Chương 7: Máy ảnh

Trở về Mục lục cuốn sách

Máy ảnh và các phương tiện ghi hình phục vụ cho các ứng dụng xử lý ảnh số hiện nay đang thay đổi nhanh chóng. Trong chương này, việc quá tập trung vào một loại máy ảnh, CCD, mà bỏ qua những bước phát triển trong các lĩnh vực như máy ảnh CID (charge injection device) và CMOS, có lẽ không đủ tính cập nhật. Tuy nhiên, các kĩ thuật được dùng để đặc trưng cho máy ảnh CCD vẫn còn phổ biến và phần tiếp theo sẽ trình bày minh họa bằng công nghệ CCD hiện đại.

Đặc điểm tuyến tính

Nói chung, ta muốn mối quan hệ giữa tín hiệu vật lý đầu vào (chẳng hạn, photon) và tín hiệu đầu ra (chẳng hạn, điện thế) có dạng tuyến tính. Chặt chẽ hơn, điều này có nghĩa (như PT (20)) là nếu ta có hai ảnh, a và b, và hai hằng số phức tùy ý, w₁ và w₂, và một phản hồi máy ảnh tuyến tính, thì:

trong đó là phản hồi máy ảnh còn c là đầu ra của máy ảnh. Trên thực tế, mối quan hệ giữa đầu vào a và đầu ra c thường được cho bởi:

c = gain • a^γ + offset

trong đó γ là gamma của vật liệu ghi hình. Đối với một hệ thống ghi hình hoàn toàn tuyến tính ta phải có γ = 1 và offset = 0. Thật không may là offset hầu như không bao giờ bằng 0 và vì vậy ta phải bù lại lượng này nếu muốn lấy được các kết quả đo cường độ. Những kĩ thuật bù sẽ được đề cập đến trong Mục 10.1.

Những giá trị của γ thường gặp được liệt kê trong Bảng 8. Những máy ảnh hiện đại thường có khả năng chuyển bằng điện tử giữa các giá trị γ khác nhau.

Bảng 8. So sánh γ của các sensor (đầu đo) khác nhau.

Đầu đo	Bề mặt	γ	Các ưu điểm có thể có
Chip CCD	Silicon	1,0	Tuyến tính
Ống vidicon	Sb2S3	0,6	Thu hẹp khoảng động → khung cảnh có độ tương phản cao
Phim	Bạc halua	< 1,0	Thu hẹp khoảng động → khung cảnh có độ tương phản cao
Phim	Bạc halua	> 1,0	Giãn khoảng động → khung cảnh có độ tương phản thấp

Độ nhạy

Có hai cách mô tả độ nhạy của máy ảnh. Thứ nhất, ta có thể xác định số photoelectron tối thiểu phát hiện được. Đây có thể được gọi là độ nhạy tuyệt đối. Thứ hai, ta có thể mô tả số photoelectron cần để chuyển từ một mức độ sáng số sang mức kế tiếp, nghĩa là thay đổi một đơn vị chuyển từ dạng tương tự sang dạng số analog-to-digital unit (ADU). Đây có thể được gọi là độ nhạy tương đối.

Độ nhạy tuyệt đối

Để xác định độ nhạy tuyệt đối ta cần một giá trị đặc trưng cho máy ảnh tính theo độ nhiễu của nó. Nếu tổng độ nhiễu có σ bằng, chẳng hạn, 100 photoelectron, thì để đảm bảo cho tín hiệu được phát hiện với mức đảm bảo 3σ, tín hiệu thấp nhất để phát hiện được (hay độ nhạy tuyệt đối) phải là 300 photoelectron. Nếu ta có thể làm giảm tất cả các nguồn nhiễu đã liệt kê ở Chương 6, trừ nhiễu photon ra, xuống đến mức bỏ qua được, thì một độ nhạy tuyệt đối nhỏ hơn 10 photoelectron là khả thi đối với công nghệ hiện đại.

