圖森TCC-3.3ICE-N評測報告.doc

圖森TCC-3.3ICE-N CCD與成像軟件TSView7測評方策（論壇ID：阿貓）平時在實驗室接觸的顯微成像設備大多是德國或日本的，幾乎沒有接觸過國產的顯微成像設備。在很多人眼中，“國產”就是低端，廉價，質量差的代名詞，所以很想了解一下國貨的質量到底如何，都說與進口貨有差距，差距在哪，到底有多大。于是我就報名參加了這次活動，希望能從中找出一些答案。在此感謝圖森公司和中國顯微圖像網讓我們有這么好的一個試用機會。本次測試的是圖森圖像公司提供330萬像素顯微熒光用冷CCD：TCC-3.3ICE-N及附帶的圖森圖像軟件。本文主要分CCD圖片拍攝和軟件圖片處理兩部分進行測評，本次測試的顯微鏡有Zeiss Imager A1和Z1，Leica 205 FA，Nikon MZ800，分別測試了圖森相機在生物熒光顯微鏡與體視顯微鏡的適用情況，通過多種動植物及微生物樣品測試了圖森相機在明場，DIC，相差和熒光觀察時的成像質量。正好Imager A1和Z1顯微鏡有兩個接口，在明場，DIC，相差和熒光觀察時都使用了Zeiss AxioCam HRc相機進行了拍照對比，采用的像素分辨率是供選擇中的，與TCC-3.3ICE-N（20481536）最相近的27762080。由于兩款相機的價格相差好幾倍，所以以下的對比測評是摒棄相機價格的純技術比較，性價比的問題后面我也會談到。相機對比測評時，盡可能保證拍攝條件一致，采用的均是圖片中某一小區(qū)域100%原始大小進行比較，且圖片均未經過后期處理，原圖出片（比較軟件圖像處理功能時除外）。相機外觀與軟件操作界面簡介第一眼看到圖森這款CCD的時候，比想象中的要小一點，不過拿在手里面感覺還是挺有分量的。相機結構設計緊湊，采用的是C型接口，通用性很高，可以很方便地搭載在我們實驗室現(xiàn)有的各種顯微鏡上（圖1）。正上方有個很可愛的小風扇，用于散熱，讓我聯(lián)想起顯卡上的小風扇。光盤中的說明書同時配有圖片和文字說明，還是挺詳細易懂的。按照提示，安裝相機驅動，圖像軟件也十分簡單快捷。相對于國外一些圖像軟件來說，軟件界面感覺相對簡單，外觀有點類似Windows中的資源管理器，不過這也有利于使用者能夠快速上手（圖2）。軟件中央有個CCD的圖標，雙擊后就可以進行實時預覽了?？梢赃M行單張圖片拍攝，也可以進行視頻錄制，在下拉菜單中可以對圖片格式，文件命名方式，視頻格式，視頻壓縮格式等等參數進行設置。曝光時間可以設為自動和手動調節(jié)，大部分用透射光觀察的樣品拍攝時自動曝光還是基本準確的，對于拍攝熒光樣品或亮度分布差異較大的樣品，很多時候就需要用到手動調節(jié)曝光了。圖像拍攝窗口中有個“剪切”鍵，可以自由選定感興趣區(qū)域進行截取拍照；或者先通過剪切一個小區(qū)域進行對焦，然后取消剪切效果進行全區(qū)域拍攝。這個功能操作很簡便，而且實用性很強，贊一個！圖1. 連接圖森TCC-3.3ICE-N相機的Zeiss Imager A1（左上），Z1（右上）熒光顯微鏡，Leica M205 FA體視熒光顯微鏡（左下）與Nikon SMZ800體視鏡（右下）。圖2. 圖森圖像軟件TSView7操作界面一、CCD拍攝測評（一）、生物鏡透射光樣品拍攝1明場拍攝（色彩還原，白平衡測試）首先測試下標準切片，選用的是Leica共聚焦配備的Convallaria鈴蘭草切片（圖3）。曝光時間調好后，再點擊自動白平衡，對于染色豐富的樣品自動白平衡會出現(xiàn)較大偏差（圖4左）。對于這種情況，建議把視野移至完全空白處先做自動白平衡，然后再移至感興趣區(qū)域進行拍攝，這樣白平衡就準確多了（如圖4右）。拍出來的照片色彩還是挺討人喜歡的。