Chương 2 ảnh số hóa

CHƯƠNG ẢNH SỐ HOÁ 2.1 GIỚI THIỆU Các máy tính xử lý ảnh số, tự nhiên ban cho ảnh dạng khác, nên điều định trước tiên cho vấn đề xử lý ảnh số chuyển đổi ảnh sang dạng số Nhìn chung, thiết bị chuyên dụng cho ảnh số hoá biến đổi từ hệ thống máy tính thông thường thành trạm làm việc (workstation) xử lý ảnh số Một thiết bị ghi lại ảnh cần đến, chất lượng in máy in ma trận điểm bị hạn chế Những ngày đầu xử lý ảnh số, thiết bị số hoá ảnh phức tạp đắt vài trung tâm nghiên cứu có liên quan có đủ khả trang bị Tuy nhiên, tiến công nghệ khiến cho số hoá ảnh trở nên rẻ phổ biến Cấu hình thiết bị gồm nhiều loại khác xa sử dụng để chuyển đổi ảnh sang dạng số Trong chương này, đề cập đến phần tử số hoá ảnh, vài tượng vật lý thường dùng trình xử lý xem xét vài thực số hoá Mục đích để mở rộng hiểu biết khả hạn chế cách tiếp cận khác số hoá ảnh, nhạy cảm với nhiễu méo ảnh Sự giảm bớt hay loại bỏ nhiễu méo số hoá chức xử lý ảnh số 2.1.1 Các phần tử số hoá Một số hoá ảnh phải có khả chia ảnh thành phần tử điểm ảnh (pixel), đánh địa cho phần tử riêng biệt, đo giá trị mức xám ảnh điểm, lượng tử hoá giá trị liên tục đo thành tập số nguyên ghi giá trị tập số nguyên thiết bị lưu trữ liệu Để thực công việc này, số hoá phải có năm phần tử Phần tử số hoá ống kính (aperture) lấy mẫu-cho phép số hoá truy cập vào phần tử điểm ảnh riêng lẻ bỏ qua phần lại ảnh Phần tử thứ hai chế quét (sampling/scanning) ảnh Quá trình gồm 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 cho phần tử điểm ảnh, lần điểm Phần tử thứ ba cảm nhận ánh sáng, dùng để đo độ sáng điểm ảnh thông qua ống kính lấy mẫu Bộ cảm biến nói chung chuyển đổi dùng để biến đổi từ cường độ ánh sáng thành điện áp hay cường độ dòng điện Phần tử thứ tư lượng tử hoá, chuyển đổi giá trị liên tục từ đầu cảm biến thành giá trị số nguyên Đặc trưng lượng tử mạch điện tử gọi chuyển đổi tương tự sang số (analog to digital converter-ADC) Phần tử cuối số hoá thiết bị lưu trữ đầu Các giá trị mức xám sinh lượng tử hoá phải lưu trữ dạng thích hợp cho máy tính xử lý Thiết bị đầu nhớ bán dẫn, đĩa từ vài thiết bị phù hợp khác 10 2.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA BỘ SỐ HOÁ ẢNH Mặc dù số ảnh khác thiết bị mà chúng sử dụng để thực chức chúng, chúng có đặc tính liên quan với Kích thước điểm ảnh Hai đặc tính quan trọng kích thước ống kính lấy mẫu khoảng cách điểm ảnh liền kề Nếu số hoá trang bị hệ thống quang học thay đổi khả phóng to, khoảng cách kích thước mẫu mặt phẳng ảnh vào thay đổi, lĩnh vực đáng quan tâm Kích thước ảnh Tham số quan trọng khác khả phương tiện kích thước ảnh vào Đối với trường hợp máy quét film, kích thước film đầu vào cực đại 35 mm ảnh X quang 11  14 inch Ở đầu ra, kích thước ảnh định rõ số dòng cực đại số điểm ảnh dòng Tính chất phân phối cục Đặc tính quan trọng thứ ba số hoá ảnh tham số vật lý mà thực tế đo lượng tử hoá Ví dụ máy quét film, chúng đo lượng tử hoá hệ số truyền hay mật độ quang học film Cả hai hàm độ sáng hay độ tối film chắn ứng dụng chúng hữu ích hàm khác Tính chất tuyến tính Mức độ tuyến tính số hoá yếu tố quan trọng Chẳng hạn, thực tế phương tiện số hoá cường độ ánh sáng, dùng để xác định mức độ xác mức xám tỷ lệ với độ sáng thực ảnh Bộ số hoá phi tuyến phá huỷ tính hợp lệ trình xử lý Số mức xám mà thiết bị lượng tử hoá ảnh quan trọng Các số hoá ảnh trước có hai mức xám: đen trắng Trong thực hành số hoá đơn sắc nay, liệu thường bit (256 mức) thiết bị có độ phân giải cao thực Nhiễu Cuối cùng, mức nhiễu số hoá đặc tính có tầm quan trọng Trường hợp ảnh xám thể số hoá, nhiễu vốn có hệ thống gây tượng mức xám đan chéo ảnh đầu ra, cho dù độ sáng ảnh đầu vào số Nhiễu số hoá tạo nguyên nhân gây suy biến ảnh điều liên quan phần đến tương phản ảnh Những đặc tính tạo thành chi tiết kỹ thuật cho số hoá Chúng cung cấp sở để so sánh phương tiện khác hay để định số hoá có thích hợp cho công việc cụ thể hay không Trong vài trường hợp, ảnh số hoá thích hợp với vài dòng, số điểm ảnh dòng, mức xám có liên quan với tính phi tuyến đánh giá hay mức nhiễu cao Tuy nhiên, nhiều ứng dụng quan trọng xử lý ảnh số đòi hỏi số hoá chất lượng cao-có khả số hoá ảnh lớn có nhiều mức xám với tính tuyến tính tốt mức nhiễu thấp Chương sau, thảo luận chi tiết đến yêu cầu số hoá ứng dụng xử lý ảnh 2.3 CÁC KIỂU BỘ SỐ HOÁ ẢNH Một kiểu số hoá đa quan trọng camera số hoá, camera mà có hệ thống thấu kính số hoá ảnh đối tượng Một ví dụ camera video phối ghép với máy tính, thiết bị số hoá đối tượng vật lý mà ảnh film chụp ảnh Một kiểu số hoá hạn chế, nhiên quan trọng, máy quét film Đây công cụ dùng riêng cho việc quét ảnh chụp film Những máy quét film số hoá ảnh đối tượng sau camera quay film thu nhận ảnh đối tượng 11 Về phương diện lịch sử, máy quét film đóng vai trò bật xử lý ảnh, thực tế camera số hoá trực tiếp có xu sử dụng nhiều 2.3.1 Số hóa quét đầu vào (Scan-in) quét đầu (Scan-out) Có hai cách tiếp cận trình số hoá tổng quát, gọi số hóa quét đầu vào (Scan-in) số hoá quét đầu (Scan-out) Trong hệ thống quét đầu (Hình 2-1), toàn đối tượng hay ảnh film chiếu sáng cách liên tục ống kính lấy mẫu cho phép cảm biến ánh sáng “nhìn thấy” lần điểm ảnh Còn hệ thống quét đầu vào (Hình 2-2), lúc vết (spot) nhỏ đối tượng chiếu sáng ánh sáng truyền qua tập trung vào cảm biến Trong trường hợp này, chùm ánh sáng chiếu vào quét lên đối tượng cảm biến không rõ ràng mặt không gian HÌNH 2-1 Hình 2-1 Bộ số hoá quét đầu Có cách tiếp cận thứ ba kết hợp từ hai cách tiếp cận trước Trong hệ thống quét đầu vào/quét đầu ra, đối tượng chiếu vết sáng chuyển động lấy mẫu thông qua ống kính chuyển động theo vết sáng Đó hệ thống làm giảm ảnh hưởng ánh sáng cung cấp vài ứng dụng trình số hoá ảnh hiển vi Tuy nhiên, điều rắc rối chúng, đặc biệt vết lấy mẫu di chuyển theo vết sáng, có phần hạn chế ứng dụng hệ thống quét đầu vào/quét đầu HÌNH 2-2 Hình 2-2 Bộ số hoá quét đầu vào 12 2.4 CÁC THÀNH