Độ nhạy tương đối

Định nghĩa của độ nhạy tương đối S nêu trên khi áp dụng cho trường hợp tuyến tính, PT (70) với γ=1, sẽ ngay lập tức cho ta

S = 1/gain = gain^-1

Thang đo của độ nhạy hay gain có thể được tiến hành theo hai cách riêng:

• Nếu, trong PT (70), tín hiệu đầu vào a có thể được điều khiển chuẩn xác bằng thời gian “sập” cửa máy ảnh hoặc cường độ (bằng các bộ lọc), sau đó lượng gain có thể được ước tính qua độ dốc của đường thẳng trên đồ thị. Tuy vậy, để chuyển nó sang đại lượng mong muốn, ta phải dùng một nguồn tiêu chuẩn để phát ra số photon định trước lên sensor của máy ảnh đồng thời hiệu suất lượng tử (η) của đầu đo phải được biết trước. HIệu suất lượng tử cho biết xét trung bình, có bao nhiêu photoelectron được sản xuất từ mỗi photon ở một bước sóng cho trước. Nói chung 0 ≤ η(λ) ≤ 1.
• Tuy nhiên, nếu hiệu ứng giới hạn của máy ảnh chỉ là nhiễu photon (Poisson) (xem Mục 6.1), thì một cách làm khác dễ thực hiện có thể được dùng để xác định độ nhạy. Dùng các PT (63), (70) và (71), sau khi bù cho offset (xem Mục 10.1), độ nhạy được đo từ ảnh c được cho bởi:
  

  S = E{c}/Var{c} = m_c/s_c²

  trong đó m_c và s_c được định nghĩa ở các PT (34) và (36).

Số liệu đo đạc cho cấu hình 5 máy ảnh CCD hiện đại (1995) được liệt kê ở Bảng 9.

Bảng 9. Đo đạc độ nhạy. Lưu ý rằng một máy ảnh nhạy hơn sẽ có giá trị S thấp hơn.

Máy ảnh	Số điểm ảnh	Kích cỡ điểm ảnh	Nhiệt độ	S	Số bit
Nhãn hiệu		μm × μm	K	e– / ADU
C-1	1320 × 1035	6,8 × 6,8	231	7,9	12
C-2	578 × 385	22,0 × 22,0	227	9,7	16
C-3	1320 × 1035	6,8 × 6,8	293	48,1	10
C-4	576 × 384	23,0 × 23,0	238	90,9	12
C-5	756 × 581	11,0 × 5,5	300	109,2	8

Từ số liệu này có thể thấy rõ độ nhạy khác thường của các máy ảnh CCD hiện đại. Ở máy ảnh CCD dành cho khoa học (C–1), chỉ có 8 photoelectron (xấp xỉ 16 photon) phân cách giữa hai cấp độ xám trong dạng biểu diễn số của ảnh. Với máy quay giá thành rẻ hơn (C–5), chỉ có khoảng 110 photoelectron (xấp xỉ 220 photon) phân cách giữa hai cấp độ xám.

SNR

Như đã đề cập ở Chương 6, trong nhiều hệ thống máy ảnh hiện đai, nhiễu thường được giới hạn bởi:

• nhiễu khuếch đại trong trường hợp máy ảnh màu;
• nhiễu nhiệt, bản thân nó bị giới hạn bởi nhiệt độ chip (tính theo độ K) và thời gian mở T, và/hoặc;
• nhiễu photon được giới hạn bởi tốc độ sản sinh photon, ρ và thời gian mở T.

Nhiễu nhiệt (Dòng điện tối)

Việc dùng các kĩ thuật làm nguội dựa trên thiết bị làm nguội Peltier là cách tự nhiên để đạt được nhiệt độ chip từ 230 đến 250 K. Điều này dẫn đến tốc độ sản sinh electron nhiệt thấp. Là một độ đo của nhiễu nhiệt độ, ta có thể nhìn vào số giây thời gian cần để sản sinh đủ số electron nhiệt để đi từ một mức độ sáng đến mức tiếp theo, hay ADU, trong điều kiện không có photoelectron. Điều kiện sau cùng này—không có photoelectron—là lí do giải thích tên gọi dòng điện tối. Các số liệu đo đạc cho 5 máy ảnh nêu trên được liệt kê trong Bảng 10.

