圖森TCC-3.3ICE-N評(píng)測(cè)報(bào)告.doc

圖森TCC-3.3ICE-N CCD與成像軟件TSView7測(cè)評(píng)方策（論壇ID：阿貓）平時(shí)在實(shí)驗(yàn)室接觸的顯微成像設(shè)備大多是德國(guó)或日本的，幾乎沒(méi)有接觸過(guò)國(guó)產(chǎn)的顯微成像設(shè)備。在很多人眼中，“國(guó)產(chǎn)”就是低端，廉價(jià)，質(zhì)量差的代名詞，所以很想了解一下國(guó)貨的質(zhì)量到底如何，都說(shuō)與進(jìn)口貨有差距，差距在哪，到底有多大。于是我就報(bào)名參加了這次活動(dòng)，希望能從中找出一些答案。在此感謝圖森公司和中國(guó)顯微圖像網(wǎng)讓我們有這么好的一個(gè)試用機(jī)會(huì)。本次測(cè)試的是圖森圖像公司提供330萬(wàn)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(jìn)行測(cè)評(píng)，本次測(cè)試的顯微鏡有Zeiss Imager A1和Z1，Leica 205 FA，Nikon MZ800，分別測(cè)試了圖森相機(jī)在生物熒光顯微鏡與體視顯微鏡的適用情況，通過(guò)多種動(dòng)植物及微生物樣品測(cè)試了圖森相機(jī)在明場(chǎng)，DIC，相差和熒光觀察時(shí)的成像質(zhì)量。正好Imager A1和Z1顯微鏡有兩個(gè)接口，在明場(chǎng)，DIC，相差和熒光觀察時(shí)都使用了Zeiss AxioCam HRc相機(jī)進(jìn)行了拍照對(duì)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(jī)的價(jià)格相差好幾倍，所以以下的對(duì)比測(cè)評(píng)是摒棄相機(jī)價(jià)格的純技術(shù)比較，性價(jià)比的問(wèn)題后面我也會(huì)談到。相機(jī)對(duì)比測(cè)評(píng)時(shí)，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(jìn)行比較，且圖片均未經(jīng)過(guò)后期處理，原圖出片（比較軟件圖像處理功能時(shí)除外）。相機(jī)外觀與軟件操作界面簡(jiǎn)介第一眼看到圖森這款CCD的時(shí)候，比想象中的要小一點(diǎn)，不過(guò)拿在手里面感覺(jué)還是挺有分量的。相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的各種顯微鏡上（圖1）。正上方有個(gè)很可愛(ài)的小風(fēng)扇，用于散熱，讓我聯(lián)想起顯卡上的小風(fēng)扇。光盤(pán)中的說(shuō)明書(shū)同時(shí)配有圖片和文字說(shuō)明，還是挺詳細(xì)易懂的。按照提示，安裝相機(jī)驅(qū)動(dòng)，圖像軟件也十分簡(jiǎn)單快捷。相對(duì)于國(guó)外一些圖像軟件來(lái)說(shuō)，軟件界面感覺(jué)相對(duì)簡(jiǎn)單，外觀有點(diǎn)類似Windows中的資源管理器，不過(guò)這也有利于使用者能夠快速上手（圖2）。軟件中央有個(gè)CCD的圖標(biāo)，雙擊后就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)覽了?？梢赃M(jìn)行單張圖片拍攝，也可以進(jìn)行視頻錄制，在下拉菜單中可以對(duì)圖片格式，文件命名方式，視頻格式，視頻壓縮格式等等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。曝光時(shí)間可以設(shè)為自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)節(jié)，大部分用透射光觀察的樣品拍攝時(shí)自動(dòng)曝光還是基本準(zhǔn)確的，對(duì)于拍攝熒光樣品或亮度分布差異較大的樣品，很多時(shí)候就需要用到手動(dòng)調(diào)節(jié)曝光了。圖像拍攝窗口中有個(gè)“剪切”鍵，可以自由選定感興趣區(qū)域進(jìn)行截取拍照；或者先通過(guò)剪切一個(gè)小區(qū)域進(jìn)行對(duì)焦，然后取消剪切效果進(jìn)行全區(qū)域拍攝。