Geschwindigkeit ist keine Hexerei

Geschwindigkeit ist keine Hexerei

Wie verarbeite ich 1GB/s Bilddaten bei sCMOS-Kameras?

Seit dem Erscheinen der ersten scientific CMOS (sCMOS) Kameras im Jahr 2010 haben sich viele Ansätze in der Mikroskopie rasend schnell weiterentwickelt. Die neue Bildsensortechnologie, die von einem Konsortium aus BAE Fairchild Imaging, Andor Technology und PCO, entwickelt wurde, ermöglichte zum ersten Mal eine Reihe von Leistungsparametern, die es vorher selbst bei den besten gekühlten CCD-Kameras nicht gab. Die sCMOS-Kameras haben Auflösungen im Bereich von 4 bis 5,5MP, Bildraten bis zu 100fps bei Vollauflösung, ein sehr niedriges Ausleserauschen von 1 bis 1,2 Elektronen und eine hohe Intra-Szenen-Dynamik von 16Bit.
Diese Eigenschaften waren im Bereich der Mikroskopie willkommen, denn hier wurden verschiedene methodische Ansätze verfolgt, die die Auflösungsgrenze der besten Objektive überwinden, was im Jahre 2015 durch die Vergabe der Nobelpreise in Chemie auch honoriert wurde. Als Beispiel mag hierfür die Lokalisierungsmikroskopie dienen, die mit verschiedenen Verfahren erreicht, dass nicht alle fluoreszierenden Markermoleküle gleichzeitig leuchten. Wenn die einzeln leuchtenden Moleküle weit genug voneinander entfernt sind, kann man mit herkömmlichen Mikroskopen unscharfe Lichtpunkte aufnehmen. Indem man das Vorwissen, dass es sich um einzelne Moleküle handelt einsetzt, lassen sich durch entsprechende Algorithmen die Orte der Moleküle bestimmen und speichern. Um ein solches ´super´ aufgelöstes Bild der markierten Zelle zu erstellen, müssen in Folge viele solche Bilder mit unscharfen Lichtpunkten aufgenommen werden. Die Ortsinformationen werden akkumuliert, so dass nach vielen hundert Bildern ein super-aufgelöstes Bild der markierten Zelle entsteht, was in erster Näherung eine gewisse Ähnlichkeit mit Bildern des Impressionismus hat. Die mittlerweile kommerziell erhältlichen Mikroskope und unterschiedlichen Verfahren wie PALM, STORM, dSTORM und GSDIM unterscheiden sich ausschließlich in der Art und Weise wie erreicht wird, dass nicht alle Moleküle gleichzeitig leuchten, die Bildaufnahme und Auswertung ist bei allen Verfahren nahezu gleich. Zuerst wurden Kameras mit emCCD-Bildsensoren eingesetzt, die selbst mit eingeschränkten Bildfeldern auf Bildraten von 20 bis 100fps kamen. Damit hat es zwischen zehn und 20 Minuten gedauert, bis ein Bild fertig war. Die neuen sCMOS-Kamerasysteme ermöglichen Bildraten mit mehr als 1.000fps bei entsprechend eingeschränktem Bildfeld, so dass die Bildaufnahme im Sekundenbereich liegt. Bild 1 zeigt sowohl eine Weitfeldbild als auch ein hochaufgelöstes Bild eines fadenförmigen Proteins, das mit dem Farbstoff Alexa 647 angefärbt wurde. Die Aufnahmen wurden mit einem Leica GSD Mikroskop im Rahmen des BMBF Forschungsprojekts GSDIM gemacht. Hierbei liefert die sCMOS Kamera pco.edge 5.5 einen Bilddatenstrom von 1GB/s, der für die zu dem Zeitpunkt zur Verfügung stehende schnellste Bilddatenschnittstelle Camera Link (maximal 850MB/s) zu hoch war. Deshalb wurde bei den ersten sCMOS-Kameras entweder ein Bilddatenspeicher in die Kamera integriert oder eine Datenkompression, die visuell verlustfrei war, eingeführt. Ein weiterer Nachteil von Camera Link sind die sehr steifen und teuren Spezialkabel, deren maximale Länge bei ungefähr 10m liegt. Auch weitere datenhungrige Mikroskop-Methoden wie Strukturierte Beleuchtung (SIM: Structured Illumination Microscopy) oder Lichtblatt-Mikroskopie (SPIM: Selective Plane Illumination Microscopy) verlangen hohe Bilddatenraten, damit dem Anwender möglichst in Echtzeit die Resultate der zum Teil aufwendigen Bildverarbeitungsketten zur Verfügung gestellt werden. Hinzu kommt die Anforderung mehrere verschieden farbige Marker messen zu können, so dass auch mehrere Kameras gleichzeitig zum Einsatz kommen (Bild 2). Dies hat zur Folge, dass schnell mehrere Gigabyte/s an Bilddaten entstehen, die verarbeitet und/oder gespeichert werden müssen. Zudem gibt es bei den aktuellen Mikroskopie-Methoden den Wunsch, noch schneller aufnehmen zu können, allein es fehlen noch die erforderlichen sCMOS-Bildsensoren. Der Status Quo im Bereich Life Science ist, das es Kamerasysteme bzw. Bildsensoren gibt, die in der Lage sind 1GB/s Bilddaten zu erzeugen und den Wunsch höhere Bilddatenmengen zu erreichen, und es gibt den Bedarf diese Bilddaten zu verarbeiten und zu verwenden.