Bảng 10. Các đặc trưng nhiễu nhiệt

Máy ảnh	Nhiệt độ	Dòng điện tối
Nhãn hiệu	K	giây/ADU
C-1	231	526,3
C-2	227	0,2
C-3	293	8,3
C-4	238	2,4
C-5	300	23,3

Máy quay video (C–5) có bộ phận triệt tiêu dòng điện tối tích hợp trên chip. (Xem Mục 6.2.) Khi hoạt động ở nhiệt độ phòng, thì phải 20 giây máy quay này mới gây ra một bước chuyển ADU, do ảnh hưởng của nhiễu nhiệt. Điều này có nghĩa là với tốc độ chuyển khung và tích hợp hình video thông thường là 25 đến 30 hình mỗi giây (Bảng 3), nhiễu nhiệt sẽ nhỏ đến mức có thể bỏ qua.

Nhiễu photon

Từ PT (64) ta thấy rằng có thể tăng SNR bằng cách tăng thời gian tích hợp hình ảnh cần chụp và do đó “thu giữ” được nhiều photon hơn. Tuy vậy, các điểm ảnh trên máy ảnh CCD chỉ có một dung lượng giếng hữu hạn. Gọi dung lượng hữu hạn này là C, thì SNR lớn nhất trên mỗi điểm ảnh của máy ảnh CCD được tính bởi:

Nhiễu photon do dung lượng hữu hạn —    SNR = 10 log₁₀(C)    dB

Các số liệu lý thuyết cũng như đo được ở 5 máy quay nêu trên được liệt kê trong Bảng 11.

Bảng 11. Các đặc trưng nhiễu photon

Máy ảnh	C	SNR lý.th	SNR đo	Cỡ điểm ảnh	Độ sâu giếng
Nhãn hiệu	# e–	dB	dB	mm × mm	# e–/mm2
C-1	32.000	45	45	6,8 × 6,8	692
C-2	340.000	55	55	22,0 × 22,0	702
C-3	32.000	45	43	6,8 × 6,8	692
C-4	400.000	56	52	23,0 × 23,0	756
C-5	40.000	46	43	11,0 × 5,5	661

Lưu ý rằng với những máy ảnh nhất định, giá trị SNR đo đạc đạt được giá trị tối đa theo lý thuyết; điều này cho thấy SNR đúng là giới hạn bởi photon và dung lượng giếng. Hơn nữa, những đường đồ thị SNR theo T (thời gian tích hợp) đều thống nhất với các PT (64) và (73). (Số liệu sẽ không được nêu ra ở đây.) Cũng có thể thấy rằng, do phụ thuộc vào công nghệ CCD, “độ sâu” của giếng điểm ảnh CCD đều không đổi và bằng khoảng 0,7 ke^–/μm².

Bóng ảnh

Gần như mọi hệ thống ảnh đều tạo bóng. Điều này nghĩa là nếu đầu vào là ảnh thật có a(x,y) = hằng số, thì ở ảnh số tương ứng sẽ không phải là hăng số. Nguồn của bóng ảnh có thể không phụ thuộc máy ảnh, chảng hạn độ chiếu sáng của môi trường, hay là do bản thân máy ảnh như “độ thu” (gain) [bằng số electron ghi được trên mỗi thang đếm của máy] và offset có thể thay đổi khác nhau giữa các điểm ảnh. Mô hình bóng được cho bởi:

c[m,n] = gain[m,n] ⋅ a[m,n] + offset[m,n]

trong đó a[m,n] là ảnh số chụp được trong trường hợp không có bóng, nghĩa là a[m,n] = hằng số. Các kĩ thuật tạo ra hoặc xóa bỏ hiệu ứng bóng sẽ được thảo luận trong Mục 10.1.