這個(gè)功能操作很簡(jiǎn)便，而且實(shí)用性很強(qiáng)，贊一個(gè)！圖1. 連接圖森TCC-3.3ICE-N相機(jī)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(cè)評(píng)（一）、生物鏡透射光樣品拍攝1明場(chǎng)拍攝（色彩還原，白平衡測(cè)試）首先測(cè)試下標(biāo)準(zhǔn)切片，選用的是Leica共聚焦配備的Convallaria鈴蘭草切片（圖3）。曝光時(shí)間調(diào)好后，再點(diǎn)擊自動(dòng)白平衡，對(duì)于染色豐富的樣品自動(dòng)白平衡會(huì)出現(xiàn)較大偏差（圖4左）。對(duì)于這種情況，建議把視野移至完全空白處先做自動(dòng)白平衡，然后再移至感興趣區(qū)域進(jìn)行拍攝，這樣白平衡就準(zhǔn)確多了（如圖4右）。拍出來(lái)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(dāng)準(zhǔn)確的（圖5）。對(duì)于色彩不太豐富的樣品，自動(dòng)白平衡一般都挺準(zhǔn)確的（如圖6）。圖3. Leica顯微鏡測(cè)試片-Convallaria鈴蘭草切片圖4.白平衡測(cè)試，Convallaria鈴蘭草切片，從左到右依次為圖森TCC-3.3ICE-N + 自動(dòng)白平衡；圖森圖森TCC-3.3ICE-N + 先空白處白平衡再重新構(gòu)圖拍攝。圖5. Convallaria鈴蘭草切片，63物鏡下圖森相機(jī)拍攝，色彩還原準(zhǔn)確圖6. 甲苯胺藍(lán)染色的植物葉片切片，白平衡基本準(zhǔn)確。當(dāng)我拍攝擬南芥原生質(zhì)體的時(shí)候，拍出來(lái)的綠色不夠亮麗（如圖7左），這種情況可以通過(guò)選用相機(jī)設(shè)置中“色彩增強(qiáng)模式”，效果會(huì)改善很多（如圖7中）。蔡司相機(jī)拍攝的效果正好處于兩者之間，放大仔細(xì)看會(huì)覺(jué)得顏色看起來(lái)稍微自然一些。圖7. 色彩還原測(cè)試，擬南芥原生質(zhì)體BF拍攝效果對(duì)比。從左到右依次為圖森TCC-3.3ICE-N + 自動(dòng)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(dòng)白平衡。2DIC樣品拍攝（動(dòng)態(tài)范圍，細(xì)節(jié)表現(xiàn)力，背景噪音，圖片采集速度測(cè)試）手頭上正好有個(gè)真菌的樣品，菌絲會(huì)纏繞在葉毛上，由于葉毛的折光性，葉毛亮度會(huì)很強(qiáng)，正好可以用這個(gè)樣品來(lái)測(cè)試下相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。由于這兩款相機(jī)采用的CCD，靈敏度，連接光路等各方面參數(shù)都有差異，所以我測(cè)試的方法是通過(guò)調(diào)曝光時(shí)間把菌絲拍成相近的亮度，此時(shí)再來(lái)比較葉毛部分的曝光情況。如圖8圖8. 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試，葉毛上的菌絲DIC拍攝，左為圖森相機(jī)拍攝，右為蔡司相機(jī)拍攝 再通過(guò)一個(gè)動(dòng)物細(xì)胞的DIC成像效果來(lái)對(duì)比一下相機(jī)的細(xì)節(jié)表現(xiàn)力。從圖9中圖森相機(jī)的效果來(lái)看，細(xì)胞核周圍的物質(zhì)顆粒感清晰，細(xì)胞核邊界清晰，跟蔡司的相差不大。圖9. 細(xì)節(jié)表現(xiàn)力測(cè)試，動(dòng)物細(xì)胞（63DIC）再來(lái)看看相機(jī)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(xì)觀察了下，大概有3,4只小蟲(chóng)子和一丁點(diǎn)藻類，看來(lái)我們學(xué)習(xí)室還是挺干凈的。