Что можно «выжать» из usb-микроскопа
Слева — «сырые» кадры с устройства. Справа — обработка.
В этой статье постараюсь добиться максимального качества макроснимка от типичного usb-микроскопа. Такие устройства – не предназначены для получения художественных фотографий. Их задача — позволить быстро и легко рассмотреть мелкие детали предмета. Однако я постараюсь специальными условиями съемки, постобработкой и некоторыми другими способами отчасти нивелировать эти недостатки.
Статья написана «Just for Fun» и по сути является рассказом о пути поиска лучшего результата. Не стоит рассматривать ее как рекомендацию. Если вам нужна хорошая макрофотография — лучше всего воспользоваться для этого специальной аппаратурой.
USB-микроскоп
Само по себе устройство микроскопа достаточно типично для устройств этого класса. Web-камера закрепленная на подставке оснащена набором из 8 светодиодов для подсветки снимаемого объекта, и двумя поворотными дисками для регулировки фокуса и степени освещенности.
Микроскоп устанавливается на стол, включается подсветка, и под объектив кладется исследуемый предмет. После чего необходимо навести фокус, и с помощью программы из комплекта поставки — сделать снимок или записать видео. Фотографии сохраняются в формате jpg, а видео в формате avi (без сжатия).
Так как статья об этом устройстве уже публиковалась на geektimes.ru (рекомендую ознакомиться, в статье много классных фотографий и сравнений) то я не буду больше повторяться описывая само устройство и его функционал.
Для целей этой статьи достаточно знания того, что внутри устройство представляет собой web-камеру с дополнительным модулем подсветки и регулировки фокуса. Позволяет в реальном времени просматривать на компьютере изображение с увеличением в 20-200 раз, и имеет разрешение матрицы 1600*1280 пикселей.
Остальные характеристики устройства особого значения не имеют, но я еще скажу о нем несколько слов в конце статьи.
Часть 0. Снимок
Итак, первым делом необходимо получить изображение для обработки. Для этого можно воспользоваться стандартным приложением «MicroCapture» входящим в комплект поставки. Или любым другим, позволяющем захватывать кадры с web-камеры.
В качестве тестового изображения я использовал кусочек ткани, на нем хорошо заметны все типы артефактов.
Все кадры в статье я буду сохранять с разрешением 1600*1280 пикселей, так как это «родное» разрешение камеры. Использовать другое разрешение не имеет смысла, если мы хотим получить максимальное качество фотографий, т.к. алгоритмы интерполяции уничтожат часть информации и затруднят работу с шумами.
Посмотрим полученное изображение в 100% масштабе.
Видно что фотография сильно зашумлена. Начнем.
Часть первая. Динамический шум
Вся фотография, по сути основана на взаимосвязи трех главных параметров: чувствительности матрицы (ISO=100,200,400,… и т.п.), выдержки (задает время которое свет попадает на матрицу) и диафрагмы (размеру «окна» через которую свет падает на матрицу). Эти три числа определяют сколько света попадет на матрицу, и с какой погрешностью этот свет будет «оцифрован».
Шумы возникают из-за недостатка чувствительности матрицы. Можно представить (хоть это не совсем верно), что чувствительность, это просто коэффициент на который умножаются все данные пришедшие с матрицы. Понятно, что чем меньше света пришло на матрицу из за закрытой диафрагмы или короткой выдержки – тем на большее число нужно будет умножить данные с матрицы для того чтобы сохранить приемлемую яркость итоговой картинки, и тем больше будут заметны погрешности работы матрицы – т.е. шум.
Чтобы уменьшить шум – нужно понизить ISO (чувствительность), а для этого – либо больше открыть диафрагму, либо увеличить выдержку.
Но тут мы сталкиваемся и техническим ограничением – у данной web-камеры, как и у большинства других – чувствительность матрицы вообще не изменяется. Диафрагма – нерегулируемая, а выдержка – просто регулирует количество света. И именно ее меняет программа подстраиваясь под уровень освещенности.
Можно усилить внешнюю подсветку – но тогда придется сократить выдержку. Можно уменьшить подсветку – тогда выдержка увеличиться. В любом случае, фактическое количество света на матрице будет равным и соответственно шумы будут всегда одинаковыми (в темноте света недостаточно и сигнал с камеры просто умножается на коэффициент усиления, что приводит к еще большим шумам).
