CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH
2.1.4 Các phần tử của hệ thống xử lý ảnh số
Cấu trúc một hệ thống xử lý ảnh đa dụng dùng để thực hiện các giai đoạn xử lý ảnh đề
cập ở trên được mơ tả trên hình 2.1.4.
Màn hình hiển thị Bộ xử lý hình ảnh chuyên dụng Máy tính Bộ nhớ ngồi Bộ nhớ trong Phần mềm xử lý ảnh Thiết bị thu nhận hình ảnh Hình 2.1.4 Các thành phần chính của hệ thống xử lý ảnh
Thiết bị thu nhận hình ảnh: là thiết bị biến đổi quang-điện, cho phép biến đổi hình ảnh quang học thành tín hiệu điện dưới dạng analog hay trực tiếp dưới dạng số. Cĩ nhiều dạng cảm biến cho phép làm việc với ánh sáng nhìn thấy hoặc hồng ngoại. Hai loại thiết bị biến đổi quang – điện chủ yếu thường được sử dụng là đèn ghi hình điện tử và chip CCD (Charge Couple Device – linh kiện ghép điện tích).
Ống vidicon là đại diện tiêu biểu cho họ đèn ghi hình điện tử được sử dụng tương đối rộng rãi trong camera màu cũng như đen trắng. Ống Vidicon cĩ kích thước nhỏ gọn (đường kính 18-25 mm, chiều dài 10-12 cm), nhẹ, cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng. Đèn hình này sử
dụng nguyên lý hiệu ứng quang điện trong và nguyên lý tích lũy điện tích.
Chip CCD là linh kiện bán dẫn cĩ khả năng biến đổi năng lượng quang phổ thành tín
hiệu điện. Thành phần chính của chip CCD là các tụ điện MOS (Metal-Oxide-
Semiconductor). Tụ điện MOS được hình thành bởi ba lớp: một má tụ bằng kim loại, chất
điện mơi nằm giữa là lớp SiO2 và một má tụ bằng lớp bán dẫn loại p hoặc n (hình 2.1.5).
Nền bán dẫn "p"
Điện cực kim loại +U
Hình 2.1.5 Cấu trúc tụđiện MOS
Một chuỗi tụ điện MOS phân bố đều trên bề mặt chip CCD được biểu diễn trên hình 2.1.6a, mỗi tụđiện với bề mặt cảm quang là má bán dẫn sẽ tạo ra một điểm trên hình ảnh thu
được.Theo phương pháp dịch chuyển điện tích, các chip CCD cĩ thể chia ra làm hai loại: CCD dạng chuỗi (một chiều) và dạng ma trận (hai chiều).
Trên Hình 2.1.6a là cấu trúc chip CCD dạng chuỗi, quá trình ghi (tích điện) và đọc được thực hiện tại hai khu vực khác nhau, gọi là miền tích điện và miền nhớ. Hai khu vực trên được ngăn cách bởi cổng chuyển dịch. Sau khi kết thúc quá trình tích điện tại các phần tử cảm quang, điện tích sẽđược truyền song song qua cổng chuyển dịch vào thanh dịch ngang (khơng nhạy cảm với ánh sáng) tức miền nhớ. Sau khi cổng chuyển dịch đĩng lại, quá trình ghi và
Chip CCD sử dụng trong máy quay video thường cĩ cấu trúc ma trận (hình 2.16b). Các phần tử cảm quang trong CCD tập hợp thành ma trận hai chiều, quá trình “đọc” tín hiệu được thực hiện theo chiều ngang và chiều dọc. Cĩ nhiều cách tổ chức quá trình ghi và đọc tín hiệu trong CCD, nhưng phổ biến nhất là phương pháp dịch chuyển từng ảnh. Khi sử dụng phương pháp này, trong chip CCD được thiết kế một miền nhớ, khơng tiếp xúc với ánh sáng và cĩ diện tích bằng miền tích lũy – là ma trận các phần tử cảm quang.
