Приборы и техника эксперимента, 2022, № 2, стр. 73-78

ВВЕДЕНИЕ

Современные полупроводниковые фотоприемники и фотоматрицы обладают высокой светочувствительностью, достаточной для использования их в биомедицинских системах компьютерного зрения для выполнения экспериментальных исследований методами фотометрии [1, 2] и флуориметрии [3]. В перечисленных методах цифровые микрофотоизображения клеточных препаратов подвергаются математической обработке с целью получения количественных данных о яркости или об оптической плотности в каждом пикселе фотоизображения. Достоверность и воспроизводимость получаемых экспериментальных данных определяются и прямо зависят от вида передаточной функции используемых цифровых фотокамер, включая фотоматрицу, предусилитель и алгоритмы аналого-цифрового преобразования.

В инструкциях цифровых фотокамер приводятся значения светочувствительности в единицах, эквивалентных светочувствительности ISO желатиносеребряных фотоэмульсий. Это позволяет пользоваться методами измерения экспозиции, принятыми в классической пленочной фотографии. Однако такое определение светочувствительности отражает чувствительность матрицы лишь косвенно, потому что законы сенситометрии неприменимы для цифровых фотокамер.

Получаемое цифровое изображение может иметь различную степень яркости при одной и той же экспозиции. Это достигается изменением предварительного усиления электрических сигналов фотоматрицы и алгоритмов их последующего аналого-цифрового преобразования в цветовое пространство, как правило, sRGB. Производители цифровых фотокамер руководствуются различными стандартами ISO (см., например, [4]) при установлении зависимости между значениями сигналов матрицы и соответствующими параметрами цветового пространства, при которой получаются “правильно” экспонированные изображения. Однако в инструкциях фотокамер не указывается какой именно способ использован для разметки шкал чувствительности.

Инициатива по определению единого стандарта по измерению, расчету и представлению характеристик различных камер и используемых в них фотоматриц принадлежит European Machine Vision Association (EMVA). Стандарт EMVA-1288 [5] – это всесторонний обзор различных существующих стандартов технического зрения, которые делают эти технологии менее дорогими и более простыми в использовании. В этом обзоре описаны различные стандарты интерфейса камеры (кабели, коннекторы, источники питания и пр.), программного обеспечения интерфейса, крепления объектива, освещения и системных интеграторов. Предлагается единый подход к представлению рабочих характеристик камер, таких как квантовая эффективность, отношение сигнал/шум и неоднородность фоточувствительности. Однако способ измерения спектральных характеристик отдельных цветовых каналов фотоматрицы и передаточной функции камеры не были стандартизованы.

В работе [6] рассмотрена методика измерения спектральных характеристик отдельных цветовых каналов матричных фотоприемников с использованием спектрофотометра Thermo Evolution 300 с импульсной ксеноновой лампой [7] в качестве источника излучения. Однако, как отмечают сами авторы, использование спектрофотометра не по назначению привело, по-видимому, к существенным погрешностям измерений, наибольшей из которых является установка волоконного входа спектрометра.

Указанные погрешности отсутствуют в способе тестирования спектральных откликов фотоматрицы, представленном в работах [8, 9]. В них для тестирования спектральной чувствительности фотоматрицы используется перестраиваемый в широком диапазоне источник света, а именно лампа накаливания К220-100 в сочетании с универсальным монохроматором УМ-2. Разработанная экспериментальная установка позволила получить монохроматические цветовые спектральные стимулы. Цифровые изображения спектральных стимулов регистрировались камерой Canon EOS 500 D (режим съемки указан в работе [8]), и 168 изображений составили цифровой атлас с шагом 1 нм, с помощью которого и тестировалась спектральная чувствительность фотоматрицы. Данные, полученные экспериментально, позволили построить цветовой охват камеры Canon EOS 500D на диаграмме (x, y).

Возможности применения цифровых фотокамер для измерения и регистрации пространственных распределений интенсивности лазерного излучения рассмотрены в работе [10]. Авторы предлагают после регистрации изображений в raw-формате для получения линеаризованных данных применить dcraw-конвертер [11] в “документальном” режиме. Таким образом удалось расширить линейный динамический диапазон Canon EOS 400D более чем в 10 раз. Однако практически все камеры располагают целым набором различных режимов съемки и, как правило, неизвестно выполнялись ли какие-то процедуры предобработки зарегистрированного изображения с целью его конвертации в файл.

Это означает, что тестирование передаточной функции цифровых фотокамер, используемых в биомедицинских системах компьютерного зрения для получения количественной информации, является актуальной задачей. Основной целью данной работы является создание, описание и экспериментальная проверка метода тестирования и измерения передаточной функции цифровых фотокамер, основанного на извлечении информации из цветовых каналов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В данной работе тестировались передаточные функции следующих цифровых камер: зеркальная цветная фотокамера Canon EOS 500D (Canon Inc., Japan), цветной видеоокуляр для микроскопа ToupCam 14MP (Hangzhou ToupTek Photonics Co., Ltd., P.R.China), монохромная фотокамера AxioCam HS (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Jena, Germany), технические характеристики которых приведены в таблице 1. Камера Canon EOS 500D позиционируется производителем как коммерческая, ToupCam 14MP – как специализированный видеоокуляр, а AxioCam HS – это специализированная камера для биологических микроскопов и научных исследований.

