Chương 2 ảnh số hóa

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 mỗi phần tử riêng biệt, đo giá trị các mức xám của ảnh

CHƯƠNG 2 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 ma trận điểm bị hạn chế

Những ngày đầu của xử lý ảnh số, thiết bị số hoá ảnh phức tạp và đắt đến nỗi 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 gồm nhiều loại khác xa nhau được sử dụng để chuyển đổi 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 đối 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 mỗi phần tử riêng biệt, đo giá trị các mức xám của ảnh tại mỗi 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 phải

Phần tử thứ ba là một bộ cảm nhận ánh sáng, dùng để đo độ sáng của mỗi điểm ảnh thông qua ống kính lấy mẫu Bộ cảm biến nói 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 tính xử lý Thiết

bị đầu ra có thể là bộ nhớ bán dẫn, đĩa từ hoặc một vài thiết bị phù hợp khác

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 tính 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 đổi khả năng phóng to, thì khoảng cách và kích thước mẫu của mặt phẳng ảnh vào là có thể thay đổi, đây là lĩnh vực đáng quan tâm

Kích thước ảnh Tham số quan trọng khác là khả năng của phương tiện đối 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 đối 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 tính 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 tỷ lệ với độ sáng thực sự của ảnh Bộ số hoá phi tuyến có thể phá huỷ tính 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 này liên quan một phần đến sự tương phản của ảnh

Những đặc tính 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 tính 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 tính tuyến tính 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 đối tượng nào Một ví dụ là camera video phối ghép với máy tính, 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

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 lấy mẫu cho phép bộ cảm biến ánh sáng “nhìn thấy” mỗi lần duy nhất một điểm ảnh Còn trong hệ thống quét đầu vào (Hình 2-2), mỗi 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, chùm 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

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 đầy

đủ

2.4.1 Nguồn ánh sáng

Bóng đèn nóng sáng Hầu hết các nguồn sáng nhân tạo là bóng đèn nóng sáng Đối

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 hội 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 hội

tụ vào một điểm nhỏ trên bề mặt tấm kính thuỷ tinh 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 bởi hợp chất pha trộn giữa phốt pho và pha lê Phốt pho được phủ lên trên mặt ống nhờ một màng nhôm trong suốt Màng nhôm 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 phân

rã từ nhỏ hơn 1 micrô giây đến vài giây

HÌNH 2-3

Độ sáng của vết sáng tạo thành bởi chùm điện tử đại khái là tỷ 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 tín 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), tế 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 tính chất cảm nhận ánh sáng của tinh thể silicon nguyên chất Đặc tính tiếp giáp bán dẫn của đi ốt quang (photodiode) và transistor quang (phototransistor) là chúng tích điện khi có tác động của ánh sáng tới

Thiết bị quang phát Ống nhân quang (photomutiplier) (Hình 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

mạch điện ngoài Dòng điện này tỷ 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 Mỗi nguyên tử silicon được liên kết cùng hoá trị với sáu nguyên tử xung quanh nó trong mạng lưới tinh thể hình khối chữ nhật ba chiều Các phôtôn tới đủ năng lượng ( < 1m) sẽ phá vỡ mối liên kết, giải phóng một điện tử và để lại một “lỗ hổng” ở nơi đó

Lớp kim loại mỏng phủ trên bề mặt silicon và được tích 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 Mỗi 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 tỷ 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 đôi mỗi một độ tăng 60C (tức là, nhiệt độ tăng 60C thì luồng tối lại tăng gấp đôi) Việc cảm nhận ảnh đòi hỏi nhiều thời 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 giây 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 đối 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 nỗi ánh sáng có thể xuyên đến lớp tiếp giáp

HÌNH 2-5

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 đối 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 nỗi 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 tỷ 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 tiếp giáp đi ốt quang biểu thị

cho điện dung, nên nó mang điện tích của chiều phân cực có xu hướng đảo biased polarity) Tiếp sau đó, chất quang dẫn làm giảm điện tích tại vận tốc tỷ lệ với 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 tích phân của thông lượng phôtôn tới đối với chu kỳ giữa các lần tích điện lại Vì thế, trong chế độ tích hợp,

(reverse-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 tích 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 tích 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 tính tuyến tính 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 với những thay đổi của cường độ ánh sáng, chúng tạo ra những bộ cảm biến điểm (point sensor) tuyệt vời cho ảnh số hoá

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 chuyển 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 2-8

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 tích điện hút về phía mục tiêu Chùm điện tử đi qua giữa các tấm kim loại 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 Giống như sự lệch hướng, điều này có thể được thực hiện bằng các phương tiện tĩnh điện hay điện từ Sự kém hội 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 đảm 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 tinh 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 mỏng trong suốt Lớp kép này tạo thành đích (target) Một điện tích âm nhỏ

được cung cấp cho lớp kim loại bao phủ của đích, phía sau lớp này là tấm chắn bằng dây

mịn, gọi là mạng lưới (mesh)

Các điện tử tới giảm tốc độ sao khi xuyên qua mạng lưới và chúng đạt đến đích với 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 mỏng tích 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 tích 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

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 đổi Khi các điện tử bị thay thế, một dòng điện sẽ lưu thông trong mạch điện ngoài của đích Vì thế, dòng điện này tỷ 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 tích 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, mỗi 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 giảm 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 đòi hỏi 83% của 63.5 s, hay xấp xỉ 50 s Từng khung hình có

525 dòng, mỗi trường bị mất 21 dòng kẻ lại thẳng đứng, còn lại 483 dòng thực sự cho mỗi khung Dải tần của tín 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 tính 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, mỗi dòng khoảng 768 điểm ảnh và có tốc độ 25 khung/giây

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 dài 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 đối với ảnh hay thay đổi, 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 chuỗi 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 tiếp 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 giống như những cái đã dùng trong các máy quét bản sao