PHẦN SỐ HOÁ ẢNH Như đề cập trước đây, số hoá phải có nguồn ánh sáng, cảm biến ánh sáng hệ thống quét Hơn nữa, nguồn ánh sáng cảm biến ánh sáng (hoặc hai) phải nằm phía trước ống kính lấy mẫu Trong phần này, đề cập đến nguồn ánh sáng rời rạc, cảm biến hệ thống quét khác Phần tiếp theo, đặt chúng với để tạo thành số hoá ảnh đầy đủ 2.4.1 Nguồn ánh sáng Bóng đèn nóng sáng Hầu hết nguồn sáng nhân tạo bóng đèn nóng sáng Đối với hệ thống quét đầu ra, đèn nóng sáng thích hợp cho việc chiếu sáng đối tượng ảnh số hoá Đối với công việc quét đầu vào, sợi giây tóc bóng đèn nhỏ hay đi-ốt phát sáng (LED) mô tả thấu kính để tạo thành vết sáng nhỏ Laser Laser tạo chùm ánh sáng tập trung mức độ cao Laser sinh chùm ánh sáng hẹp, tập trung có cường độ lớn cách kích thích nguyên tử nguyên tố hoạt động (argon, helium, neon, ) lên trạng thái lượng cao, đồng thời kích thích cho chúng chuyển hoá trạng thái bình thường Sự chuyển hoá gây chùm ánh sáng tập trung có cường độ cao, dễ dàng hội tụ làm lệch hướng Mặc dù laser sử dụng làm nguồn chiếu sáng hệ thống quét đầu ra, ưu tạo vết sáng nhỏ có cường độ cao cho số hoá quét đầu vào Phốt Phốt phát sáng điện tử chiếu vào Nếu chùm điện tử hội tụ vào điểm nhỏ bề mặt kính thuỷ tinh có tráng phốt (Hình 2-3), ánh sáng phát từ điểm Bề mặt ống tia điện tử (Cathode-ray tube - CRT) tráng hợp chất pha trộn phốt pha lê Phốt phủ lên mặt ống nhờ màng nhôm suốt Màng nhôm có nhiệm vụ tạo thành cực dương (anode) thu hút chùm điện tử Sự va chạm điện tử mang lượng chùm điện tử kích thích nguyên tử phốt pho, đưa vài nguyên tử lên trạng thái lượng cao Mỗi điện tử phân rã trạng thái bình thường nó, phát phôtôn Trong trình sản xuất phốt ta điều chỉnh quang phổ (màu) tính bền vững (độ phân rã) ánh sáng phát Có thể tìm nhiều vật phát quang phổ thời gian phân rã từ nhỏ micrô giây đến vài giây HÌNH 2-3 Hình 2-3 Cấu trúc CRT 13 Độ sáng vết sáng tạo thành chùm điện tử đại khái tỷ lệ với mật độ trung bình chùm Phốt tạo thành từ hạt nhỏ thế, giả thiết đưa bên lớp phốt có nhiều hạt phát sáng Các ống tia điện tử có độ phân giải giới hạn từ 30 đến 70 dòng (chu kỳ) milimet LED Các LED dùng bán dẫn tạo nguồn ánh sáng đặc thích hợp Thực chất LED tạo từ chất bán dẫn Asen Gali Chúng phát ánh sáng cường độ điều khiển từ nguồn nhỏ Nhờ mà chúng sử dụng hệ thống quét đầu vào 2.4.2 Bộ cảm biến ánh sáng Các cảm biến ánh sáng sinh tín hiệu điện ứng với cường độ ánh sáng chiếu lên chúng Năm tượng vật lý khác ứng dụng để tạo năm kiểu cảm biến: thiết bị quang phát (photoemissive), tế bào quang điện (photovoltaic), chất quang dẫn (photoconductor), cảm biến silicon (silicon sensor) phận tiếp giáp bán dẫn (PN) Các chất quang phát phát điện tử có ánh sáng chiếu vào Các chất quang điện, tế bào lượng mặt trời silicon, sinh điện phơi ánh sáng Các chất quang dẫn, Sunfit Catmi (Cadmium sunfide), bị suy giảm điện trở có tác động ánh sáng Các thiết bị silicon lợi dụng tính chất cảm nhận ánh sáng tinh thể silicon nguyên chất Đặc tính tiếp giáp bán dẫn ốt quang (photodiode) transistor quang (phototransistor) chúng tích điện có tác động ánh sáng tới Thiết bị quang phát Ống nhân quang (photomutiplier) (Hình 2-4) có bề mặt quang phát tạo thành catôt quang nửa suốt (semitransparent photocathode) Thành ống phủ lớp ôxit kim loại kiềm (như bạc, cesium, antimon, natri, bitmut, rubidi) Khi phôtôn có lượng đủ lớn (  micron) đập vào catôt quang tích điện âm, giải phóng hạt điện tử khỏi bề mặt catôt HÌNH 2-4 Hình 2-4 Ống nhân quang Đằng sau catôt quang dãy đinôt (dynode) giữ mức điện áp dương dần lên Các hạt điện tử sơ cấp phôtôn giải phóng từ ca tốt quang bay nhanh phìa đinôt Sự va chạm điện tử tự với vài hạt điện tử thứ cấp tạo thành hiệu ứng phân rã hạt nhân Sau điện tử sinh bị hút phía đinôt thứ hai, hiệu ứng tương tự lặp lại Quá trình tiếp diễn điện tử từ đinôt cuối tập hợp vào anôt, tạo thành dòng điện bên 14 mạch điện Dòng điện tỷ lệ với thông lượng (flux) phôtôn tới ca tốt quang, dòng điện lấy mẫu lượng tử hoá Ống nhân quang nhạy cảm hiệu ứng phân rã hạt nhân đinôt Một hạt điện tử sơ cấp tạo đến tận hàng triệu điện tử Ống nhân quang sử dụng trình số hoá mức ánh sáng thấp nhờ vào tính nhạy cảm cao Bộ cảm biến silicon Nguyên chất mức độ cao, xử lý đặc biệt, silicon trở thành tinh thể cỡ lớn Mỗi nguyên tử silicon liên kết hoá trị với sáu nguyên tử xung quanh mạng lưới tinh thể hình khối chữ nhật ba chiều Các phôtôn tới đủ lượng ( < 1m) phá vỡ mối liên kết, giải phóng điện tử để lại “lỗ hổng” nơi Lớp kim loại mỏng phủ bề mặt silicon tích điện áp âm tạo nguồn điện (potential well), tập hợp nắm giữ quang điện tử khu vực phô tôn giải phóng Mỗi nguồn điện tương ứng với điểm ảnh mạng cảm biến Mỗi nguồn điện giữ khoảng 800 điện tử/một micron vuông, từ 105 đến 106 điện tử/một điểm ảnh chip có Dải động nguồn tỷ số với dung lượng điện tử mức nhiếu số liệu Nhiễu số liệu thấp đến 5-10 điện tử thiết bị chất lượng cao Nguồn phơi lâu sinh điện tử mức qui định tràn sang nguồn kế bên, dẫn đến ảnh bị nở hoa (blooming) Năng lượng nhiệt gây phá vỡ liên kết ngẫu nhiên, tạo thành nhiệt điện tử (thermal electron) không thường xuyên phân biệt với quang điện tử Điều gây luồng tối (dark current) cho cảm biến silicon, thiếu ánh sáng Luồng tối nhạy cảm với nhiệt độ, tăng gấp đôi độ tăng 60C (tức là, nhiệt độ tăng 60C luồng tối lại tăng gấp đôi) Việc cảm nhận ảnh đòi hỏi nhiều thời gian kết hợp nguồn nhiệt điện tử thường sử dụng quang điện tử Sự làm nguội thường dùng làm giảm luồng tối phạm vi thời gian kết hợp dùng Làm mát cảm biến silicon làm giảm luồng tối từ vài nghìn điện tử giây với nhiệt độ phòng, dần đến điện tử giây -600C Đi ôt quang Đi ốt quang (Hình 2-5) thiết bị tiếp giáp P-N thể rắn Một điện trường tạo phân cực đối ngược vùng phụ cận vùng tiếp giáp hai vật liệu bán dẫn Trường quét qua vật mang điện (các điện tử lỗ hổng) bên vùng tiếp giáp, tạo thành lớp trống rỗng ngăn cản