В качестве источника света использовались следующие излучатели: твердотельный лазер с диодной накачкой модели BWB-10-OEM (B&W Tek Inc., Newark, DE, USA) с максимумом излучения на длине волны λ₀ = 477 нм, He–Ne-лазер ЛГН 207Б (ПАО НПК “Полярон”, Украина) (λ₀ = = 632.8 нм) и вольфрамово-галогенная лампа, встроенная в биологический микроскоп Zeiss Axio Observer Z1 (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Germany).

Мощность излучения изменялась аттестованным девятиступенчатым ослабителем (№ 7880171) к спектрографу ИСП-51 и светофильтрами из набора образцов цветных оптических стекол (ГОСТ 9411-91). Величина ослабления мощности излучения стеклами тестировалась фотоприемником Ophir (Juno Photodiode PD300 (s/n 700557)) (Ophir Optronics Solutions Ltd., Israel). Для проведения экспериментов были отобраны цветные стекла, которые ослабляли мощность прошедшего через них излучения от 100% до 0.

Излучение источника света направлялось на волоконный световод-разветвитель через устройство подавления спеклов, поглощающий светофильтр и оптический коллиматор-расширитель пучка. Излучение из одного выходного торца световода регистрировалось фотокамерой, из второго – измерителем мощности.

Параметры времени экспозиции тестируемых камер настраивались по гистограмме изображения таким образом, чтобы яркостные сигналы воспринимались фотоматрицей без искажений, т.е. не выходили за пределы динамического диапазона. Величины сигналов яркости были нормированы на соответствующие значения максимального сигнала, допускаемого разрядностью аналого-цифрового преобразователя (а.ц.п.), и поэтому они изменяются в диапазоне от 0 до 1.

Предлагаемый метод измерения передаточной функции камеры, а именно зависимости усредненного по снимку яркостного сигнала от мощности падающего излучения, состоит из следующих действий:

1) регистрации серии из 33 снимков непосредственно на матрицу фотоприемника (без объектива) при последовательном изменении мощности излучения;

2) пересчета величин исследуемых сигналов из цветовых RGB-каналов в монохромную моду по формуле (1), рекомендованной [12] Международным союзом электросвязи (МСЭ):

3) нахождения среднего значения яркости (I_ср) и среднеквадратичного отклонения (с.к.о.) в зарегистрированном изображении (без учета границ изображения и околограничных областей);

4) вычитания средней по кадру темновой величины (уровня черного) из I_ср и получения экспериментальных данных – значений усредненных сигналов яркости с фотоматрицы камеры.

Экспериментально полученная передаточная функция камеры может быть линеаризована путем обработки этих экспериментальных данных. Гамма-коррекция яркостных сигналов выполняется в среде программирования (например, Excel) и приводит к линеаризации передаточной функции, определению коэффициента γ и const (величины смещения прямой). Результаты гамма-коррекции представляются графически.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Экспериментальные результаты тестирования камер представлены на следующих графиках: экспериментальные данные, представленные на рис. 1–3, получены с помощью твердотельного лазера (477 нм), данные на рис. 4 и 5 – при использовании He–Ne-лазера (632.8 нм).

Рис. 1.

Экспериментальные данные (камера Canon EOS 500D, λ = 477 нм): 1 – усредненный яркостный сигнал, 2 – аппроксимирующий полином пятой степени; 3 – результат применения гамма-коррекции сигнала (γ = 1.43), 4 – график функции y = x + 0.0675, 5 – y = x, 6 – линеаризованная передаточная функция камеры.

Рис. 2.

Экспериментальные данные (камера ToupCam (RAW-режим), λ = 477 нм): 1 – усредненный яркостный сигнал, 2 – аппроксимирующий полином пятой степени; 3 – результат применения гамма-коррекции сигнала (γ = 4.3), 4 – график функции y = x – 0.1095, 5 – y = x, 6 – линеаризованная передаточная функция камеры.

Рис. 3.

Экспериментальные данные (камера ToupCam (режим RGB24), λ = 477 нм): пунктирная линия – усредненный яркостный сигнал, сплошная – идеальная передаточная функция камеры.

Рис. 4.

Экспериментальные данные (камера Canon EOS 500D, λ = 633 нм, γ = 1.71): пунктирная линия – усредненный яркостный сигнал, сплошная – аппроксимирующий полином пятой степени для этого сигнала, штриховая – величина отношения значения с.к.о. к средней монохромной яркости.

Рис. 5.

Экспериментальные данные (камера ToupCam (RGB24), λ = 633 нм, γ = 1.01): пунктирная линия – усредненный яркостный сигнал, сплошная – аппроксимирующий полином пятой степени для этого сигнала, штриховая – отношение значения с.к.о. к средней монохромной яркости.

