1. Giới thiệu về cảm biến hình ảnh
Khi hình ảnh được ghi lại bằng camera, ánh sáng sẽ đi qua len kính và bị chặn lại ở cảm biến hình ảnh. Cảm biến này gồm các điểm ảnh (pixel), chúng sẽ ghi nhận lượng ánh sáng đi vào và biến đổi luồng ánh sáng này thành các tín hiệu điện tương ứng (các electron). Ánh sáng càng mạnh thì lượng electron sinh ra càng nhiều, các electron này sẽ tạo ra điện áp và chuyển thành các tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi A/D.
Hiện nay, có hai công nghệ được sử dụng làm cảm biến hình ảnh trong camera là CCD (thiết bị tích điện kép) và CMOS (chất bán dẫn bổ sung oxide kim loại) (Hình 1). Các thiết bị này có thế mạnh và yếu điểm riêng, tùy mục đích mà nhà sản xuất có thể linh hoạt sử dụng cho phù hợp.
Lọc màu
Các cảm biến hình ảnh ghi nhận lượng ánh sáng đi vào từ sáng tới tối nhưng lại không thể ghi lại chính xác màu sắc của ánh sáng. Do đó, cảm biến CCD và CMOS là các cảm biến “mù màu”, bộ lọc được đặt trước các cảm biến để phân bổ ánh sáng cho từng điểm ảnh. Hai phương pháp ghi nhận màu sắc phổ biến là RGB (Red, Green, and Blue- Đỏ, lục và lam) và CMYG (Cyan, Magenta, Yellow, and Green- màu lá mạ, đỏ tươi, vàng và lục). Đỏ, lục và làm bản thân chúng là các màu cơ bản, khi được trộn vào nhau, chúng tạo ra các thứ cấp khác.
Bộ lọc Bayer là một dòng lọc RGB phổ biến nhất hiện nay (Hình 2). Do cấu tạo mắt người có nhiều thụ thể màu lục hơn nên bộ lọc Bayer sẽ có nhiều điểm lọc màu lục hơn hai màu còn lại, việc này giúp cho người xem có thể ghi nhận và đánh giá hình ảnh một cách tốt hơn. Đối với các dòng bộ lọc CMYG, chúng sẽ bổ sung các bộ lọc màu vào cảm biến thông qua sự kết hợp các điểm lọc màu lục với các điểm lọc màu xanh lá mạ, đỏ tươi, vàng để tạo thành bộ lọc màu CMYG (Hình 2). Hệ thống CMYG thường cho ra tín hiệu có độ phân giải cao hơn phụ thuộc vào độ rộng quang phổ của ánh sáng tới. Tuy nhiên, các tín hiệu này phải được chuyển đổi thông qua bộ RGB, do đó, đây được xem là bộ cho ra hình ảnh cuối. Bộ lọc màu CMYG thường được sử dụng để liên kết các cảm biến hình ảnh CCD, trong khi hệ thống RGB thường được sử dụng trong các cảm biến quét hình ảnh hiện đại.
2. Công nghệ CCD
Trong cảm biến CCD, ánh sáng (điện tích) sau khi va vào các điểm ảnh trên chip của cảm biến được chuyển đi thông qua một hay một vài cổng tín hiệu ra. Các dòng điện tích được biến đổi thành các mức điện áp, vật đệm và cho ra dưới dạng các tín hiệu số (Hình 3).
Công nghệ CCD được phát triển nhằm nâng cao chất lượng hình ảnh, các cảm biến CCD đã được sử dụng trong vòng hơn 30 năm gần đây. Công nghệ này có những ưu việt hơn so với các cảm biến CMOS như nhạy sáng hơn và ít bị nhiễu. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, sự khác biệt này đang được thu ngắn lại.
Bên cạnh các thế mạnh, cảm biến CCD cũng tồn tại các hạn chế như chúng cần nhiều các mạch điện bên ngoài cảm biến. Việc tiêu thụ nhiều năng lượng kéo theo các vấn đề về nhiệt trong camera, việc này không chỉ làm ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh mà còn làm gia tăng chi phí cho sản phẩm.
