CCD HAY CMOS

Đích Đến - Bài viết CCD hay CMOS của bạn Bùi Huy Hoàng đã được khá nhiều các nhà quay phim và kỹ thuật trẻ đọc và tham khảo.Mới đây bạn Lê Quang Lâm sinh viên lớp Quay phim tại chức 29C Đại học Sân khấu và Điện ảnh Hà nội cũng có bài viết về đề tài này.Bài viết của bạn Lâm có một số điểm trùng lặp với những tìm tòi của Bùi Huy Hoàng nhưng với cách diễn đạt khác hẳn.Đích Đến xin giới thiệu với các bạn đọc điều thú vị này qua bài viết của Lê Quang Lâm.Mỗi chúng ta đều có một con đường riêng,đều hướng tới một cái đích đến chung-đó là TRI THỨC 

Bộ cảm biến (Sensor) là một phần của máy ảnh kỹ thuật số hay máy quay kỹ thuật số (Camera) có nhiệm vụ thu ánh sáng để tạo thành hình ảnh.

Có hai kiểu Sensor chính: CCD (Charge Coupled Device) và CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor). Chúng là hai kỹ thuật phức tạp khác nhau với những thiết kế khác nhau, nhưng cả hai đều thực hiện cùng một nhiệm vụ là chuyển đổi tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện.

Mặc dù có sự khác nhau về kỹ thuật và thiết kế trong bộ cảm biến này, nhưng tất cả chúng đều có cùng nguyên tắc chung.Sensor có hàng triệu ô nhạy sáng hoặc là những Diode quang trên tấm Silicon. Mỗi ô của Sensor phát ra lượng điện được nạp tương ứng với phần ánh sáng đập vào nó khi đi vào Camera qua thấu kính. Bộ lọc màu sắc (Filter) sẽ tạo ra màu sắc phù hợp. Sau đó Bộ phận xử lí của Camera sẽ biến đổi những tính hiệu điện trong Sensor thành hình ảnh và lưu trữ nó trong thẻ nhớ. Mỗi diode quang tạo thành một Pixel trong hình ảnh cuối cùng. Những Pixel là những mẩu nhỏ của thông tin được những Diode quang tạo thành. Hàng triệu pixel kết hợp với nhau để tạo thành hình ảnh.

Trong thiết bị CCD, điện áp nạp trên thực tế được qua một con chíp và được đọc ở góc của mỗi mảng. Bộ chuyển đổi ADC (analog-to-digital converter) sẽ biến giá trị mỗi Pixel thành giá trị số tương ứng.

Trong hầu hết những thiết bị CMOS có vài transitor cho mỗi một Pixel và được khuếch đại và chuyển tín hiệu tới mạch nạp truyền thống.CMOS đạt được nhiều sự linh hoạt bởi vì mỗi pixel được đọc giá trị riêng biệt.

Những CCD được chế tạo đặc biệt để có thể chuyển tín hiệu nạp tới chíp mà không bị mép tín hiệu. Sự xử lí này để sản xuất những bộ cảm biến có chất lượng tốt với độ nhạy sáng cao.

Những CMOS nói một cách khác được sản xuất, xử lí một cách truyền thống, cùng phương pháp xử lí sản xuất như hầu hết mọi bọ vi xử lí. Bởi vì quá trình sản xuất khác nhau nên những cảm biến CCD và CMOS cũng có một số vấn đề khác nhau:

1.Những bộ cảm biến CCD được sản xuất với chất lượng cao để đạt được độ nhiễu thấp nhất còn bộ cảm biến CMOS truyền thống thì chất lượng hình ảnh bị ảnh hưởng do nhiễu cao.

2.Bởi mỗi Pixel trong cảm biến CMOS có vài transistos do đó độ nhạy sáng của chíp CMOS thấp hơn.

3.Bộ cảm biến CMOS truyền thống thì tiêu thụ năng lượng thấp. Ngược lại những bộ cảm biến CCD lại tiêu thụ nhiều năng lượng trong quá trình xử lí (thường gấp 10 lần bộ cảm biến CMOS tương đương).

4.Chi phí để sản xuất chíp CMOS đắt hơn nhiều so với sản

5.Nhưng cảm biến CCD có kích thước nhỏ hơn cảm biến CMOS nên dễ dàng cho chất lượng hình ảnh cao hơn vì tích hợp được số lượng CCD/1 đơn vị diện tích nhiều hơn.

Trước đây, chip cảm biến CMOS được trang bị trong các thiết bị rẻ tiền (điện thoại, camera kỹ thuật số, PDA...) do độ nhạy sáng thấp, hình ảnh thu được không sắc nét... Vì vậy, trong một thời gian dài nó không được các nhà sản xuất máy ảnh số, camera số quan tâm.

Trong khi đó, mặc dù đắt tiền hơn so với chip cảm biến CMOS nhưng nhờ khả năng vượt trội về mọi mặt (độ nhạy sáng cao, tái hiện ảnh với độ phân giải lớn, sắc nét...), chip cảm biến CCD được các nhà sản xuất máy ảnh và máy quay video kỹ thuật số phát triển qua hàng loạt dòng sản phẩm và giữ vai trò độc tôn về công nghệ.