Điện tích thu được tại miền tích lũy được chuyển về miền nhớ. Sau đĩ, quá trình ghi
ảnh tại miền tích lũy và đọc ảnh từ miền nhớ vào thanh dịch ngang sẽ được tiến hành song song.Từng dịng ảnh được dịch chuyển xuống thanh dịch ngang, sau đĩ các gĩi điện tích ứng với các điểm trong dịng ảnh sẽ được đẩy ra lần lượt khỏi thanh dịch. Sau khi tồn bộ ảnh trong miền nhớđược đọc ra hết, một ảnh mới từ miền tích lũy sẽ lại được chuyển vềđây.Với những tính năng vượt trội trước ống ghi hình điện tử cổđiển, linh kiện biến đổi - quang điện CCD được sử dụng rất rộng rãi trong cơng nghệ truyền hình và ảnh số. Hầu hết các camera quay video dân dụng và bán chuyên nghiệp (semi-professional) được thiết kế trên cơ sở chip CCD.
Bộ nhớ trong và ngồi trong các hệ thống xử lý ảnh số thường cĩ dung lượng rất lớn dùng để lưu trữảnh tĩnh và động dưới dạng số. Ví dụ, để lưu một ảnh sốđen trắng kích thước 1024x1024 điểm, mỗi điểm được mã hĩa bằng 8 bits cần bộ nhớ ~1MB. Để lưu một ảnh màu khơng nén, dung lượng bộ nhớ phải tăng lên gấp 3. Bộ nhớ số trong hệ thống xử lý ảnh cĩ thể
chia làm 3 loại: 1- bộ nhớ đệm trong máy tính để lưu ảnh trong quá trình xử lý. Bộ nhớ này phải cĩ khả năng ghi/đọc rất nhanh (ví dụ 25 hình/s); 2- bộ nhớ ngồi cĩ tốc độ truy cập tương đối nhanh, dùng để lưu thơng tin thường dùng. Các bộ nhớ ngồi cĩ thể là ổ cứng, thẻ
nhớ flash v.v.. 3- Bộ nhớ dùng để lưu trữ dữ liệu. Loại bộ nhớ này thường cĩ dung lượng lớn, tốc độ truy cập khơng cao. Thơng dụng nhất là đĩa quang ghi 1 lần (ROM) hoặc nhiều lần (ROM) nhưđĩa DVD cĩ dung lượng 4.7GB (một mặt). Ngồi ra trong hệ thống xử lý ảnh cịn sử dụng các thiết bị cho phép lưu ảnh trên vật liệu khác như giấy in, giấy in nhiệt, giấy trong,
đĩ cĩ thể là máy in phun, in laser, in trên giấy ảnh đặc biệt bằng cơng nghệ nung nĩng v.v. Hình 2.1.6 Cấu trúc chip CCD
a) dạng chuỗi b) dạng ma trận
Bộ xử lý ảnh chuyên dụng:
Xử dụng chip xử lý ảnh chuyên dụng, cĩ khả năng thực hiện nhanh các lệnh chuyên dùng trong xử lý ảnh. Cho phép thực hiện các quá trình xử lý ảnh như lọc, làm nổi đường bao, nén và giải nén video số v.v.. Trong bộ xử lý ảnh thường tích hợp bộ nhớđệm cĩ tốc độ cao.
Màn hình hiển thị: Hệ thống biến đổi điện - quang hay đèn hình (đen trắng cũng như
màu) cĩ nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện cĩ chứa thơng tin của ảnh (tín hiệu video) thành hình
ảnh trên màn hình. Cĩ hai dạng display được sử dụng rộng rãi là đèn hình CRT (Cathode-Ray Tube) và màn hình tinh thể lỏng LCD (Liquid Crystal Display). Đèn hình CRT thường cĩ khả
năng hiển thị màu sắc tốt hơn màn hình LCD nên được dùng phổ biến trong các hệ thống xử
lý ảnh chuyên nghiệp.
Máy tính: cĩ thể là máy tính để bàn cũng như siêu máy tính cĩ chức năng điều khiển tất cả các bộ phận chức năng trong hệ thống xử lý ảnh số.