再看63油鏡下的成像，色彩還原還是相當準確的（圖5）。對于色彩不太豐富的樣品，自動白平衡一般都挺準確的（如圖6）。圖3. Leica顯微鏡測試片-Convallaria鈴蘭草切片圖4.白平衡測試，Convallaria鈴蘭草切片，從左到右依次為圖森TCC-3.3ICE-N + 自動白平衡；圖森圖森TCC-3.3ICE-N + 先空白處白平衡再重新構圖拍攝。圖5. Convallaria鈴蘭草切片，63物鏡下圖森相機拍攝，色彩還原準確圖6. 甲苯胺藍染色的植物葉片切片，白平衡基本準確。當我拍攝擬南芥原生質體的時候，拍出來的綠色不夠亮麗（如圖7左），這種情況可以通過選用相機設置中“色彩增強模式”，效果會改善很多（如圖7中）。蔡司相機拍攝的效果正好處于兩者之間，放大仔細看會覺得顏色看起來稍微自然一些。圖7. 色彩還原測試，擬南芥原生質體BF拍攝效果對比。從左到右依次為圖森TCC-3.3ICE-N + 自動白平衡；圖森圖森TCC-3.3ICE-N + 先空白處白平衡后拍攝；Zeiss AxioCam HRc + 手動白平衡。2DIC樣品拍攝（動態(tài)范圍，細節(jié)表現(xiàn)力，背景噪音，圖片采集速度測試）手頭上正好有個真菌的樣品，菌絲會纏繞在葉毛上，由于葉毛的折光性，葉毛亮度會很強，正好可以用這個樣品來測試下相機的動態(tài)范圍。由于這兩款相機采用的CCD，靈敏度，連接光路等各方面參數都有差異，所以我測試的方法是通過調曝光時間把菌絲拍成相近的亮度，此時再來比較葉毛部分的曝光情況。如圖8圖8. 動態(tài)范圍測試，葉毛上的菌絲DIC拍攝，左為圖森相機拍攝，右為蔡司相機拍攝 再通過一個動物細胞的DIC成像效果來對比一下相機的細節(jié)表現(xiàn)力。從圖9中圖森相機的效果來看，細胞核周圍的物質顆粒感清晰，細胞核邊界清晰，跟蔡司的相差不大。圖9. 細節(jié)表現(xiàn)力測試，動物細胞（63DIC）再來看看相機的背景噪音控制得如何。樣品是我從自己養(yǎng)的富貴竹花瓶中取出的一滴水。仔細觀察了下，大概有3,4只小蟲子和一丁點藻類，看來我們學習室還是挺干凈的。有2只紅色眼點的蟲子，配上DIC效果很漂亮，但是這個小蟲子太活躍了，一直爬個不停，相機反應有延遲，我只能等著水分慢慢蒸發(fā)了，過了段時間終于變得老實些了，趕緊拍，別一會兒給干死了。從圖10中可以看出圖森相機拍出的圖片背景中分布著一些雜色噪音，而蔡司相機拍出的背景很光滑干凈（注：由于拍攝這組圖片時對軟件操作不夠熟悉，沒有留意相機的增益情況，背景噪音過高有可能是相機ISO自動增益所引起的，如果降低ISO增益會相應的降低背景噪音，詳情請參見后面熒光成像中的ISO增益測評）。圖10. 背景噪音測試，原生動物DIC拍攝，圖片原始尺寸局部細節(jié)對比，左為圖森相機拍攝，右為蔡司相機拍攝，由于小蟲子的內臟蠕動，圖片下部有些發(fā)虛，兩張圖片均采用相同的曝光時間。這滴水中還有另外一種蟲子，這只蟲子身體動得比較慢，尾巴擺動的速度較快，正好測試下相機的錄像功能，同時也可以反映出相機的采集速度。錄像設置中選保存格式是AVI，如果不壓縮，拍幾秒鐘視頻文件就上百兆了，后來聯(lián)系工程師索要了格式壓縮的插件，安裝后再拍視頻，出來的文件就小多了，拍上100多張出來的文件也就幾兆大（圖11）。蟲子的身體動作較慢，所以成像基本正常，但是由于在采集過程中小蟲子的尾巴擺動，出現(xiàn)了一黃一藍的拖影（圖12）。在實時預覽時，移動樣品的時候也會出現(xiàn)黃藍拖影。圖12. 通過AVI視頻文件導出的GIF動態(tài)圖片（圖片經過壓縮處理，質量有所下降）圖13. 采集速度測試，原生動物DIC圖森相機拍攝。