Chương 6: Nhiễu

Trở về Mục lục cuốn sách

Tín hiệu thu nhận qua những sensor hiện đại có thể bị suy giảm chất lượng do một số nguồn gây nhiễu. Nói đến nhiễu, chúng ta đề cập đến những biến động ngẫu nhiên, thay vì những sai lệch có tính tất định như nền tối hay mất tiêu điểm. Trong mục này, chúng ta sẽ giả sử rằng khi dùng thiết bị máy quay CCD hiện đại, các electron phát sinh ra được gọi là photoelectron. Dù vậy, đa số những quan sát về nhiễu động cùng những nguồn phát ra nó cũng áp dụng được đối với các chế độ chụp ảnh khác.

Trong khi công nghệ hiện đại cho phép ta giảm được cấp độ nhiễu gắn với các thiết bị quang điện đến mức gần như có thể bỏ qua được, luôn có một nguồn nhiễu không thể bị triệt tiêu từ đó hình thành nên “yếu tố giới hạn” khi ta “triệt tiêu” các nguồn nhiễu còn lại.

Nhiễu photon

Khi tín hiệu vật lý mà ta quan sát được dựa trên ánh sáng thì bản chất lượng tử của ánh sáng đóng vai trò đáng kể. Một photon tại bước sóng λ = 500 nm mang một năng lượng E = hν = hc/λ = 3,97  × 10–19 jun. Các máy quay CCD mới đủ độ nhạy để đếm từng photon riêng lẻ. (Độ nhạy máy quay sẽ được bàn đến ở Mục 7.2.) Vấn đề nhiễu nảy sinh từ bản chất cơ bản về thống kê trong quá trình phát photon. Ta không thể giả sử rằng, cho trước một điểm ảnh với hai khoảng thời gian T quan sát liên tiếp nhưng độc lập nhau, thì sẽ đếm được số photon bằng nhau. Sự phát photon bị chi phối bởi các định luật về vật lý lượng tử mà hạn ché chúng ta chỉ nói về số trung bình các photon nằm trong một khung quan sát. Dạng phân bố xác suất của p photon trong khung quan sát có độ dài T giây đã được phát hiện là loại Poisson:

P(p|ρ,T) = (ρT)peT/p!                   (62)

trong đó ρ là tham số tốc độ hay cường độ tính theo số photon trong mỗi giây. Rất cần phải hiểu được rằng ngay cả khi nếu không có nguồn gây nhiễu nào khác trong chuỗi hình ảnh thì các dao động thống kê gắn với đếm số photon trong một thời khoảng T hữu hạn sẽ vẫn dẫn tới một tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) hữu hạn. Nếu ta dùng công thức thích hợp để tính SNR (PT (41)), thì do trị trung bình và độ lệch chuẩn được tính bởi:

Cho quá trình Poisson—        TB = ρT
                                                           σ = \sqrt{\rho T}               (63)

ta có, đối với SNR:

Nhiễu photon—          SNR = 10log10TdB             (64)

Ba giả thiết cơ bản về mối quan hệ giữa tín hiệu và nhiễu lại không đúng trong trường hợp nhiễu photon:

  • nhiễu photon không phụ thuộc vào tín hiệu;
  • nhiễu photon không phân bố theo dạng Gauss;
  • nhiễu photon không có tính cộng.

Với các tín hiệu rất sáng, trong đó ρT vượt quá 105, những nhiễu động do thống kê photon có thể được bỏ qua nếu sensor có cấp độ tinh khiết đủ cao. Điều này sẽ được bàn đến ở Mục 7.3, và đặc biệt ở PT (73).

Nhiễu do nhiệt

Một nguồn electron bổ sung, có tính ngẫu nhiên từ giếng CCD là nhiệt năng. Electron được giải phóng từ bản thân vật liệu CCD qua quá trình dao động nhiệt và sau đó bị mắc kẹt trong giếng CCD, sẽ không thể phân biệt được với photoelectron “thực thụ”. Bằng cách làm nguội chip CCD ta có thể giảm đáng kể số “electron nhiệt” khiến cho việc tăng nhiễu nhiệt hay dòng điện tối. Khi thời gian T tăng lên, số các electron nhiệt cũng tăng. Dạng phân bố xác suất của electron nhiệt cũng là một quá trình Poisson trong đó tham số tốc độ là một hàm đồng biến với nhiệt đó. Có các kĩ thuật (làm nguội) khác nhằm giảm thiểu dòng điện tối và những kĩ thuật này thường liên quan đến việc ước tính dòng điện tối trung bình cho trước khoảng thời gian tính rồi đem trừ đi các giá trị điểm ảnh CCD trước khi chuyển A/D. Mặc dù việc làm này giảm được giá trị trung bình của dòng điện tối, nhưng không giảm được độ lệch chuẩn của dòng điện này và cũng có thể làm giảm khoảng động của tín hiệu.