Итак. Мы не можем увеличить выдержку средствами камеры, значит остается делать это в обход нее. К примеру, можно сохранить несколько кадров, а потом склеить их в один, найдя среднее арифметическое для каждого пиксела. А еще лучше записать видео, из сотен кадров… Попробуем:
Изображение стало однозначно лучше, практически исчез «мелкий» шум. Но качество по-прежнему оставляет желать лучшего, остались яркие точки (3 из них выделены на рисунке желтыми полосками).
Дело в том, что шум создается случайными отклонениями от цвета который матрица считает «правильным». Но для дешевых матриц которые ставят в web-камеры – это «правильное» значение может быть ошибкой. Иными словами, математическое ожидание отклонений не стремиться к нулю.
Это можно легко увидеть если «склеить» ровную картинку, например, полностью расфокусировав изображение, чтобы не мешали лишние детали.
Один кадр. По клику — оригинал
Среднее из 200 кадров. Яркость увеличена в 2 раза, для наглядности.
Как видим шумы очень значительны. Некоторые пиксели вообще битые, другие образуют полосы и зоны искаженной цветопередачи. Если удаленный шум можно назвать динамическим, то этот – постоянный, или статический. Попробуем снять и его.
Статический шум
Первая мысль – можно использовать полученное выше изображение для коррекции кадра. Просто вычтем из изображения средний цвет и прибавим серый и увеличим контраст в 2 раза. В итоге получим изображение, наложив которое на любой кадр – мы отчасти сократим помехи.
Подобный принцип используется при постобработке в некоторых камерах, но в целом — это плохое решение. Битые пиксели – это отсутствие информации, и что бы мы на них не накладывали – информация ниоткуда не возьмется.
Частично рабочие пиксели – вызывают в лучшем случае сокращение динамического диапазона цветов, а в худшем – полное искажение цвета.
Другое решение – «распределить» влияние каждого пикселя матрицы по нескольким пикселям итогового изображения. Этого можно добиться если смещать снимаемый объект в небольших пределах, а потом «склеить» изображения учитывая смещения. Так чтобы каждая точка объекта представлена была только в одном пикселе совмещенного изображения.
Двигая кусочек ткани руками я получил такое изображение:
Для того чтобы склеить такие кадры – нужно вначале «стабилизировать» изображение, добиться полной неподвижности. Это можно сделать проанализировав движение, например, с помощью OpenCV, но я пошел по более простому пути – выполнив трекинг в сторонней программе.
После трекинга в AE, и «склейки» кадров моей утилитой – получим такой результат.
Заметно что шума нет, но появилось неприятная смазанность, вызванная тем, что при смещении изображение дрожало и размывалось.
Попробуем определить степень размытости изображения, чтобы исключить из склейки смазанные кадры. Для этого я пошел самым простым путем – вычислял сумму разницы между всеми соседними пикселями изображения. Чем более смазано изображение – тем более близки по цвету соседние пиксели, а значит общая сумма модулей разности – даст некую оценку размытости кадра. График размытости по тестовой выборке будет выглядеть так:
Хорошо видны зоны где я двигал изображение, и оно размазывалось (график в этих местах на несколько кадров опускается вниз). Отсекая смазанные кадры можно немного улучшить картинку, но значительного изменения не будет, движения слишком резкие. Я хотел еще улучшить результат, поэтому пошел дальше.
Автоматизация
Предпосылкой к дальнейшему явилось то, что у меня случайно оказался шаговый двигатель 28BYJ-48. Пусть лучше он двигает объект перед микроскопом. Для теста вполне достаточно сделать простой вращающийся рабочий стол.
Преимущества в отсутствии смазывания, и возни с дрожаниями, уходящим фокусом и т.п. Конечно удобнее всего закрепить двигатель прямо к микроскопу, для чего пришлось распечатать крепление, состоящее из трех фрагментов:
Но даже в таких условиях трекинг далеко не идеальный. При увеличении становится существенным rolling shutter и перспективные искажения, что приводит к искривлению картинки которые невозможно решить трекингом (пришлось переключиться на трекинг в Mocha, но всех проблем это не решило). Отчасти проблемы можно нивелировать если сравнивать все кадры последовательности с первым, и при наличии существенных отклонений — просто не учитывать этот кадр.