Hình dạng điểm ảnh

Dù các điểm ảnh trên Hình 1 có vẻ như vuông và “che phủ” kín hình ảnh liên tục, ta cần biết rằng hình dạng của điểm ảnh trong một hệ máy ảnh / thiết bị số hóa cụ thể. Trong Hình 18 ta định nghĩa những tham số có thể xác định với một máy ảnh và thiết bị số hóa, cùng với hiệu ứng của chúng đối với điểm ảnh.

Hình 18. Các tham số hình dạng điểm ảnh.

Các tham số X₀ và Y₀ là những khoảng cách giữa tâm hai điểm ảnh và biểu thị cho khoảng cách lấy mẫu trong PT (52). Các tham số X_a và Y_a là các kích thước của phần bề mặt máy ảnh nhạy sáng. Như đã đề cập ở Mục 2.3, các thiết bị số hóa video (chụp hình động) có thể có những giá trị X₀ khác nhau nhưng có Y₀ như nhau.

Điểm ảnh vuông

Như đã đề cập ở Chương 5, điểm ảnh vuông nghĩa là X₀ = Y₀ hay nói cách khác, X₀/Y₀ = 1. Tuy nhiên, vẫn có những máy chụp hình động với X₀/Y₀ = 1,1 hay X₀/Y₀ = 4/3. (Dạng thứ hai để khớp với khuôn mẫu của ti-vi cho người tiêu dùng. Xem Bảng 3.) Nhược điểm của kiểu điểm ảnh không vuông là một vật đẳng hướng được quét với lưới điểm ảnh không vuông có thể trông đẳng hướng trên màn hình tương thích với máy quay nhưng các phép tính toán với vật đó (như tỉ số dài-chia-rộng) có thể sẽ cho kết quả không còn đẳng hướng. Điều này được minh họa trên Hình 19.

Hình 19. Ảnh hưởng của các điểm ảnh không vuông

Tỉ số X₀/Y₀ có thể được xác định với bất kì hệ thống máy ảnh / máy số hóa nào bằng cách dùng một biểu đồ kiểm định với các khoảng cách đã biết theo hai phương dọc và ngang. Biều đồ này có thể được in ra dễ dàng bằng những máy in laser hiện đại. Sau đó biểu đồ kiểm tra sẽ được quét, từ đó xác định được các khoảng lấy mẫu X₀ và Y₀.

Hệ số lấp đầy

Ở các máy ảnh CCD hiện đại, có khả năng là một phần bề mặt máy ảnh không nhạy sáng và thay vào đó được dùng cho thiết bị điện tử CCD, hoặc để ngăn cản hiện tượng blooming. Hiện tượng này xảy ra khi một giếng CCD bị đầy (xem Bảng 11) và các photoelectron khác tràn sang những giếng CCD bên cạnh. Giữa các điểm CCD hoạt động là các vùng chống blooming. Dĩ nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với việc một phần photon đến bề mặt bị mất đi vì chúng va đập vào vùng không nhạy của chip CCD. Phần diện tích bề mặt nhạy sáng được gọi là hệ số lấp đầy và được cho bởi:

hệ số lấp đầy = (X_a⋅Y_a) / (X₀⋅Y₀) × 100%

Hệ số lấp đầy càng lớn thì càng có nhiều ánh sáng được chip thu nhận, con số này có thể lên đến 100%. Tuy nhiên, đổi lại, hệ số lấp đầy lớn thì hình càng bị “làm trơn” [nhòe đi] do ảnh hưởng của độ mở kính như đề cập trong Mục 5.1.1. Điều này được minh họa trên Hình 16.

Độ nhạy phổ

Các đầu đo, như loại được tìm thấy trong máy ảnh và phim, có độ nhạy không đều nhau với mọi bước sóng ánh sáng. Độ nhạy phổ của đầu đo CCD được cho trên Hình 20.

Hình 20. Một số đặc tính phổ của silic, mặt trời và hệ thị giác của người. UV = cực tím (ultra-violet) và IR = hồng ngoại (infra-red).