3相差樣品拍攝（細節(jié)表現(xiàn)力與白平衡測試） 通過圖14中動物細胞的相差拍攝效果來看，圖森相機的細節(jié)表現(xiàn)力還是略顯不足，但是在白平衡方面完勝蔡司相機。在拍攝這個樣品時，不論是用自動還是手動白平衡，蔡司相機都無法達到圖森相機的效果，這倒是有點出乎我的預料。圖14. 白平衡與細節(jié)表現(xiàn)力測試，動物細胞（20相差）透射光拍攝小結：從以上明場，DIC和相差三種透射光觀察模式拍攝圖片來看，圖森這款相機還是能很好地勝任多種樣品的拍攝的，只是不太適用于一些快速運動的樣品。自動白平衡可以通過對空白處白平衡來進行改善。色彩還原不錯，動態(tài)范圍，細節(jié)表現(xiàn)力和控噪能力表現(xiàn)還行，完全能滿足一般科研需求。整圖效果令人滿意。（二）、生物鏡熒光拍攝1熒光專用動植物測試切片 由于測試片中的熒光都較強，而且不易淬滅，所以對于以下幾種動植物組織切片的多色熒光成像，圖森相機表現(xiàn)還是不錯的，整圖效果令人滿意（圖15,16,17,18），跟蔡司相機拍出的效果相差無幾，在此就只列出圖森相機拍攝的圖片。圖15. 動物組織測試切片圖16. 動物組織測試切片圖17. 植物組織測試切片圖18. 植物組織測試切片2ISO增益與靈敏度對比當拍攝弱熒光時，自動曝光會自動把ISO增益至400，以縮短曝光時間和增強信號，但是此時背景噪音也會變得很強（圖19）。在不進行增益或低度增益的情況下，需要很長的曝光時間才能拍出適合亮度的熒光圖片，但是由于長時間曝光拍攝，圖片中GFP的顏色會變得有些泛青（圖19）。在不進行增益的情況下，對圖森和蔡司相機進行了靈敏度測試（圖19）。相比之下，圖森相機的靈敏度差了些。圖19. 圖森相機在各種ISO增益條件下，拍出相同亮度熒光照片所需要的曝光時間長短及信噪比對比圖19. 靈敏度對比，在不進行增益的情況下，拍出相同亮度熒光照片所需要的曝光時間長短（左為圖森相機，右為蔡司相機）。3自制動植物樣品實拍 對于強熒光樣品，圖森相機的表現(xiàn)一如既往地好，信噪比控制得很好（圖20），同時也可以進行錄像。（圖20）。 圖20. 擬南芥氣孔保衛(wèi)細胞中GFP標記的過氧化物酶體（左）和莖細胞中GFP標記的細胞核（右），細胞核中間的空洞推測是核仁。圖20. 熒光成像時的背景噪音對比，擬南芥莖細胞中GFP標記的過氧化物酶體。（左為圖森相機，右為蔡司相機）。生物鏡熒光成像小結：對于熒光成像，圖森相機表現(xiàn)不錯，信噪比較高。整圖效果還是令人滿意的。（三）、體視鏡拍攝測試完了生物顯微鏡，再來看看這小家伙在體視鏡上的表現(xiàn)吧。由于光學系統(tǒng)的差異，相同的樣品在體視鏡下要比生物鏡下的熒光弱很多，所以體視鏡下拍出的照片就不如生物鏡的那么漂亮了。由于時間限制并沒拿其他相機進行對比測評。下面就展示一些實拍圖片。圖21. 測試片中的紅色熒光圖22. 擬南芥花藥中的綠色熒光。熒光（左）+落射光（右）拍攝。圖23 圖24中擬南芥花藥放大拍攝，熒光（左）+落射光（右）拍攝。圖25. 擬南芥整張葉片中的綠色熒光，熒光（左）+落射光（右）拍攝。從圖25中可以看出葉片的落射光成像有點不正常，點了自動白平衡不管用。由于要熒光成像，我當時放葉片用的是一塊黑板，當我把葉片放在白板上，點自動白平衡，顏色恢復正常；當我再轉至黑板拍攝時，點自動白平衡，顏色還是不正常，在我點擊黑平衡后，顏色居然恢復正常了（圖26）但是背景黑板的顏色還是不正常。之前只知道在熒光拍攝時，當背景噪音很高時，點擊黑平衡可適當降低些噪聲，原來除此之外黑平衡還可以干這個用，后來才知道，拍攝熒光時要做黑平衡，算是學習了。圖26. 擬南芥葉片白平衡對照體視鏡拍攝小結：，圖森這款CCD無論是在體視熒光還是在落射光成像時，表現(xiàn)穩(wěn)定，效果也不錯。