Chương 2 : ảnh số hóa

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

Thêm vào BST

Báo xấu

177
lượt xem 47
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

ẢNH SỐ HOÁ 2.1 GIỚI THIỆU Các máy tính chỉ có thể xử lý ảnh số, trong khi tự nhiên ban cho các ảnh ở dạng khác, nên điều quyết định trước tiên cho vấn đề xử lý ảnh số là chuyển đổi ảnh sang dạng số. Nhìn chung, thiết bị chuyên dụng cho ảnh số hoá là sự biến đổi từ một hệ thống máy tính thông thường thành một trạm làm việc (workstation) xử lý ảnh số. Một thiết bị ghi lại ảnh cũng có thể cần đến, mặc dù chất lượng các bản in của các máy in...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 2 : ảnh số hóa

CHƯƠNG 2 ẢNH SỐ HOÁ 2.1 GIỚI THIỆU Các máy t ính chỉ có thể xử lý ảnh số, trong khi tự nhiên ban cho các ảnh ở dạng khác, nên điều quyết định trước tiên cho vấn đề xử lý ảnh số là chuyển đổ i ảnh sang dạng số. Nhìn chung, thiết bị chuyên dụng cho ảnh số hoá là sự biến đổi từ một hệ thống máy t ính thông thường thành một trạm làm việc (workstation) xử lý ảnh số. Một thiết bị ghi lạ i ảnh cũng có thể cần đến, mặc dù chất lượng các bản in của các máy in ma trận điểm bị hạn chế. Những ngày đầu của xử lý ảnh số, thiết bị số hoá ảnh phức tạp và đắt đến nỗ i chỉ một vài trung tâm nghiên cứu có liên quan mới có đủ khả năng trang bị. Tuy nhiên, những tiến bộ trong công nghệ đã khiến cho các bộ số hoá ảnh trở nên rẻ và phổ biến hơn. Cấu hình thiết bị gồ m nhiều loại khác xa nhau được sử dụng để chuyển đổ i ảnh sang dạng số. Trong chương này, chúng ta sẽ đề cập đến các phần tử của bộ số hoá ảnh, một vài hiện tượng vật lý thường dùng trong quá trình xử lý và chúng ta sẽ xem xét vài sự thực hiện số hoá. Mục đích là để mở rộng hiểu biết về các khả năng và hạn chế của các cách tiếp cận khác nhau đố i với sự số hoá ảnh, sự nhạy cảm với nhiễu và sự méo ảnh. Sự giảm bớt hay loại bỏ nhiễu và méo của bộ số hoá là một trong các chức năng chính của xử lý ảnh số. 2.1.1 Các phần tử của bộ số hoá Một bộ số hoá ảnh phải có khả năng chia một ảnh thành các phần tử điểm ảnh (pixel), đánh địa chỉ cho mỗ i phần tử riêng biệt, đo giá trị các mức xám của ảnh tại mỗ i điểm, lượng tử hoá các giá trị liên tục đo được thành một tập các số nguyên và ghi giá trị của tập số nguyên đó ra thiết bị lưu trữ dữ liệu. Để thực hiện công việc này, bộ số hoá phả i có năm phần tử. Phần tử đầu tiên của bộ số hoá là ống kính (aperture) lấy mẫu-cho phép bộ số hoá truy cập vào các phần tử điểm ảnh riêng lẻ và bỏ qua phần còn lại của ảnh. Phần tử thứ hai là một cơ chế quét (sampling/scanning) ảnh. Quá trình này gồ m có di chuyển ống kính lấy mẫu khắp ảnh theo mô hình định nghĩa trước. Quá trình quét cho phép ống kính lấy mẫu đánh địa chỉ cho các phần tử điểm ảnh, mỗ i lần một điểm. Phần tử thứ ba là một bộ cảm nhận ánh sáng, dùng để đo độ sáng của mỗ i điểm ảnh thông qua ống kính lấy mẫu. Bộ cảm biến nó i chung là một bộ chuyển đổi dùng để biến đổi từ cường độ ánh sáng thành điện áp hay cường độ dòng điện. Phần tử thứ tư là bộ lượng tử hoá, chuyển đổi giá trị liên tục từ đầu ra của bộ cảm biến thành giá trị số nguyên. Đặc trưng của bộ lượng tử là một mạch điện tử gọi là bộ chuyển đổi tương tự sang số (analog to digital converter-ADC). Phần tử cuối cùng của bộ số hoá là thiết bị lưu trữ đầu ra. Các giá trị mức xám được sinh ra bởi bộ lượng tử hoá phải được lưu trữ ở dạng thích hợp cho máy t ính xử lý. Thiết bị đầu ra có thể là bộ nhớ bán dẫn, đĩa từ hoặc một vài thiết bị phù hợp khác. 10
2.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA BỘ SỐ HOÁ ẢNH Mặc dù các bộ số ảnh khác nhau về các thiết bị mà chúng sử dụng để thực hiện các chức năng của chúng, nhưng chúng vẫn có các đặc tính cơ bản liên quan với nhau. Kích thước điểm ảnh. Hai đặc t ính quan trọng là kích thước ống kính lấy mẫu và khoảng cách giữa các điểm ảnh liền kề nhau. Nếu bộ số hoá được trang bị trên một hệ thống quang học có thể thay đổ i khả năng phóng to, thì khoảng cách và kích thước mẫu của mặt phẳng ảnh vào là có thể thay đổ i, đây là lĩnh vực đáng quan tâm. Kích thước ảnh. Tham số quan trọng khác là khả năng của phương tiện đố i với kích thước ảnh vào. Đối với trường hợp máy quét film, kích thước của film đầu vào cực đại là 35 mm hoặc ảnh X quang 11  14 inch. Ở đầu ra, kích thước ảnh được định rõ bằng số dòng cực đại và số điểm ảnh trên một dòng. Tính chất phân phối cục bộ. Đặc tính quan trọng thứ ba của bộ số hoá ảnh là tham số vật lý mà thực tế nó đo và lượng tử hoá được. Ví dụ đố i với các máy quét film, chúng có thể đo và lượng tử hoá hệ số truyền hay mật độ quang học của film. Cả hai đều là các hàm độ sáng hay độ tối của film nhưng chắc chắn các ứng dụng của chúng hữu ích hơn các hàm khác. Tính chất tuyến tính. Mức độ tuyến t ính của sự số hoá cũng là một yếu tố quan trọng. Chẳng hạn, trong thực tế phương tiện số hoá cường độ ánh sáng, dùng để xác định mức độ chính xác của các mức xám t ỷ lệ với độ sáng thực sự của ảnh. Bộ số hoá phi tuyến có thể phá huỷ t ính hợp lệ của quá trình xử lý tuần tự. Số các mức xám mà thiết bị có thể lượng tử hoá ảnh cũng rất quan trọng. Các bộ số hoá ảnh trước đây chỉ có hai mức xám: đen và trắng. Trong thực hành số hoá đơn sắc hiện nay, dữ liệu thường là 8 bit (256 mức) và thiết bị có độ phân giải cao hơn có thể thực hiện được. Nhiễu. Cuối cùng, mức nhiễu của bộ số hoá là đặc tính có tầm quan trọng nhất. Trường hợp ảnh xám được thể hiện bởi bộ số hoá, nhiễu vốn có trong hệ thống sẽ gây ra hiện tượng mức xám đan chéo nhau trên ảnh đầu ra, cho dù độ sáng ảnh đầu vào là hằng số. Nhiễu do bộ số hoá tạo ra chính là nguyên nhân gây ra sự suy biến ảnh và điều nà y liên quan một phần đến sự tương phản của ảnh. Những đặc t ính này tạo thành bản chi tiết kỹ thuật cho một bộ số hoá. Chúng cung cấp cơ sở để so sánh các phương tiện khác nhau hay để quyết định một bộ số hoá có thích hợp cho một công việc cụ thể nào đấy hay không. Trong một vài trường hợp, ảnh số hoá có thể thích hợp với vài dòng, số điểm ảnh trên một dòng, các mức xám có liên quan và với t ính phi tuyến có thể đánh giá được hay mức nhiễu cao. Tuy nhiên, nhiều ứng dụng quan trọng của xử lý ảnh số đòi hỏi bộ số hoá chất lượng cao-có khả năng số hoá một ảnh lớn có nhiều mức xám với t ính tuyến t ính tốt và mức nhiễu thấp. Chương sau, chúng ta sẽ thảo luận chi tiết đến các yêu cầu đối với bộ số hoá trong các ứng dụng xử lý ảnh. 2.3 CÁC KIỂU BỘ SỐ HOÁ ẢNH Một kiểu bộ số hoá đa năng và quan trọng là camera số hoá, camera mà có một hệ thống thấu kính có thể số hoá ảnh của bất kỳ đố i tượng nào. Một ví dụ là camera video phố i ghép với máy t ính, đó là thiết bị có thể số hoá không những các đối tượng vật lý mà còn các ảnh như film chụp ảnh. Một kiểu bộ số hoá hạn chế, tuy nhiên cũng quan trọng, là máy quét film. Đây là công cụ dùng riêng cho việc quét các ảnh chụp trên film. Những máy quét film chỉ có thể số hoá ảnh của một đối tượng sau khi camera quay film thu nhận ảnh của đối tượng 11