На рис. 1 представлены экспериментальные результаты для камеры Canon EOS 500D: усредненный яркостный сигнал (кривая 1), аппроксимирующий полином пятой степени для кривой 1 сигнала (кривая 2), результат применения метода гамма-коррекции (коэффициент γ = 1.43) сигнала (кривая 3). Коэффициент гамма-коррекции находился путем перебора значений до тех пор, пока линейная аппроксимация графика 3 по показателю достоверности линейной аппроксимации R² не приближалась в наибольшей степени к прямой 4: y = x + const. Последующее вычитание const = 0.0675 позволяет найти линейную аппроксимацию данных, приближенную к функции y = x (прямая 5 на рис. 1, которая соответствует идеальной линейной передаточной функции). Коэффициент достоверности аппроксимации не менее 95%. Кривой 6 на рис. 1 показана передаточная функция камеры Canon EOS 500D, которую удалось линеаризовать в результате обработки яркостных сигналов. Отступление от идеальной линейной передаточной функции составило 1.17%.

Обсчет данных для остальных камер выполнялся аналогично.

Данные для камеры ToupCam представлены на рис. 2 и 3. ToupCam допускает два режима съемки. На рис. 2 приведены результаты экспериментов в RAW-режиме: усредненный яркостный сигнал, аппроксимирующий полином для линии сигнала (коэффициент достоверности аппроксимации – 95.44%), результат применения гамма-коррекции сигнала (γ = 4.3), прямая y = x + const (const = 0.11), прямая y = x (соответствует идеальной линейной передаточной функции) и линеаризованная передаточная функция ToupCam. Отступление от идеальной линейной передаточной функции составило 4.56%. Результаты тестирования камеры ToupCam в RAW-режиме выявили, что коррекция сигналов с целью линеаризации передаточной функции в самой камере ToupCam не выполняется.

На рис. 3 приведены результаты экспериментов в режиме RGB24. График усредненного яркостного сигнала практически совпадает с графиком передаточной функции, линеаризованной рассматриваемым способом, коэффициент достоверности аппроксимации не менее 99.8%, т.е. в режиме RGB24 в самой камере ToupCam обнаруживается встроенная линеаризация данных.

Величины с.к.о. данных в каждой экспериментальной точке даны на рис. 4 для камеры Canon EOS 500D и на рис. 5 – для камеры ToupCam. Величины с.к.о., отнесенные к среднему значению яркости, показаны штриховой линией. Штриховые графики демонстрируют колебания значений. Отношение с.к.о. к среднему значению яркости для камеры ToupCam не превышает 0.01, для камеры Canon EOS 500D – 0.005.

Тестирование камеры AxioCam HS выполнялось на микроскопе Zeiss модели Observer Z1 в проходящем свете. Спектральный ступенчатый ослабитель помещался на предметный столик и выполнялся порядок метода измерений без наведения на фокус, но с нормировкой яркости поля на изображение без ослабителя. Результаты даны на рис. 6 в виде графиков. Пунктирная линия обозначает усредненный яркостный сигнал; прямая линия соответствует идеальной линейной передаточной функции. Линии аппроксимирующего полинома и результата применения гамма-коррекции сигнала мы не показываем, потому что они не разрешаются в масштабе рисунка. Величины с.к.о., отнесенные к среднему значению яркости, показаны штриховой линией.

Рис. 6.

Экспериментальные данные (камера AxioCam HS, γ = 1.22): пунктирная линия – усредненный яркостный сигнал, сплошная – идеальная передаточная функция камеры, штриховая – отношение значения с.к.о. к средней монохромной яркости.

Эксперимент выявил, что в самой камере AxioCam HS выполняется линеаризация яркостных сигналов фотоматрицы. Отношение с.к.о. к среднему значению яркости уменьшается с увеличением мощности излучения и находится в пределах от 0.01 до 0.03.

В биомедицинских системах компьютерного зрения найденные величины коэффициента γ необходимо использовать при обработке экспериментальных данных, получаемых с помощью камер. Гамма-коррекция данных заключается в том, что в каждом пикселе исходного изображения значение интенсивности I_i в каждом цветовом канале (I = R, G, B) нормируется на максимальное значение I_i max сигнала, допускаемого разрядностью а.ц.п., и возводится в степень γ, затем вычитается величина const:

Вычисленное значение интенсивности I_i norm является линеаризованным и изменяется в пределах от 0 до 1. Переход к яркостным значениям сигнала в градациях серого камеры k-й битности осуществляется умножением значения I_i norm на величину 2^k.

Рассчитанные таким образом количественные данные о яркости в каждом пикселе фотоизображения соответствуют линейной передаточной функции используемой цифровой фотокамеры.

ВЫВОДЫ

Для получения достоверных и воспроизводимых данных в биомедицинских экспериментах, где цифровые микроизображения клеточных препаратов подвергаются математической обработке с целью получения количественных данных о яркости или об оптической плотности в каждом пикселе изображения, необходимо применять камеры с линейной передаточной функцией или выполнять тестирование камеры и находить коэффициент гамма-коррекции передаточной функции с целью ее линеаризации.

Экспериментальные данные, полученные в данной работе, показывают, что у специализированных камер предусмотрен режим съемки с линейной передаточной функцией, а для коммерческих камер линеаризация передаточной функции может быть реализована методом, предложенным в данной работе.