dòng chảy Đó thông thường thiết bị cho phép dòng chảy chảy theo chiều Trong ốt quang, mặt thiết bị (ví dụ lớp P) chế tạo mỏng ánh sáng xuyên đến lớp tiếp giáp HÌNH 2-5 15 Hình 2-5 Đi ôt quang Hoạt động lớp tiếp giáp cung cấp điện áp phân cực đảo, dẫn luồng nhỏ Tuy nhiên, phôtôn va chạm giải phóng cặp điện tử-lỗ hổng bên vật liệu bán dẫn Trong lớp trống rỗng, nơi điện trường mạnh, hầu hết vật mang huy động chịu ảnh hưởng điện trường dạt xa trước chúng kết hợp lại Trong mạch điện ngoài, di trú (migration) chúng tạo thành 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 điều khiển cường độ ánh sáng độc lập quan hệ với điện áp cung cấp theo bên Lớp trống rỗng làm tương đối dày để thu hút phôtôn có bước sóng dài Đi ôt quang thác (avalanche photodiotde) đạt tính nhạy cảm cao ốt quang bình thường nhờ tính nhân điện tử ống nhân quang Đi ôt quang thác lệ thuộc vào điện áp phân cực đảo cao Sự va chạm phôtôn giải phóng điện tử, điện tử gia tốc (accelerate) điện trường có cường độ lớn lớp trống rỗng Chúng đạt tới vận tốc cao chúng ion hoá va chạm phạm vi vật liệu, giải phóng nhiều điện tử Hiệu ứng làm cho hệ số tăng cao đến tận 1,000, tăng tính nhạy cảm thiết bị cách đáng kể Trong phần đề cập trước đây, người ta cho ốt quang tạo dòng trạng thái ổn định tỷ lệ với thông lượng phôtôn tới Như lựa chọn, chúng hoạt động chế độ tích hợp (integrating mode) Bởi tiếp giáp ốt quang biểu thị cho điện dung, nên mang điện tích chiều phân cực có xu hướng đảo (reversebiased polarity) Tiếp sau đó, chất quang dẫn làm giảm điện tích vận tốc tỷ lệ với thông lượng phôtôn tới Nếu ốt quang tích điện lại với điện áp cụ thể cách định kỳ, điện tích yêu cầu (số điện tử) phải tỷ lệ với tích phân thông lượng phôtôn tới chu kỳ lần tích điện lại Vì thế, chế độ tích hợp, ốt quang không cảm nhận thông lượng phôtôn tức thời, lại cảm nhận tích phân thông lượng phôtôn chu kỳ thời gian Có hai nhân tố giới hạn dải động hoạt động ốt quang chế độ tích hợp Đầu tiên, điện dung tiếp giáp nhỏ làm giới hạn tích điện ban đầu Thứ hai, luồng tối, luồng lưu thông mà không cần ánh sáng chiếu vào, từ từ phóng điện vào ốt quang Các nhân tố giới hạn chu kỳ tích hợp tới vài mili giây dải dộng khoảng 100 đến nhiệt độ phòng Bởi luồng tối nhậy cảm với nhiệt độ, nên việc làm mát ốt quang thực tế để làm tăng đáng kể số lần tích hợp Transistor quang Transistor quang thiết bị bán dẫn ba lớp gắn vào miếng nhựa hoàn toàn miếng nhựa có gắn thấu kính bên phép ánh sáng chiếu tới lớp tiếp giáp transistor (Hình 2-6) Các phôtôn va chạm với giải phóng cặp điện tử-lỗ hổng lớp tiếp giáp cực góp-đáy (collector-base) Sự chuyển động vật mang tạo thành dòng điện đáy transistor Dòng điện cực góp tỷ lệ với dòng điện đáy nhân với hệ số tăng dòng (beta) transistor Nhìn bề ngoài, transistor quang hoạt động giống ốt quang, ngoại trừ tính nhậy cảm cao Tuy nhiên, yêu cầu tốc độ tính tuyến tính chế (dictate) xếp đặt thiết kế transistor, xếp đặt định giới hạn tăng dòng đạt Cả transistor quang lẫn ốt quang có phản ứng nhanh ổn định thay đổi cường độ ánh sáng, chúng tạo cảm biến điểm (point sensor) tuyệt vời cho ảnh số hoá 16 HÌNH 2-6 Hình 2-6 Transistor quang 2.4.3 Các chế quét Trong phần này, đề cập đến kỹ thuật sử dụng để di chuyển điểm quét hay chiếu sáng ảnh Chúng ta xem xét nguồn sáng, cảm biến hoạt động chế quét với hệ thống số hoá ảnh phần Thiết bị quét khí Hình 2-7 trình bày hai phương pháp khí dùng cho quét ảnh: trống quay (rotating drum) trục bước (lead screw) Từng phần toàn ảnh chụp bọc trống hình trụ, trống quay để kéo ảnh qua lỗ ống kính cố định Thao tác thực việc quét ảnh theo hướng Lỗ ống kính quét đặt trục bước nhằm di chuyển lỗ ống kính ngang qua ảnh Trong hình, trống quay trục bước kết hợp để tạo quét ảnh hai chiều Nếu trục bước quay liên tục bước, đường quét đường xoắn ốc, thường đường số xấp xỉ thích hợp với quét thẳng Tốc độ hoạt động thiết bị quét khí bị giới hạn, cung cấp ảnh lớn có độ ổn định hình học tốt với giá thành thấp HÌNH 2-7 Hình 2-7 Cơ chế quét khí Quét chùm điện tử Một vài thiết bị điện tử hữu ích ảnh số hoá quét ảnh hiển thị 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 súng điện tử đáy ống, bị cực dương tích điện hút phía mục tiêu Chùm điện tử qua kim loại làm lệch hướng tĩnh điện, điện trường tác động lượng lên điện tử, làm thay đổi hướng chúng, góc lệch hướng phụ thuộc vào tốc độ chùm điện kim loại Bằng cách điều khiển điện thế, ta làm cho chùm điện tử tác động đến điểm đích Sự lệch hướng từ tính Từ trường nằm ngang sử dụng để làm lệch hướng chùm điện tử Năng lượng hạt tích điện chuyển động từ trường vectơ, sản phẩm vận tốc hạt từ trường Vì vậy, hình 2-8, điện tử tích điện âm bị lệch hướng xuống phía Tiêu điểm chùm Các chùm điện tử phải tập trung thành điểm nhỏ đích Giống lệch hướng, điều thực phương tiện tĩnh điện hay điện từ Sự hội tụ chùm điện tử dẫn đến điểm quét lớn độ phân giải thấp 2.5 CAMERA ỐNG ẢNH ĐIỆN TỬ (ELECTRONIC IMAGE TUBE) Các ống ảnh điện tử thiết bị sử dụng phổ biến để quan sát việc cảm nhận ảnh truyền hình Chúng thiết bị bán dẫn, chúng đảm trách phần quan trọng trình số hoá ảnh 2.5.1 Ống camera vidicon Hình 2-9 minh hoạ cấu trúc vidicon, kiểu chung ống cảm nhận ảnh truyền hình Vidicon vỏ bọc thuỷ tinh hình cầu chứa súng điện tử đầu, đích mặt (faceplate) đầu Ống bao quanh kẹp chứa tiêu điểm điện từ cuộn lái tia Bên mặt phủ lớp mỏng chất quang dẫn lên màng kim loại mỏng suốt Lớp kép tạo thành đích (target) Một điện tích âm nhỏ cung cấp cho lớp kim loại bao phủ đích, phía sau lớp chắn dây mịn, gọi mạng lưới (mesh) Các điện tử tới giảm tốc độ xuyên qua mạng lưới chúng đạt đến đích với vận tốc xấp xỉ zero Trong bóng tối, chất quang dẫn có tác dụng chất cách ly, không cho phép điện tử chảy qua mỏng tích điện âm Tác dụng chùm điện tử để đặt lớp điện tử lên bề mặt bên chất quang dẫn nhằm cân điện tích âm lớp phủ kim loại Vì thế, sau chùm điện tử hoàn