Для типичной последовательности график исключений выглядит так:
Видно, что со временем разброс накапливается, т.к. каждый кадр сравнивается с первым. Также заметны резкие скачки, эти точки соответствуют ошибкам трекинга.
Итогом работы стали изображения:
Огорчает малая глубина резкости, но это тоже поправимо. Пусть с оговорками, но склеить из нескольких изображений с разной точкой фокуса, одно, с большей глубиной резкости вполне возможно.
Результат:
Все изображения кликабельны.
А вот пример работы на обычном объекте (золотой сережке).
«Сырой» кадр.
Обработка.
В эксперименте использовался «Цифроскоп» предоставленный компанией Даджет.
Источник
USB-микроскоп и его применимость для заточки
Микроскопы обозревались уже не раз. Внесу свой вклад. Я его покупал с конкретной целью- для использования в заточке. Даже не для заточки как таковой, а для фиксации результатов и возможности их наглядно представить.
Те, кто читал мои обзоры по заточке, видели, что я уже пользовался USB-микроскопом. Но была одна проблема. Я пользовался микроскопом, который находится у меня на работе. Это очень сильно меня ограничивало. Чтобы показать поэтапно заточку ножа, мне приходилось делать это в течение нескольких дней: проточил одним камнем- съездил на работу, отснял-проточил следующим-съездил на работу, отснял… Мягко говоря, неудобно.
Использовал я, к слову, ЛОМО Prima expert.
Понятно, что долго так продолжаться не могло, нужен был собственный микроскоп. Совпало так, что ко мне обратился представитель магазина www.eachbuyer.com с предложением взять какой-нибудь образец на обзор. Представитель сказал, что предлагают свободный выбор образцов, согласны с объективным описанием. Условия нормальные, в итоге я заказал на пробу этот микроскоп.
ОЖИДАНИЯ
Иллюзий у меня не было.
Я прекрасно понимаю, что увеличения 600-крат там нет и быть не может. Я понимаю, что это не микроскоп в буквальном смысле этого слова, а игрушка, выполняющая функции микроскопа.
Тем, кто надеется купить микроскоп по цене игрушки, я советую перестать верить в сказки. Не может нормальный микроскоп весить 300-500 граммов, не может он и стоить 50-100-150 долларов.
Поинтересуйтесь ценами на полноценные микроскопы, такие как Микмед-2, PEAK 2008, Bresser Science ETD-101, МБС-200 или хотя бы МБС-10. Хотя бы на Б/У. Почувствуйте разницу, как говорится. И обратите внимание, что увеличение Х100 в мире реальных микроскопов- это уже серьезно.
Полноценный микроскоп- это качественная оптика, монументальная тяжеленная конструкция из металла, прецизионный механизм регулировки.
Собственно, ЛОМО Эксперт прима, которым я пользовался до этого, хоть и стоит 7650руб (сколько это? Долларов 170 или около того?) на гордое звание «микроскоп» тоже ну никак не тянет. Сделан в принципе добротно, аккуратно… но только по меркам игрушки. Закрепленный на штативе микроскоп люфтит, из-за чего четкое изображение приходится ловить, и порой ловить долго, точность регулировки винтами «плюс-минус лапоть».
Короче говоря, иллюзий у меня не было.
Изначально предполагалось, что получу игрушку. Легкий пластиковый штатив физически не может обеспечить нормальное закрепление микроскопа и точную регулировку, значит, фокус придется ловить. Сам по себе микроскоп прост- пластиковые линзы с механизмом регулировки (далеко не прецизионным) и недорогая веб-камера. Никаких 600 крат там нет и в принципе быть не может, реально можно рассчитывать на 100 крат или около того.
И сказанное относится не только к герою обзора, а в принципе к любому подобному микроскопу.
Главная интрига касалась другого:
-будет ли микроскоп сопрягаться и нормально работать с компьютером?
-будет ли брак?
-Самое главное: позволит ли он мне сделать нормальные снимки режущей кромки ножа и абразивов?
Надеялся, что по всем трем пунктам будет порядок.
