生物醫(yī)學(xué)成像：機(jī)器視覺攝像頭技術(shù)規(guī)格選擇及計(jì)算方法指南

研究和診斷生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用通常需要成像儀具備較高的空間分辨率、準(zhǔn)確的色彩還原度以及弱光條件下較高的靈敏度，而且許多情況需要同時(shí)具備這三種因素，才能提高數(shù)據(jù)可靠性。選擇適當(dāng)?shù)娘@微鏡學(xué)攝像頭、組織學(xué)攝像頭、細(xì)胞學(xué)/細(xì)胞遺傳學(xué)攝像頭、落射熒光攝像頭，對(duì)于臨床應(yīng)用進(jìn)行正確診斷或研究工作提供可靠數(shù)據(jù)具有至關(guān)重要的作用。那么要怎么知道什么樣的機(jī)器視覺攝像頭最適合您的應(yīng)用呢？ 以下章節(jié)涵蓋了為生物醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)應(yīng)用選擇機(jī)器視覺攝像頭時(shí)需要考慮的方面。?

要考慮的應(yīng)用特定因素

分辨率與色彩精度
所需的分辨率取決于樣品中目標(biāo)結(jié)構(gòu)相對(duì)于攝像頭像素大小的放大率；也就是說，顯微鏡應(yīng)用的高分辨率可以通過 2MP、25MP 或介于這兩者之間的攝像頭來實(shí)現(xiàn)。它取決于光學(xué)元件對(duì)樣品中目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的相對(duì)于攝像頭像素大小的放大率；為了選出能實(shí)現(xiàn)所需分辨率的最佳攝像頭，首先要確定待解析樣本中最小結(jié)構(gòu)的尺寸。然后將其乘以光學(xué)系統(tǒng)中的鏡頭放大率。從而得出投射到攝像頭傳感器上的結(jié)構(gòu)的尺寸。

如果結(jié)構(gòu)的尺寸至少是攝像頭傳感器上像素的 2.33（尼奎斯特）倍大小，那么攝像頭可以解析此機(jī)構(gòu)。例如，如果這些投射的結(jié)構(gòu)的尺寸是 ~8um，那么 3.45um 像素的攝像頭可以解析這些結(jié)構(gòu)。測(cè)量分辨率還可以用其他方法（如線對(duì)數(shù)），但上述方法可以通過簡(jiǎn)單計(jì)算，找到用于測(cè)試的最佳攝像頭選項(xiàng)。

組織學(xué)、細(xì)胞學(xué)和細(xì)胞遺傳學(xué)等成像應(yīng)用使用較大范圍白光（~400 nm 至 700 nm），或使用此范圍內(nèi)的一種選定波長(zhǎng)（例如，565 nm）。如果這批樣品中的樣本不是活動(dòng)的（即固定不動(dòng)的），則可以暴露于亮光下，不會(huì)有污漬褪色或樣品被殺死的風(fēng)險(xiǎn)。這種情況下，攝像頭的主要要求是高分辨率和色彩還原度。反過來說，弱光靈敏度不是一個(gè)重要因素。如需查找高分辨率型號(hào)，請(qǐng)使用我們的 FLIR 機(jī)器視覺攝像頭選擇器篩選并排列百萬像素。

靈敏度、量子效率及動(dòng)態(tài)范圍
使用活體樣本的成像應(yīng)用的挑戰(zhàn)是避免樣本在太強(qiáng)光線下過度曝光，否則會(huì)使熒光分子褪色或殺死樣本。這些應(yīng)用通常使用一種稱為落射熒光的技術(shù)。落射熒光技術(shù)可用于固定樣本和活體樣本。有的標(biāo)本很難獲得或價(jià)格昂貴，而且制作樣本的材料和人工費(fèi)用很高。因此，能保護(hù)樣品質(zhì)量的系統(tǒng)有助于降低這些成像應(yīng)用的持續(xù)成本。

落射熒光使用經(jīng)過過濾的高能量波長(zhǎng)，以刺激樣品發(fā)出低能量波長(zhǎng)。低能量波長(zhǎng)再經(jīng)過過濾返回相機(jī)。這種情況下，可以對(duì)樣品使用強(qiáng)度和破壞性強(qiáng)較弱的光線，因此最大的要求是靈敏度。即便發(fā)射光能量較低，具有出色靈敏度的照相機(jī)也可以提供高質(zhì)量的圖像。

如需查找具備出色靈敏度、在弱光條件下性能良好的型號(hào)，您可以側(cè)重于以下三種技術(shù)規(guī)格：絕對(duì)靈敏度、量子效率以及動(dòng)態(tài)范圍。絕對(duì)靈敏度就是得到相當(dāng)于傳感器所觀測(cè)噪聲之信號(hào)所需的光子數(shù)，值越小越好。量子效率是指給定波長(zhǎng)下轉(zhuǎn)化為電子的光子——值越高越好。動(dòng)態(tài)范圍是信號(hào)與噪聲（包括顳暗噪聲）比值，顳暗噪聲是指無信號(hào)時(shí)傳感器內(nèi)的噪聲，動(dòng)態(tài)范圍值越高越好。若要輕松比對(duì)，請(qǐng)使用 FLIR 型號(hào)選擇器篩選并查找最高值。

通常單色型號(hào)的弱光性能優(yōu)于彩色型號(hào)。如需查看某型號(hào)的成像性能詳情，請(qǐng)閱讀該型號(hào)的詳細(xì) EMVA 成像性能文檔。每個(gè)攝像頭系列的這些文檔位于 FLIR 網(wǎng)頁(yè)“攝像頭資源”鏈接：Oryx 資源、Blackfly S USB 資源、Blackfly S GigE 資源、 ?Firefly 資源。?