但相比于生物鏡，體視鏡下的熒光會稍微弱一些，此時拍攝更需要對相機的各種參數進行耐心的調節(jié)，拍攝所費時間會相對變長。CCD拍攝成像小結：圖森這款TCC-3.3ICE-N CCD，C型接口通用性高，能很好的整合到現(xiàn)有的各種顯微鏡上。相機成像色彩還原準確，在明場，DIC,相差和熒光等多種觀察模式下，成像質量穩(wěn)定，通過降低CCD溫度，背景噪音控制得也不錯，整體表現(xiàn)不俗，能滿足一般常規(guī)科研的需求。與Zeiss HRc相機相比，性價比遠遠高于國外進口的CCD。二、軟件功能測試（一）、圖像處理由于時間倉促，就介紹幾個常用和實用的圖像處理功能吧：1“鏡像”和“旋轉”：由于這兩款相機拍出來的像的方位是不一樣的，對比照片時，經常要使用這兩項。2“圖像合并”：用于多色熒光疊加3“亮度/對比度/伽馬值”：適當調節(jié)后可提高圖片的信噪比（圖27）4“閾值”：處理后，圖片中亮度低于所設閾值的像素點被顯示出黑色，高于閾值的則被顯示出白色。通過設定閾值為254處理圖11后，圖片中的白點就是亮度為255的像素點（即過曝點），這樣能更直觀地反映出相兩張圖片的過曝情況（圖28）。5“中值化”與“高斯模糊”：兩者是經典的平滑噪聲的方法。相對于處理前顆粒感很強的背景噪聲，處理后噪聲都顯得較為平滑（圖29）。兩者的區(qū)別在于，“中值化”對邊緣信息保存較好，而“高斯模糊”會使信號變得模糊，邊緣信息丟失嚴重（圖30）。6線性濾鏡中的“浮雕”：能把一張明場圖片變成一張輪廓清晰，立體感很強的圖片，效果很好。圖27. “亮度/對比度/伽馬值”調節(jié)效果對比，左為處理前，右為處理后。圖28. “閾值”處理效果，本圖是圖11經過“閾值=254”處理后的圖像，可以看到左邊（圖森相機）過曝區(qū)域的面積要遠遠大于右邊（蔡司相機）。圖29. “中值化”與“高斯模糊”處理效果，320%原始圖片尺寸效果比較。圖30. “中值化”與“高斯模糊”處理效果，2475%原始尺寸圖片效果比較。圖片左邊較暗處的信號為噪聲，右邊較亮處是信號，兩者都能使噪聲都顯得較為平滑，“中值化”對邊緣信息保存較好，而“高斯模糊”使信號變得模糊，邊緣信息丟失嚴重。圖31. 線性濾鏡中的“浮雕”處理，左圖為明場照片，右圖為處理后的效果圖，立體感很強。（二）、測量1比例尺校正測量之前要對比例尺進行校正，我用的是Carl Zeiss的5+100/100 mm的微尺（圖32）。首先要分別在不同物鏡下給校正微尺拍攝一張圖片（圖33），再通過軟件來制作比例尺。在對應的圖片上畫一條已知長度的直線，同時軟件可以算出這條直線的總像素點，兩者一除就能得出在不同物鏡拍出來的照片中的每個像素點所代表的實際長度（圖34）。按照軟件提示一步步操作，還是挺簡單的。根據拍攝圖片所用的物鏡，從校準表（圖35）中選擇對應的標準尺應用到圖片，就可以對圖片進行準確的標尺添加和數據測量了。圖32. Carl Zeiss的5+100/100 mm的微尺圖33. 10物鏡下的校正微尺，1mm被分成了100等份。圖34. 比例尺制作過程圖35. 最后得出的校準表2測量工具圖森軟件提供的測量工具還是很多的，可以測量直線長度，長方形，圓形和多邊形的周長與面積，角度，弧度，做標記，做注釋。同時還可以對這些圖標進行粗細，字體和顏色調節(jié)。值得夸獎一下的是圓形測量工具，只要依次點擊圓形樣品上的任意三點就會出來個圓形標記，精確度很高，操作也很簡單快捷，比以圓心和直徑來定位圓形的工具要好用。測量數據可在另一窗口中排列成表，并能以通用的Excel表格形式導出。圖36. 圖森圖像軟件各種測量工具效果圖個人感悟圖森這款相機對于大部分常規(guī)樣品成像的效果還是挺令