đó. Về phương diện lịch sử, các máy quét film đã đóng vai trò nổi bật trong xử lý ảnh, nhưng thực tế hiện nay các camera số hoá trực tiếp có xu thế được sử dụng nhiều hơn. 2.3.1 Số hóa quét đầu vào (Scan-in) và quét đầu ra (Scan-out) Có hai cách tiếp cận quá trình số hoá tổng quát, gọi là số hóa quét đầu vào (Scan-in) và số hoá quét đầu ra (Scan-out). Trong hệ thống quét đầu ra (Hình 2-1), toàn bộ đối tượng hay ảnh film được chiếu sáng một cách liên tục và ống kính lấ y mẫu cho phép bộ cảm biến ánh sáng “nhìn thấy” mỗ i lần duy nhất một điểm ảnh. Còn trong hệ thống quét đầu vào (Hình 2-2), mỗ i một lúc chỉ một vết (spot) nhỏ của đối tượng được chiếu sáng và ánh sáng truyền qua được tập trung vào bộ cảm biến. Trong trường hợp này, chù m ánh sáng chiếu vào sẽ quét lên đối tượng và bộ cảm biến không rõ ràng về mặt không gian. HÌNH 2-1 Hình 2-1 Bộ số hoá quét đầu ra Có một cách tiếp cận thứ ba được kết hợp từ hai cách tiếp cận trước đó. Trong hệ thống quét đầu vào/quét đầu ra, đối tượng được chiếu bởi một vết sáng chuyển động và được lấy mẫu thông qua một ống kính chuyển động theo vết sáng. Đó là hệ thống làm giảm sự ảnh hưởng của ánh sáng và đã cung cấp một vài ứng dụng trong quá trình số hoá ảnh hiển vi. Tuy nhiên, điều rắc rối của chúng, đặc biệt vết lấy mẫu di chuyển theo các vết sáng, đã có phần hạn chế ứng dụng của hệ thống quét đầu vào/quét đầu ra. HÌNH 2-2 Hình 2-2 Bộ số hoá quét đầu vào 12
2.4 CÁC THÀNH PHẦN SỐ HOÁ ẢNH Như đã đề cập trước đây, một bộ số hoá phải có một nguồn ánh sáng, một bộ cảm biến ánh sáng và một hệ thống quét. Hơn nữa, nguồn ánh sáng hoặc bộ cảm biến ánh sáng (hoặc cả hai) phải nằm phía trước ống kính lấy mẫu. Trong phần này, chúng ta sẽ đề cập đến các nguồn ánh sáng rời rạc, các bộ cảm biến và các hệ thống quét khác nhau. Phần tiếp theo, chúng ta sẽ sắp đặt chúng với nhau để tạo thành các bộ số hoá ảnh đầ y đủ. 2.4.1 Nguồn ánh sáng Bóng đèn nóng sáng. Hầu hết các nguồn sáng nhân tạo là bóng đèn nóng sáng. Đố i với hệ thống quét đầu ra, đèn nóng sáng rất thích hợp cho việc chiếu sáng đối tượng hoặc ảnh đang được số hoá. Đối với công việc quét đầu vào, sợi giây tóc của một bóng đèn nhỏ hay đi-ốt phát sáng (LED) có thể được mô tả bằng một thấu kính để tạo thành một vết sáng nhỏ. Laser. Laser có thể tạo ra những chùm ánh sáng tập trung ở mức độ cao. Laser sinh ra chùm ánh sáng hẹp, tập trung và có cường độ lớn bằng cách kích thích các nguyên tử của nguyên tố hoạt động (argon, helium, neon, ...) lên trạng thái năng lượng cao, đồng thời kích thích cho chúng chuyển hoá về trạng thái bình thường. Sự chuyển hoá này gây ra một chùm ánh sáng tập trung có cường độ cao, dễ dàng hộ i tụ và làm lệch hướng. Mặc dù laser được sử dụng làm nguồn chiếu sáng trong hệ thống quét đầu ra, ưu thế của nó là tạo ra các vết sáng nhỏ có cường độ cao cho các bộ số hoá quét đầu vào. Phốt pho. Phốt pho phát sáng khi các điện tử chiếu vào. Nếu một chùm điện tử hộ i tụ vào một điểm nhỏ trên bề mặt tấm kính thuỷ t inh có tráng phốt pho (Hình 2-3), ánh sáng phát ra từ điểm đó. Bề mặt ống tia điện tử (Cathode-ray tube - CRT) được tráng bở i hợp chất pha trộn giữa phốt pho và pha lê. Phốt pho được phủ lên trên mặt ống nhờ một màng nhô m trong suốt. Màng nhô m này có nhiệm vụ tạo thành một cực dương (anode) thu hút chùm điện tử. Sự va chạm của các điện tử mang năng lượng trong chùm điện tử kích thích các nguyên tử phốt pho, đưa một vài nguyên tử lên trạng thái năng lượng cao. Mỗi một điện tử phân rã về trạng thái bình thường của nó, nó sẽ phát ra một phôtôn. Trong quá trình sản xuất phốt pho ta có thể điều chỉnh được quang phổ (màu) và tính bền vững (độ phân rã) của ánh sáng phát ra. Có thể tìm được nhiều vật phát ra quang phổ và thời gian phâ n rã từ nhỏ hơn 1 micrô giây đến vài giây. HÌNH 2-3 Hình 2-3 Cấu trúc CRT 13
Độ sáng của vết sáng tạo thành bởi chùm điện tử đại khái là t ỷ lệ với mật độ trung bình của chùm. Phốt pho được tạo thành từ các hạt nhỏ và vì thế, giả thiết đưa ra là bên trong lớp phốt pho có nhiều hạt phát sáng. Các ống tia điện tử có độ phân giải giới hạn từ 30 đến 70 dòng (chu kỳ) trên một milimet. LED. Các LED chỉ dùng bán dẫn cũng tạo ra nguồn ánh sáng đặc và thích hợp. Thực chất LED được tạo ra từ chất bán dẫn Asen Gali. Chúng phát ra ánh sáng tại cường độ được điều khiển từ nguồn nhỏ. Nhờ vậy mà chúng được sử dụng trong các hệ thống quét đầu vào. 2.4.2 Bộ cảm biến ánh sáng Các bộ cảm biến ánh sáng sinh ra t ín hiệu điện ứng với cường độ ánh sáng chiếu lên chúng. Năm hiện tượng vật lý khác nhau được ứng dụng để tạo ra năm kiểu cảm biến: thiết bị quang phát (photoemissive), t ế bào quang điện (photovoltaic), chất quang dẫn (photoconductor), bộ cảm biến silicon (silicon sensor) và bộ phận tiếp giáp bán dẫn (P- N). Các chất quang phát phát ra điện tử khi có ánh sáng chiếu vào. Các chất quang điện, như các tế bào năng lượng mặt trời silicon, sinh ra một điện thế khi phơi dưới ánh sáng. Các chất quang dẫn, như Sunfit Catmi (Cadmium sunfide), sẽ bị suy giảm điện trở khi có sự tác động của ánh sáng. Các thiết bị silicon lợi dụng các t ính chất cảm nhận ánh sáng của tinh thể silicon nguyên chất. Đặc t ính tiếp giáp bán dẫn của đi ốt quang (photodiode) và transistor quang (phototransisto r) là chúng tích điện khi có tác động của ánh sáng tới. Thiết bị quang phát. Ống nhân quang (photomutiplier) (H ình 2-4) có bề mặt quang phát tạo thành catôt quang nửa trong suốt (semitransparent photocathode). Thành ống được phủ một lớp ôxit kim loại kiềm (như bạc, cesium, antimon, natri, bitmut, rubidi). Khi các phôtôn có một năng lượng đủ lớn (  1 micron) đập vào catôt quang đã được tích điện âm, giải phóng các hạt điện tử khỏi bề mặt catôt. HÌNH 2-4 Hình 2-4 Ống nhân quang Đằng sau catôt quang là dãy các đinôt (dynode) được giữ ở các mức điện áp dương dần lên. Các hạt điện tử sơ cấp đã được các phôtôn giải phóng từ ca tốt quang bay nhanh về phìa đinôt đầu tiên. Sự va chạm của mỗ i điện tử tự do với vài hạt điện tử thứ cấp sẽ tạo thành hiệu ứng phân rã hạt nhân. Sau đó các điện tử mới sinh ra bị hút về phía đinôt thứ hai, ở đây hiệu ứng tương tự được lặp lại. Quá trình cứ t iếp diễn như vậy cho đến khi các điện tử từ đinôt cuối cùng được tập hợp vào anôt, tạo thành dòng điện bên trong 14