thành việc quét, chất quang dẫn tụ điện có mặt tích điện âm điện tích bề mặt điện tử mặt Khi ánh sáng va đập vào khu vực nhỏ chất quang dẫn, điện tử bắt đầu lưu thông qua, làm rỗng cục lớp điện tích bề mặt Vì thế, ảnh quang học thực đích, chất quang dẫn thoát điện tử ảnh điện tử 18 thực mặt sau đích Nghĩa điện tử xuất vùng tối mà mặt vùng sáng Khi chùm điện tử quét đích, thay điện tử bị mất, lưu giữ điện tích bề mặt không thay đổi Khi điện tử bị thay thế, dòng điện lưu thông mạch điện đích Vì thế, dòng điện tỷ lệ với số điện tử yêu cầu có vật mang với cường độ ánh sáng điểm Nó tỷ lệ với vận tốc chùm quét Sự biến thiên dòng điện mạch điện đích tạo tín hiệu video Chùm điện tử quét quét lại bề mặt đích, thay điện tích bị Đích vidicon cảm biến tích hợp với chu kỳ tốc độ quét Quy tắc quét Hình 2-10 minh hoạ quy tắc quét RS-170 (Hiệp hội công nghiệp điện tử-EIA), tiêu chuẩn cho quảng bá truyền hình đơn sắc Mỹ Chùm quét lên toàn bề mặt đích với 525 dòng quét ngang, tốc độ 30 lần/giây Tuy nhiên, dòng không quét theo thứ tự kế tiếp, tốc độ làm tươi hình TV 30 lần/giây mắt nhận thấy rung hình khó chịu Thay vào đó, qui tắc quét đan xen (interlaced) sử dụng để mang lại tốc độ làm tươi hình 60 lần/giây HÌNH 2-10 Hình 2-10 Quy tắc quét RS-170 Mỗi khung hình hợp lại từ hai trường đan xen, trường bao gồm 262.5 dòng Trường khung hình quét toàn dòng lẻ, trường thứ hai quét tất dòng chẵn xen vào Quá trình đan xen mang lại tốc độ 60 lần/giây nhằm giảm thiểu rung hình, tốc độ 30 khung hình/giây làm giảm yêu cầu độ rộng dải tần tín hiệu truyền Mỗi dòng quét ngang đòi hỏi 83% 63.5 s, hay xấp xỉ 50 s Từng khung hình có 525 dòng, trường bị 21 dòng kẻ lại thẳng đứng, lại 483 dòng thực cho khung Dải tần tín hiệu video tiêu chuẩn mở rộng lên đến 4.5 MHz, cho phép thực 255 chu kỳ, thông tin khoảng 550 điểm ảnh Chủ đề lấy mẫu độ phân giải nằm chương 15 Các quy tắc quét màu Tiêu chuẩn định thời RS-170A (NTSC) cho truyền hình màu khác chút so với quy tắc RS-170 Nó thiết kế để điều tiết truyền màu trì tính tương thích máy thu đơn sắc có Mỗi quốc gia khác sử dụng quy tắc quét khác Ví dụ, chuẩn Comité Consultatif International des Radiocommunications (CCIR), sử dụng nhiều Châu Âu, dùng khung hình có 625 dòng quét đan xen, dòng khoảng 768 điểm ảnh có tốc độ 25 khung/giây Người ta sử dụng camera vidicon đơn giản số hoá ảnh cách sử dụng chuyển đổi tương tự-số nhanh (fast ADC) để lấy mẫu tín hiệu video Để thu 19 xấp xỉ 500 điểm dòng, nhiên vấn đề lấy mẫu tín hiệu video phải thực 100 nano giây lần Bộ giữ khung hình (frame grabber) số hóa lưu giữ luồng liệu tốc độ cao nhớ bán dẫn sau đưa thiết bị lưu giữ lâu dài với tốc độ chậm Họ Vidicon Mục tiêu vidicon tiêu chuẩn tạo vật liệu quang dẫn Selen Một ống tương tự, plumbicon, có đích ôxit chì Các họ hàng khác Vidicon, có tên gọi nghe tương tự, khác chủ yếu cấu tạo vật liệu quang dẫn Plumbicon nhạy cảm Vidicon phản ứng nhanh ảnh hay thay đổi, độ phân giải thấp chút Các thành viên khác gia đình trội đặc tính ảnh khác nhau, tuỳ thuộc chất vật liệu 2.6 CAMERA BÁN DẪN (Solid-state cameras) Loại cảm biến ảnh phát triển gần dãy cảm biến bán dẫn tự quét điện tử (electronic self-scanning solid-state sensor) Ba loại chủ yếu dãy thiết bị ghép điện (CCD), dãy phun (injection) điện (CID) dãy ốt quang Tất thiết bị có dãy vị trí cảm biến ánh sáng vuông góc hay tuyến tính chip tổ hợp (integrated circuit) đơn 2.6.1 Dãy ốt quang Dãy ốt quang tự quét (Hình 2-11) bao gồm dãy cảm biến ốt quang chuỗi chuyển mạch mạch điều khiển liên kết chip Các ốt quang hoạt động chế độ tích hợp ánh sáng Sự đáp lại xung đồng hồ bên ngoài, chuyển mạch mạch đóng nhau, cho phép điện dung tiếp giáp nạp điện lại mạch điện Xung dòng điện tải, IC, tỷ lệ với toàn lượng ánh sáng chiếu lên ôt suốt chu kỳ lần quét Lượng lớn mạch liên kết, mạch phải chế tạo chip, thực tế giới hạn kích thước dãy ốt quang Thông thường chúng chế tạo từ dãy chiều, dài giống dùng máy quét ẢNH 2-11 Hình 2-11 Dãy ốt quang tự quét 2.6.2 Thiết bị ghép điện (Charge-Couple Divice - CCD) Các chip CCD chế tạo chip silicon tinh thể nhậy sáng, nhe đề cập trước Một dãy tách sóng quang nằm vuông góc với (các nguồn điện 20 thế) gắn vào silicon Các quang điện tử sinh khu vực nguồn điện gần nắm giữ dịch chuyển (shift) gói điện tích (charge parket) xuống chuỗi nguồn đến đạt đến cực Những kiến trúc khác dùng để đưa điện tích tích luỹ khỏi thiết bị cảm nhận ảnh: kiến trúc khung đầy đủ (full-frame) hay cổ điển, kiến trúc truyền đan xen dòng (interline transfer) 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 phơi ánh sáng, CCD khung đầy đủ phải che phủ để giữ cho bóng tối suốt trình đưa số liệu Sau dịch chuyển ảnh điện tích khỏi hàng nguồn cảm biến, lần điểm ảnh Khi hàng rỗng, điện tích tất hàng dịch chuyển xuống hàng điện tích lại dịch chuyển khỏi hàng Quá trình lặp lại điện tích hàng dịch chuyển xuống đưa khỏi hàng nguồn cảm biến Khi 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, cột cảm biến che mặt nạ chắn sáng Các cột nguồn che kín dùng trình đưa số liệu Sau phơi bày ánh sáng, gói điện tích nguồn phơi sáng dịch chuyển sang nguồn che kín sát bên cạnh Sự truyền tải đòi hỏi thời gian tất gói điện tích dịch chuyển lúc Điện tích cột che kín dịch chuyển xuống đưa theo cách tương tự CCD cổ điển Trong cảm biến loại này, số lượng điểm ảnh dòng nửa số lượng nguồn hàng thực tế có chip Ít 50% chip nhạy sáng cột che kín chiếm giữ nửa bề mặt chip Thiết bị ghép truyền khung (Frame-Transfer CCD) Chip CCD truyền khung có dãy cảm biến dài gấp đôi Nửa cảm nhận ảnh theo cách tiêu chuẩn, nửa dưới-mảng lưu trữ-được mặt nạ chắn sáng ngăn cản ánh sáng tới Cuối chu kỳ tích hợp, toàn ảnh điện tích mà tích luỹ dãy cảm biến nhanh chóng dịch chuyển hàng sang mảng lưu trữ Từ lại dịch chuyển điểm ảnh theo cách tiêu chuẩn, dãy cảm biến tích hợp ảnh Giống truyền đan xen dòng, công nghệ đồng thời tích hợp