Đang tải... (xem toàn văn)
Hình 1.1 : Cảm biến ảnh CCD trên một bo mạchVề cơ bản, khi ánh sáng chiếu vào bề mặt của cảm biến, các điểm ảnh trên cảm biến sẽ phản chiếu mức độ ánh sáng khác nhau.. Đặc điểm quan trọn
Trang 1Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Khoa: Toán - Cơ - Tin học
Ngành: Máy tính và Khoa học Thông tin CLC
Nhóm: 4
CẢM BIẾN HÌNH ẢNH
Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Quang Thảo
Sinh viên thực hiện:
Trang 2Mục lục
1.Tổng quan 3
1.1Định nghĩa 3
1.2Cấu trúc của cảm biến hình ảnh 4
1.3Nguyên lý hoạt động của cảm biến hình ảnh 5
3.3.3.Hiệu suất ở điều kiện ánh sáng yếu 19
3.3.4.Cảm biến bị nhiễm bụi hoặc dơ bẩn 20
Trang 31 Tổng quan
1.1 Định nghĩa
Cảm biến hình ảnh là một thành phần quan trọng trong công nghệ điện tử, đặc biệt là trong lĩnh vực của máy ảnh số, điện thoại thông minh, máy quay phim, và các thiết bị điện tử khác liên quan đến việc ghi lại và xử lý hình ảnh Cụ thể, cảm biến hình ảnh có chức năng chuyển đổi tín hiệu hình ảnh thu được thông qua việc hấp thụ ánh sáng của vật thể được chuyển hóa thành tín hiệu điện
Với sự phát triển của công nghệ, các loại cảm biến hình ảnh ngày càng trở nên nhỏ gọn, nhạy bén và có độ phân giải cao Cảm biến hình ảnh thường được tạo ra từ các vật liệu bán dẫn như silic và có thể có nhiều công nghệ khác nhau như CCD (Charged-Coupled Device) hoặc CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Cả hai công nghệ này đều có thể tạo ra hình ảnh chất lượng cao, tuy nhiên, CMOS thường được ưa chuộng hơn vì tiêu thụ năng lượng thấp hơn và chi phí sản xuất thấp hơn so với CCD
Hình 1.1 : Cảm biến ảnh CCD trên một bo mạch
Về cơ bản, khi ánh sáng chiếu vào bề mặt của cảm biến, các điểm ảnh trên cảm biến sẽ phản chiếu mức độ ánh sáng khác nhau Sau đó, thông qua quá trình điện tử hóa, các tín hiệu này sẽ được chuyển đổi thành dạng điện để được xử lý bởi các chip xử lý hình ảnh trong thiết bị điện tử Quá trình này cho phép hình ảnh được tái tạo và hiển thị trên màn hình hoặc lưu trữ trong bộ nhớ của thiết bị
Trang 4Đặc điểm quan trọng của cảm biến hình ảnh bao gồm độ phân giải (số lượng điểm ảnh), độ nhạy sáng (khả năng thu nhận ánh sáng trong điều kiện ánh sáng yếu), tỷ lệ tương phản (khả năng phân biệt giữa các mức sáng và tối), và kích thước vật lý của cảm biến (ảnh hưởng đến khả năng thu hình ảnh trong điều kiện ánh sáng yếu và sự nhỏ gọn của thiết bị)
1.2 Cấu trúc của cảm biến hình ảnh
Để hiểu rõ cơ chế hoạt động của một cảm biến hình ảnh, sau đây thành phần cơ bản của nó:
Nguồn sáng riêng (dedicated light source):
- Có nhiệm vụ cung cấp ánh sáng cho cảm biến để cải thiện hiệu suất thu nhận ánh sáng và chất lượng hình ảnh, đặc biệt là trong điều kiện ánh sáng yếu
- Đảm bảo thiết bj có đủ ánh sáng để có thể ghi lại được những hình ảnh chất lượng rõ nét nhất, thuận lợi cho hoạt động phân tích hình ảnh của cảm biến
Bộ chuyển đổi tín hiệu Analog/digital converter:
- Có chức năng chuyển đổi các tín hiệu analog sang tín hiệu số để phục vụ cho quá trình xử lý tiếp theo của phần mềm:
- ADC chuyển đổi tín hiệu analog từ mỗi pixel thành dạng số Quá trình này thường được thực hiện bằng cách lấy mẫu tín hiệu analog ở mỗi pixel và biến đổi giá trị của chúng thành các giá trị số tương ứng
- Trong cảm biến hình ảnh hiện đại, ADC thường được tích hợp trực tiếp vào chip xử lý hình ảnh để tối ưu hóa hiệu suất và tính tích hợp của hệ thống
Hình 1.2 : Các bộ phận chính
Thấu kính – Lens: Đưa hình ảnh tới chip xử lý hình ảnh
Chip xử lý hình ảnh CCD hoặc CMOS: Chuyển đổi tín hiệu quang học thành tín hiệu analog
Trang 5Hình 1.3: Cấu tạo của cảm biến hình ảnh
Vi xử lý - Microprocessors: đảm nhiệm vai trò phân tích, xử lý các tín hiệu số của hình ảnh, sau đó dựa vào các thông số cảm biến hình ảnh đặt trước ban đầu để đưa ra quyết định
Input-Output: Cung cấp kênh truyền thông giao tiếp với các thiết bị khác
Các thiết bị ngoại vi kết nối điều khiển khác
1.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến hình ảnh
Hình 1.4 : Nguyên lý hoạt động
Cảm biến hình ảnh đóng vai trò như “con mắt” của hệ thống điều khiển, cảm biến hình ảnh phải thu thập, phân tích dữ liệu qua hình ảnh rộng Nghĩa là đầu vào của cảm biến hình ảnh là cả một bức ảnh chứ không phải chỉ là sự tồn tại hay không ánh sáng ở 1 điểm (cảm
Trang 6biến quang điện), từ dữ liệu ảnh thu thập được cảm biến này phân tích để đưa ra tín hiệu điều khiển ở đầu ra
Quá trình này có thể biểu diễn đơn giản qua 3 giai đoạn: 1 Thu thập (acquire):
- Trong bước này, camera hoạt động để chụp ảnh của đối tượng được quan tâm Quá trình này thường bao gồm việc sử dụng các cảm biến hình ảnh để nhận diện và thu thập thông tin về đối tượng Camera có thể được cài đặt để chụp ảnh tại một khoảng cách cố định từ đối tượng hoặc di chuyển để thu thập thông tin từ nhiều góc độ khác nhau
2 Phân tích (analyze):
- Sau khi ảnh được thu thập, nó được lưu lại trong bộ nhớ và sau đó được chuyển đến phần mềm hoặc hệ thống phân tích Trong quá trình này, các thuật toán phân tích hình ảnh có thể được áp dụng để xử lý và trích xuất thông tin từ bức ảnh Các thông số quan trọng có thể được đo lường, như kích thước, hình dạng, màu sắc, v.v Bức ảnh cũng có thể được so sánh với các mẫu hoặc thông số được đặt trước để xác định sự tương đồng hoặc khác biệt
3 Đưa ra kết quả (determine):
- Dựa vào dữ liệu thu thập và phân tích, cũng như các thông số được đặt trước, cảm biến hoặc hệ thống sẽ đưa ra kết quả ở đầu ra Điều này có thể là một số liệu cụ thể, một dạng biểu đồ, hoặc một kết luận về đối tượng được quan sát Kết quả này có thể được sử dụng để đưa ra quyết định hoặc để thực hiện các hành động tiếp theo
Cảm biến hình ảnh có thể dễ dàng kết nối và trao đổi dữ liệu với các hệ thống thiết bị khác của nhà máy để hiển thị kết quả và kích hoạt các công đoạn tiếp theo của quá trình tự động hóa
Trang 72 Đặc điểm kỹ thuật
2.1 Độ phân giải
2.2.1 Định nghĩa
Độ phân giải hình ảnh (image resolution) là chi tiết trong hình ảnh Hiểu đơn giản hơn thì độ phân giải là số lượng điểm ảnh chứa trên một màn hình hiển thị Độ phân giải càng cao thì hình ảnh giữ lại được càng chi tiết hơn