Cảm biến CCD còn cần lượng dữ liệu rất lớn, do đó tất cả các dữ liệu đều phải đi qua một hay nhiều bộ khuếch đại tín hiệu.
3. Công nghệ CMOS
Trong thời gian đầu, các con chip CMOS được sử dụng để ghi hình nhưng chất lượng hình ảnh không cao do các con chip này có độ nhạy sáng không cao. Các cảm biến CMOS hiện đại sử dụng các công nghệ đặc biệt giúp nâng cao chất lượng hình ảnh và độ nhạy sáng một cách đáng kể.
Các chip CMOS có rất nhiều điểm tích cực, không giống như cảm biến CCD, chip CMOS tích hợp với các bộ khuếch đại tín hiệu và các bộ chuyển đổi A/D giúp làm giảm chi phí của camera (Hình 4). Tất cả các điểm ảnh CMOS đều chứa các bộ chuyển đổi điện tử. So với cảm biến CCD, cảm biến CMOS khả năng phân tích tốt hơn, tuy nhiên, việc tích hợp mạch điện vào bên trong con chip có thể dẫn tới các khả năng gây nhiễu tín hiệu. Cảm biến CMOS có khả năng đọc hình ảnh nhanh hơn, tiêu thụ điện năng ít và có kích thước nhỏ hơn nhiều so với cảm biến CCD.
Việc kiểm tra cảm biến CMOS trong sản phẩm gặp rất nhiều khó khăn hơn so với cảm biến CCD, nhưng với sự phát triển của công nghệ, các nhà sản xuất đã thiết kế giúp các cảm biến CMOS có thể tự kiểm tra lại.
Cảm biến CMOS có khả năng đọc từng điểm ảnh do chúng có thể đọc từng phần của phẩm cảm biến thay vì chỉ đọc toàn vùng cảm biến trong một lần. Phương pháp này giúp nâng cao tỷ lệ khung đọc và nhờ đó, người sử dụng có thể sử dụng các chức năng PTZ (camera có thể quét xoay tròn, nghiêng lên-xuống và thu-phóng hình ảnh- pan/tilt/zoom). Đồng thời, nhờ khả năng đọc từng điểm ảnh, cảm biến CMOS còn có thể khoanh vùng đọc hình ảnh trên cảm biến.
4. Các điểm khác biệt cơ bản
Cảm biến CMOS là cảm biến liên hợp với bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi A/D và thường có một mạch điện nhỏ bổ sung, trong khi đó, cảm biến CCD với khả năng xử lý nhiều tín hiệu bên ngoài cảm biến. Cảm biến CMOS còn tiêu thụ lượng điện năng thấp hơn rất nhiều so với cảm biến CCD, điều này đồng nghĩa với việc nhiệt độ trong camera thấp hơn. Song , cũng chính do việc tích hợp nhiều bộ phận trong cảm biến nên bộ CMOS thường có nhiều tín hiệu nhiễu hơn.
Bên cạnh việc tích hợp linh kiện, cảm biến CMOS còn có thể khoanh vùng khung đọc, điều mà cảm biến CCD không thể thực hiện. Một cảm biến CCD thường có một bộ chuyển đổi điện tích-điện áp cho một cảm biến trong khi đối với cảm biến CMOS, từng điểm ảnh đều có bộ chuyển đổi riêng, do đó cải thiện tốc độ đọc dữ liệu.
Như vậy, cả hai loại cảm biến CCD và CMOS đều có những điểm mạnh và điểm hạn chế riêng, nhưng với sự phát triển của công nghệ đã khiến việc lựa chọn nên sử dụng cảm biến nào dần trở nên không cần thiết. Mục tiêu duy nhất hiện nay của các nhà sản xuất camera là nâng cao chất lượng hình ảnh và đáp ứng đầy đủ nhu cầu của khách hàng.
Biên tập: Phạm Ngọc Sơn
Nguồn: http://www.axis.com/global/en/
Điểm 4/5 dựa vào 50 đánh giá
EmoticonEmoticon