đưa số liệu ra, làm cho việc cảm nhận ảnh tốc độ video (video-rate) thực 21 Hiệu suất CCD Có hiêu lực nhiều cấu hình khác nhau, CCD gây dòng camera bán dẫn lổn nhổn chen chúc cho cách sử dụng truyền hình lẫn ứng dụng số ảnh Các camera không bị ràng buộc hình học tuyến tính mức độ cao phản ứng ánh sáng chúng Các CCD bật lên thiết bị chọn cho nhiều ứng dụng cảm nhận ảnh Các CCD quét với tốc độ truyền hình (30 khung/giây) chậm Bởi chúng tích hợp cho chu kỳ từ vài giây đến hàng để thu giữ (capture) ảnh mức sáng thấp, nên chúng sử dụng thiên văn học kính hiển vi huỳnh quang Các lần tích hợp dài đòi hỏi cảm biến phải làm mát nhiệt độ phòng để giảm hiệu ứng luồng tối (dark current) Luồng tối lấp đầy nguồn nhiệt điện tử trước quang điện tử có hội chiếm chỗ Do khiếm khuyết tronglưới tinh thể, luồng tối biến đổi điểm ảnh cách đáng kể, đặc biệt chip rẻ Điều để lại mô hình nhiễu cố định trông đám trời Vì mô hình ổn định, ghi lại hay loại ra, luồng tối làm bão hoà nhiệt điện tử nguồn Nhiễu liệu đầu nhiễu ngẫu nhiên sinh điện tử chip Nó dao động từ vài đến nhiều điện tử điểm ảnh, tuỳ thuộc vào thiết kế chip trở nên tồi tệ mà điện tích đưa với tốc độ nhanh Nhiễu liệu đầu thường yếu tố nhiễu trội (dominant) với thời gian phơi sáng ngắn, điều kiện ánh sáng thấp, nơi mà luồng tối thành phần nhiễu phôtôn nhỏ Nhiễu phôtôn xảy chất lượng tử ánh sáng Ví dụ, CCD trung bình 100 phôtôn/điểm ảnh/giây chiếu vào, số lượng phôtôn thực tế va đập vào điểm ảnh riêng biệt thời điểm số ngẫu nhiên Theo thống kê, số ngẫu nhiên có phân bố Poisson, độ lệch tiêu chuẩn với bậc hai trun bình độ lệch Trong ví dụ đề cập trên, số lượng phôtôn trung bình tới điểm ảnh 100 với độ lệch tiêu chuẩn 10 Tổng quát, phần tử nhiễu phôtôn bậc hai lượng điện tử tích luỹ cho nguồn (chẳng hạn quang điện tử cộng với nhiệt điện tử) Nhiễu thường trở nên nguồn nhiễu trội điều kiện phơi sáng cao hay luồng tối cao Điện tích nhiễm điểm ảnh phải dịch chuyển từ nguồn sang nguồn nhiều đến tận hàng nghìn lần (tuỳ thuộc vào vị trí kích thước dãy) trước rời khỏi chip Điều yêu cầu khả truyền điện tích cao, lượng quang điện tử đáng kể bị trình đưa số liệu Thường thường, nửa hay nhiều nửa diện tích cảm biến bao phủ mạch truyền điện tích chắn sáng, bỏ lại lỗ hổng điểm ảnh Bộ cảm biến CCD phơi sáng lâu làm cho ảnh loè loẹt quang điện tử vượt mức quy định căng điểm ảnh sát Những nhược điểm lưới tinh thể nguyên nhân gây điểm ảnh chết (dead pixel), điểm mà giữ quang điện tử Vì điện tích bị dịch chuyển qua điểm ảnh khỏi chip, nên điểm ảnh chết xoá tất phần cột 2.6.3 Thiết bị phun điện tích Các cảm biến CID lợi dụng đặc tính qunag điện tử silicon giống CCD Tuy nhiên, phương đưa liệu chúng khác cách đáng kể, điều mang lại thuộc tính cảm nhận ảnh hoàn toàn khác Quá trình hoạt động CID Tại vị trí điểm ảnh, CID có hai điện cực gây nguồn điện nằm sát (Hình 2-13) Những điện cực tách rời bỏi lớp mỏng ôxit kim loại cách điện lên bề mặt silicon Một điện cực nối với 22 điện cực tất điểm ảnh khác cột với nó, điện cực khác nối với tất điểm ảnh hàng với Vì vậy, điểm ảnh đơn đánh địa cách chọn địa hàng cột HÌNH 2-13 Hình 2-13 Cấu trúc cảm biến CID Khi hai điện cực vị trí điểm ảnh tích điện dương, chúng tích luỹ quang điện tử Đây chế độ tích hợp Nếu tất hàng cột tích điện dương toàn chip tích luỹ ảnh Khi điện cực đạt đến (hoặc dưới) không vôn, quang điện tử tích luỹ dịch chuyển xuống vị trí điện cực thứ hai bên Sự dịch chuyển tạo xung hành mạch điện nối với điện cực thứ hai Kích thước xung hành phản ánh khối lượng điện tích quang điện tử tích luỹ Các quang điện tử tích luỹ lại nguồn sau dịch chuyển Đây chế độ đưa liệu tích cực (nondestructive) Điểm ảnh đọc đọc lại cách dịch chuyển điện tích tới lui mà không Khi điện cực thứ hai đạt đến (hoặc dưới) không vôn, quang điện tử tích luỹđược kích thích, hay phun (inject), vào bản, tạo dòng điện lưu thông mạch điện Hơn nữa, kích thước xung hành phản ánh khối lượng điện tích quang điện tử tích luỹ Tuy nhiên, trình bỏ lại nguồn trống rỗng điện tử Vì vậy, gọi chế dộ đưa liệu tiêu cực (destructive) Nó sử dụng để tổ chức chip tích hợp ảnh khác Mạch điện gắn vào chip điều khiển điện áp điện cực hàng cột theo yêu cầu để tích hợp ảnh đưa cách tích cực hay tiêu cực Điều cho phép CID đánh địa điểm ảnh riêng biệt theo thứ tự nào, ảnh thành phần (subimages) có kích thước đọc với tốc độ Khả đưa liệu tích cực cho phép ta quan sát ảnh tích luỹ chip, đọc lại liên tục (hàng giờ) mà không xoá bỏ Điều hữu ích độ dài xác chu kỳ tích hợp Người ta tính trung bình nhiều liệu đưa tích cực ảnh với để giảm ảnh hưởng nhiễu ngẫu nhiên sinh mạch đưa liệu Quá trình hoạt động CID Các CID bị ảnh hưởng nhoè màu (blooming) mối hại xạ CCD có ích điều kiện môi trường ánh sáng gay gắt Tránh nhoè màu sẵn kết nối đường nhỏ (pathway) nguồn gần kề (tuy có CCD) quang điện tử mức quy định thu hút sở không tràn sang điểm ảnh lân cận Ngoài ra, với phương pháp đưa 23 liệu tích cực, chương trình điều khiển giám sát lấp đầy nguồn kích thích (flush) điểm ảnh riêng lẻ trở nên đầy đủ trước hết chu kỳ tích hợp Bởi CID không dịch chuyển điện tích chúng qua mảng, nên khái niệm hiệu suất truyền điện tích Không giống trường hợp CCD, nhược điểm lưới tinh thể làm ảnh hưởng đến điểm ảnh vùng gần Hơn nữa, chất toàn vùng bề mặt nhạy sáng, thực lỗ hổng điểm ảnh Các CID nhạy sáng cách đáng kể so với CCD Chúng sử dụng ứng dụng thiết kế cho mục đích riêng, mà truy cập ngẫu nhiên chúng, đưa liệu tích cực đặc tính chống nhoè màu đặc biệt quan trọng (Chú ý: Những giải thích trước CID CCD giả thiết silicon chuẩn bị bán dẫn loại N, chứa điện tử vật mang điện tích chủ yếu Trong thực tiễn, thông thường CID chế tạo từ silicon loại P, vật mang điện tích [dương] lỗ hổng điện cực hàng cột tích điện áp âm, điện áp dương suốt trình tích hợp.) 2.7 QUÉT FILM Sự chụp ảnh thường đóng vai trò quan trọng xử lý ảnh số, trước số hoá sau hiển thị