Độ nhạy cao của silic trong vùng hồng ngoại có nghĩa là với những ứng dụng khi dùng máy ảnh CCD (hoặc máy khác dựa trên silic) làm nguồn ảnh phục vụ xử lý và phân tích ảnh số thì nên cân nhắc việc dùng một tấm lọc để chặn tia hồng ngoại. Tấm lọc này chặn những bước sóng dài hơn 750 nm và do đó ngăn cản sự “tạo sương mù” trên tấm ảnh bởi những bước sóng dài có trong ánh mặt trời. Mặt khác, máy ảnh CCD có thể là đầu đo tuyệt vời với dải bước sóng cận hồng ngoại từ 750 nm đến 1000 nm.

Tốc độ sập cửa (thời gian tích hợp)

Thời gian mà một tấm ảnh được để mở—khi photon được thu thập—có thể sẽ thay đổi ở một số loại máy ảnh hoặc thay đổi tùy theo cơ sở định dạng video (xem Bảng 3). Với những nguyên do liên quan đến các tham số nhiếp ảnh, thời gian mở ảnh này thường được gọi là tốc độ sập cửa, dù rằng một cụm từ thích hợp có lẽ là “thời gian tích hợp”.

Máy quay video

Giá trị của tốc độ sập cửa có thể ngắn đến mức 500 s đối với các máy quay video CCD được bán trên thị trường, dù rằng tốc độ quy ước đối với video là 33,37 ms (NTSC) và 40,0 ms (PAL, SECAM). Các giá trị cao, cỡ 30 s cũng có thể đạt được với một số loại máy quay nhất định mặc dù điều này đồng nghĩa với việc hi sinh một loạt những ảnh video liên tiếp chứa tín hiệu, để nhường chỗ cho một ảnh tích hợp duy nhất trong cả loạt ảnh bỏ trống. Phần cứng làm nhiệm vụ số hóa tiếp theo phải đảm nhiệm công việc xử lý này.

Máy ảnh khoa học

Một lần nữa, các giá trị thấp dưới 500 ns vẫn có thể thực hiện, và với những công nghệ làm mát như Peltier hay ni-tơ lỏng, thời gian tích hợp kéo dài hơn 1 giờ đồng hồ có thể đạt được.

Tốc độ đọc ra

Tốc độ mà số liệu được đọc từ chip đầu đo được gọi là tốc độ đọc ra. Đối với máy quay video tiêu chuẩn, tốc độ đọc ra phụ thuộc vào các tham số của máy ghi hình chuyển động cũng như máy ảnh. Với video tiêu chuẩn, xem Mục 2.3, tốc độ đọc ra được cho bởi:

Tuy rằng đơn vị phù hợp để miêu tả tốc độ đọc ra phải là điểm/dòng nhưng đơn vị Hz thường được thấy trong tài liệu và trong bảng thông số của máy ảnh nên ta sẽ dùng đơn vị Hz này. Với máy quay có điểm ảnh vuông (xem Mục 7.5), điều này có nghĩa là:

Bảng 12

Định dạng	dòng / giây	điểm ảnh / dòng	R (MHz)
NTSC	15.750	(4/3) × 525	= 11,0
PAL/SECAM	15.625	(4/3) × 625	= 13,0

Lưu ý rằng các giá trị trong Bảng 12 chỉ là xấp xỉ. Muốn biết các giá trị đúng ở thiết bị dùng điểm ảnh vuông phải hiểu chính xác cách mà bộ số hóa video (máy chụp hình động) lấy mẫu trên từng dòng video.

Các tốc độ đọc ra được dùng ở máy quay thường có nghĩa là nhiễu điện tử được mô tả trong Mục 6.3 xảy ra trong miền phổ nhiễu (PT (65)) cho bởi ω > ω_max khi công suất nhiễu tăng theo tần số. Do vậy, độ nhiễu đọc ra có thể rất đáng kể ở các máy quay.

Các máy ảnh khoa học thường dùng tốc độ đọc ra chậm hơn để giảm nhiễu đọc ra. Các giá trị điển hình của tốc độ đọc ra với các máy ảnh khoa học, như được miêu tả trong các Bảng 9, 10, và 11, là 20 kHz, 500 kHz, và 1 MHz tới 8 MHz.