有2只紅色眼點(diǎn)的蟲(chóng)子，配上DIC效果很漂亮，但是這個(gè)小蟲(chóng)子太活躍了，一直爬個(gè)不停，相機(jī)反應(yīng)有延遲，我只能等著水分慢慢蒸發(fā)了，過(guò)了段時(shí)間終于變得老實(shí)些了，趕緊拍，別一會(huì)兒給干死了。從圖10中可以看出圖森相機(jī)拍出的圖片背景中分布著一些雜色噪音，而蔡司相機(jī)拍出的背景很光滑干凈（注：由于拍攝這組圖片時(shí)對(duì)軟件操作不夠熟悉，沒(méi)有留意相機(jī)的增益情況，背景噪音過(guò)高有可能是相機(jī)ISO自動(dòng)增益所引起的，如果降低ISO增益會(huì)相應(yīng)的降低背景噪音，詳情請(qǐng)參見(jiàn)后面熒光成像中的ISO增益測(cè)評(píng)）。圖10. 背景噪音測(cè)試，原生動(dòng)物DIC拍攝，圖片原始尺寸局部細(xì)節(jié)對(duì)比，左為圖森相機(jī)拍攝，右為蔡司相機(jī)拍攝，由于小蟲(chóng)子的內(nèi)臟蠕動(dòng)，圖片下部有些發(fā)虛，兩張圖片均采用相同的曝光時(shí)間。這滴水中還有另外一種蟲(chóng)子，這只蟲(chóng)子身體動(dòng)得比較慢，尾巴擺動(dòng)的速度較快，正好測(cè)試下相機(jī)的錄像功能，同時(shí)也可以反映出相機(jī)的采集速度。錄像設(shè)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(lái)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(lái)的文件就小多了，拍上100多張出來(lái)的文件也就幾兆大（圖11）。蟲(chóng)子的身體動(dòng)作較慢，所以成像基本正常，但是由于在采集過(guò)程中小蟲(chóng)子的尾巴擺動(dòng)，出現(xiàn)了一黃一藍(lán)的拖影（圖12）。在實(shí)時(shí)預(yù)覽時(shí)，移動(dòng)樣品的時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)黃藍(lán)拖影。圖12. 通過(guò)AVI視頻文件導(dǎo)出的GIF動(dòng)態(tài)圖片（圖片經(jīng)過(guò)壓縮處理，質(zhì)量有所下降）圖13. 采集速度測(cè)試，原生動(dòng)物DIC圖森相機(jī)拍攝。3相差樣品拍攝（細(xì)節(jié)表現(xiàn)力與白平衡測(cè)試） 通過(guò)圖14中動(dòng)物細(xì)胞的相差拍攝效果來(lái)看，圖森相機(jī)的細(xì)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(jī)。在拍攝這個(gè)樣品時(shí)，不論是用自動(dòng)還是手動(dòng)白平衡，蔡司相機(jī)都無(wú)法達(dá)到圖森相機(jī)的效果，這倒是有點(diǎn)出乎我的預(yù)料。圖14. 白平衡與細(xì)節(jié)表現(xiàn)力測(cè)試，動(dòng)物細(xì)胞（20相差）透射光拍攝小結(jié)：從以上明場(chǎng)，DIC和相差三種透射光觀察模式拍攝圖片來(lái)看，圖森這款相機(jī)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(yùn)動(dòng)的樣品。自動(dòng)白平衡可以通過(guò)對(duì)空白處白平衡來(lái)進(jìn)行改善。色彩還原不錯(cuò)，動(dòng)態(tài)范圍，細(xì)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(dòng)植物測(cè)試切片 由于測(cè)試片中的熒光都較強(qiáng)，而且不易淬滅，所以對(duì)于以下幾種動(dòng)植物組織切片的多色熒光成像，圖森相機(jī)表現(xiàn)還是不錯(cuò)的，整圖效果令人滿意（圖15,16,17,18），跟蔡司相機(jī)拍出的效果相差無(wú)幾，在此就只列出圖森相機(jī)拍攝的圖片。圖15. 動(dòng)物組織測(cè)試切片圖16. 動(dòng)物組織測(cè)試切片圖17. 植物組織測(cè)試切片圖18. 植物組織測(cè)試切片2ISO增益與靈敏度對(duì)比當(dāng)拍攝弱熒光時(shí)，自動(dòng)曝光會(huì)自動(dòng)把ISO增益至400，以縮短曝光時(shí)間和增強(qiáng)信號(hào)，但是此時(shí)背景噪音也會(huì)變得很強(qiáng)（圖19）。