關(guān)于 EMVA 成像性能標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)比型號(hào)靈敏度的方法，請(qǐng)參閱如何評(píng)估攝像頭靈敏度。

因素綜合
對(duì)于同時(shí)使用白光和落射熒光的應(yīng)用，請(qǐng)查找擁有 Sony 全新轉(zhuǎn)換增益功能的攝像頭型號(hào)，此功能可以優(yōu)化傳感器，實(shí)現(xiàn)高靈敏度或高飽和容量。弱光環(huán)境首選較高的轉(zhuǎn)換增益，因?yàn)樵诖藯l件下，讀取噪聲被更大程度地弱化，從而產(chǎn)生較低的絕對(duì)靈敏度閾值，非常適合在短時(shí)曝光下檢測(cè)弱信號(hào)。強(qiáng)光條件下飽和容量得到了最大化，獲得的動(dòng)態(tài)范圍得以增強(qiáng)，因此稍低的轉(zhuǎn)換增益是這種情況的理想選擇。最大動(dòng)態(tài)范圍將受限于 12 位 ADC。?

若要再次查找?guī)мD(zhuǎn)換功能的型號(hào)列表，請(qǐng)參閱我們的《機(jī)器視覺傳感器綜述》。如需幫助您選擇適合特定應(yīng)用的攝像頭，請(qǐng)聯(lián)系我們的一位機(jī)器視覺專家。

選擇最適合的攝像頭

選擇攝像頭時(shí)，較新的 CMOS 傳感器是個(gè)很好的出發(fā)點(diǎn)。較新的傳感器通常性能更好（價(jià)格可能還更低）。 ?另外，如果針對(duì)的應(yīng)用需要在幾年內(nèi)購(gòu)買多個(gè)攝像頭（如持續(xù)生產(chǎn)診斷儀器），那么就要選擇生命周期不會(huì)很快結(jié)束的攝像頭——否則可能要承受提前設(shè)計(jì)替換攝像頭的費(fèi)用。

FLIR 生產(chǎn)的機(jī)器視覺攝像頭變型有超過 200 多種，廣泛應(yīng)用于采用最新 CMOS 傳感器的三大系列：Blackfly S、Oryx 和 Firefly。

Blackfly S 系攝像頭的傳感器、外形尺寸及接口最為廣泛。這些攝像頭提供 USB3 和 GigE 型號(hào)，功能廣泛，設(shè)計(jì)初期易于整合。板級(jí) Blackfly S 型號(hào)是全功能盒裝產(chǎn)品的微型版本，特別適合空間受限和嵌入式的應(yīng)用。其功能廣泛，性價(jià)比高，分辨率最高可達(dá) 24MP，是生物醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)應(yīng)用的首選。

Oryx 攝像頭系列擁有適配最快 10GigE 接口的高分辨率傳感器，能夠以 60FPS 的速度捕捉 4K 分辨率、12 位的圖像。Oryx 的 10GBASE-T 接口是經(jīng)過證明且廣泛部署的標(biāo)準(zhǔn)，能夠在線纜長(zhǎng)度超過 50 米的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 CAT6A 上或者長(zhǎng)度超過 30 米的 CAT5e 上提供可靠的圖像傳輸。

Firefly 攝像頭系列的外殼尺寸嬌小、重量輕、功耗低且價(jià)格實(shí)惠。Firefly DL 型號(hào)還能夠運(yùn)行已經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可用于物體檢測(cè)或分類。

所有 FLIR 機(jī)器視覺彩色攝像頭都可以通過不同的白平衡選項(xiàng)的形式自定義色彩還原，并使用特殊色彩校正矩陣，這對(duì)于生物醫(yī)學(xué)成像非常重要，醫(yī)學(xué)成像中，色彩的準(zhǔn)確度的涵義不同，取決于人類對(duì)診斷的視覺分析以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的機(jī)器可讀格式之間的對(duì)比。關(guān)于這些功能的更多信息，請(qǐng)參閱 “應(yīng)用 Blackfly S 和 Spinnaker 的白平衡”以及“應(yīng)用 Blackfly S 和 Oryx 的色彩校正”。

另外，F(xiàn)LIR 機(jī)器視覺 Blackfly S、Oryx 和 Firefly 攝像頭系列可通過 GenICam3 及 Spinnaker SDK 進(jìn)行控制和編程，它們自一開始設(shè)計(jì)時(shí)就以輕松開發(fā)與部署為理念時(shí)，確保我們能更快進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)和測(cè)試。