Trong phần này, đề cập đến trình chụp ảnh vài nghiên cứu áp dụng cho máy quét film 2.7.1 Hệ số truyền mật độ Khi phần ánh sáng tới (không phải tất cả) không chiếu lên đối tượng không suốt mà không chắn sáng Có hai cách thông thường để đo lường tính chất truyền ánh sáng phần: mặt hệ số truyền mặt mật độ quang học (OD) Hệ số truyền đối tượng bên trái hình 2-14 cho T1  I2 I1  T1  (1) I1 mật độ thông lượng phôtôn tới I2 mật độ thông lượng phôtôn truyền Hệ số truyền đơn yếu tố mà đối tượng làm suy giảm (attenuate) cường độ ánh sáng hạn chế (confine) khoảng từ đến Mật độ quang học đối tượng bên trái D1  log I1  log   log T1 I2 T1 (2) hạn chế khoảng từ đến , mật độ quang học đối tượng chắn sáng tiến đến vô Hai đối tượng hình 2-14 xếp nối tiếp đường ánh sáng chúng chồng lên (superimpose) Hệ số truyền kết hợp T3  I3 I3 I2   T1T2 I1 I I (3) 24 HÌNH 2-14 Hình 2-14 Mật độ, hệ số truyền xếp chồng lên Nhưng ngược lại, mật độ quang học kết hợp D3  log I1 1  log  log  log  D1  D2 I3 T1T2 T1 T2 (4) Vì vậy, đối tượng hấp thụ ánh sáng chồng lên nhau, mật độ quang học chúng cộng thêm, hệ số truyền chúng nhân lên Trong chương 7, sử dụng thuộc tính để loại bỏ thông tin chồng lên không mong muốn trình xử lý 2.7.2 Quá trình chụp ảnh Film chụp Cấu trúc film chụp minh hoạ hình 2-15 Nền film thuỷ tinh axetat dẻo, suốt có độ bền học giốn film Nền tráng lớp nhũ tương hạt muối bạc dày từ đến 25 micron Các hạt (grain) hợp chất halogen bạc-clorua bạc, brômua bạc hay tinh thể iôtđua bạc HÌNH 2-15 Hình 2-15 Quá trình chụp ảnh Trong suốt trình tạo film, hạt halogen bạc kích hoạt để chúng có tính cảm quang Trong trình phơi sáng, phần nhũ tương khác tiếp nhận cường độ ánh sáng khác Khi hạt halogen bạc hấp thụ phôtôn, nhiều phân tử bị biến đổi thành bạc hạt trở thành phơi sáng (exposed) Rửa film (film development) Quá trình rửa film biến đổi hạt halogen bạc thành bạc Tuy nhiên, phản ứng lại trình biến đổi tiếp diễn hạt phơi sáng nhanh hạt không phơi sáng Sau chu kỳ thời gian thích hợp, đa số hạt phơi sáng vài hạt không phơi sáng bị biến đổi Ở bước cuối cùng, hạt không bị biến đổi rửa khỏi film Vì thế, film rửa có tráng lớp bột bạc với độ 25 dày khác Trong vùng bị phơi sáng nhiều, toàn độ dày lớp nhũ tương trì, đem alị mật độ cực đại Tại vùng không phơi sáng, hạt halogen bạc chuyển động hoàn toàn, để lại mức vết mờ (fog level) xấp xỉ 0.04 mật độ quang học Sự phản ứng lại ánh sáng nhũ tương (Emulsion response to light) Hình 2-16 cho thấy phương tiện thích hợp cho việc mô tả đặc tính phản ứng lại ánh sáng nhũ tương Sự phản ứng lại gọi đồ thị D-log E hay đồ thị H D, lấy hai chữ đầu Hurter Driffield Đồ thị đưa mật độ film rửa hàm logarit sợ phơi sáng Với thời gian phơi sáng hợp lý, từ vài mili giây đến hàng giây, phơi sáng đo lường kết mật độ thông lượng lượng xạ nhân với khoảng thời gian tồn Sự tương đương cường độ thời gian phơi sáng gọi quy luật trao đổi lẫn (reciprocity law) Quy luật bị phá vỡ vào khoảng thời gian phơi sáng dài ngắn gọi thiếu khả trao đổi lẫn (reciprcity failure) HÌNH 2-16 Hình 2-16 Đồ thị đặc tính nhũ tương Tổng mức vết mờ (mức vết mờ nhũ tương cộng với mật độ bản) đặt mật độ film không phơi sáng tối thiểu Mật độ tối đa giới hạn độ dày kích thước hạt nhũ tương Trên khắp phạm vi phơi sáng tương đối rộng, quan hệ mật độ với logarit phơi sáng xấp xỉ tuyến tính Đây phạm vi làm việc bình thường nhũ tương ảnh Độ dài toạ độ phần tuyến tính bề rộng nhũ tương Chỗ dốc đồ thị phần thẳng gọi gamma () biểu thị tương phản nhũ tương Ở bên đỉnh đồ thị vùng đảo ngược, phơi sáng liên tục dẫn đến giảm mật độ Các đặc tính nhũ tương Kích thước hạt độ dày nhũ tương xác định nhiều đặc tính quan trọng film Ví dụ, mật độ tối đa cao tồn với nhũ tương mỏng Tuy nhiên, độ phân giải cao đòi hỏi nhũ tương hạt phải nhỏ để tránh tán xạ ánh sáng bên nhũ tương Những film có tính nhạy cảm cao mà phải làm việc với mức ánh sáng thấp yêu cầu nhũ tương mỏng chứa tương đối hạt Vì thế, film kết hợp ép buộc đối kháng (opposing constraint) độ phân giải, tính nhạy cảm mật độ tối đa Tuy nhiên, thường tìm thấy nhiều nhũ tương có kết hợp thích ứng Nói chung, hiệu suất tốc độ (tính nhạy cảm) nhũ tương thấp hơn, gamma độ phân giải cao hơn, tính có chất hạt (granularity) bề rộng thấp Tính chất có hạt phân bố hạt ngẫu nhiên bên nhũ tương Dẫn đến tượng có hạt trở nên rõ ràng tăng mật độ 26 Mật độ tối đa ảnh tương phản thấp đạt ảnh phơi sáng (expose) rửa (develop) với film có mật độ quang học nằm khoảng 0.8 đến 1.2 Ở bên khoảng đó, chân đồ thị H D giảm tương phản, tính chất có hạt trở nên phức tạp mật độ cao Đồ thị H D nhũ tương riêng biệt biến thiên với tham số trình rửa Ví dụ, ảnh già (overdevelopment) có khuynh hướng dịch chuyển đồ thị phía trái tăng gamma Các kết sản sinh ra, dự đoán thu đòi hỏi điều khiển phơi sáng cẩn thận tham số rửa Độ phân giải film Mặc dù đồ thị H D làm sáng tỏ phản ứng nhũ tương với ánh sáng, có không đề cập độ phân giải film Hàm truyền đạt điều biến (Modulation Transfer Function-MTF) (Hình 2-17) cách thông thường để rõ đặc tính phân giải nhũ tương Giả sử đem nhũ tương phơi sáng cách định kỳ, với ánh sáng có cường độ cho log E  log E  sin( 2fx) (5) log E0 làm suy giảm phần đoạn thẳng đồ thị H D Từ đồ thị H D, ta suy mật độ D ( x)  D0   sin( 2fx) (6) Tuy nhiên, tần số không gian f cao, kích thước hạt tán xạ ánh sáng bên nhũ tương làm giảm tương phản biến thiên mật độ hình sin Vì vậy, mật độ quan sát D ( x)  D0  M ( f ) sin( 2fx)  M( f ) 1 (7) HÌNH 2-17 Hình 2-17 Hàm truyền đạt điều biến Trong M(f) biểu thị tương phản ảnh hàm tần số không gian Đơn giản hoá định nghĩa độ phân giải ảnh nữa, nhà sản xuất thường đề cập đến tần số độ phân giải giới hạn, fL Đây tần số không gian mà hàm truyền đạt điều biến suy giảm đến 0.1 xấp xỉ tương đương với giới hạn tầm nhìn 27 2.7.3 Sao chụp (photocopying) Ta thường không làm việc với ảnh film nguyên bản, mà làm việc với chụp