科学成像中色彩还原的重要性

内容提要

• 介绍
• 色彩还原的重要性
• 相机传感器的色彩校正
• 影响色彩还原的因素
• 如何优化Lumenera相机的色彩性能

介绍

通过我们的眼睛，看到并不总是相信。在不同的光照条件下，我们倾向于看到相同的物体具有相同的颜色。

例如，无论是在日光还是烛光下，苹果都会呈红色，无论光源如何，白纸都会被视为白色。这是我们潜意识里做的事情，被称为“色彩恒定”或“色彩适应”。我们的眼睛通过两类光感受器接收光线：视锥细胞和视杆细胞。

视觉皮层处理这些信息，色彩恒定使我们的大脑无论光照条件如何都能识别物体。

当我们与周围世界不断变化的对比相互作用时，这一切都非常好。然而，当用显示器观察显微样本或用相机拍摄显微图像时，我们感知目镜下的颜色将与屏幕上观察到的或相机拍摄的颜色不同。

色彩还原的重要性

如果我们在显微镜下看到的图像与相机拍摄的图像不匹配，这是否重要呢？那么，对于涉及颜色的样品，例如用苏木精和曙红染色的组织学载玻片，这是非常重要的。这是为了确保可以正确分析图像，并且还可以与之前的样本进行比较。如果色彩还原效果不佳，则可能会错过重要信息，因为色彩之间的对比度不清楚。因此，我们需要考虑光源以调整在显微镜上拍摄的图像。

在图像处理中，这种色彩适应被称为“白平衡”或“色彩平衡”。数据由图像传感器（例如光电倍增管或相机传感器）收集，并进行处理以在计算机屏幕或相机显示屏上进行色彩还原。 显然，电子图像传感器和处理器与我们的视锥细胞和视杆细胞不匹配，并且这些传感器和处理器无法始终分辨出烛光下的苹果是红色的。因此，在从显微镜查看和拍摄图像时，必须考虑色彩校正。

相机传感器的色彩校正

使用CMOS或CCD传感器的相机对红外（IR）光敏感，这会降低图像对比度。有些相机采用可以补偿这种灵敏度的红外滤光片，或者可以在显微镜设置中使用滤光片。

显微镜环境下的色彩还原，和室内布置和照明条件下的色彩还原也会有所不同。此外，颜色也会根据使用的样品，染色剂或荧光素的不同而变化。如果可能，请始终使用相同的显微镜系统，并确保其与科勒照明正确对齐。

什么是科勒照明? 科勒照明是一种通过聚焦和居中光路并在视场上均匀分布光线来提供最佳对比度分辨率的方法。 该过程用于在样品上实现明亮且均匀的照明，同时确保照明源在所拍摄的图像上是不可见的。这有助于创造最佳的图像质量，它是大多数现代显微镜的首选照明方法。

重要的是尽可能地将我们通过目镜观察的颜色与显示器或相机上显示的颜色匹配。显微相机中最常见的两种图像传感器是电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）

影响色彩还原的因素

光源

你可能听说颜色被称为“暖色”或“冷色”，即指“色温”。色温以开尔文（符号“K”）测量。有点反直觉，较高温度的颜色称为“冷色”（如蓝色或白色），较低温度的颜色称为“暖色”（如红色和黄色）。

显微镜光源随色温而变化。例如， 日光被视为5000K，卤钨灯的温度约为3200K。滤光片可用于显微镜系统以升高或降低光源的色温。但色温并不是一切。不同种类的光源可以具有相同的色温，但具有不同的光谱特性。此外，色温不能可靠地预测显微镜成像系统如何观察和处理样本。

相机类型

CCD和CMOS相机可以通过电子调整实现白平衡。然而，这些传感器的光传感元件是单色的，传感器通过检测通过红色，绿色和蓝色（RGB）滤波器的光来获得彩色图像，所述红色，绿色和蓝色（RGB）滤波器覆盖传感器阵列中的每个单独的像素。不同的相机具有不同的色彩校正系统，某些系统仅靠软件控制，其他一些需要软件和硬件同时调整。有些设置用户无法更改，这意味着选择具有良好色彩还原和色彩校正的相机非常重要。

Teledyne Lumenera针对特定应用设计了一个软件调整系统–“色彩校正矩阵”（CCM）用于他们的相机，它使用色彩参考矩阵来比较图像的每个颜色分量。

不适当的白平衡

白平衡是去除图像中不真实的偏色的过程。由于光源的色温不同，因此会影响屏幕上或相机拍摄的图像的白平衡。 图2显示了应用白平衡之前和之后的图像，您可以看到调整前后的颜色差异很大。

确保在相机上应用正确的白平衡设置的一种方法是使用Lumenera的“ INFINITY Analyze 软件白平衡”功能，该功能提供了多种调整色彩平衡的方法。 每当改变灯的亮度或将滤光片插入光路时，都应进行白平衡调整。