ПОЛУЧЕНИЕ
Распаковку снимать не стал. Просто скажу, что упаковано было на совесть. Коробочка повреждений не получила.
Коробка, кстати, понравилась. Вполне прилична для подарка
На нижней части указаны параметры микроскопа.
ВПЕЧАТЛЕНИЯ
Сборка микроскопа предельно проста. Нужно вертикальную стойку прикрутить к пластиковой опоре.
В опоре выступает штырек, а в стойке есть под него углубление.
Только вот при изготовлении производитель перепутал стороны. Если совместить штырек и паз, то стойка оказывается закрепленной задом наперед:
А если установить микроскоп в нужную сторону, то стойка становится криво:
Весело, что тут скажешь. Штырек можно сточить, но сам факт… китайское качество.
Микроскоп легко закрепляется в соответствующем держателе.
Настройка увеличения производится регулировочным колесиком. Ход плавный, настройка выполняется без проблем. Уже хорошо.
В целом конструкция штатива, предусматривающая, что микроскоп нависает вертикально над предметным столиком, удобнее, чем вариант, при котором микроскоп направлен вниз под наклоном, а штатив имеет снизу ножку.
Чтобы сфокусировать, микроскоп нужно перемещать вверх/вниз, используя колесико на штативе. Вся конструкция при этом ходит ходуном, любое прикосновение штативу или микроскопу моментально сбивает фокус. Неприятно, но ожидаемо. На ЛОМО то же самое, хотя и сделано более добротно. Чтобы была нормальная фокусировка и плавная регулировка, нужен нормальный штатив. А нормальный штатив- это примерно 150 евро и вес больше килограмма, лучше если несколько килограммов, и к нему еще желательно координатный столик, который стоит и весит примерно столько же.
В этом и проявляется разница между игрушкой и профессиональным оборудованием. Если на игрушке тратишь уйму времени, пытаясь поймать постоянно ускользающий фокус, то на профессиональном оборудовании просто настраиваешь его точными движениями.
Подсветка обеспечивается светодиодами.
Отрегулировать яркость можно колесиком, закрепленном на шнуре.
Понравилось наличие крышечки, закрывающей оптику. Защита от пыли- это однозначный плюс.
Установка программы прошла без проблем и очень быстро. Пробовал на Windows XP и 7. Программа не русифицирована, но интуитивно понятна.
В программу встроено что-то вроде простенького графического редактора, позволяющего наносить на изображение всевозможные метки и надписи, проводить параллельные прямые, измерять углы и т.д… Большинство из этих инструментов мне не требуется сейчас, но ситуации бывают разные.
Зато полезной является функция калибровки. К микроскопу прилагается линеечка для калибровки.
Запустив программу, можно замерить расстояние по линейке, а потом вбить полученные значения (миллиметры, количество пикселов и увеличение) в соответствующее меню. Теперь, когда вы открываете файл с изображением, можете провести линию, и программа покажет, сколько мм или см эта линия в длину. Причем прямоугольник, в которое вписано значение, можно мышкой перетащить в удобное вам место. Очень удобная функция, т.к. желательно указывать какие-то ориентиры, позволяющие представить размер объекта в кадре.
Не понравилось то, что программа отказывается работать при не подключенном микроскопе. Если мне надо поработать с фотографиями, которые я раньше наснимал, то на кой черт мне подключать к компьютеру микроскоп?
Фокусное расстояние у этого микроскопа всего 0-40мм в зависимости от выбранного увеличения. На практике это означает, что микроскоп должен быть фактически прижат к исследуемому объекту.
Иногда это плюс, иногда минус.
Если использовать микроскоп без штатива, то это плюс: можно водить микроскопом в моем случае вдоль ножа, менять угол наклона, чтобы лучше рассмотреть детали. ЛОМО таким образом использовать неудобно, потому что держа микроскоп на весу поймать фокус практически нереально.
А если использовать со штатива, то ситуация обратная- прижимание микроскопа к объекту (в моем случае к ножу)- это неудобно.