mạch điện ngoài. Dòng điện này t ỷ lệ với thông lượng (flux) phôtôn tới trên ca tốt quang, dòng điện này có thể được lấy mẫu và lượng tử hoá. Ống nhân quang khá nhạy cảm do hiệu ứng phân rã hạt nhân của các đinôt. Một hạt điện tử sơ cấp có thể tạo ra đến tận hàng triệu điện tử. Ống nhân quang được sử dụng trong quá trình số hoá mức ánh sáng thấp nhờ vào tính nhạy cảm cao của nó. Bộ cảm biến silicon. Nguyên chất ở mức độ rất cao, được xử lý đặc biệt, silicon có thể trở thành các tinh thể cỡ lớn. Mỗ i nguyên tử silicon được liên kết cùng hoá trị vớ i sáu nguyên tử xung quanh nó trong mạng lưới tinh thể hình khố i chữ nhật ba chiều. Các phôtôn tới đủ năng lượng ( < 1m) sẽ phá vỡ mố i liên kết, giải phóng một điện tử và để lại một “lỗ hổng” ở nơi đó. Lớp kim loại mỏ ng phủ trên bề mặt silicon và được t ích một điện áp âm tạo ra một nguồn điện thế (potential well), tập hợp và nắm giữ các quang điện tử trong khu vực hiện tại đã được phô tôn giải phóng. Mỗi nguồn điện thế tương ứng với một điểm ảnh trong một mạng các bộ cảm biến. Mỗ i nguồn điện thế có thể giữ khoảng 800 điện tử/một micron vuông, hoặc từ 105 đến 106 điện tử/một điểm ảnh trên các chip hiện có. Dải động của một nguồn là t ỷ số với dung lượng điện tử của nó trên mức nhiếu số liệu ra. Nhiễu số liệu ra có thể thấp đến 5-10 điện tử đối với các thiết bị chất lượng cao. Nguồn phơi quá lâu sẽ sinh ra các điện tử quá mức qui định và có thể tràn sang các nguồn kế bên, dẫn đến ảnh bị nở hoa (blooming). Năng lượng nhiệt cũng gây ra sự phá vỡ liên kết ngẫu nhiên, tạo thành các nhiệt điện tử (thermal electron) không thường xuyên và không thể phân biệt được với quang điện tử. Điều này gây ra luồng tối (dark current) cho bộ cảm biến silicon, ngay cả khi thiếu ánh sáng. Luồng tối nhạy cảm với nhiệt độ, tăng gấp đô i mỗ i một độ tăng 60C (tức là, nhiệt độ tăng 60C thì luồng tối lại tăng gấp đô i). Việc cảm nhận ảnh đòi hỏ i nhiều thờ i gian kết hợp thì các nguồn nhiệt điện tử thường được sử dụng hơn là quang điện tử. Sự làm nguội thường dùng làm giảm luồng tối và do đó phạm vi thời gian kết hợp là có thể dùng được. Làm mát bộ cảm biến silicon sẽ làm giảm luồng tối của nó từ vài nghìn điện tử trên một giây với nhiệt độ trong phòng, dần đến một điện tử trên một giâ y tại -600C. Đi ôt quang. Đi ốt quang (Hình 2-5) là thiết bị tiếp giáp P-N ở thể rắn. Một điện trường tạo ra sự phân cực đố i ngược nhau trong vùng phụ cận của vùng tiếp giáp giữa hai vật liệu bán dẫn. Trường này quét qua các vật mang điện (các điện tử và các lỗ hổng) bên ngoài vùng tiếp giáp, tạo thành lớp trống rỗng ngăn cản dòng chảy. Đó thông thường là một thiết bị cho phép dòng chảy chỉ chảy theo một chiều. Trong đi ốt quang, một mặt của thiết bị (ví dụ lớp P) được chế tạo rất mỏng đến nỗ i ánh sáng có thể xuyê n đến lớp tiếp giáp. HÌNH 2-5 15
Hình 2-5 Đi ôt quang Hoạt động của lớp tiếp giáp là cung cấp một điện áp phân cực đảo, vì thế nó dẫn luồng rất nhỏ. Tuy nhiên, các phôtôn va chạm sẽ giải phóng các cặp điện tử-lỗ hổng bên trong vật liệu bán dẫn. Trong lớp trống rỗng, nơi điện trường mạnh, hầu hết các vật mang được huy động này đều chịu ảnh hưởng của điện trường cuốn dạt ra xa trước khi chúng có thể kết hợp lại. Trong mạch điện ngoài, sự di trú (migration) của chúng tạo thành một luồng tỷ lệ với thông lượng phôtôn tới. Tiếp giáp P-N biểu thị trở kháng cao (high resistance) cho dòng chảy theo chiều đảo, dòng chảy mà được điều khiển bởi cường độ ánh sáng và độc lập quan hệ với điện áp cung cấp theo bên ngoài. Lớp trống rỗng có thể được làm tương đố i dày để thu hút các phôtôn có bước sóng dài. Đi ôt quang thác (avalanche photodiotde) đạt được tính nhạy cảm cao hơn đi ốt quang bình thường nhờ tính nhân điện tử của ống nhân quang. Đi ôt quang thác lệ thuộc vào điện áp phân cực đảo rất cao. Sự va chạm của các phôtôn giải phóng các điện tử, các điện tử này được gia tốc (accelerate) bởi điện trường có cường độ lớn trong lớp trống rỗng. Chúng đạt tới vận tốc cao đến nỗ i chúng có thể ion hoá các va chạm trong phạm vi vật liệu, giải phóng nhiều điện tử hơn. Hiệu ứng này có thể làm cho hệ số tăng cao đến tận 1,000, tăng tính nhạy cảm của thiết bị một cách đáng kể. Trong những phần đã đề cập trước đây, người ta cho rằng đi ốt quang tạo một dòng trạng thái ổn định t ỷ lệ với thông lượng phôtôn tới. Như một sự lựa chọn, chúng có thể hoạt động trong chế độ tích hợp (integrating mode). Bởi vì t iếp giáp đi ốt quang biểu thị cho điện dung, nên nó mang điện t ích của chiều phân cực có xu hướng đảo (reverse- biased polarity). Tiếp sau đó, chất quang dẫn làm giảm điện t ích tại vận tốc tỷ lệ vớ i thông lượng phôtôn tới. Nếu như đi ốt quang được tích điện lại với điện áp cụ thể nào đó một cách định kỳ, thì điện tích yêu cầu (số các điện tử) phải tỷ lệ với t ích phân của thông lượng phôtôn tới đố i với chu kỳ giữa các lần t ích điện lại. Vì thế, trong chế độ tích hợp, đi ốt quang không cảm nhận được thông lượng phôtôn tức thời, nhưng lại cảm nhận được tích phân thông lượng phôtôn đối với một chu kỳ thời gian nào đó. Có hai nhân tố giới hạn dải động hoạt động của các đi ốt quang trong chế độ tích hợp. Đầu tiên, điện dung tiếp giáp nhỏ làm giới hạn sự tích điện ban đầu. Thứ hai, luồng tối, luồng lưu thông mà không cần ánh sáng chiếu vào, từ từ phóng điện vào đi ốt quang. Các nhân tố này giới hạn chu kỳ t ích hợp tới một vài mili giây và dải dộng khoảng 100 đến 1 ở nhiệt độ trong phòng. Bởi vì luồng tối nhậy cảm với nhiệt độ, nên việc làm mát đi ốt quang thực tế là để làm