Nhiễu electron trên chip

Loại nhiễu này bắt nguồn từ quá trình đọc tín hiệu từ sensor, trong trường hợp này là qua transistor ảnh hưởng trường (field effect transistor, FET) của chip CCD. Dạng tổng quát của mật độ phổ công suất của nhiễu đọc là:

Nhiễu đọc—    

       (65)

trong đó αβ là các hằng số còn ω là tần số (góc) tại đó tín hiệu được chuyển từ chip CCD ra `‘thế giới bên ngoài’. Ở các tốc độ đọc rất thấp (ω < ωmin) nhiễu này có đặc tính 1/f. Nhiễu đọc có thể được giảm đến các mức kiểm soát được bằng các tốc độ đọc hợp lý và các thiết bị đọc phù hợp. Tuy nhiên, ở các mức tín hiệu rất thấp (xem PT (64)), nhiễu đọc vẫn có thể trở nên một thành phần đáng kể trong SNR tổng hợp.1

Nhiễu KTC

Nhiễu gắn với tụ điện cổng của FET được gọi là nhiễu KTC và có thể phải tính đến, không bỏ qua được. Giá trị căn quân phương đầu ra của điện thế nhiễu này được cho bởi:

nhiễu KTC (điện thế)—         \displaystyle{\sigma_{KTC} = \sqrt{\frac{kT}{C}}}               (66)

trong đó C là điện dung của khóa cổng FET, k là hằng số Boltzmann, còn T là nhiệt độ tuyệt đối của chip CCD tính theo độ K. Dùng các hệ thức Q = C ⋅ V = Ne ⋅ {e}, có thể biểu diễn giá trị căn quân phương đầu ra của nhiễu KTC theo số photoelectron (Ne) như sau:

nhiễu KTC (electron)—      σKTC = √kTC / e            (67)

trong đó e là điện tích của electron. Với C = 0,5 pF và T = 233 K ta được Ne = 252 electron. Giá trị này là nhiễu “một lần” trên mỗi điểm ảnh xảy ra trong quá trình đọc tín hiệu và do đó độc lập với khoảng thời gian tính toán (xem các Mục 6.1 và 7.7). Việc thiết kế điện tử hợp lý dùng đến, chảng hạn, lấy mẫu kép có tương quan (correlated double sampling) và tích phân hai độ dốc (dual-slope integration) có thể gần như hoàn toàn loại trừ được nhiễu KTC. 2

Nhiễu khuếch đại

Mô hình chuẩn của loại nhiễu này có tính cộng, có dạng Gauss, và độc lập với tín hiệu nhiễu. Ở các thiết bị điện tử hiện đại, được thiết kế tốt, nhiễu khuếch đại nói chung có thể được bỏ qua. Song có một ngoại lệ thường gặp là ở máy ảnh màu trong đó khuếch đại được dùng nhiều hơn với kênh màu lam so với kênh lục hoặc kênh đỏ, dẫn đến nhiều nhiễu hơn ở kênh lam. (Xem thêm Mục 7.6).

Nhiễu phân lượng

Nhiễu phân lượng là đặc trưng trong quá trình phân lượng biên độ và xảy ra trong bộ chuyển từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (analog-to-digital converter, ADC). Nhiễu này có tính chất cộng và không phụ thuộc vào tín hiệu khi số các mức L ≥ 16. Điều này tương đương với B ≥ 4 bit. (Xem Mục 2.1.) Với tín hiệu được chuyển sang dạng điện tử và do đó có giá trị điện tối thiểu và tối đa, PT (40) là công thức thích hợp để xác định SNR. Nếu ADC được điều chỉnh sao cho 0 tương ứng với giá trị điện nhỏ nhất và 2B – 1 tương ứng với giá trị điện lớn nhất thì:

Nhiễu phân lượng—            SNR = 6+ 11  dB           (68)

Với B ≥ 8 bit, điều này có nghĩa là SNR ≥ 59 dB. Nhiễu phân lượng thướng được bỏ qua nếu SNR của một hệ thống tổng thể điển hình bị chi phối bởi SNR nhỏ nhất. Trong các máy quay CCD đây là nhiễu photon.


  1. Photometrics Ltd., Signal Processing and Noise, in Series 200 CCD Cameras Manual. 1990: Tucson, Arizona.
  2. Photometrics Ltd., Signal Processing and Noise, in Series 200 CCD Cameras Manual. 1990: Tucson, Arizona.
Advertisements

1 Phản hồi

Filed under Cơ sở

One response to “Chương 6: Nhiễu

  1. Pingback: Chương 1: Giới thiệu chung | Blog của Chiến

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s