Độ phân giải là số megapixel được tạo ra bởi cảm biến hình ảnh trong một máy ảnh kỹ thuật số Nó tương ứng với lượng chi tiết mà máy ảnh có thể chụp được Độ phân giải thể hiện khả năng cảm biến của máy ảnh, tách bạch các phần tử gần nhau về không gian của các chi tiết
Đơn vị đo : thường đo bằng pixel , megapixel Một megapixel = 1 triệu pixel
Ví dụ : Máy ảnh 12MP sẽ chụp ít chi tiết hơn so với một máy ảnh có 24MP và sẽ ít hơn nhiều so với máy ảnh 40MP
Hình 2.1: Hình ảnh minh họa cho độ phân giải cao, thấp và rất thấp
2.2.2 Pixel và Megapixel
2.2.2.1 Pixel
Một pixel có kích thước 0,26×0,35 mm (kích thước này là tương đối) Pixcel hiển thị trên màn hình là PPI (pixels per inch) khác với DPI (dots per inch – mật độ ảnh trên inch được dùng trong máy in và ảnh in)
Trong kỹ thuật , Pixel là một điểm vật lý trong hình ảnh raster (kiểu cấu trúc dữ liệu mô tả không gian dưới hình dạng một mạng lưới các ô vuông) hoặc phần tử nhỏ nhất của tất cả các điểm Địa chỉ của một pixel sẽ tương ứng với tọa độ vật lý ITS, biểu hiện bằng hai đường ngang và dọc Có thể nói pixel là một đơn vị màu rất nhỏ, cơ bản nhất trong hệ thống
Trang 8cấu trúc tạo ảnh Nhiều đơn vị màu này kết hợp lại với nhau sẽ cho ra một hình ảnh có độ nét và màu sắc gần với thực tế nhất
2.2.2.2 Mega Pixel
Theo phép đo tiêu chuẩn, một megapixel bằng 1,048,576 pixel nhưng được làm tròn lên 1,000,000
Một máy ảnh có thể chụp ảnh 20 megapixel thì nó có kích thước khoảng 20,000,000 pixel trên mỗi hình ảnh hay tổng số pixel tạo nên hình ảnh là 20,000,000 pixel
→ Cách tính megapixel trong ảnh :
Giả sử hình ảnh có kích thước 1600x1200 pixel Để có được số lượng pixel thực , ta sẽ cần nhân số pixel chiều rộng và chiều cao của hình ảnh Khi đó số lượng pixel sẽ là 1600x1200 = 1,920,000 và sẽ thường làm tròn và gọi là 2-megapixel
Hình 2.2: Minh họa chuyển đổi pixel và megapixel
2.2.3 PPI và DPI
DPI & PPI là hai thuật ngữ quan trọng trong độ phân giải hình ảnh Cả hai đều được sử dụng để đo độ phân giải hoặc độ rõ nét của hình ảnh Nhưng mỗi một trong số chúng đề cập đến độ phân giải phương tiện riêng biệt như kỹ thuật số và in
DPI (Dot Per Inch) mô tả lượng chấm mực trên hình ảnh được in Mặt khác, PPI (Pixels Per Inch) mô tả độ phân giải trong pixel của hình ảnh kỹ thuật số PPI chủ yếu đề cập đến màn hình kỹ thuật số, nhưng nó cũng ảnh hưởng đến kích thước in của thiết kế DPI thì mối quan tâm duy nhất của nó là bản in
Trang 9PPI cao hơn có xu hướng là hình ảnh chất lượng cao hơn vì nó có mật độ điểm ảnh lớn hơn Nếu tăng PPI, nó sẽ tăng kích thước tệp Có thể chỉ sử dụng PPI cao khi cần thiết
Mật độ điểm ảnh trên màn hình là cố định Vì vậy, PPI không thực sự quan trọng đối với việc phân phối trên web MỘT PPI 300 hình ảnh & a PPL 72 hình ảnh sẽ xuất hiện giống nhau trên màn hình của bạn
Hình 2.3 : Mật độ DPI và PPI
2.2 Cường độ ánh sáng
Phơi sáng hay còn gọi là Exposure là lượng ánh sáng mà cảm biến ảnh trong camera thu được thông qua tốc độ mở của màn trập và khẩu độ của máy ảnh khi bấm chụp Mức độ phơi sáng nhiều hay ít ảnh hưởng rất lớn đến độ sáng, mức cân bằng màu sắc và độ tương phản của bức ảnh cho ra
