Що ви можете «вичавити» з мікроскопа USB

На лівому зображенні з пристрою «знімають» зображення. Право на обробку.

У цій статті я спробую досягти максимальної якості макрознімка з типового мікроскопа USB. Такі пристрої не призначені для фотографування мистецтва. Їх завдання полягає в тому, щоб швидко і легко вивчити дрібні деталі предмету. Однак я спробую з особливими умовами зйомки, після обробки та деяких інших способів частково згасити ці недоліки.

У статті написано «Основи за забаву» і по суті історія про те, як знайти найкращий результат. Не слід розглядати як рекомендацію. Якщо вам потрібна хороша макрофото, краще використовувати спеціальне обладнання для цього.

Мікроскоп USB


Усі макростріли в цій статті виготовляються за допомогою мікроскопа USB, що забезпечується Dudget (як ви так багато!).

Сам мікроскоп досить типовий для пристроїв цього класу. Веб-камера, встановлена на стенді, оснащена набором 8 світлодіодів для освітлення об'єкта, що знімається, і двома поворотними дисками для регулювання фокусу і ступеня освітлення.

Мікроскоп встановлюється на стіл, підсвічування перетворюється, а об'єкт під об'єктивом поміщається. Після цього потрібно орієнтуватися, і за допомогою програми з комплекту доставки - візьміть картину або запишіть відео. Фотографії зберігаються в форматі jpg і відео в форматі avi (без стиснення).

З статті про цей пристрій вже опубліковано на geektimes.ru (Я рекомендую вам прочитати статтю багато прохолодних фото і порівняння), я не повторю опис самого пристрою і його функціональності.

Для цілей цієї статті достатньо знати, що всередині пристрою є веб камера з додатковим модулем для освітлення та налаштування фокусу. Дозволяє переглядати зображення в режимі реального часу на комп'ютері з розширенням 20-200 разів і має дозвіл 1600 * 1280 пікселів.

Інші характеристики пристрою не мають особливого значення, але я скажу кілька слів про це наприкінці статті.

Частина 0. Picture.
Отже, перше, що потрібно зробити, це отримати зображення для обробки. Для цього можна скористатися стандартним додатком «MicroCapture» в комплекті. Або будь-який інший, який дозволяє захопити кадр з веб-камери.

р.


В якості тестового зображення я використовував шматок тканини, яка показує всі види артефактів.

Всі кадри в статті я заощаджу з роздільною здатністю 1600 * 1280 пікселів, так як це «нативна» роздільна здатність камери. Використовуючи різну роздільну здатність не має сенсу, якщо ми хочемо максимізувати якість фотографій, оскільки алгоритми інтерполяції знищать певну інформацію і ускладнює роботу з шумом.

Давайте подивимося на зображення на 100% масштабі.




Ви можете побачити, що фото дуже гучно. Ось ми йдемо.

Частина перша. Динамічний шум
Як зняти шум з фото?
Невеликий відступ для людей далеко від фотографії.Вся фото в основному базується на зв'язках трьох основних параметрів: чутливість матриці (ISO=100,200,400, ... і т.д.), швидкість затвору (задає час, що світло потрапляє в матрицю) і апертури (розмір «вікна» через який світло потрапляє на матрицю). Ці три номери визначають, скільки світла вдарить матрицю, і з якою помилкою цей світло буде оцифрований.

Нуз викликається відсутністю чутливості матриці. Можна уявити (хоча це не зовсім вірно), що чутливість просто фактор, за допомогою якого всі дані, що надходять від матриці, багатоплізовані. Зрозуміло, що менше світла надійшло до матриці через закриту апертуру або коротку швидкість затвору - чим більше даних з матриці потрібно перемножити, щоб зберегти прийнятну яскравість фінальної картини, а більші помилки в матриці будуть помітні - тобто шум.
Щоб зменшити шум, потрібно знизити ISO (чутливість), і зробити це, або відкрити отвір більше або збільшити швидкість затвору.
Але тут ми зіткнулися з технічним обмеженням – для цієї веб-камери, як і більшість інших, чутливість матриці не змінюється. Апертура нерегулюється, і швидкість затвору просто регулює кількість світла. І змінює програму регулювання рівня освітлення.

Ви можете збільшити зовнішній освітлення - але тоді вам доведеться зменшити швидкість затвору. Ви можете зменшити освітлення - тоді швидкість затвору збільшиться. У будь-якому випадку, фактична кількість світла на матрицю буде рівною і відповідно шум завжди буде однаковим (в темряві не вистачає світла і сигналу з камери просто помножується приріст, що призводить до більшого шуму).

Проксимус Ми не можемо збільшити швидкість затвору з камерою, тому ми повинні обходити її. Наприклад, ви можете зберегти кілька кадрів, а потім приклеїти їх в одну, знайти арифметичне значення для кожного пікселя. А ще краще записувати відео з сотень кадрів. Давайте спробуємо:





Зображення точно краще, практично зникне «малий» шум. Але якість все ще залишає бажати кращого, яскраві плями залишилися (3 з них виділяються на малюнку в жовтих смужках).





