Tìm hiểu về cảm biến hình ảnh của camera

1. Cảm biến trong camera giám sát là gì? 

• Cảm biến hình ảnh là một trong những bộ phận quan trọng nhất của máy ảnh. Chi phí để sản xuất được một cảm biến hình ảnh thường chiếm 1/3 tổng giá trị của chiếc máy ảnh đó. Cảm biến hình ảnh này được sản xuất từ silic là chính, (tương tự như việc sản xuất chip xử lý trên máy tính), chế tạo thành các miếng wafer siêu mỏng được đục đẽo tinh vi theo công nghệ của từng hãng.
• Nhờ cảm biến ánh sáng đi qua ống kính sẽ được ghi lại và xử lý thành hình ảnh rồi xuất ra thẻ nhớ. Cảm biến rất quan trọng, nó quyết định rất lớn đến chất lượng hình ảnh thu được sau khi chụp. Bên cạnh đó hình ảnh thu được còn phụ thuộc nhiều vào độ nhạy sáng của máy ảnh, độ phân giải của máy ảnh.

2. Các bộ phận chính của cảm biến hình ảnh gồm:

– Nguồn sáng riêng – dedicated light source: Cung cấp ánh sáng cho cảm biến, 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.

– Thấu kính – Lens: Đưa hình ảnh tới chip xử lý hình ảnh.

– Chip xử lý hình ảnh CCD (viết tắt của Charge Coupled Device) hoặc CMOS (viết tắt của Complementary Metal Oxide Semiconductor): Chuyển đổi tín hiệu quang học thành tín hiệu analog.

– Bộ chuyển đổi tín hiệu Analog/digital converter: Đây là nơi xử lý và biến đổi tín hiệu từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để phục vụ cho các quá trình xử lý tiếp theo của phần mềm.

– Vi xử lý – Microprocessors: Phân tích và xử lý các tín hiệu số của hình ảnh, sau đó dựa vào các thông số đặt trước 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.

3. Quá trình hoạt động của cảm biến hình ảnh

– Được chia làm 3 phần: Thu thập thông tin, phân tích thông tin, đưa ra kết quả thông tin. Để quá trình làm việc của cảm biến diễn ra thuận lợi thì những thành phần cũng phải hoạt động đúng theo yêu cầu:

+ Nguồn sáng cần đảm bảo độ tương phản, làm nổi bật chi tiết, đối tượng cần phân tích.

+ Thấu kính phải tập trung ánh sáng lên chip xử lý hình ảnh. Tiêu cự thấu kính càng ngắn thì vật thể quan sát được càng lớn và ngược lại. Đây là phần khá quan trọng vì nó ảnh hưởng tới hình ảnh mục tiêu của bạn

+ Cuối cùng cảm biến hình ảnh sẽ thực hiện các bước thu thập và phân tích.

4. Các loại cảm biến chính trên thị trường.

Cảm biến CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)

Đây là loại cảm biến được sử dụng phổ biến hơn cả. Thời gian trước đây cảm biến CMOS không được coi trọng như cảm biến CCD bởi khả năng kiểm soát nhiễu tốt, xử lý hình ảnh tốt. Tuy nhiên cảm biến này có quá trình sản xuất rất phức tạp so với CMOS rất đơn giản. Nên dần dần cảm biến máy ảnh CMOS đã dần thay thế cảm biến CCD và được thị trường yêu chuộng.

Cảm biến CMOS sử dụng bộ lọc màu RGB sau đó chuyển sang dữ liệu dạng số rồi đưa vào thẻ nhớ để lưu lại. Dựa trên công nghệ cơ bản của cảm biến máy ảnh CMOS này, các hãng đã tùy biến ra những cảm biến máy ảnh riêng biệt.

Cảm biến CCD (Charge-Coupled Device).

Đối với loại cảm biến này khi nó hoạt động các diode (là Điốt bán dẫn một loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại. một loại diode sẽ thu một màu riêng biệt. Ba màu trên 3 loại diode đó là Đỏ (RED) Xanh lá cây (Green) và xanh dương (Blue). 3 loại màu này pha trộn với nhau theo ánh sáng từ ống kính đưa vào tạo nên một bức ảnh mà người dùng có thể nhìn thấy được.) trên bề mặt cảm biến sẽ thu ánh sáng rồi chuyển thành điện tích sau đó chuyển vào camera theo các dữ liệu thông tin dạng số nhị phân.

CCD nhạy cảm hơn với ánh sáng .

 

Độ nhạy cảm với ánh sáng là một trong những khác biệt rất lớn giữa camera CCD và camera CMOS.