图2.白平衡对色彩还原的影响。A）显微镜载玻片色卡; B）显微镜载玻片白平衡后的色卡。C）用苏木精和曙红染料染色的猫肾上腺；D）白平衡后的用苏木精和曙红染料染色的猫肾上腺。使用OlympusBX51显微镜，卤素灯，日光滤光片和INFINITY3-3URC相机拍的图像。

如果您觉得自动白平衡调整没有正确地对样本进行白平衡，您还可以通过把视野移动到空白的位置，参考直方图手动调整颜色通道的增益。图3A显示白平衡不佳的直方图- 每个通道输出不同的峰值。您可以手动调整每个通道输出增益，使三个峰重叠，如图3B所示。有关如何使用INFINITY ANALYZE软件调整白平衡的详细指南，请参阅INFINITY ANALYZE视频教程。

图3 A和B使用直方图辅助白平衡调整。左）直方图显示白平衡不佳每个通道分别可见。右）白平衡后的直方图– 三个通道现在重叠。

显示器的选择

显示器之间的色彩还原会有所同，首次安装时必须校准显示器。应在显示器的整个寿命期间定期进行校准。此外，如果正确的色彩平衡对于样品成像很重要，那么市场上有多家公司能提供医疗显示器。这些专用的显示器比标准显示器提供更准确的色彩还原。

医疗RGB 即使使用专门的医疗显示器，仍然存在对标准化色彩还原的担忧。目前没有跨平台的颜色管理标准化。为了解决这个问题，国际色彩联盟（ICC）成立于1993年。在国际色彩联盟内，有一个医学影像工作组，致力于促进各种医学和研究领域正确使用色彩管理。该小组目前正在解决这样一个事实：对于设计用于显示彩色图像的医学成像显示器，没有合适的彩色显示器校准物镜。该工作组还正在研究用于组织病理学的合适校准载玻片的生产，以在不同成像系统之间实现一致的色彩还原。

如何从Teledyne Lumenera相机获得最佳色彩性能

本节概述如何从Teledyne Lumenera相机获得最佳色彩的过程和相机设置。

当安装好相机，照明光源和光学元件后，首先使用应用程序软件显示相机图像并操作相机设置。首次启动相机控制软件时，请参考相机的实时预览视频，然后调整曝光时间和增益设置。无论在显示器上的图像颜色如何显示，首先操作这两个设置是非常重要的。

第一步 调整曝光时间和增益

在调整任何其他相机属性之前，重要的是要确保图像正确曝光。首先验证相机的增益是否设置在1和3之间的值。

接下来调整曝光时间以增加或减少场景的亮度。这可以通过移动曝光时间滑块控件，键入特定曝光值或启用连续自动曝光控制来完成。如果使用自动曝光控制，请选择150到200范围内的平均像素强度值，然后开始。

增加相机的曝光时间将导致帧率降低。例如，如果每帧需要100毫秒（1/10秒）曝光，那么相机将只能每秒提供10帧，曝光时间为200ms（1/5秒）将导致每秒仅5帧。因此，通常优先使相机在较短的曝光时间下工作。如果不能增加照明水平，则可能需要增加相机增益。增益调整是来自传感器芯片的信号的放大。施加太多的增益将导致输出图像中出现电子噪声。

第二步 白平衡

图4A 白平衡前的图	图4B 白平衡后的图像

一旦设置好相机参数，相机输出亮度合适（只有在所有像素亮度低于最大强度的情况下相机才能获得正确的白平衡）的实时预览图像，下一步是平衡相机的红色，绿色和蓝色通道的输出。对于此步骤，请在镜头前放置一张白色（或均匀灰色）的卡片。如果在带透射光的显微镜上使用相机，请使用背景光源进行白平衡操作，方法是把样品从视野中拿走，单击应用程序软件中的白平衡功能。实时预览图像现在应显示灰色的结果。再把样品放到视野中，或从镜头前取下白卡，这时实时预览图像应该会显示出看起来准确的颜色- 但是，可能需要进一步微调才能获得最佳效果。

请注意，随着照明光源强度的调整，许多光源的色温会发生变化。灯的红色，绿色和蓝色的比率将随着功率水平的增加或减少而改变，或者如果有光学滤光片被添加到光路中。每次改变灯强度时，可能需要重新做白平衡调整。由于这个原因，我们建议在到达相机的光线发生变化时，首先调整相机的曝光时间。

不同制造商之间的个别显示器设置可能差别很大。重要的是要明白：相机产生的图像的外观最终会受到显视器本身调整的影响。如果颜色性能不符合您的预期，请确保显示器调整在正常工作范围内。

第三步 进阶调整

色彩校正矩阵（CCM）：由于人工照明无法产生全光谱，因此相机的响应因不同的照明光源而异。这意味着它们不会在所有可能的颜色频率上产生均匀的光量。色彩校正矩阵的目的是通过补偿光源中缺失的色彩频率，使相机尽可能忠实地再现场景的色彩。太阳光是唯一的全光谱照明光源。.