tăng đáng kể số lần t ích hợp. Transistor quang. Transistor quang là thiết bị bán dẫn ba lớp được gắn vào miếng nhựa hoàn toàn hoặc miếng nhựa có gắn một thấu kính bên trên để cho phép ánh sáng chiếu tới lớp tiếp giáp transistor (Hình 2-6). Các phôtôn va chạm với nhau giải phóng các cặp điện tử-lỗ hổng trong lớp tiếp giáp cực góp-đáy (collector-base). Sự chuyển động của những vật mang này tạo thành dòng điện đáy trong transistor. Dòng điện cực góp tỷ lệ với dòng điện đáy nhân với hệ số tăng dòng (beta) của transistor. Nhìn bề ngoài, transistor quang hoạt động giống như đi ốt quang, ngoại trừ tính nhậy cảm cao. Tuy nhiên, các yêu cầu về tốc độ và t ính tuyến t ính đã bức chế (dictate) sự xếp đặt trong thiết kế transistor, những xếp đặt này sẽ quyết định các giới hạn tăng dòng có thể đạt được. Cả transistor quang lẫn đi ốt quang đều có sự phản ứng nhanh và ổn định đối vớ i những thay đổ i của cường độ ánh sáng, chúng tạo ra những bộ cảm biến điểm (point sensor) tuyệt vời cho ảnh số hoá. 16
HÌNH 2-6 Hình 2-6 Transistor quang 2.4.3 Các cơ chế quét Trong phần này, chúng ta sẽ đề cập đến những kỹ thuật được sử dụng để di chuyể n điểm quét hay chiếu sáng trên ảnh. Chúng ta sẽ xem xét các nguồn sáng, các bộ cảm biến và hoạt động của các cơ chế quét với nhau trong các hệ thống số hoá ảnh ở phần tiếp theo. Thiết bị quét cơ khí. Hình 2-7 trình bày hai phương pháp cơ khí dùng cho quét ảnh: trống quay (rotating drum) và trục bước (lead screw). Từng phần hoặc toàn bộ của một ảnh chụp được bọc trong một trống hình trụ, trống này được quay để kéo ảnh qua một lỗ ống kính cố định. Thao tác này thực hiện việc quét ảnh theo một hướng. Lỗ ống kính quét có thể đặt trên trục bước nhằm di chuyển lỗ ống kính ngang qua ảnh. Trong hình, trống quay và trục bước được kết hợp để tạo ra bộ quét ảnh hai chiều. Nếu trục bước quay liên tục trong các bước, thì đường quét là đường xoắn ốc, nhưng thường thì đường này là con số xấp xỉ thích hợp với quét thẳng. Tốc độ hoạt động của các thiết bị quét cơ khí như trên bị giới hạn, nhưng có thể cung cấp một ảnh lớn có độ ổn định hình học tốt với giá thành khá thấp. HÌNH 2-7 Hình 2-7 Cơ chế quét cơ khí Quét chùm điện tử. Một vài thiết bị điện tử hữu ích trong ảnh số hoá và quét ảnh hiển thị bằng chùm điện tử. Hình 2-8 minh hoạ hai phương tiện làm lệch hướng chùm điện tử quét. 17
HÌNH 2-8 Hình 2-8 Sự lệch hướng chùm điện tử Sự lệch hướng tĩnh điện. Một chùm điện tử, sinh ra bởi một súng điện tử ở đáy ống, bị cực dương t ích điện hút về phía mục tiêu. Chùm điện tử đi qua giữa các tấm kim loạ i làm lệch hướng tĩnh điện, điện trường tác động một năng lượng lên các điện tử, làm thay đổi hướng đi của chúng, góc lệch hướng phụ thuộc vào tốc độ chùm và thế điện giữa các tấm kim loại. Bằng cách điều khiển điện thế, ta có thể làm cho chùm điện tử tác động đến bất cứ điểm nào trên đích. Sự lệch hướng từ tính. Từ trường nằm ngang cũng có thể được sử dụng để làm lệch hướng chùm điện tử. Năng lượng trên hạt tích điện chuyển động trong từ trường là vectơ, sản phẩm của vận tốc hạt và từ trường. Vì vậy, trong hình 2-8, các điện tử tích điện âm sẽ bị lệch hướng xuống phía dưới. Tiêu điểm chùm. Các chùm điện tử cũng phải được tập trung thành một điểm nhỏ trên đích. Giố ng như sự lệch hướng, điều này có thể được thực hiện bằng các phương tiện tĩnh điện hay điện từ. Sự kém hộ i tụ của chùm điện tử dẫn đến các điểm quét lớn và độ phân giải thấp. 2.5 CAMERA ỐNG ẢNH ĐIỆN TỬ (ELECTRONIC IMAGE TUBE) Các ống ảnh điện tử là thiết bị đầu tiên được sử dụng phổ biến để quan sát trong việc cảm nhận ảnh truyền hình. Chúng không phải là thiết bị bán dẫn, mặc dù chúng vẫn đả m trách một phần quan trọng trong quá trình số hoá ảnh. 2.5.1 Ống camera vidicon Hình 2-9 minh hoạ cấu trúc vidicon, một kiểu chung của ống cảm nhận ảnh truyền hình. Vidicon là một vỏ bọc thuỷ t inh hình cầu chứa súng điện tử ở một đầu, đích và tấm mặt (faceplate) ở đầu kia. Ống được bao quanh bởi một cái kẹp chứa tiêu điểm điện từ cuộn lái tia. Bên trong tấm mặt được phủ một lớp mỏng chất quang dẫn lên trên màng kim loại mỏ ng trong suốt. Lớp kép này tạo thành đích (target). Một điện t ích âm nhỏ được cung cấp cho lớp kim loại bao phủ của đích, phía sau lớp này là tấm chắn bằng dâ y mịn, gọ i là mạng lưới (mesh). Các điện tử tới giảm tốc độ sao khi xuyên qua mạng lưới và chúng đạt đến đích vớ i vận tốc xấp xỉ zero. Trong bóng tối, chất quang dẫn có tác dụng như chất cách ly, không cho phép điện tử chảy qua tấm mỏ ng t ích điện âm. Tác dụng của chùm điện tử là để đặt một lớp điện tử lên bề mặt bên trong chất quang dẫn nhằm cân bằng điện tích âm của lớp phủ kim loại. Vì thế, sau khi chùm điện tử hoàn thành việc quét, chất quang dẫn có vẻ như là một tụ điện có một mặt được tích điện âm và điện tích bề mặt các điện tử ở mặt kia. Khi ánh sáng va đập vào một khu vực nhỏ của chất quang dẫn, các điện tử bắt đầu lưu thông qua, làm rỗng cục bộ lớp điện t ích bề mặt. Vì thế, nếu một ảnh quang học được thực hiện trên đích, chất quang dẫn sẽ thoát ra điện tử cho đến khi ảnh điện tử 18
được thực hiện trên mặt sau của đích. Nghĩa là điện tử sẽ xuất hiện ở vùng tối mà không có mặt ở vùng sáng. Khi chùm điện tử quét đích, nó thay thế các điện tử bị mất, lưu giữ điện tích bề mặt không thay đổ i. Khi các điện tử bị thay thế, một dòng điện sẽ lưu thông trong mạch điệ n ngoài của đích. Vì thế, dòng điện này t ỷ lệ với số điện tử yêu cầu có trong vật mang và với cường độ ánh sáng tại điểm đó. Nó cũng tỷ lệ với vận tốc chùm quét. Sự biến thiên của dòng điện trong mạch điện đích tạo ra tín hiệu video. Chùm điện tử quét đi quét lại bề mặt đích, thay thế điện tích bị mất. Đích vidicon là bộ cảm biến t ích hợp với chu kỳ bằng tốc độ quét. Quy tắc quét. Hình 2-10 minh hoạ quy tắc quét RS-170 (Hiệp hội công nghiệp điện tử-EIA), nó là tiêu chuẩn cho quảng bá truyền hình đơn sắc ở Mỹ. Chùm quét lên toàn bộ bề mặt đích với 525 dòng quét ngang, tốc độ 30 lần/giây. Tuy nhiên, các dòng không được quét theo thứ tự kế tiếp, bởi vì nếu tốc độ làm tươi màn hình TV là 30 lần/giây thì mắt sẽ nhận thấy sự rung hình rất khó chịu. Thay vào đó, một qui tắc quét đan xen (interlaced) được sử dụng để mang lại tốc độ làm tươi màn hình 60 lần/giây. HÌNH 2-10 Hình 2-10 Quy