Цифровое изображение

Рис.30.

Знания о цифровых изображения важны для понимания действия различных алгоритмов преобразования и обработки отдельных изображений и серий. Далее изложены базовые сведения о цифровых изображениях.

Цифровое изображение, полученное с помощью цифровой камеры или конфокального микроскопа, является растровым. Оно сформировано горизонтальными (ось Х) и вертикальными (ось Y) рядами элементарных единиц изображения – пикселей (pixel – pic ture el ement), которые можно увидеть, увеличив часть изображения на мониторе (рис.30). Чаще всего пиксели имеют соотношение сторон – 1: 1, т.е. являются квадратными.

Рис.31

Глубина цвета. Важной характеристикой цифрового изображения является глубина цвета, которая определяется количеством градаций серого при переходе от черного цвета к белому и измеряется в битах. В случае битового изображения (1 бит), пиксели могут быть либо черными (значение яркости 0), либо белыми (значение яркости 1), без переходных серых тонов. Таким образом, все изображение описывается только двумя цветами. Наиболее часто встречаются изображения с глубиной цвета 8 бит. При этом каждому пикселю изображения соответствует значение яркости в диапазоне от 0 до 255 – то есть всего 2⁸ = 256 градаций серого (рис.31). Такое количество переходных значений яркости удовлетворяет запросам большинства задач флуоресцентной и конфокальной микроскопии в биологии. Иногда используют и другие значения глубины цвета: 10 бит – 1024 градаций серого, 12 бит – 4096 градаций. Рассмотренные случаи описывают черно-белые изображения.

Цветные цифровые изображения отображаются на мониторе в цветовом пространстве RGB. Здесь цвет любого пикселя задается смешением трех основных цветов – красного (R ed), зеленого (G reen) и синего (B lue) в разных пропорциях. Если каждый из этих цветов описываться в формате 8 бит, то всего на пиксель потребуется 24 бита. Изображение с такой глубиной цвета может передавать более 16 миллионов различных оттенков и называется True color. Существуют и другие форматы, но они реже используются в работе с цифровыми изображениями. Иногда удобно представлять цветные изображения в другом цветовом пространстве – HSL (Hue – тон, Saturation – насыщенность, Lightness – яркость). Этот способ близок к тому, как человеческий мозг различает цвета. Тон здесь определяет длину волны видимого света, насыщенность показывает количество (чистоту) цвета данного тона, где 100% соответствует полному насыщению, а яркость – это относительная интенсивность цвета, где 0 – черный цвет, а 100 – белый.

Другой важнейшей характеристикой изображения является его разрешение. Разрешение показывает, каким количеством пикселей описывается данное изображение. Оно может быть определено либо как количество пикселей в изображении по горизонтали и вертикали (напр. 512х512), либо через количество пикселей на дюйм изображения (dpi – dots per inch). Второй вариант чаще используется при сканировании и печати изображений.

Для того чтобы получить качественное изображение в компьютерной микроскопии важно правильно подобрать разрешение цифровой камеры или разрешение при сканировании в конфокальном микроскопе. Дело в том, что каждый пиксель изображения, полученного в компьютерной микроскопии, несет в себе информацию об участке исследуемого объекта известной площади. При увеличении размеров пикселей происходит потеря разрешения в конфокальном или флуоресцентном микроскопе (рис.32). При уменьшении – разрешение улучшается до определенного предела, обусловленного возможностями разрешения оптической части микроскопа. При дальнейшем увеличении разрешения на изображении могут появляться структуры, которые на самом деле отсутствуют на образце.

Рис.32. Уменьшение разрешения изображения влечет за собой потерю деталей объекта, хотя оптическая система микроскопа позволяет различить эти детали. Клетки карциномы HEp-2. Красный цвет – митохондриальный потенциал (краситель TMRM), синий – ядро (краситель DAPI). Слева – изображение с разрешением 500× 420 пискелей, справа – 50× 42.

Рис.33. Оптимальное разрешение цифрового изображения для микроскопии. Между пиками на дифракционной картине точек должно укладываться три пикселя.

Разрешение изображения надо подбирать, основываясь на оптическом разрешении объектива. Размер пикселя следует установить равным, по крайней мере, 1/2 разрешения объектива, но лучше – 1/3 (рис.33). Например, если разрешение объектива составляет 278нм, то размер пикселя будет равен 93 нм. Дальнейшее уменьшение размера пикселя не позволить выявить новых деталей изображения, но грозит появлением артефактов. Эти расчеты относятся, в большей степени к конфокальной микроскопии, поскольку для традиционной флуоресцентной микроскопии количество пикселей в изображении зависит от используемой цифровой камеры и возможности изменять размер пикселя сильно ограничены. Другие параметры, которые необходимо учитывать при подборе разрешения – это время захвата изображения, поскольку при увеличении количества точек увеличивается время сканирования одного кадра. Кроме того, при увеличении количества пикселей увеличивается плотность лазерного излучения, действующего на объект, что может негативно отражаться на живых клетках.