 

Với kết quả của vật liệu cấu tạo khác nhau để tạo thành vi mạch hình ảnh, cảm biến CMOS hoat động với độ nhạy cảm về ánh sáng thấp hơn 10 lần (là không tốt bằng) so với cảm biến CCD. Mắt người có thể nhìn thấy các đối tượng trong điều kiện ánh sáng ít nhất là dưới 1 LUX, còn cảm biến CCD thấy được mục tiêu nhiều hơn so với mắt con người , CCD vẫn thấy trong điều kiện ánh sáng thấp từ khoảng 0,1 Lux – 3 Lux , có nghĩa là thấy được trong điều kiện tối tốt hơn từ 3-10 lần so với cảm biến CMOS. Độ nhạy sáng của cảm biến CMOS là khoảng giữa 6 Lux – 15 LUX, CMOS lại nhạy cảm với tỷ lệ cao của tiếng ồn 10 lần so với cảm biến CCD. Cảm biến CMOS có thể không thấy rõ dưới điều kiện ánh sáng khoảng 10LUX , do vậy cảm biến CCD được sử dụng rộng rãi hơn cho phần lớn các camera giám sát video. Thông thường, cảm biến CMOS được sử dụng cho các thiết bị quan sát gia đình vì chi phí thấp hơn, đồng thời cần hỗ trợ của đèn chiếu hồng ngoại (Led IR) để dùng trong ban đêm.

 

Các camera loại đặc biệt nhạy cảm với ánh sáng rất thấp “Low light illumination” đều dùng vi mạch ảnh CCD để thấy trong đêm tối mà không cần chiếu led hồng ngoại. Các vật liệu dùng sản xuất vi mạch ảnh CCD (cảm biến CCD) có chi phí tốn kém hơn so với vật liệu chế tạo Vi mạch ảnh CMOS (cảm biến CMOS).

 

Tìm hiểu lý do nào đã gây ra cho cảm biến CMOS tình trạng không có độ nhạy tốt so với cảm biến CCD là những gì? xem điều này trong đoạn tiếp theo sau đây.

 

Sự khác biệt đầu tiên giữa CCD và CMOS là sự khác biệt về cấu trúc của bộ cảm biến độ phân giải điểm ảnh (pixels). Ngoại trừ việc có chứa các vật liệu bán dẫn “phô-ton ánh sáng” , CCD còn bao gồm nhiều tụ điện loại MOS (Metal Oxide Semiconductor). Cảm biến CMOS được chế tạo với thiết kế phức tạp hơn, ngoại trừ các vật liệu bán dẫn photon, CMOS còn bao gồm bộ khuếch đại và mạch A/D. So sánh hai loại khi hoạt động trong lãnh vực nhạy cảm khu vực rộng, so với cảm biến CMOS thì cảm biến CCD có mức độ nhạy cảm rộng hơn, CCD có thể tạo ra tín hiệu điện mạnh mẽ hơn khi xuất ở ngõ ra của hình ảnh (vpp – video output) trong cùng một điều kiện môi trường, cảm biến CCD có thể cung cấp hình ảnh với mức tiếng ồn thấp có nghĩa là chất lượng cao hơn. Do đó, cảm biến CMOS theo truyền thống được cho là không tốt như cảm biến CCD.

 

Tuy nhiên, vì sự phát triển của công nghệ mới, hiện nay đã có những cải thiện rất ấn tượng cho việc chế tạo các cảm biến CMOS thế hệ mới ít thua kém CCD, với lợi thế chi phí thấp, cảm biến CMOS bắt đầu thách thức sự thống trị cảm biến CCD trong thị trường camera cao cấp.

ADC (chuyển đổi analog / digital) vị trí và số lượng khác nhau

 

CCD và CMOS bao gồm các thiết kế về số lượng ADC và kỹ thuật ADC khác nhau. Mỗi dòng ngang của một điểm ảnh bên trong cảm biến CCD kết nối với một ADC, sau khi hoàn tất tiến trình tiếp xúc, tín hiệu được chuyển vào một bộ lưu và đưa đến một bộ khuếch đại ADC để nén và điều biến hình ảnh xuất ra (analog signal). Mỗi điểm ảnh trong cảm biến CMOS kết nối với một ADC, tín hiệu điện sẽ đi qua bộ khuếch đại và chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số (digital signal).

 

Cảm biến CCD tín hiệu đầu ra dạng tương tự, cảm biến CMOS tín hiệu đầu ra kỹ thuật số.

 

Cảm biến CCD và cảm biến CMOS với sự khác biệt giữa việc xử lý tín hiệu, cảm biến CCD xử lý thông qua tín hiệu dạng tương tự (analog), với các thông số của dòng-ngang. Cảm biến CMOSthông qua tín hiệu kỹ thuật số, trực tiếp với tham số của độ phân giải điểm ảnh. Do vậy, khicamera giám sát sử dụng mạng IP để truyền tải thường sẽ được sử dụng với cảm biến CMOS vì ưu thế tín hiêu kỹ thuật số, còn camera giám sát truyền thống lại thường được sử dụng với cảm biến CCD.