tắc quét RS-170 Mỗi khung hình được hợp lại từ hai trường đan xen, mỗ i trường bao gồm 262.5 dòng. Trường đầu tiên của khung hình quét toàn bộ các dòng lẻ, trong khi trường thứ hai quét tất cả các dòng chẵn xen vào. Quá trình đan xen mang lại tốc độ 60 lần/giây nhằm giả m thiểu sự rung hình, trong khi tốc độ 30 khung hình/giây làm giảm yêu cầu về độ rộng dải tần của tín hiệu truyền. Mỗi dòng quét ngang đò i hỏ i 83% của 63.5 s, hay xấp xỉ 50 s. Từng khung hình có 525 dòng, mỗ i trường bị mất 21 dòng kẻ lại thẳng đứng, còn lại 483 dòng thực sự cho mỗ i khung. Dải tần của t ín hiệu video tiêu chuẩn mở rộng lên đến 4.5 MHz, cho phép thực hiện 255 chu kỳ, hoặc thông tin của khoảng 550 điểm ảnh. Chủ đề lấy mẫu và độ phân giải nằm ở chương 15. Các quy tắc quét màu. Tiêu chuẩn định thời RS-170A (NTSC) cho truyền hình màu chỉ khác chút ít so với quy tắc RS-170. Nó được thiết kế để điều tiết truyền màu trong khi vẫn duy trì t ính tương thích của các máy thu đơn sắc hiện có. Mỗi quốc gia khác nhau sử dụng các quy tắc quét khác nhau. Ví dụ, chuẩn Comité Consultatif International des Radiocommunications (CCIR), được sử dụng nhiều ở Châu Âu, dùng khung hình có 625 dòng quét đan xen, mỗ i dòng khoảng 768 điểm ảnh và có tốc độ 25 khung/giây. Người ta có thể sử dụng camera vidicon đơn giản như một bộ số hoá ảnh bằng cách sử dụng bộ chuyển đổ i tương tự-số nhanh (fast ADC) để lấy mẫu t ín hiệu video. Để thu 19
được xấp xỉ 500 điểm trên một dòng, tuy nhiên vấn đề lấy mẫu tín hiệu video phải được thực hiện 100 nano giây một lần. Bộ giữ khung hình (frame grabber) là bộ số hóa lưu giữ luồng dữ liệu tốc độ cao trong bộ nhớ bán dẫn và sau đó đưa ra thiết bị lưu giữ lâu dà i hơn với tốc độ chậm hơn. Họ Vidicon. Mục tiêu của vidicon tiêu chuẩn là tạo ra vật liệu quang dẫn Selen. Một ống tương tự, plumbicon, có đích ôxit chì. Các họ hàng khác của Vidicon, có tên gọi nghe tương tự, khác nhau chủ yếu về cấu tạo của vật liệu quang dẫn. Plumbicon là một cái gì đó nhạy cảm hơn Vidicon và phản ứng nhanh hơn đố i với ảnh hay thay đổ i, nhưng độ phân giải thấp hơn một chút. Các thành viên khác của gia đình này trội hơn về các đặc tính ảnh khác nhau, tuỳ thuộc bản chất của vật liệu. 2.6 CAMERA BÁN DẪN (Solid-state cameras) Loại bộ cảm biến ảnh được phát triển gần đây nhất là dãy các bộ cảm biến bán dẫn tự quét điện tử (electronic self-scanning solid-state sensor). Ba loại chủ yếu là dãy thiết bị ghép điện (CCD), dãy phun (injection) điện (CID) và dãy đi ốt quang. Tất cả các thiết bị này đều có một dãy các vị trí cảm biến ánh sáng vuông góc hay tuyến tính trên một chip tổ hợp (integrated circuit) đơn. 2.6.1 Dãy đi ốt quang Dãy đi ốt quang tự quét (Hình 2-11) bao gồm một dãy các bộ cảm biến đi ốt quang và chuỗ i các chuyển mạch mạch điều khiển liên kết trên cùng một chip. Các đi ốt quang hoạt động trong chế độ tích hợp ánh sáng. Sự đáp lại các xung đồng hồ bên ngoài, các chuyển mạch của mạch đóng kế t iếp nhau, cho phép điện dung tiếp giáp được nạp điện lại bằng mạch điện ngoài. Xung của dòng điện tải, IC, tỷ lệ với toàn bộ lượng ánh sáng chiếu lên đi ôt trong suốt chu kỳ giữa các lần quét. Lượng khá lớn mạch liên kết, mạch này phải được chế tạo trên một chip, thực tế đã giới hạn kích thước các dãy đi ốt quang. Thông thường nhất thì chúng được chế tạo từ các dãy một chiều, dài giố ng như những cái đã dùng trong các máy quét bản sao. ẢNH 2-11 Hình 2-11 Dãy đi ốt quang tự quét 2.6.2 Thiết bị ghép điện (Charge-Couple Divice - CCD) Các chip CCD được chế tạo trên một chip silicon tinh thể nhậy sáng, nhe đã đề cập trước đây. Một dãy các bộ tách sóng quang nằm vuông góc với nhau (các nguồn điệ n 20
thế) được gắn vào nền silicon. Các quang điện tử sinh ra trong khu vực này được nguồ n điện thế gần nhất nắm giữ và được dịch chuyển (shift) như một gói điện tích (charge parket) xuống chuỗ i các nguồn đến khi đạt đến một cực ngoài. Những kiến trúc khác nhau có thể được dùng để đưa điện tích t ích luỹ ra khỏ i các thiết bị cảm nhận ảnh: kiến trúc khung đầy đủ (full-frame) hay cổ điển, kiến trúc truyền đan xen dòng (interline transfer) và kiến trúc truyền khung (frame-transfer) (Hình 2-12). HÌNH 2-12 Hình 2-12 Cấu trúc thiết bị ghép (CCD); (a) khung đầy đủ; (b) truyền đan xen dòng; (c) truyền khung Thiết bị ghép khung đầy đủ (Full-frame CCD). Sau khi phơi ra ánh sáng, CCD khung đầy đủ phải được che phủ để giữ cho nó ở trong bóng tối trong suốt quá trình đưa số liệu ra ngoài. Sau đó nó dịch chuyển ảnh điện tích ra khỏ i hàng dưới cùng của các nguồn cảm biến, mỗ i lần một điểm ảnh. Khi hàng dưới cùng rỗng, thì điện tích trên tất cả các hàng được dịch chuyển xuống một hàng và điện tích lại được dịch chuyển khỏ i hàng dưới cùng. Quá trình này được lặp lại cho đến khi điện t ích ở hàng trên cùng được dịch chuyển xuống dưới cùng và đưa ra khỏ i hàng dưới cùng của nguồn cảm biến. Khi đó thiết bị lại sẵn sàng để tích hợp (integrate) ảnh khác. Thiết bị ghép truyền đan xen dòng (Interline-Transfer CCD). Trong CCD truyền đan xen dòng, mỗ i cột tiếp theo của các bộ cảm biến được che bởi một mặt nạ chắn sáng. Các cột của các nguồn được che kín này chỉ được dùng trong quá trình đưa số liệu ra. Sau khi phơi bày ra ánh sáng, gó i điện t ích trong mỗ i nguồn phơi sáng được dịch chuyển sang nguồn che kín sát bên cạnh. Sự truyền tải này đò i hỏ i rất ít thời gian vì tất cả các gó i điện tích đều được dịch chuyển cùng một lúc. Điện t ích trong các cột che kín được dịch chuyển xuống và đưa ra ngoài theo cách tương tự như CCD cổ điển. Trong một bộ cảm biến của loại này, số lượng điểm ảnh trên một dòng bằng một nửa số lượng nguồn trên một hàng thực tế có trên chip. Ít hơn 50% của chip là nhạy sáng vì các cột che kín chiếm giữ một nửa bề mặt chip. Thiết bị ghép truyền khung (Frame-Transfer CCD). Chip CCD truyền khung có dãy cảm biến dài gấp đôi. Nửa trên cảm nhận ảnh theo cách tiêu chuẩn, nửa dưới-mảng lưu trữ-được một mặt nạ chắn sáng ngăn cản ánh sáng tới. Cuố i chu kỳ t ích hợp, toàn bộ ảnh điện t ích mà đã t ích luỹ trong dãy cảm biến được nhanh chóng dịch chuyển từng hàng sang mảng lưu trữ. Từ đây nó lại được dịch chuyển từng điểm ảnh ra ngoài theo cách tiêu chuẩn, trong khi dãy cảm biến t ích hợp ảnh tiếp theo. Giống như truyền đan xen dòng, công nghệ này đồng thời t ích hợp và đưa số liệu ra, làm cho việc cảm nhận ảnh tốc độ video (video-rate) có thể thực hiện được. 21