Schnittstelle Camera Link HS

Hier rückt das Thema schnelle Bilddatenschnittstellen in den Fokus. Schnelle Schnittstellen wie CoaXPress, Thunderbolt, 10G Ethernet und Camera Link HS sind in den letzten Jahren vorgestellt worden. Wenn man sich aber die Anforderungen an Hardware, Kabel und Einsatz anschaut, auch die Anforderungen an eine mögliche Skalierbarkeit für die Zukunft, erscheint Camera Link HS für die beschriebenen Anwendungen besonders attraktiv. Zum einen basiert es auf 10GBit-Netzwerktechnik, die vielfach erprobt und zuverlässig eingesetzt wird und zudem preiswert ist. Die optische Übertragungstechnik ermöglicht hierbei sowohl flexible handliche Kabel als auch die Überwindung großer Distanzen und keine Störanfälligkeit bei EMV-kritischer Umgebung. Zudem handelt es sich um ein fehlertolerantes und offenes Protokoll, welches leicht skalierbar ist. In Tabelle 1 sind einige der wichtigsten Eigenschaften von Camera Link HS beschrieben, die erkennen lassen warum diese Schnittstelle für datenhungrige Kameraanwendungen so gut geeignet ist. Auch wenn CoaXPress derzeit noch (bedingt durch eine schnellere Entwicklung) einen gewissen Einführungsvorsprung hat, ist es für viele Anwendungen – wie auch die anfangs beschriebenen – aufgrund der bekannten Nachteile, wie geringere Kabellängen, teurere Spezialkabel, nicht ausreichende Fehlersicherheit u.a. weniger gut geeignet, so dass in Zukunft für anspruchsvolle Anwendungen Camera Link HS die Schnittstelle der Wahl sein wird.

Framegrabber als Multi-Talent

Mittlerweile bieten Firmen wie Kaya Instruments, Gidel und Silicon Software entsprechende Camera Link HS Framegrabber an. Hier zeichnet sich der Komodo Grabber von Kaya Instruments durch eine einfach Integration und Leistungsfähigkeit aus, da er sowohl vier SFP+ als auch einen QSFP-Anschluss zur Verfügung stellt. Somit kann man maximal acht Camera Link HS Kanäle verwenden, was bis zu acht pco.edge CLHS Kameras (1GB/s) oder zwei pco.flow Kameras (4GB/s) bedeutet. Er benötigt hierfür einen PCIe Gen3 (x8) Steckplatz mit einer maximalen Streaming-Bandbreite von 6,5GB/s im Computer. Einer der Camera Link HS Kanäle schafft ca.1,2GB/s. In Zukunft ist die in Bild 2 gezeigte Anwendung wesentlich eleganter zu lösen in dem man drei pco.edge CLHS Kameras mit nur einem Kaya Instruments Framegrabber verwendet, da dieser Grabber den Anschluss von bis zu vier Kameras mit Camera Link HS X-Protokoll (10G) gestattet. Hierdurch gestaltet sich mit den flexiblen Glasfaserkabeln der Anschluss leichter und auch die Anforderungen an die Anzahl der Steckplätze des Computers ist gesunken, da nur noch ein einziger High-End-Framegrabber einen Steckplatz benötigt. So wird zudem erreicht, dass ein PC alle Bilddaten verarbeitet und auswertet, ohne dass die Daten von verschiedenen Computern erst zusammengeführt werden zu müssen. Zudem ist der Komodo Grabber durch sein offenes Interface zu seinem leistungsfähigen FPGA, der durch den Bilddaten-Transfer nur minimal ausgelastet ist, auch in der Lage eine sehr schnelle Bilddatenvorverarbeitung durchzuführen. Auf diese Art und Weise, oder durch Verarbeitung der Daten im RAM des Computers und Ausnutzung der Leistungsfähigkeit der Graphikprozessoren, lassen sich auch komplexen Bilddatenverarbeitungsprozesse durchführen und immer wieder anpassen, was bei sogenannten intelligenten Kameras nur begrenzt möglich ist. Da die CLHS-Schnittstelle schnell genug ist, verliert man hierbei auch keine Zeit.

Thematik: Allgemein
PCO AG
www.pco.de

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