每一台相机都支持多个CCM，具体取决于应用软件。基本的是：白炽灯，荧光灯，卤素灯和日光灯。每个CCM都针对光源的光谱响应进行了调整，以提供与每个相机型号中特定传感器特性相匹配的最佳色彩性能。在某些情况下，所使用的照明可能无法由任何默认的CCM准确地表示，因此可以自定义颜色校正矩阵。在这种情况下，将创建自定义CCM以补偿光源的独特光谱特性，以确保相机正确还原颜色。

由于相机图像的外观受到如此多的配置设置（包括显示器）的影响，请选择产生您最合意的颜色响应的CCM，而不是仅依赖于与您的照明类型匹配的CCM名称。

图5A 日光CCM	图5B 白炽灯CCM
图5C 荧光灯CCM	图5D卤素灯CCM

伽马： 除目标场景和照明外，设置合适的伽马校正值取决于显示器的类型和质量。伽玛校正是通过在相机上查表实现的，其输出强度值会基于伽马设置的数值实时改变。默认值1.0适用于大多数平板显示器。可以根据显示器性能调整此值，直到它提供最佳颜色和亮度值范围的分离。

例如，如果在场景的较暗区域中可以辨别出不足的细节，这通常意味着应该增加伽马值。这将使这些区域变亮并改善图像的色彩性能。

图6A 伽马： 1.0	图6B 伽马： 1.25	图6C 伽马： 1.5

饱和度： 此参数更改输出颜色的显示方式。饱和度是观察颜色的特征。饱和的颜色被称为浓烈或生动。不饱和的颜色被称为弱，或褪色的。默认情况下，相机不会应用任何饱和度。大于默认值的值使图像的颜色更饱和，即颜色变得更鲜艳，而小于默认设置的值使图像更不饱和。将饱和度设置减小到最小值会从图像中删除所有颜色信息，从而产生黑白的图像。

例如，增加饱和度将使红色区域变得更红，绿色区域变得更绿，等等。这是有限的，超过该区域就会引入不正确的色调。通常，只需要在+/-30％的范围内调整饱和度，以实现相机的最佳响应。超出此范围的值将显著影响图像并导致较差的色彩性能。

图7A 饱和度：最小	图7B 饱和度：不变	图7C 饱和度：+25%

对比度，色调，亮度： 建议始终将这三个相机参数保留为默认值。即使是对色调的微妙改动也会使相机输出的颜色发生巨大变化。如果您在从相机获得准确的颜色响应方面遇到任何困难，请确认这些设置已重置（对比度：0，色调：0，亮度：0）。

去马赛克方法Demosaicing Method： 大多数彩色相机传感器使用黑白传感器，在每个像素上使用红色，绿色或蓝色滤光掩膜来获取颜色信息。这种方法的典型布局称为拜耳滤波器。从相机返回的原始图像仅包含在每个像素处测量到的光强度信息。为了从图像中提取颜色信息，使用去马赛克算法来合并相邻像素的值以确定每个像素位置的适当缺失颜色值。使用的像素个数和去马赛克方法都决定了每种算法的颜色插值的准确性。.

通常，相机将使用更快但质量更低的去马赛克方法进行实时视频预览，因为视频刷新率优先于要解析的最精细细节。当使用快照模式从相机获取图像时，应用软件将使用最高质量的去马赛克方法。

在大多数情况下，设置适当的CCM和去马赛克方法以及适当的白/色平衡将产生出色的效果。有时可能需要增加伽玛和饱和度以改善图像的色彩性能并使色彩更加鲜明。

关于TELEDYNE LUMENERA CORPORATION

TeledyneLumenera公司是Teledyne Imaging的一个业务部门，总部位于加拿大渥太华，是高性能数码相机和定制成像解决方案的领先开发商和制造商。Teledyne Lumenera相机在全球范围内广泛应用于各种工业，科学和安防应用中。.

作为全球市场领导者，Teledyne Lumenera提供各种各样的高品质数码相机，具有独特的速度，分辨率和灵敏度组合，可满足当今成像应用的需求。Teledyne Lumenera还为需要专业硬件和软件功能的OEM合作伙伴提供定制设计服务

核心竞争力包括USB3.1 Gen 1，USB2.0，以太网，HDMI和千兆以太网（GigE）等数字总线技术，以及完全掌握基于CMOS和CCD图像传感器构建的数字成像硬件和软件技术。我们的多样性为我们的客户提供了卓越的性价比和更快的上市时间。

Teledyne Lumenera Corporation
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