Hiệu suất CCD. Có hiêu lực trong nhiều cấu hình khác nhau, các CCD gây ra một dòng các camera bán dẫn lổn nhổn và chen chúc cho cả cách sử dụng truyền hình lẫn các ứng dụng số ảnh. Các camera này không bị ràng buộc hình học và tuyến t ính ở mức độ cao đối với sự phản ứng ánh sáng của chúng. Các CCD nổ i bật lên như thiết bị được chọn cho nhiều ứng dụng cảm nhận ảnh. Các CCD có thể được quét với tốc độ truyền hình (30 khung/giây) hoặc chậm hơn. Bởi vì chúng có thể t ích hợp cho các chu kỳ từ vài giây đến hàng giờ để thu giữ (capture) các ảnh mức sáng thấp, nên chúng được sử dụng trong thiên văn học và kính hiển vi huỳnh quang. Các lần t ích hợp dài đò i hỏi bộ cảm biến phải được làm mát dướ i nhiệt độ trong phòng để giảm hiệu ứng luồng tối (dark current). Luồng tối có thể lấp đầ y các nguồn bằng các nhiệt điện tử trước khi các quang điện tử có cơ hội chiếm chỗ. Do những khiếm khuyết tronglưới tinh thể, luồng tối có thể biến đổ i từng điểm ảnh một cách đáng kể, đặc biệt trong các chip rẻ hơn. Điều này để lại một mô hình nhiễu cố định trông như đám sao trên trời. Vì mô hình là ổn định, nó có thể ghi lại hay loại ra, trừ phi luồng tối được làm bão hoà các nhiệt điện tử của nguồn. Nhiễu dữ liệu đầu ra là nhiễu ngẫu nhiên sinh ra bởi các điện tử trên chip. Nó dao động từ một vài đến nhiều điện tử trên một điểm ảnh, tuỳ thuộc vào thiết kế chip và trở nên tồi tệ hơn khi mà điện tích được đưa ra với tốc độ nhanh hơn. Nhiễu dữ liệu đầu ra thường là yếu tố nhiễu trội (dominant) với thời gian phơi sáng ngắn, điều kiện ánh sáng thấp, nơi mà luồng tối và các thành phần nhiễu phôtôn nhỏ. Nhiễu phôtôn xảy ra do bản chất lượng tử của ánh sáng. Ví dụ, một CCD trung bình được 100 phôtôn/điểm ảnh/giây chiếu vào, số lượng phôtôn thực tế va đập vào bất cứ điểm ảnh riêng biệt nào tại bất kỳ thời điểm nào là một số ngẫu nhiên. Theo thống kê, số ngẫu nhiên này có phân bố Poisson, như vậy độ lệch tiêu chuẩn của nó bằng với căn bậc hai trun bình độ lệch. Trong ví dụ đã đề cập ở trên, số lượng phôtôn trung bình tới trên các điểm ảnh là 100 với độ lệch tiêu chuẩn là 10. Tổng quát, phần tử nhiễu phôtôn là căn bậc hai lượng điện tử tích luỹ cho một nguồn (chẳng hạn các quang điện tử cộng với các nhiệt điện tử). Nhiễu này thường trở nên nguồn nhiễu trội dưới những điều kiện phơ i sáng cao hay luồng tối cao. Điện t ích đã nhiễm trong một điểm ảnh phải được dịch chuyển từ nguồn sang nguồn nhiều đến tận hàng nghìn lần hoặc hơn nữa (tuỳ thuộc vào vị trí của nó và kích thước dãy) trước khi rời khỏ i chip. Điều này yêu cầu khả năng truyền điện t ích là cực kỳ cao, hoặc lượng quang điện tử đáng kể sẽ bị mất trong quá trình đưa số liệu ra. Thường thường, một nửa hay nhiều hơn một nửa diện t ích của bộ cảm biến được bao phủ bởi mạch truyền điện tích chắn sáng, bỏ lại những lỗ hổng giữa các điểm ảnh. Bộ cảm biến CCD phơi sáng quá lâu có thể làm cho ảnh loè loẹt bởi vì các quang điện tử vượt quá mức quy định sẽ căng các điểm ảnh sát nhau ra. Những nhược điểm trong lướ i tinh thể là nguyên nhân gây ra điểm ảnh chết (dead pixel), điểm mà sẽ giữ các quang điện tử. Vì điện tích bị dịch chuyển qua các điểm ảnh khi nó ra khỏi chip, nên một điểm ảnh chết có thể xoá sạch tất cả hoặc một phần của một cột. 2.6.3 Thiết bị phun điện tích Các bộ cảm biến CID lợi dụng các đặc tính qunag điện tử của silicon giống như các CCD. Tuy nhiên, phương đưa dữ liệu ra của chúng khác nhau một cách đáng kể, điều này mang lại các thuộc tính cảm nhận ảnh hoàn toàn khác nhau. Quá trình hoạt động CID. Tại mỗ i vị trí điểm ảnh, CID có hai điện cực gây ra nguồn điện thế nằm sát nhau (Hình 2-13). Những điện cực này được tách rời nhau bỏ i một lớp mỏ ng ôxit kim loại cách điện lên trên bề mặt silicon. Một điện cực được nố i vớ i 22
một điện cực của tất cả các điểm ảnh khác trong cùng một cột với nó, trong khi các điệ n cực khác được nố i với tất cả các điểm ảnh trong cùng một hàng với nó. Vì vậy, một điểm ảnh đơn có thể được đánh địa chỉ bằng cách chọn địa chỉ hàng và cột của nó. HÌNH 2-13 Hình 2-13 Cấu trúc bộ cảm biến CID Khi cả hai điện cực tại vị trí một điểm ảnh cùng tích điện thế dương, chúng sẽ tích lu ỹ các quang điện tử. Đây là chế độ tích hợp. Nếu tất cả các hàng và các cột được tích điện dương thì toàn bộ chip t ích luỹ một ảnh. Khi một điện cực đạt đến (hoặc dưới) không vôn, các quang điện tử đã tích luỹ sẽ dịch chuyển xuống vị trí điện cực thứ hai bên dưới. Sự dịch chuyển này tạo ra một xung hiện hành trong mạch điện ngoài nố i với điện cực thứ hai. Kích thước của xung hiện hành phản ánh khố i lượng điện tích quang điện tử đã tích luỹ. Các quang điện tử đã tích luỹ ở lại trong nguồn sau khi dịch chuyển. Đây là chế độ đưa dữ liệu ra t ích cực (nondestructive). Điểm ảnh được đọc đi đọc lại bằng cách dịch chuyển điện t ích đi tới đi lui mà không mất đi. Khi điện cực thứ hai cũng đạt đến (hoặc dưới) không vôn, các quang điện tử đã t ích luỹđược kích thích, hay được phun (inject), vào nền cơ bản, tạo ra một dòng điện lưu thông trong mạch điện ngoài. Hơn nữa, kích thước xung hiện hành phản ánh khố i lượng điện t ích quang điện tử đã tích luỹ. Tuy nhiên, quá trình này bỏ lại nguồn trống rỗng điện tử. Vì vậy, nó được gọi là chế dộ đưa dữ liệu ra tiêu cực (destructive). Nó được sử dụng để tổ chức chip tích hợp ảnh khác. Mạch điện gắn vào chip điều khiển điện áp các điện cực hàng và cột theo yêu cầu để tích hợp một ảnh và đưa nó ra ngoài một cách t ích cực hay tiêu cực. Điều này cho phép CID đánh địa chỉ các điểm ảnh riêng biệt theo bất kỳ thứ tự nào, để cho các ảnh thành phần (subimages) có kích thước bất kỳ có thể được đọc ra với tốc độ bất kỳ. Khả năng đưa dữ liệu ra ngoài t ích cực cho phép ta quan sát ảnh khi nó tích luỹ trên chip, đọc lạ i nó liên tục (hàng giờ) mà không xoá bỏ nó. Điều này hữu ích khi không biết độ dài chính xác của chu kỳ t ích hợp. Người ta cũng có thể t ính trung bình nhiều dữ liệu đưa ra tích cực của cùng một ảnh với nhau để giảm ảnh hưởng của nhiễu ngẫu nhiên sinh ra bởi mạch đưa dữ liệu ra ngoài. Quá trình hoạt động CID. Các CID ít bị ảnh hưởng nhoè màu (blooming) và mố i hại bức xạ hơn các CCD và vì vậy có ích dưới những điều kiện mô i trường và ánh sáng gay gắt. Tránh được sự nhoè màu do không có sẵn kết nối đường nhỏ (pathway) các nguồn gần kề (tuy có trong CCD) và các quang điện tử quá mức quy định được thu hút bởi nền cơ sở chứ không tràn sang các điểm ảnh lân cận. Ngoài ra, với phương pháp đưa 23