СРАВНЕНИЕ С ЛОМО
-ЛОМО в целом сделан добротнее, особенно это касается штатива. Люфт установленного на штатив ЛОМО намного меньше, чем у китайского (хотя, ЛОМО, как говорят, тоже сейчас делают в Китае). Это производит гораздо более приятное впечатление, но, увы, практически не влияет на работу. Поймать фокус тяжело на обоих микроскопах.
-Регулировка увеличения у китайского удобнее.
-Регулировка яркости подсветки у ЛОМО осуществляется через программу, причем есть подсветка на микроскопе и на предметном столике снизу. Мне нижняя подсветка ни к чему, но в целом система явно универсальнее и надежнее.
-Предметный столик у ЛОМО очень неудобен для осмотра ножей.
-китайский микроскоп удобнее, если нужно использовать без штатива.
Ну и для сравнения фотографии калибровочной линейки
ЛОМО:
Китайский:
Микротекст на купюре 1000 тенге.
ЛОМО:
Китайский:
В целом на мой взгляд китаец выиграл.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПО ПРЯМОМУ НАЗНАЧЕНИЮ
Главной целью приобретения было использование микроскопа для подготовки обзоров по заточной теме. Требовалось, чтобы на фотографиях видно было детали абразивов, риски на режущей кромке ножа.
Справляется ли этот микроскоп с задачей? Судите сами:
1.Заточенные ножи
2.Грубозаточенный и потом подтупившийся нож
3.полностью тупой нож, который непонятно как точили
4.крупинки карбида кремния F60
5.поверхность камня Black Arkansas
6.поверхность камня Washita
7. тоже Washita, но поработавший. Видна структура камня и частички металла
8.женский волос, перерезанный заточенным ножом.
По-моему, вполне приличный результат. Точнее, результат сам по себе отстойный, если знаешь, как работает профессиональная оптика. Но с учетом того, что он получен игрушкой за 30 долларов и если сравнить со многими другими микроскопами за 20-50 долларов, результат сравнительно неплохой. Самое главное, что он достаточен в рамках моих целей: в принципе, с помощью таких картинок я вполне могу наглядно показать то, о чем говорю в своих обзорах
Сказать, что микроскоп мне понравился, что он меня полностью устраивает, не могу. Есть недостатки. Есть явный косяк с узлом крепления стойки к основанию. Но главная причина неудовлетворенности- не изъяны конкретно этого экземпляра, а то что все микроскопы такого класса остаются игрушками, не позволяющими работать комфортно и получать по-настоящему хорошую информативную картинку.
С другой стороны, микроскоп работает и при этом выдает картинку, которая лучше, чем у многих китайских аналогов. Цена 30 долларов не является очень низкой, но в целом вполне неплоха. А сравнивать эти микроскопы по характеристикам бесполезно. «вот тоже микроскоп с теми же параметрами»- это фраза, которая в данном случае не несет никакой смысловой нагрузки. Все эти написанные на коробке Х200, Х600, Х800 ничего не значат, это надписи на заборе. Надо смотреть, какую реально картинку выдаст микроскоп
Для моих целей микроскоп в принципе подходит. Последующие обзоры по заточной теме будут уже с его применением. Я бы, конечно, предпочел получить нормальный микроскоп с гораздо более информативной картинкой и, самое главное, нормально работающим механизмом, позволяющим нормально фокусировать, просто настраивать изображение, а не долбаться, пытаясь как-то что-то поймать. Но я не готов выложить ради этого сумму от тысячи долларов и выше, а все, что в пределах 200-500 долларов- это игрушки, которые отличаются друг от друга в деталях, но обеспечивают никакого качественного скачка.
Немного удивило, что по качеству снимков он обошел ЛОМО. Когда я начал собирать китайца и оценил хлипкость и кривость конструкции, то подумал, что он вообще ничего не покажет.
Кому еще может подойти такой микроскоп?
-Ребенку, у которого есть соответствующие интересы, какому-нибудь юннату.
-тем, кто работает с электроникой. У меня есть друг, который заказал себе на фирму то ли 6, то ли 8 китайских USB-микроскопов
-добавьте от себя.
Товар предоставлен магазином бесплатно для обзора
По традиции видеоверсия обзора:
КУПОН
Сейчас цена возросла, но можно использовать купон
при использовании купона EBFORUM12 предоставляется скидка 12%. Купон действителен до 06.12.2014
Источник