Trong nhiếp ảnh, mức phơi sáng được quyết định bởi 3 yếu tố chính bao gồm: Tốc độ màn trập, khẩu độ và ISO của máy ảnh Người chụp ảnh sẽ chỉnh 3 thông số này để cho ra mức phơi sáng tốt và hợp lý nhất
2.2.1 Tốc độ màn trập
Tốc độ màn trập là khoảng thời gian mà màn trập của máy ảnh mở kể từ khi bấm nút chụp, màn trập mở càng lâu thì ánh sáng thu được vào cảm biến càng lâu và nhiều Trên các máy ảnh có nhiều mức độ màn trập khác nhau, thường giao động khoảng từ 1/125 giây tới 1/16000 giây đối với máy ảnh trên điện thoại bởi chúng không có màn trập vật lý nên tốc độ
Trang 10rất nhanh Ở máy ảnh cơ, tùy theo mục đích sử dụng mà tốc độ màn trập khác nhau, ở một số máy ảnh chuyên nghiệp, màn trập có thể được chỉnh lên đến hàng giờ
Tốc độ mở màn trập càng lâu thì ánh sáng thu được càng nhiều nhưng khả năng ảnh bị nhòe, mờ do rung lắc hoặc do vật thể chuyển động trong khung hình càng cao Vì vậy khi chụp phơi sáng với tốc độ màn trập thấp, hãy cố định máy ảnh với tripod
2.2.2 Khẩu độ
Khẩu độ là kích thước của lỗ ống trong ống kính Nó được đo bằng một con số gọi là số F (ví dụ: F/2.8, F/8) Một khẩu độ lớn (số F nhỏ) cho phép nhiều ánh sáng vào cảm biến, trong khi một khẩu độ nhỏ (số F lớn) giới hạn lượng ánh sáng Ngoài ra, khẩu độ cũng ảnh hưởng đến độ sâu trường ảnh, tức là khoảng cách giữa các đối tượng ở phía trước và phía sau của vùng nổi bật
Hình 2.4: Hình minh họa cho các mức khẩu độ từ thấp đến cao
2.2.3 Độ nhạy ISO
ISO hay còn gọi là độ nhạy sáng của máy ảnh Mức độ ISO được đặt ra bởi Cơ Quan Tiêu Chuẩn Hóa Quốc Tế (International Organization for Standardization) để chuẩn hóa các giá trị ISO của máy ảnh Số ISO càng lớn thì độ nhạy sáng càng cao Để chụp phơi sáng, người chụp cần chỉnh mức ISO ở mức cao để tăng độ nhạy cảm với ảnh sáng của cảm biến bên trong máy ảnh Tuy nhiên, khi tăng mức ISO quá cao, ảnh sẽ có nguy cơ bị nhiễu hạt rất nhiều, cần ở mức ISO vừa phải để độ mịn của ảnh được tốt nhất
Trang 11Hình 2.5 : ISO cao sẽ thu nhiều sáng nhưng có thể gây nhiễu ảnh
2.3 Độ tương phản
Độ tương phản đo lường sự khác biệt giữa các mức độ độ sáng trong một bức ảnh Bạn có thể điều chỉnh độ tương phản để làm cho các chi tiết nổi bật hơn hoặc để tạo ra một hiệu ứng nhất định trong hình ảnh
Các kiểu tương phản
Tương phản tông màu (Tonal contrast)
Độ tương phản theo tông chỉ sự khác biệt về độ sáng giữa các yếu tố của hình ảnh Bạn có thể sử dụng độ tương phản tông màu trong ảnh màu và ảnh đen trắng Trừ khi bạn đang cố gắng tạo ra một hình ảnh có độ tương phản cao hoặc thấp Bạn sẽ cần hướng đến một bức ảnh có tông màu từ trắng sáng đến đen sẫm và mọi thứ ở giữa Từ đó để có được hình ảnh mang độ tương phản trung bình
Trang 12Hình 2.6: Sự tương phản giữa các màu sắc
Hình 2.7: Hình ảnh có độ tương phản tông màu Tương phản cao (High contrast)
Ảnh có độ tương phản cao thường có màu trắng sáng và màu đen đậm mà không có nhiều tông màu trung bình Bạn có thể tạo ra những bức ảnh có độ tương phản cao với màu đen trắng hoặc màu sắc khác Ảnh với độ tương phản cao có thể làm cho chủ thể của bạn nổi bật trong ảnh Chẳng hạn như trong chụp ảnh có bóng hoặc khi chụp màu sáng trên bầu trời tối ảm đạm.