在不進(jìn)行增益或低度增益的情況下，需要很長(zhǎng)的曝光時(shí)間才能拍出適合亮度的熒光圖片，但是由于長(zhǎng)時(shí)間曝光拍攝，圖片中GFP的顏色會(huì)變得有些泛青（圖19）。在不進(jìn)行增益的情況下，對(duì)圖森和蔡司相機(jī)進(jìn)行了靈敏度測(cè)試（圖19）。相比之下，圖森相機(jī)的靈敏度差了些。圖19. 圖森相機(jī)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(shí)間長(zhǎng)短及信噪比對(duì)比圖19. 靈敏度對(duì)比，在不進(jìn)行增益的情況下，拍出相同亮度熒光照片所需要的曝光時(shí)間長(zhǎng)短（左為圖森相機(jī)，右為蔡司相機(jī)）。3自制動(dòng)植物樣品實(shí)拍 對(duì)于強(qiáng)熒光樣品，圖森相機(jī)的表現(xiàn)一如既往地好，信噪比控制得很好（圖20），同時(shí)也可以進(jìn)行錄像。（圖20）。 圖20. 擬南芥氣孔保衛(wèi)細(xì)胞中GFP標(biāo)記的過(guò)氧化物酶體（左）和莖細(xì)胞中GFP標(biāo)記的細(xì)胞核（右），細(xì)胞核中間的空洞推測(cè)是核仁。圖20. 熒光成像時(shí)的背景噪音對(duì)比，擬南芥莖細(xì)胞中GFP標(biāo)記的過(guò)氧化物酶體。（左為圖森相機(jī)，右為蔡司相機(jī)）。生物鏡熒光成像小結(jié)：對(duì)于熒光成像，圖森相機(jī)表現(xiàn)不錯(cuò)，信噪比較高。整圖效果還是令人滿意的。（三）、體視鏡拍攝測(cè)試完了生物顯微鏡，再來(lái)看看這小家伙在體視鏡上的表現(xiàn)吧。由于光學(xué)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(shí)間限制并沒(méi)拿其他相機(jī)進(jìn)行對(duì)比測(cè)評(píng)。下面就展示一些實(shí)拍圖片。圖21. 測(cè)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(diǎn)不正常，點(diǎn)了自動(dòng)白平衡不管用。由于要熒光成像，我當(dāng)時(shí)放葉片用的是一塊黑板，當(dāng)我把葉片放在白板上，點(diǎn)自動(dòng)白平衡，顏色恢復(fù)正常；當(dāng)我再轉(zhuǎn)至黑板拍攝時(shí)，點(diǎn)自動(dòng)白平衡，顏色還是不正常，在我點(diǎn)擊黑平衡后，顏色居然恢復(fù)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(shí)，當(dāng)背景噪音很高時(shí)，點(diǎn)擊黑平衡可適當(dāng)降低些噪聲，原來(lái)除此之外黑平衡還可以干這個(gè)用，后來(lái)才知道，拍攝熒光時(shí)要做黑平衡，算是學(xué)習(xí)了。圖26. 擬南芥葉片白平衡對(duì)照體視鏡拍攝小結(jié)：，圖森這款CCD無(wú)論是在體視熒光還是在落射光成像時(shí)，表現(xiàn)穩(wěn)定，效果也不錯(cuò)。但相比于生物鏡，體視鏡下的熒光會(huì)稍微弱一些，此時(shí)拍攝更需要對(duì)相機(jī)的各種參數(shù)進(jìn)行耐心的調(diào)節(jié)，拍攝所費(fèi)時(shí)間會(huì)相對(duì)變長(zhǎng)。CCD拍攝成像小結(jié)：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(jī)成像色彩還原準(zhǔn)確，在明場(chǎng)，DIC,相差和熒光等多種觀察模式下，成像質(zhì)量穩(wěn)定，通過(guò)降低CCD溫度，背景噪音控制得也不錯(cuò)，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(jī)相比，性價(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)外進(jìn)口的CCD。