科學成像中的像素合併是什麼？完整入門指南 |

如果你曾經使用過顯微鏡、天文或光譜領域的科學相機，你可能聽過「像素合併」（binning）這個術語。對於初學者來說，像素合併似乎只是相機規格參數中一個不起眼的技術細節，但實際上，它是一個影響影像品質、靈敏度甚至實驗速度的基本概念。

簡單來說，像素合併是指將多個像素合併成一個更大的「超像素」。雖然聽起來很簡單，但它對解析度、訊號強度和雜訊的影響卻不容忽視。無論您是初涉螢光顯微鏡的學生，還是試圖捕捉暗淡星系的天文學家，理解像素合併對於充分發揮科學成像設備的性能至關重要。

科學成像中的像素合併是什麼？

科學相機透過像素合併技術，可以電子方式增加像素尺寸。如圖 1 所示，由多個像素組所擷取的訊號被合併成一個「超像素」。最常見的像素合併方式是「2x2」合併，其中超像素由 2 行 2 列的相機像素組成。這樣，像素尺寸有效增加了 4 倍，靈敏度更高，但取樣能力降低，這可能會降低解析度。

一個簡單的類比：想像一下四個小杯子並排擺放。如果你往每個杯子裡倒入相同量的水，你需要量四次才能知道總共有多少。但如果你把所有的水都倒進大杯子裡，一次就能知道總量。這個大杯子就像是分類收集——收集效率更高，但細節不夠精確。

圖 1：像素合併

像素合併是指透過電子方式將像素分組，並將所得的訊號相加。圖中所示為 2x2 像素合併，將 2 行 2 列像素合併成超像素。更大的像素值和非對稱像素合併也是可行的。

分箱是如何運作的？

分類主要有兩種方式：硬體分類和軟體分類。

●硬體分類在CCD中，相鄰像素的電荷或訊號（在某些CMOS/sCMOS中）在讀取之前直接在感測器上合併。這樣可以降低讀出噪聲，因為系統讀取的是單一較大的訊號，而不是多個較小的訊號。
●軟體分類首先分別讀取各個像素訊號，然後透過軟體進行合併。雖然這種方法會降低影像分辨率，但它並不能像硬體像素合併那樣降低讀取雜訊。

常見的分箱模式包括：

●2×2 分類將 4 個像素合併成 1 個像素。
●3×3分箱將 9 個像素合併成 1 個像素。
●4×4 分類將 16 個像素分組為 1 個像素。

效果：

●解決與分箱因子成比例減少。
●訊號雜訊比（SNR）由於收集到的光子數量相對於雜訊數量更多，因此效果有所改善。

●數據吞吐量由於讀取的像素更少，檔案大小減小，成像速度加快，因此效果有所提升。

為什麼分箱很重要？

像素合併不僅僅是相機設定中的技術選項，它還可以顯著影響實驗結果。

訊號雜訊比 (SNR) 提升

科學成像通常涉及檢測微弱訊號。透過將像素分組（像素合併），可以增加每次測量的光子數。這提高了訊號雜訊比，在螢光顯微鏡等低光照應用中尤其重要。

更快的讀取速度和更小的資料量

由於像素合併技術減少了需要處理的像素數量，因此可以實現更高的幀速率和更小的檔案大小。這對於高速成像應用至關重要，因為如果以全解析度記錄每一幀，將會產生難以管理的資料量。

解析度權衡

主要缺點是分辨率降低。如果空間細節很重要——例如，在研究細胞生物學中的精細結構時——分箱可能並不適用。

簡而言之，像素合併是一種平衡：提高靈敏度和速度，但會損失細節。

不同科學相機技術中的像素合併

不同感測器技術透過不同的機制實現像素合併。像素合併的具體實現方式很大程度上取決於相機感測器的類型。不同的技術——CCD、EMCCD、CMOS 和 sCMOS——處理像素合併的方式各不相同，直接影響靈敏度、雜訊性能和成像速度。

