp đảm bảo rằng máy ảnh khoa học của bạn lưu giữ được các chi tiết và phép đo mà nghiên cứu của bạn phụ thuộc vào.
Khi chọn máy ảnh:
1. Phù hợp độ sâu bit với nhu cầu về độ chính xác của ứng dụng.
2. Xem xét nó cùng với các thông số kỹ thuật quan trọng khác như hiệu suất lượng tử, độ nhiễu và dải động.
3. Hãy nhớ rằng độ sâu bit cao hơn sẽ có giá trị nhất khi hệ thống của bạn có thể tận dụng được nó.
Nếu bạn đang tìm kiếm mộtMáy ảnh CMOS ormáy ảnh sCMOSđược thiết kế cho hình ảnh khoa học có độ sâu bit cao, hãy khám phá các mô hình của chúng tôi được thiết kế để có độ chính xác, độ tin cậy và độ chính xác của dữ liệu.
Câu hỏi thường gặp
Sự khác biệt thực tế giữa 12-bit, 14-bit và 16-bit trong hình ảnh khoa học là gì?
Trên thực tế, bước nhảy từ 12-bit (4.096 mức) lên 14-bit (16.384 mức) rồi lên 16-bit (65.536 mức) cho phép phân biệt các giá trị độ sáng ngày càng tốt hơn.
● 12-bit là đủ cho nhiều ứng dụng công nghiệp và tài liệu trong đó ánh sáng được kiểm soát tốt.
● 14-bit mang lại sự cân bằng tốt giữa độ chính xác và kích thước tệp có thể quản lý được, lý tưởng cho hầu hết các quy trình làm việc trong phòng thí nghiệm.
● 16-bit hoạt động tốt trong điều kiện ánh sáng yếu, dải động cao như kính hiển vi huỳnh quang hoặc hình ảnh thiên văn, trong đó khả năng ghi lại các tín hiệu yếu mà không làm mất các chi tiết sáng là rất quan trọng.
Tuy nhiên, hãy nhớ rằng độ nhiễu và dải động của cảm biến máy ảnh phải đủ tốt để tận dụng các bước tông màu bổ sung đó — nếu không, lợi ích có thể không đạt được.
Độ sâu bit cao hơn có luôn tạo ra hình ảnh đẹp hơn không?
Không tự động. Độ sâu bit quyết định độ phân giải tông màu tiềm năng, nhưng chất lượng hình ảnh thực tế phụ thuộc vào các yếu tố khác, bao gồm:
● Độ nhạy của cảm biến (hiệu suất lượng tử)
● Tiếng ồn đọc
● Chất lượng quang học
● Độ ổn định chiếu sáng
Ví dụ, một camera CMOS 16-bit nhiễu cao có thể không chụp được nhiều chi tiết hữu ích hơn camera sCMOS 12-bit nhiễu thấp trong một số điều kiện nhất định. Nói cách khác, độ sâu bit cao hơn sẽ có lợi nhất khi kết hợp với một hệ thống hình ảnh được tối ưu hóa tốt.
Tôi có thể giảm mẫu từ hình ảnh có độ sâu bit cao mà không làm mất dữ liệu quan trọng không?
Có — thực tế, đây là một thực hành phổ biến. Việc thu hình ở độ sâu bit cao hơn mang lại sự linh hoạt cho quá trình hậu xử lý và phân tích định lượng. Sau đó, bạn có thể hạ mẫu xuống 8 bit để trình bày hoặc lưu trữ, giữ lại kết quả phân tích mà không cần giữ lại toàn bộ tập dữ liệu. Chỉ cần đảm bảo các tệp gốc có độ sâu bit cao được lưu trữ ở đâu đó phòng trường hợp cần phân tích lại.
Độ sâu bit đóng vai trò gì trong các phép đo khoa học định lượng?
Trong hình ảnh định lượng, độ sâu bit ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của giá trị pixel trong việc thể hiện cường độ tín hiệu thực tế. Điều này rất quan trọng đối với:
● Kính hiển vi – Đo cường độ huỳnh quang thay đổi ở cấp độ tế bào.
● Quang phổ học – Phát hiện sự thay đổi tinh tế trong các vạch hấp thụ/phát xạ.
● Thiên văn học – Ghi lại các nguồn sáng yếu trong thời gian phơi sáng dài.
Trong những trường hợp này, độ sâu bit không đủ có thể gây ra lỗi làm tròn hoặc cắt tín hiệu, dẫn đến việc giải thích dữ liệu không chính xác.
Muốn tìm hiểu thêm? Hãy xem các bài viết liên quan:
[Dynamic Range] – Dynamic Range là gì?
Hiệu suất lượng tử trong máy ảnh khoa học: Hướng dẫn dành cho người mới bắt đầu
Công ty TNHH Tucsen Photonics. Bản quyền thuộc về. Vui lòng ghi rõ nguồn khi trích dẫn:www.tucsen.com