dữ liệu ra t ích cực, chương trình điều khiển có thể giám sát sự lấp đầy các nguồn và kích thích (flush) các điểm ảnh riêng lẻ trở nên đầy đủ trước khi hết chu kỳ t ích hợp. Bởi vì các CID không dịch chuyển điện t ích của chúng qua mảng, nên không có khá i niệm về hiệu suất truyền điện t ích. Không giố ng như trường hợp của CCD, một nhược điểm trong lưới tinh thể làm ảnh hưởng đến duy nhất một điểm ảnh trong vùng gần nhất. Hơn nữa, về bản chất thì toàn bộ vùng bề mặt là nhạy sáng, thực sự không có các lỗ hổng giữa các điểm ảnh. Các CID ít nhạy sáng hơn một cách đáng kể so với các CCD. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng thiết kế cho mục đích riêng, mà trong đó truy cập ngẫu nhiên của chúng, đưa dữ liệu ra tích cực và các đặc tính chống nhoè màu đặc biệt quan trọng. (Chú ý: Những giải thích trước đây về CID và CCD giả thiết rằng silicon được chuẩn bị như một bán dẫn loại N, chứa các điện tử như là các vật mang điện t ích chủ yếu. Trong thực tiễn, thông thường các CID chế tạo từ silicon loại P, trong đó các vật mang điện t ích là [dương] các lỗ hổng và các điện cực hàng và cột tích điện áp âm, chứ không phải điện áp dương trong suốt quá trình tích hợp.) 2.7 QUÉT FILM Sự chụp ảnh thường đóng một vai trò quan trọng trong xử lý ảnh số, cả trước số hoá và sau hiển thị. Trong phần này, chúng ta sẽ đề cập đến quá trình chụp ảnh một và i nghiên cứu áp dụng cho các máy quét film. 2.7.1 Hệ số truyền và mật độ Khi một phần ánh sáng tới (không phải tất cả) không chiếu lên đối tượng không trong suốt mà cũng không chắn sáng. Có hai cách thông thường để đo lường t ính chất truyề n ánh sáng từng phần: về mặt hệ số truyền và về mặt mật độ quang học (OD). Hệ số truyền của đối tượng bên trái hình 2-14 cho bởi I2 T1  0  T1  1 (1) I1 trong đó I1 là mật độ thông lượng phôtôn tới và I2 là mật độ thông lượng phôtôn được truyền. Hệ số truyền đơn thuần là yếu tố mà mộ t đối tượng làm suy giảm (attenuate) cường độ ánh sáng và hạn chế (confine) trong khoảng từ 0 đến 1. Mật độ quang học của đối tượng bên trái là I1 1 D1  log  log   log T1 (2) I2 T1 và hạn chế trong khoảng từ 0 đến , bởi vì mật độ quang học của đố i tượng chắn sáng tiến đến vô cùng. Hai đối tượng trong hình 2-14 được sắp xếp nố i tiếp nhau trên đường đi của ánh sáng và vì thế chúng chồng lên nhau (superimpose). Hệ số truyền kết hợp là I3 I3 I2 T3    T1T2 (3) I1 I 2 I 1 24
HÌNH 2-14 Hình 2-14 Mật độ, hệ số truyền và sự xếp chồng lên nhau Nhưng ngược lại, mật độ quang học kết hợp là I1 1 1 1 D3  log  log  log  log  D1  D2 (4) I3 T1T2 T1 T2 Vì vậy, khi các đố i tượng hấp thụ ánh sáng được chồng lên nhau, mật độ quang học của chúng được cộng thêm, hệ số truyền của chúng được nhân lên. Trong chương 7, chúng ta sẽ sử dụng những thuộc tính này để loại bỏ thông tin chồng lên không mong muốn trong quá trình xử lý. 2.7.2 Quá trình chụp ảnh Film chụp. Cấu trúc film chụp được minh hoạ trong hình 2-15. Nền film là thuỷ t inh hoặc tấm axetat dẻo, trong suốt có độ bền cơ học giố n như film. Nền được tráng một lớp nhũ tương các hạt muố i bạc dày từ 5 đến 25 micron. Các hạt (grain) là hợp chất halogen của bạc-clorua bạc, brômua bạc hay tinh thể iôtđua bạc. HÌNH 2-15 Hình 2-15 Quá trình chụp ảnh Trong suốt quá trình tạo film, các hạt halogen bạc được kích hoạt để chúng có tính cảm quang. Trong quá trình phơi sáng, các phần nhũ tương khác nhau tiếp nhận các cường độ ánh sáng khác nhau. Khi hạt halogen bạc hấp thụ phôtôn, một hoặc nhiều phâ n tử bị biến đổi thành bạc và hạt trở thành phơi sáng (exposed). Rửa film (film development). Quá trình rửa film biến đổ i các hạt halogen bạc thành bạc. Tuy nhiên, sự phản ứng lại quá trình biến đổ i tiếp diễn trên các hạt phơi sáng nhanh hơn trên các hạt không phơi sáng. Sau một chu kỳ thời gian thích hợp, đa số các hạt phơ i sáng và chỉ một vài hạt không phơi sáng bị biến đổi. Ở bước cuố i cùng, các hạt không bị biến đổi được rửa khỏ i nền film. Vì thế, film được rửa có tráng một lớp bột bạc với độ 25
dày khác nhau. Trong các vùng bị phơi sáng nhiều, toàn bộ độ dày của lớp nhũ tương được duy trì, đem alị một mật độ cực đại. Tại các vùng không phơi sáng, những hạt halogen bạc hầu như chuyển động hoàn toàn, để lại duy nhất một mức vết mờ (fog level) xấp xỉ 0.04 mật độ quang học. Sự phản ứng lại ánh sáng của nhũ tương (Emulsion response to light). Hình 2-16 cho thấy một phương tiện thích hợp cho việc mô tả đặc tính phản ứng lại ánh sáng của nhũ tương. Sự phản ứng lại được gọ i là đồ thị D-log E hay đồ thị H và D, do lấy hai chữ cái đầu của Hurter và Driffield. Đồ thị đưa ra mật độ film rửa như hàm logarit của sợ phơi sáng. Với thời gian phơi sáng hợp lý, từ vài mili giây đến hàng giây, sự phơi sáng có thể được đo lường như là kết quả của mật độ thông lượng năng lượng bức xạ nhân với khoảng thời gian tồn tại. Sự tương đương giữa cường độ và thời gian phơi sáng nà y được gọ i là quy luật trao đổi lẫn nhau (reciprocity law). Quy luật bị phá vỡ vào những khoảng thời gian phơi sáng cực kỳ dài hoặc cực kỳ ngắn gọ i là thiếu khả năng trao đổi lẫn nhau (reciprcity failure). HÌNH 2-16 Hình 2-16 Đồ thị đặc tính của nhũ tương Tổng mức vết mờ (mức vết mờ của nhũ tương cộng với mật độ cơ bản) đặt mật độ film không phơi sáng tối thiểu. Mật độ tối đa được giới hạn bởi độ dày và kích thước hạt nhũ tương. Trên khắp phạm vi phơi sáng tương đối rộng, quan hệ giữa mật độ với logarit của sự phơi sáng là xấp xỉ tuyến t ính. Đây là phạm vi làm việc bình thường của nhũ tương ảnh. Độ dài toạ độ trong phần tuyến tính là bề rộng của nhũ tương. Chỗ dốc của đồ thị trong phần thẳng gọi là gamma () và nó biểu thị sự tương phản của nhũ tương. Ở bên kia đỉnh đồ thị là vùng đảo ngược, ở đây phơi sáng liên tục sẽ dẫn đến giảm mật độ. Các đặc tính của nhũ tương. Kích thước hạt và độ dày của nhũ tương xác định nhiều đặc t ính quan trọng của film. Ví dụ, mật độ tối đa cao chỉ có thể tồn tại với nhũ tương mỏng. Tuy nhiên, độ phân giải cao đòi hỏ i trong nhũ tương các hạt phải nhỏ để tránh sự tán xạ ánh sáng bên trong nhũ tương. Những film có tính nhạy cảm cao mà phả i làm việc với các mức ánh sáng thấp yêu cầu nhũ tương mỏ ng chứa tương đố i ít hạt. Vì thế, film nào cũng là sự kết hợp giữa sự ép buộc đối kháng (opposing constraint) của độ phân giải, t ính nhạy cảm và mật độ tối đa. Tuy nhiên, thường có thể tìm thấy quá nhiều nhũ tương có sự kết hợp thích ứng. Nói chung, hiệu suất tốc độ (tính nhạy cảm) của nhũ tương thấp hơn, gamma và độ phân giải của nó sẽ cao hơn, trong khi t ính có chất hạt (granularity) và bề rộng của nó sẽ thấp hơn. T ính chất có hạt do sự phân bố hạt ngẫu nhiên bên trong nhũ tương. Dẫn đến hiện tượng có hạt trở nên rõ ràng hơn như khi tăng mật độ. 26