不同感測器技術透過不同的機制實現像素合併。 CCD 和 EMCCD 感測器透過在讀取前物理合併光電子來實現像素合併，即所謂的「晶片」合併。這在速度和靈敏度方面都具有優勢。 CMOS 感測器通常只進行「片外」合併，這表示像素值被讀取後再進行數字求和。這仍然可以提高感測器的信噪比，但不如 CCD 和 EMCCD 感測器，而且通常沒有速度優勢。然而，在極少數情況下，sCMOS 感測器能夠實現片上合併，例如…Tucsen Dhyana 2100 sCMOS 相機這樣就能提供極高的幀率。

下面我們比較一下 CCD/EMCCD、CMOS 和 sCMOS 相機中像素合併的工作原理。

CCD 和 EMCCD 像素合併

在CCD和EMCCD相機中，像素合併是在影像訊號轉換為數位值之前直接在感測器上進行的。這種片上整合方法確保了來自多個像素的訊號首先被合併，然後才引入讀出雜訊。

結果有兩方面：

●靈敏度提高像素合併可以增加總訊號強度，同時最大限度地減少噪聲，從而顯著提高信噪比 (SNR)。例如，2×2 像素合併可以將訊號強度提高四倍，但只引入一次讀出噪聲，這使得相機在低光源成像方面更加有效。
●更快的獲取由於需要數位化的有效像素更少，讀取速度更快，從而可以實現更高的幀速率。

需要特別注意的是飽和現象。當多個像素的電荷合併到一個「超像素」時，特別是在強光照射下，其電荷量可能會超過感測器的滿阱容量。因此，CCD/EMCCD像素合併技術最適用於螢光顯微鏡和天文觀測等低光源應用，在這些應用中，靈敏度比最高解析度更為重要。

CMOS 像素合併

大多數情況下CMOS相機像素合併並非在感光元件本身進行。相反，每個像素都被單獨數位化，然後訊號再進行合併——通常是在軟體中完成。

這種設計有兩個重要意義：

●信噪比增益較小雖然訊號強度有所增加，但在像素合併之前，每個像素都已經疊加了讀取雜訊。因此，與CCD相比，訊號雜訊比的提升幅度並不大。
●沒有速度優勢因為所有像素仍然是單獨數位化的，所以合併像素並不會減少讀取時間。

也就是說，現代 CMOS 和科學 CMOS (sCMOS) 相機從設計上來說通常比 CCD 相機速度更快，因此即使沒有真正的片上像素合併，它們也能實現非常高的幀速率。

sCMOS 分級

sCMOS相機代表了更先進的感測器技術，提供靈活的像素合併選項。根據設計，sCMOS元件可以將片上處理與高效的後處理相結合，以平衡靈敏度和速度。

sCMOS分檔的優點包括：

●實際信噪比提升雖然 sCMOS 設計並不總是與 CCD 式像素合併相同，但當訊號合併時，sCMOS 設計通常能有效降低雜訊。
●可設定模式許多 sCMOS 相機允許使用者選擇不同的像素合併等級（2×2、4×4 等），從而根據實驗需求調整效能。
●整體表現優異即使不大量依賴像素合併，sCMOS 技術也具有低雜訊、高靈敏度和快速讀取速度等優點，使其成為許多科學成像任務中最通用的選擇。

由於這種靈活性，sCMOS 像素合併技術在既需要靈敏度又需要速度的實驗中特別有用，例如活細胞成像、快速光譜分析或動態測量。

分箱技術在科學成像的應用

像素合併技術在各種成像領域都有實際應用：

●顯微鏡在螢光顯微鏡或活細胞顯微鏡中，光照強度通常較低，分箱可以提高靈敏度並減少曝光時間，從而最大限度地減少光漂白和光毒性。
●天文學在拍攝暗淡的恆星或星系時，像素合併有助於捕捉更多光線並提高訊號雜訊比，從而在有限的曝光條件下獲得更清晰的結果。
●光譜學弱光譜訊號可透過分箱來提高靈敏度和改善檢測極限。

高速成像：產生快速動態的實驗（例如細胞訊號傳導、燃燒研究）需要快速的幀速率，而分箱技術可以在保持可用影像品質的同時減少資料負載。