khác ảnh film Hình 2-18 minh hoạ cấu chụp chụp ảnh hiển vi Đặt mật độ ảnh gốc Ds(x,y) giả thiết film chụp có đặc điểm hình 2-19 Giả sử mẫu vật chiếu sáng từ phía sau với cường độ l0 khoảng thời gian T Nghĩa lượng phơi sáng (x,y) đến điểm (x’,y’) film E ( x ' , y ' )  l 0T 10  Ds ( x , y ) (8) Đặt E0=l0T lấy logarit hai vế logE ( x' , y ' )  log E  Ds ( x, y ) (9) HÌNH 2-18 Hình 2-18 Cấu hình chụp HÌNH 2-19 Hình 2-19 Đồ thị đặc tính nhũ tương lý tưởng Trong miền tuyến tính Hình 2-19, mật độ cho D (log E )  D fog   (log E  log E1 ) (10) Kết hợp với biểu thức (9), ta D ( x' , y ' )  D fog   log E  Ds ( x, y )  log E1   D0  Ds ( x, y ) (11) 28 D0  D fog   (log E  log E1 )  D (log E ) (12) Biểu thức 11 cho thấy film âm với mật độ giảm xuống thấp D0 hệ số thay đổi độ tương phản  2.8 TỔNG KẾT CÁC ĐIỂM QUAN TRỌNG Các yếu tố cần thiết cho số hoá ảnh bao gồm (1) lỗ ống kính lấy mẫu, (2) thiết bị quét, (3) cảm biến ánh sáng, (4) số hoá, (5) phương tiện cho đầu Các đặc tính quan trọng số hoá ảnh bao gồm (1) kích thước điểm ảnh, (2) khoảng cách điểm ảnh, (3) số lượng điểm ảnh cột dòng, (4) số lượng mức xám, (5) tham số đo sáng (photometric) mà số hoá đo được, (6) tính tuyến tính đo lường đó, (7) mức nhiễu Nguồn sáng bao gồm bóng đèn nóng sáng, đèn hồ quang, LED, laser phốt Bộ cảm ánh sáng gồm có ống nhân quang, ốt quang, transistor quang cảm biến ánh sáng Quá trình quét thực với phương tiện khí, chùm điện tử, mạch tổ hợp Ống ảnh điện tử tạo tín hiệu video lấy mẫu số hóa Bộ cảm biến ảnh bán dẫn bao gồm ma trận ốt quang, thiết bị ghép (CCD) thiết bị phun điện tích (CID) Những kiến trúc CCD sử dụng phổ biến khung đầy đủ, truyền đan xen dòng truyền khung Nguồn nhiễu CCD chủ yếu liệu đưa ra, tốc độ đưa liệu tăng lên sinh nhiễu; luồng tối tăng gấp nhiệt độ tăng 60C nhiễu phôtôn tăng theo bậc hai tổng số điện tử 10 Các CCD làm mát tích hợp với chu kỳ thời gian dài để ghi ảnh mức ánh sáng thấp 11 Các CID nhạy sáng CCD, chúng có đối tượng bị nhoè màu thiệt hại xạ, chúng đưa liệu cách truy cập ngẫu nhiên cách tích cực 12 Khi đối tượng suốt phần chồng lên hệ số truyền chúng nhân thêm, mật độ quang học chúng cộng vào 13 Quá trình rửa nhũ tương chụp ảnh tạo mật độ quang học tương đối tỷ lệ với logarit cường độ phơi sáng nhân thời gian phơi sáng 14 Sự tương phản nhũ tương chụp ảnh rõ gamma, tỷ lệ giữađộ dốc đồ thị mật độ logarit phơi sáng nhũ tương (đồ thị H D nó) BÀI TẬP Một chip cảm nhận ảnh CCD truyền khung 480  640 điểm ảnh sử dụng với tốc độ video (thời gian phơi sáng 16.7 ms, tần số 14 MHz) Nó có điểm ảnh 6.3  9.3 micron nguồn điểm ảnh dung lượng 20,000 điện tử Mật độ điện tích lưu trữ chip so với mật độ 800 điện tử/m2 diện tích nguồn đề cập đến nào? Chip có nhiễu liệu 80 điện tử/điểm ảnh tốc độ 10 MHz 180 điện tử/điểm ảnh tốc độ 20 MHz Giả thiết quan hệ tuyến tính, nhiễu liệu tốc độ 14 MHz? Dải động bao nhiêu? 29 Chip có hiệu suất lượng tử 0.35 bước sóng nhìn thấy luồng tối 6000 điện tử/giây/điểm ảnh 250C Luồng tối chip làm mát 00C? Giả thiết thông lượng ánh sáng tới 2106 phôtôn/giây/điểm ảnh, phần trăm dung lượng nguồn lấp đầy phơi sáng thời gian 16.7 ms? Với thời gian phơi sáng để bão hoà nguồn (lấp đầy hoàn toàn)? Tại 250C, tỷ lệ tín hiệu nhiễu (signal to noise ratio-SNR)? Mức nhiễu phôtôn bao nhiêu? Mức nhiễu tổng cộng bao nhiêu? Một chip cảm nhận ảnh CCD khung đầy đủ 384  576 điểm ảnh có điểm ảnh 23  23 micron nguồn điểm ảnh dung lượng 175,000 điện tử Mật độ điện tích lưu trữ chip so với mật độ 800 điện tử/m2 diện tích nguồn đề cập đến nào? Chip có nhiễu liệu điện tử/điểm ảnh tốc độ 40 Hz 24 điện tử/điểm ảnh tốc độ 200 kHz Giả thiết quan hệ tuyến tính, có dải động 10,000, 20,000 tần số đưa liệu bao nhiêu? Chip có hiệu suất lượng tử 0.40 bước sóng nhìn thấy luồng tối 6.5 điện tử/giây/điểm ảnh -450C Luồng tối 00C? Giả thiết thông lượng ánh sáng tới 10,000 phôtôn/giây/điểm ảnh, phần trăm dung lượng nguồn lấp đầy phơi sáng thời gian 20 giây? Với thời gian phơi sáng để bão hoà nguồn (lấp đầy hoàn toàn)? Tại tốc độ đưa liệu 50 kHz nhiệt độ 250C, thời gian phơi sáng để tỷ lệ tín hiệu nhiễu SNR 300? Tỷ lệ phần trăm nguồn lấp đầy với thời gian phơi sáng trên? Một chip cảm nhận ảnh CCD khung đầy đủ 1,317  1,035 điểm ảnh có điểm ảnh 6.8  6.8 micron nguồn điểm ảnh dung lượng 45,000 điện tử Mật độ điện tích lưu trữ chip so với mật độ 800 điện tử/m2 diện tích nguồn đề cập đến nào? Chip có nhiễu liệu điện tử/điểm ảnh tốc độ 50 kHz 13 điện tử/điểm ảnh tốc độ 500 kHz Giả thiết quan hệ tuyến tính, có dải động 4,000 tần số đưa liệu bao nhiêu? Chip có hiệu suất lượng tử 0.41 bước sóng nhìn thấy luồng tối 0.02 điện tử/giây/điểm ảnh -400C Luồng tối 250C? Giả thiết thông lượng ánh sáng tới 2,000 phôtôn/giây/điểm ảnh, thời gian phơi sáng để bão hoà nguồn (lấp đầy hoàn toàn)? Tại tốc độ đưa liệu 4000 kHz nhiệt độ 00C, thời gian phơi sáng để tỷ lệ tín hiệu nhiễu SNR 200? Tỷ lệ phần trăm nguồn lấp đầy với thời gian phơi sáng trên? Một chip cảm nhận ảnh CCD khung đầy đủ 2,048  2,048 điểm ảnh có điểm ảnh  micron nguồn điểm ảnh có mật độ 1,049 điện tử/m2 Dung lượng nguồn bao nhêu? Chip có nhiễu liệu 13 điện tử/điểm ảnh tốc độ 200 kHz tốc độ 500 kHz Dải động bao nhiêu? Chip có hiệu suất lượng tử 0.45 bước sóng nhìn thấy luồng tối 0.25 điện tử/giây/điểm ảnh -200C Luồng tối 250C? Giả thiết thông lượng ánh sáng tới 20,000 phôtôn/giây/điểm ảnh, thời gian phơi sáng để bão hoà nguồn (lấp đầy hoàn toàn)? Tại tốc độ đưa liệu 400 kHz nhiệt độ -300C, thời gian phơi sáng để tỷ lệ tín hiệu nhiễu SNR 150? Tỷ lệ phần trăm nguồn lấp đầy với thời gian phơi sáng trên? Mức nhiễu tổng cộng bao nhiêu? Một chip cảm nhận ảnh CCD khung đầy đủ 3,072  2,028 điểm ảnh có điểm ảnh  micron nguồn điểm ảnh có dung lượng 85,000 điện tử/điểm ảnh Chip có nhiễu liệu điện tử/điểm ảnh tốc độ 500 kHz 20 điện tử/điểm 30 ảnh tốc độ MHz Tần số để có dải động 5,000? Chip có hiệu suất lượng tử 0.45 