Mật độ tối đa của ảnh tương phản thấp đạt được khi ảnh được phơi sáng (expose) và rửa (develop) với film có mật độ quang học nằm trong khoảng 0.8 đến 1.2. Ở bên dưới khoảng đó, chân đồ thị H và D sẽ giảm sự tương phản, trong khi t ính chất có hạt trở nên phức tạp hơn tại những mật độ cao hơn. Đồ thị H và D đố i với một nhũ tương riêng biệt biến thiên với các tham số của quá trình rửa. Ví dụ, sự hiện ảnh quá già (overdevelopment) có khuynh hướng dịch chuyển đồ thị về phía trái và tăng gamma Các kết quả có thể sản sinh ra, có thể dự đoán thu được đòi hỏi sự điều khiển phơi sáng cẩn thận và các tham số rửa. Độ phân giải film. Mặc dù đồ thị H và D làm sáng tỏ sự phản ứng của nhũ tương với ánh sáng, nhưng có vẫn không đề cập gì về độ phân giải của film. Hàm truyền đạt điều biến (Modulation Transfer Function-MTF) (Hình 2-17) là cách thông thường để chỉ rõ những đặc t ính phân giải của nhũ tương. Giả sử chúng ta đem nhũ tương phơi sáng một cách định kỳ, với ánh sáng có cường độ cho bởi log E  log E 0  sin( 2fx) (5) trong đó log E0 làm suy giảm phần giữa đoạn thẳng trong đồ thị H và D. Từ đồ thị H và D, ta suy ra mật độ là D ( x)  D0   sin( 2fx) (6) Tuy nhiên, khi tần số không gian f cao, kích thước hạt và sự tán xạ ánh sáng bên trong nhũ tương sẽ làm giảm sự tương phản của những biến thiên mật độ hình sin. V ì vậy, mật độ quan sát được là D ( x)  D0  M ( f ) sin( 2fx) 0  M( f ) 1 (7) HÌNH 2-17 Hình 2-17 Hàm truyền đạt điều biến Trong đó M(f) biểu thị sự mất tương phản của ảnh như một hàm tần số không gian. Đơn giản hoá định nghĩa độ phân giải ảnh hơn nữa, các nhà sản xuất thường đề cập đến tần số độ phân giải giới hạn, fL. Đây là tần số không gian mà tại đó hàm truyền đạt điều biến suy giảm đến 0.1 và nó xấp xỉ tương đương với giới hạn tầm nhìn. 27
2.7.3 Sao chụp (photocopying) Ta thường không làm việc với những ảnh film nguyên bản, mà làm việc với những bản sao chụp khác của ảnh film. Hình 2-18 minh hoạ cơ cấu sao chụp và chụp ảnh hiể n vi. Đặt mật độ ảnh gốc là Ds(x,y) và giả thiết rằng film sao chụp có đặc điểm như trong hình 2-19. Giả sử mẫu vật được chiếu sáng từ phía sau với cường độ l0 trong khoảng thời gian T. Nghĩa là lượng phơi sáng bắt đầu từ (x,y) và đi đến điểm (x’,y’) trên film là E ( x ' , y ' )  l 0T 10  Ds ( x , y ) (8) Đặt E0=l0T và lấy logarit cả hai vế logE ( x' , y ' )  log E 0  Ds ( x, y ) (9) HÌNH 2-18 Hình 2-18 Cấu hình bộ sao chụp HÌNH 2-19 Hình 2-19 Đồ thị đặc tính nhũ tương lý tưởng Trong miền tuyến tính ở Hình 2-19, mật độ được cho bởi D (log E )  D fog   (log E  log E1 ) (10) Kết hợp với biểu thức (9), ta được D ( x' , y ' )  D fog   log E 0  Ds ( x, y )  log E1   D0  Ds ( x, y ) (11) 28
trong đó D0  D fog   (log E 0  log E1 )  D (log E 0 ) (12) Biểu thức 11 cho thấy rằng bản sao là film âm bản với mật độ giảm xuống thấp hơn D0 và hệ số thay đổ i độ tương phản . 2.8 TỔNG KẾT CÁC ĐIỂM QUAN TRỌNG 1. Các yếu tố cần thiết cho một bộ số hoá ảnh bao gồm (1) lỗ ống kính lấy mẫu, (2) một thiết bị quét, (3) một bộ cảm biến ánh sáng, (4) một bộ số hoá, và (5) một phương tiện cho đầu ra. 2. Các đặc t ính quan trọng của bộ số hoá ảnh bao gồm (1) kích thước điểm ảnh, (2) khoảng cách giữa các điểm ảnh, (3) số lượng điểm ảnh trên cột và trên dòng, (4) số lượng mức xám, (5) tham số đo sáng (photometric) mà bộ số hoá đo được, (6) tính tuyến tính của sự đo lường đó, và (7) mức nhiễu. 3. Nguồn sáng bao gồm bóng đèn nóng sáng, đèn hồ quang, LED, laser và phốt pho. 4. Bộ cảm ánh sáng gồm có ống nhân quang, đi ốt quang, transistor quang và các bộ cảm biến ánh sáng. 5. Quá trình quét có thể được thực hiện với phương tiện cơ khí, chùm điện tử, và mạch tổ hợp. 6. Ống ảnh điện tử tạo ra một tín hiệu video có thể lấy mẫu và số hóa. 7. Bộ cảm biến ảnh bán dẫn bao gồm ma trận đi ốt quang, thiết bị ghép (CCD) và thiết bị phun điện t ích (CID). 8. Những kiến trúc CCD được sử dụng phổ biến là khung đầy đủ, truyền đan xen dòng và truyền khung. 9. Nguồn nhiễu CCD chủ yếu là dữ liệu đưa ra, tốc độ đưa dữ liệu ra tăng lên sẽ sinh ra nhiễu; luồng tối tăng gấp đô i khi nhiệt độ tăng 60C và nhiễu phôtôn tăng theo căn bậc hai tổng số điện tử. 10. Các CCD được làm mát có thể tích hợp với chu kỳ thời gian dài để ghi ảnh mức ánh sáng thấp. 11. Các CID ít nhạy sáng hơn các CCD, nhưng chúng có ít đối tượng bị nhoè màu và thiệt hại do bức xạ, chúng có thể đưa dữ liệu ra ngoài bằng cách truy cập ngẫu nhiên một cách tích cực. 12. Khi các đối tượng trong suốt một phần được chồng lên thì hệ số truyền của chúng được nhân thêm, trong khi mật độ quang học của chúng được cộng vào. 13. Quá trình rửa nhũ tương chụp ảnh tạo ra mật độ quang học tương đối t ỷ lệ vớ i logarit cường độ phơi sáng nhân thời gian phơi sáng. 14. Sự tương phản của nhũ tương chụp ảnh có thể được chỉ rõ bởi gamma, t ỷ lệ giữađộ dốc đồ thị mật độ và logarit sự phơi sáng của nhũ tương (đồ thị H và D của nó). BÀI TẬP 1. Một chip cảm nhận ảnh CCD truyền khung 480  640 điểm ảnh được sử dụng vớ i tốc độ video (thời gian phơi sáng 16.7 ms, tần số 14 MHz). Nó có các điểm ảnh 6.3  9.3 micron và một nguồn điểm ảnh dung lượng 20,000 điện tử. Mật độ điện tích lưu trữ của chip so với mật độ 800 điện tử/m2 của diện t ích nguồn đã đề cập đến trong bài như thế nào? Chip có nhiễu dữ liệu ra 80 điện tử/điểm ảnh tại tốc độ 10 MHz và 180 điện tử/điểm ảnh tại tốc độ 20 MHz. Giả thiết quan hệ là tuyến tính, nhiễu dữ liệu ra là bao nhiêu tại tốc độ 14 MHz? Dải động là bao nhiêu? 29