Với sự phát triển đặc biệt về vi mạch cảm biến hình ảnh của vài năm qua, các thiết kế cải tiến chocảm biến CMOS đã tăng diện tích nhạy cảm với ánh sáng gần bằng với mức độ nhạy của bộ cảm biến CCD. Ngoài ra, cảm biến CMOS với lợi thế của cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, tiêu thụ điện năng thấp. Cảm biến CCD có thể làm việc tốt hơn CMOS trong điều kiện ban đêm, nhưng ngược lạicảm biến CMOS có thể cung cấp 100 triệu điểm ảnh về hình ảnh HD chất lượng cao, và đó là điều mà các bộ cảm biến CCD không thể đạt được. IP Camera với mức 2-3-5-8-11-16-29 Mega-pixels ra đời là sự thách thức về thế hệ so với CCD.

 

Các CCD và CMOS camera Megapixel dùng cho nhu cầu đặc biệt

Thế hệ tiếp theo của camera dòng quét cmos ( Progressive scan CMOS) được thiết lập, các tiêu chuẩn mới cho tốc độ dòng ngang, độ phân giải điểm ảnh và chất lượng hình ảnh cao.

 

Với sự nỗ lực cải tiến EliiXA + 16K camera cung cấp khoảng 100.000 dòng / s chưa từng có trong camera định dạng 16K điểm ảnh và kết hợp phản ứng cao với một mức độ tiếng ồn rất thấp, điều này cung cấp tín hiệu cao tỷ lệ tiếng ồn ngay cả khi thời gian tích hợp ngắn được yêu cầu hoặc chiếu sáng khi bị hạn chế.

 

Kích cỡ điểm ảnh 5μm được sắp xếp theo bốn dòng hoạt động, đảm bảo độ phân giải tối ưu không gian trong cả hai hướng quét và cảm biến với ống kính off-the-shelf. Một dữ liệu vượt trội tỷ lệ vượt quá 1,6 Gpixels mỗi giây, gửi qua một giao diện CoaXPress mới, cho phép thông lượng rất cao và mở ra một loạt các khả năng mới cho các thế hệ tiếp theo của hệ thống kiểm tra cho các ứng dụng đòi hỏi như màn hình phẳng, PCB và kiểm tra tế bào năng lượng mặt trời.

Chất lượng của bất kỳ hình ảnh số nào, dù được in ra hay hiển thị trên màn hình cũng đều phụ thuộc vào độ phân giải (resolution). Độ phân giải là số lượng điểm ảnh (pixel) dùng để tập hợp thành hình ảnh. Số lượng điểm ảnh càng nhiều và càng nhỏ thì độ nét và chi tiết ảnh sẽ càng cao.

Tầm quan trọng của cảm biến CMOS trong camera giám sát.

• Trước đây cảm biến CCD được coi trọng hơn cảm biến CMOS bởi khả năng kiểm soát nhiễu tốt, xử lý hình ảnh tốt. Tuy nhiên cảm biến CCD được sản xuất với qui trình phức tạp hơn cảm biến CMOS, nên dần dần cảm biến CMOS thay thế cảm biến CCD và được thị trường yêu chuộng. 
• Khi chọn hệ thống camera giám sát, người tiêu dùng thường quan tâm đến số chấm (megapixels) tối đa trên 1 chiếc camera nhưng thực chất độ phân giải megapixels chỉ là một phần nhỏ trong hệ thống của 1 chiếc camera giám sát. Khách hàng thường ít quan tâm đến loại cảm biến được tích hợp trong chiếc camera đó, cảm biến quyết định đến chức năng của camera, chất lượng hình ảnh thu được, độ nét của ảnh, độ nhạy sáng (ISO) nên cảm biến được coi như là trái tim của 1 chiếc camera giám sát. 

Ưu điểm của CMOS so với CCD

• Độ phân giải cao
• Độ nhạy sáng (ISO) cao
• Tiêu thụ ít điện năng
• Ít nhiễu hơn
• Tốc độ xử lý hình ảnh cực nhanh do có bộ nhớ đệm
• Hổ trợ nhiều chức năng (WDR, DNR, BLC…)

 

 Khi chọn mua một camera người ta thường quan tâm đến số chấm camera (Số Mega Pixel tối đa camera hỗ trợ). Nhưng thực ra đó chỉ là một phần nhỏ trong camera. Những phần quan trọng khác mà người ta ít quan tâm tới đó là cảm biến CMOS được trang bị bên trong máy, nó quyết định lớn đến chất lượng ảnh, chức năng của máy, độ nét của ảnh, độ nhạy sáng (ISO). Nên nó được coi là trái tim của một camera giám sát.