二、軟件功能測(cè)試（一）、圖像處理由于時(shí)間倉(cāng)促，就介紹幾個(gè)常用和實(shí)用的圖像處理功能吧：1“鏡像”和“旋轉(zhuǎn)”：由于這兩款相機(jī)拍出來(lái)的像的方位是不一樣的，對(duì)比照片時(shí)，經(jīng)常要使用這兩項(xiàng)。2“圖像合并”：用于多色熒光疊加3“亮度/對(duì)比度/伽馬值”：適當(dāng)調(diào)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(shè)閾值的像素點(diǎn)被顯示出黑色，高于閾值的則被顯示出白色。通過(guò)設(shè)定閾值為254處理圖11后，圖片中的白點(diǎn)就是亮度為255的像素點(diǎn)（即過(guò)曝點(diǎn)），這樣能更直觀地反映出相兩張圖片的過(guò)曝情況（圖28）。5“中值化”與“高斯模糊”：兩者是經(jīng)典的平滑噪聲的方法。相對(duì)于處理前顆粒感很強(qiáng)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(duì)邊緣信息保存較好，而“高斯模糊”會(huì)使信號(hào)變得模糊，邊緣信息丟失嚴(yán)重（圖30）。6線性濾鏡中的“浮雕”：能把一張明場(chǎng)圖片變成一張輪廓清晰，立體感很強(qiáng)的圖片，效果很好。圖27. “亮度/對(duì)比度/伽馬值”調(diào)節(jié)效果對(duì)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(jīng)過(guò)“閾值=254”處理后的圖像，可以看到左邊（圖森相機(jī)）過(guò)曝區(qū)域的面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于右邊（蔡司相機(jī)）。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(hào)為噪聲，右邊較亮處是信號(hào)，兩者都能使噪聲都顯得較為平滑，“中值化”對(duì)邊緣信息保存較好，而“高斯模糊”使信號(hào)變得模糊，邊緣信息丟失嚴(yán)重。圖31. 線性濾鏡中的“浮雕”處理，左圖為明場(chǎng)照片，右圖為處理后的效果圖，立體感很強(qiáng)。（二）、測(cè)量1比例尺校正測(cè)量之前要對(duì)比例尺進(jìn)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(guò)軟件來(lái)制作比例尺。在對(duì)應(yīng)的圖片上畫(huà)一條已知長(zhǎng)度的直線，同時(shí)軟件可以算出這條直線的總像素點(diǎn)，兩者一除就能得出在不同物鏡拍出來(lái)的照片中的每個(gè)像素點(diǎn)所代表的實(shí)際長(zhǎng)度（圖34）。按照軟件提示一步步操作，還是挺簡(jiǎn)單的。根據(jù)拍攝圖片所用的物鏡，從校準(zhǔn)表（圖35）中選擇對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)尺應(yīng)用到圖片，就可以對(duì)圖片進(jìn)行準(zhǔn)確的標(biāo)尺添加和數(shù)據(jù)測(cè)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(guò)程圖35. 最后得出的校準(zhǔn)表2測(cè)量工具圖森軟件提供的測(cè)量工具還是很多的，可以測(cè)量直線長(zhǎng)度，長(zhǎng)方形，圓形和多邊形的周長(zhǎng)與面積，角度，弧度，做標(biāo)記，做注釋。同時(shí)還可以對(duì)這些圖標(biāo)進(jìn)行粗細(xì)，字體和顏色調(diào)節(jié)。值得夸獎(jiǎng)一下的是圓形測(cè)量工具，只要依次點(diǎn)擊圓形樣品上的任意三點(diǎn)就會(huì)出來(lái)個(gè)圓形標(biāo)記，精確度很高，操作也很簡(jiǎn)單快捷，比以圓心和直徑來(lái)定位圓形的工具要好用。測(cè)量數(shù)據(jù)可在另一窗口中排列成表，并能以通用的Excel表格形式導(dǎo)出。圖36. 圖森圖像軟件各種測(cè)量工具效果圖個(gè)人感悟圖森這款相機(jī)對(duì)于大部分常規(guī)樣品成像的效果還是挺令