Справа в тому, що шум створюється випадкових відхилень від кольору, що матриця вважає «коррект». Але для дешевих матриць, які надягають в веб-камери – це значення «корекції» може бути помилкою. Іншими словами, очікування відхилень не схильна до нуля.

Це може бути легко видно, якщо ви «клейте» гладку картину, наприклад, повністю дефокусуючи зображення, щоб непотрібні деталі не заважали.



Один постріл. Клацніть - оригінально



Середня 200 кадрів. Яскравість збільшена на 2 рази, для чіткості.

Як видно, шум дуже значний. Деякі пікселі зазвичай зламані, інші утворюють смуги і зони спотвореного відтворення кольору. Якщо дистанційний шум можна назвати динамічним, то цей шум є постійним або статичним. Давайте спробуємо зняти його.

Статичний шум
Перша думка – ви можете використовувати вище зображення для виправлення рами. Просто відніміть середній колір з зображення і додайте сірий і збільшуйте контраст на 2 рази. В кінці ми отримуємо зображення, яке накладається на будь-який каркас - ми частково зменшуємо перешкоди.



Цей принцип використовується в післяобробці в деяких камерах, але в цілому це поганий розчин. Випадкові пікселі є відсутністю інформації, і незалежно від того, що ми ставимо на них, інформація не прийде з будь-якої точки.
Частково робочі пікселі викликають в кращому зниженні динамічного діапазону кольорів, а в найгіршому заверше спотворення кольору.

Ще одним рішенням є «дистирибуат» вплив кожного матриць на кілька пікселів кінцевого зображення. Це може бути досягнуто, якщо ви перемістите об'єкт, який буде видалений в межах невеликих лімітів, а потім «глухе» зображення, надані зміщенням. Таким чином, кожен пункт об'єкта представлений тільки в одному піксельі комбінованого зображення.

Переміщення шматка тканини своїми руками, отримав цей образ:





Для того, щоб приклеїти такі кадри, необхідно спочатку «стабілізувати» зображення, домогтися повного імовірності. Це може бути зроблено шляхом аналізу руху, наприклад, за допомогою OpenCV, але я пішов на простежний шлях - відстеження в третій стороні програми.

Після відстеження в AE, і “клеювання” кадри моєї утиліти – ми отримуємо цей результат.




При переміщеннях немає шуму, але виникло неприємний змащування, викликаний тим, що образ шуок і розмитий при переселенні.

Давайте спробуємо визначити ступінь розмиття зображення, щоб виключити розмиті рамки від заклеювання. Для цього я пройшов найпростіший спосіб – розрахував суму різниці між усіма сусідніми пікселів образу. Чим більше змащують зображення – тим ближче сусідні пікселі знаходяться в кольорі, що означає загальну суму модулів різниці – подарують деяку оцінку розмиття каркасу. Графік розмиття на тестовому зразок буде виглядати так:



Ви можете чітко побачити області, де я перемістив зображення, і він був змащений (графічна в цих місцях кілька кадрів внизу). Вирізати змащені рамки можна трохи поліпшити малюнок, але не буде суттєвих змін, рухи занадто різкі. Я хотів поліпшити результат, тому я пішов далі.

Автоматика
Припустимо, що я випадково мав кроковий двигун 28BYJ-48. Перед мікроскопом перемістіть об'єкт. Для тестування достатньо зробити простий поворотний стіл.

Переваги при відсутності змащування, а також уповільнення з треморами, зовнішній фокус і т.д. Звичайно, дуже зручно закріпити двигун безпосередньо до мікроскопа, для якого необхідно було друкувати кріплення, що складається з трьох фрагментів:





Але навіть в таких умовах відстеження далеко від ідеального. При збільшенні стає значною заглушкою, яка призводить до викривлення картинки, яка не може бути вирішена шляхом відстеження (ми повинні переключатися до відстеження в Мочі, але всі проблеми, які не вирішуються). Частина проблеми можна вирівняти, якщо порівняти всі кадри послідовності з першими, а при наявності значних відхилень – просто не враховують цей каркас.

Для типової послідовності, графік винятку виглядає так:





Ви можете побачити, що з часом скатер накопичується, оскільки кожен кадр порівнюється з першим. Також помітні гострі стрибки, ці точки відповідають помилкам відстеження.

Результат:

тканина


цукор


Глибина поля розчаровує, але її також можна виправити. Давайте з бронюванням, але приклеюємо разом з декількома зображеннями з різними точками фокусу, можна з більшою глибиною поля.

Результат:



71875


Всі зображення натискаються.

І ось приклад роботи на звичайному об'єкті (золотій сережці).

Вилучено тільки звичайний шум + зшиті 2 зображення з різною глибиною фокусу,Сирий постріл. , Україна

Обробка.



Висновок

«Digitalscope» надала компанія Dudget.

Джерело: geektimes.ru/company/dadget/blog/249662/