bước sóng nhìn thấy luồng tối 0.05 điện tử/giây/điểm ảnh -400C Luồng tối 250C? Giả thiết thông lượng ánh sáng tới 8,000 phôtôn/giây/điểm ảnh, thời gian phơi sáng để bão hoà nguồn (lấp đầy hoàn toàn)? Tại tốc độ đưa liệu MHz nhiệt độ -300C, thời gian phơi sáng để tỷ lệ tín hiệu nhiễu SNR 256? Tỷ lệ phần trăm nguồn lấp đầy với thời gian phơi sáng trên? Theo bạn, với điều kiện tổng quát chiếu sáng, nhiệt độ thời gian phơi sáng, để quan sát thấy phần lớn nhiễu liệu đưa ảnh số hoá từ cảm biến CCD? Với điều kiện tổng quát chiếu sáng, nhiệt độ thời gian phơi sáng, để quan sát thấy phần lớn nhiễu luồng tối? Với điều kiện tổng quát chiếu sáng, nhiệt độ thời gian phơi sáng, để quan sát thấy phần lớn nhiễu phôtôn? Một camera vidicon có đường kính đích 25 mm đường kính điểm cảm nhận 35 micron Số hàng cột tối đa mà số hoá ảnh vuông khoảng cách điểm ảnh đường kính điểm cảm nhận? Nếu ảnh số hoá 480  640 điểm ảnh, khoảng cách điểm ảnh đích bao nhiêu? DỰ ÁN Tham khảo vấn đề trên, số hoá ảnh flat field thu từ camera video CCD điều kiện ánh sáng bóng tối, phân tích chúng để xác định trạng thái tự nhiên định tính định lượng thành phần nhiễu liệu đưa nhiễu phôtôn Sử dụng độ lệch tiêu chuẩn mức xám độ rộng lược đồ mức xám (xem chương 5) để xác định số lượng mức nhiễu Giải thích tính chất phẳng ảnh kiểm tra Tham khảo vấn đề trên, số hoá ảnh flat field thu từ camera CCD tích hợp làm mát điều kiện ánh sáng bóng tối, thời gian phơi sáng ngắn dài, nhiệt độ cao thấp Phân tích ảnh để xác định trạng thái tự nhiên định tính định lượng thành phần nhiễu liệu đưa nhiễu phôtôn, Sử dụng độ lệch tiêu chuẩn mức xám độ rộng lược đồ mức xám (xem chương 5) để xác định số lượng mức nhiễu Giải thích tính chất phẳng ảnh kiểm tra Số hoá ảnh từ film, mô tả đặc điểm độ phân giải, mức nhiễu tính tuyến tính trình Sử dụng vùng mức xám không thay đổi để ước lượng mức nhiễu biên sắc nét để ước lượng độ phân giải Cho cảnh chứa vùng có độ sáng phân biệt khác nhau, vẽ đường đáp ứng đo sáng (photometric response) trình 31 [...]... hơn D0 và hệ số thay đổi 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 tính 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... là D1  log I1 1  log   log T1 I2 T1 (2) và hạn chế trong khoảng từ 0 đến , bởi vì mật độ quang học của đối tượng chắn sáng tiến đến vô cùng Hai đối tượng trong hình 2- 14 được sắp xếp nối tiếp nhau trên đường đi của ánh sáng và vì thế chúng chồng lên nhau (superimpose) Hệ số truyền kết hợp là T3  I3 I3 I2   T1T2 I1 I 2 I 1 (3) 24 HÌNH 2- 14 Hình 2- 14 Mật độ, hệ số truyền và sự xếp chồng lên nhau... 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... log  log  D1  D2 I3 T1T2 T1 T2 (4) Vì vậy, khi các đối 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... 2, 048 điểm ảnh có các điểm ảnh 9  9 micron và nguồn điểm ảnh có mật độ 1,049 điện tử/m2 Dung lượng nguồn là bao nhêu? Chip có nhiễu dữ liệu ra 13 điện tử/điểm ảnh tại tốc độ 20 0 kHz và tại tốc độ 500 kHz Dải động của nó là bao nhiêu? Chip có hiệu suất lượng tử là 0.45 ở các bước sóng nhìn thấy và luồng tối là 0 .25 điện tử/giây/điểm ảnh ở -20 0C Luồng tối của nó là bao nhiêu ở 25 0C? Giả thiết rằng thông... ảnh 9  9 micron và nguồn điểm ảnh có dung lượng 85,000 điện tử/điểm ảnh Chip có nhiễu dữ liệu ra 9 điện tử/điểm ảnh tại tốc độ 500 kHz và 20 điện tử/điểm 30 ảnh tại tốc độ 2 MHz Tần số là bao nhiêu để có được dải động là 5,000? Chip có hiệu suất lượng tử là 0.45 ở các bước sóng nhìn thấy và luồng tối là 0.05 điện tử/giây/điểm ảnh ở -400C Luồng tối của nó là bao nhiêu ở 25 0C? Giả thiết rằng thông lượng... kính đích 25 mm và đường kính điểm cảm nhận là 35 micron Số hàng và cột tối đa mà nó có thể số hoá một ảnh vuông là bao nhiêu nếu khoảng cách điểm ảnh của nó bằng đường kính điểm cảm nhận? Nếu ảnh số hoá là 480  640 điểm ảnh, khoảng cách điểm ảnh trên đích là bao nhiêu? DỰ ÁN 1 Tham khảo vấn đề 6 ở trên, số hoá ảnh flat field thu từ camera video CCD dưới điều kiện ánh sáng và bóng tối, phân tích chúng... nguồn (lấp đầy hoàn toàn)? Tại 25 0C, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu là bao nhiêu (signal to noise ratio-SNR)? Mức nhiễu phôtôn của nó là bao nhiêu? Mức nhiễu tổng cộng là bao nhiêu? Một chip cảm nhận ảnh CCD khung đầy đủ 384  576 điểm ảnh có các điểm ảnh 23  23 micron và nguồn điểm ảnh dung lượng 175,000 điện tử Mật độ điện tích lưu trữ của chip so với mật độ 800 điện tử/m2 của diện tích nguồn đã đề cập... tử/điểm ảnh tại tốc độ 40 Hz và 24 điện tử/điểm ảnh tại tốc độ 20 0 kHz Giả thiết quan hệ là tuyến tính, nó sẽ có dải động là 10,000, 20 ,000 tại tần số đưa dữ liệu ra là bao nhiêu? Chip có hiệu suất lượng tử là 0.40 ở các bước sóng nhìn thấy và luồng tối là 6.5 điện tử/giây/điểm ảnh ở -450C Luồng tối của nó là bao nhiêu ở 00C? Giả thiết rằng thông lượng ánh sáng tới là 10,000 phôtôn/giây/điểm ảnh, bao... ở 25 0C? Giả thiết rằng thông lượng ánh sáng tới là 2, 000 phôtôn/giây/điểm ảnh, thời gian phơi sáng là bao lâu để bão hoà nguồn (lấp đầy hoàn toàn)? Tại tốc độ đưa dữ liệu ra 4000 kHz và nhiệt độ 00C, thì thời gian phơi sáng là bao lâu để tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR là 20 0? Tỷ lệ phần trăm nguồn được lấp đầy với thời gian phơi sáng trên? Một chip cảm nhận ảnh CCD khung đầy đủ 2, 048  2, 048 điểm ảnh ... nhận ảnh CCD khung đầy đủ 3,0 72  2, 028 điểm ảnh có điểm ảnh  micron nguồn điểm ảnh có dung lượng 85,000 điện tử/điểm ảnh Chip có nhiễu liệu điện tử/điểm ảnh tốc độ 500 kHz 20 điện tử/điểm 30 ảnh. .. hạn chế ứng dụng hệ thống quét đầu vào/quét đầu HÌNH 2- 2 Hình 2- 2 Bộ số hoá quét đầu vào 12 2.4 CÁC THÀNH PHẦN SỐ HOÁ ẢNH Như đề cập trước đây, số hoá phải có nguồn ánh sáng, cảm biến ánh sáng hệ... I3 I3 I2   T1T2 I1 I I (3) 24 HÌNH 2- 14 Hình 2- 14 Mật độ, hệ số truyền xếp chồng lên Nhưng ngược lại, mật độ quang học kết hợp D3  log I1 1  log  log  log  D1  D2 I3 T1T2 T1 T2 (4) Vì