Trang 13Hình 2.8: Hình có độ tương phản cao
Tương phản thấp (Low contrast)
Ảnh có tương phản thấp rất ít độ tương phản tông màu, thay vì trắng và đen, bạn sẽ thấy rất nhiều tông màu xám Trong ảnh màu có độ tương phản thấp, bạn sẽ thấy các màu có tông màu gần hơn Ví dụ như vàng và cam, xanh lam và xanh lục hoặc đỏ và tím Thay vì các chi tiết nổi bật, các bức ảnh có độ tương phản thấp có cảm giác mơ màng Bởi chúng không có nhiều bóng hoặc điểm sáng
Hình 2.9: Hình có độ tương phản thấp
Trang 14 Tương phản màu sắc (Color contrast)
Tương phản màu sắc sử dụng các kiểu tương phản khác (tông màu, độ tương phản cao và thấp) để tạo ra hình ảnh với các mức độ màu tương phản khác nhau Mỗi màu trên vòng quay màu có giá trị tông màu dựa trên màu trắng là sáng nhất và màu đen là tối nhất Trên thang giá trị âm, màu vàng sẽ được coi là khá nhạt, trong khi màu xanh nước biển sẽ có giá trị tối hơn Các màu có giá trị âm khác nhau xuất hiện cạnh nhau sẽ tạo ra nhiều độ tương phản hơn Trong khi các màu gần giá trị âm hơn sẽ tạo ra ít độ tương phản hơn Độ tương phản màu sắc đặc biệt quan trọng trong các thể loại như chụp ảnh hồng ngoại Bởi nó dựa vào việc đảo ngược màu sắc để có hiệu ứng ấn tượng.
Hình 2.10: Hình có độ tương phản về màu sắc
Trang 153 Ứng dụng và vấn đề liên quan
3.1 Ứng dụng
Cảm biến hình ảnh được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau trong đời sống hàng ngày và công nghiệp Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của cảm biến hình ảnh:
Máy ảnh số và điện thoại di động: Cảm biến hình ảnh là thành phần chính trong máy ảnh
số và điện thoại di động, cho phép người dùng chụp ảnh và quay video
An ninh và giám sát: Cảm biến hình ảnh được sử dụng trong các hệ thống an ninh và
giám sát để giám sát khu vực, như trong nhà, ngoài trời, cửa hàng, và tại các công ty Các hệ thống này thường sử dụng camera để ghi lại hình ảnh và video, cung cấp thông tin cho việc giám sát và phản ứng khi có sự kiện xảy ra
Tính toán máy học và thị giác máy tính: Cảm biến hình ảnh là một phần quan trọng của
các hệ thống thị giác máy tính và máy học, cho phép máy tính nhận diện và phân tích hình ảnh, nhận biết khuôn mặt, nhận dạng đối tượng, và thực hiện các nhiệm vụ khác trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo
Y tế: Trong y tế, cảm biến hình ảnh được sử dụng trong các thiết bị chẩn đoán hình ảnh
như máy chụp cắt lớp, máy siêu âm, và máy quét MRI để tạo ra hình ảnh của cơ thể bên trong để chẩn đoán và điều trị bệnh
Ô tô tự lái: Trong xe tự lái, cảm biến hình ảnh được sử dụng để giúp xe nhận diện và
phản ứng với các đối tượng xung quanh như xe khác, người đi bộ, và đèn giao thông để duy trì an toàn khi di chuyển trên đường
Quản lý giao thông: Cảm biến hình ảnh được sử dụng trong các hệ thống quản lý giao
thông để giám sát lưu lượng xe cộ, nhận diện biển báo giao thông, và điều khiển đèn giao thông để tối ưu hóa luồng giao thông.
3.2 Công nghệ và xu hướng mới
Hiện tại, trên thế giới đang phổ biến 2 loại công nghệ cảm biến hình ảnh phổ biến đó là Charge-Coupled Device (CCD) và Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS), trong đó CMOS là phổ biến hơn cả
3.2.1 Charge-Coupled Device (CCD)
Cảm biến CCD chuyển đổi các phép đo pixel theo tuần tự sử dụng mạch xung quanh cảm biến CCD sử dụng một bộ khuếch đại đơn cho tất cả các điểm ảnh
Có một số ưu điểm khác biệt với cảm biến CCD trên cảm biến CMOS:
Ít nhiễu và hình ảnh chất lượng cao hơn, đặc biệt trong điều kiện ánh sáng yếu
Độ sâu màu tốt hơn vì phạm vi động của cảm biến thường gấp hai lần so với cảm biến CMOS
Độ phân giải cao và độ nhạy sáng