Tưởng chừng chíp cảm biến CMOS sẽ rơi vào sự quên lãng, và không có khả năng chạy đua cùng CCD. Nhưng đến năm 2000, nó đột ngột trổi dậy và gây tiếng vang bằng chiếc máy ảnh số chuyên nghiệp EOS D30 của hãng Canon với khả năng cảm biến đến 3,2 triệu điểm ảnh.Hai năm sau, năm 2002, CMOS đã thật sự thể hiện được thế mạnh của mình qua phiên bản nâng cấp của EOS D30, đó là EOS D60 với khả năng cảm biến lên 6 triệu điểm ảnh. Đây là một cuộc lội ngược dòng ngoạn mục của CMOS khiến hầu hết các nhà sản xuất đang đeo đuổi CCD phải suy nghĩ.

Chỉ cần vài tháng sau đó, Kodak đã tung ra ngay dòng máy Kodak DSC 14n với 14 triệu điểm ảnh nhờ vào chip cảm biến CMOS thế hệ mới. Còn Canon tiếp tục phát triển chip CMOS và tung ra dòng máy Canon EOS 1Ds với 11 triệu điểm ảnh. Đến lúc này, CMOS đã vượt qua CCD về độ nhạy sáng, độ phân giải, chất lượng hình ảnh... nhưng đặc biệt là chi phí không cao đến mức như nhiều người nghĩ.

Cũng có vài kiểu Sensor khác hiện nay nhưng không được thông dụng. Foveon X3 là Chip mới hơn nhưng thực tế là kiểu Cảm biến CMOS với xử lí màu sắc đặc biệt . Loại này hiện nay chỉ được dùng trong một số máy của hãng Sigma và Polaroid . 

FujiFilm cũng chế tạo một số camera với Bộ cảm biến đặc biệt có tên gọi Super CCD.Super CCD là những ô CCD thông thường được sắp xếp theo đường chéo với những ô hình tổ ong chứ không phải là dạng lưới theo chiều Ngang / Dọc như trong hầu hết những bộ cảm biến . 

Nguyên lý tái tạo lại hình ảnh, màu sắc

Nguyên tắc chung:Mỗi diode quang trong Bộ cảm biến Camera chỉ nhận biết được cường độ của ánh sáng . Để tạo được màu sắc mỗi ô trong Bộ cảm biến được phủ lên bằng lớp lọc màu mà chỉ truyền ánh sáng mà có bước sóng giống nhau .

Ví dụ Bộ lọc màu Đỏ sẽ chỉ truyền ánh sáng có màu Đỏ. Những Bộ lọc được tạo thành từ những màu cơ bản: Đỏ, Xanh Lá cây và Xanh Lam. Chúng được sắp đặt trong những mẫu hình, do đó mỗi Diode Quang sẽ có khả năng truyền được tất cả 03 màu. Hầu hết những Bộ cảm biến camera ngày nay dùng Bộ lọc có tên gọi là Bộ lọc-Mặt nạ Bayer (là tên của một Giáo sư Bryce Bayer làm việc cho hãng Kodak). Thường thì mắt người thường nhạy cảm với nhiều màu Xanh lá cây hơn nền lớp Bayer có 02 Bộ lọc Xanh lá cây cho mỗi Bộ lọc Đỏ và Xanh Lam.

Với những bộ lọc màu sắc, mỗi Diode Quang có thể biểu thị giá trị Đỏ, Xanh lá cây và Xanh Lam. Giá trị màu sắc của những ô này được kết hợp và nội suy để miêu tả tất cả quang phổ của màu sắc, cho phép Bộ xử lí hình ảnh tạo ra hình ảnh màu đầy đủ. 

Cách làm việc của CMOS và CCD

Nhiệm vụ của chip cảm biến là bắt ánh sáng khi cửa trập được mở và chuyển chúng thành các điện tử; sau đó, các điện tử này được chuyển thành điện áp; cuối cùng điện áp chuyển sang dạng tín hiệu số.

CCD gồm một mạng lưới các điểm bắt sáng được phủ bằng lớp bọc màu (đỏ - red, hoặc xanh lục - green, hoặc xanh dương - blue), mỗi điểm ảnh chỉ bắt một màu. Do đó, khi chụp ảnh (cửa trập mở), ánh sáng qua ống kính và được lưu lại trên bề mặt chíp cảm biến dưới dạng các điểm ảnh.Mỗi điểm ảnh có một mức điện áp khác nhau sẽ được chuyển đến bộ phận đọc giá trị theo từng hàng. Giá trị mỗi điểm ảnh sẽ được khuếch đại và đưa vào bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, cuối cùng đổ vào bộ xử lý để tái hiện hình ảnh đã chụp. Chính quá trình đọc thông tin thực hiện theo từng hàng đã làm cho tốc độ xử lý ảnh chậm, rồi thiếu hoặc thừa sáng.

Các nhà nghiên cứu đã tính đến việc trang bị thêm bộ đọc ảnh bổ sung xen kẽ vào các điểm bắt sáng để đọc tất cả các thông tin điểm ảnh trong một lần nhưng điều này bắt buộc phải tăng không gian của chip cảm biến, do vậy mà không khả thi về mọi mặt.

Chính cái điều mà các nhà nghiên cứu muốn bổ sung cho CCD thì CMOS lại có sẵn, bởi cạnh mỗi điểm bắt sáng đã có sẵn mạch điện bổ trợ dễ dàng tích hợp ngay quá trình xử lý điểm ảnh. Với cấu trúc này, mỗi điểm ảnh sẽ được xử lý ngay tại chỗ và đồng loạt truyền tín hiệu số về bộ xử lý để tái hiện hình ảnh đã chụp nên tốc độ xử lý sẽ nhanh hơn rất nhiều.

Một ưu điểm nữa mà cấu trúc này mang lại là có thể cung cấp chức năng tương tác một vùng điểm ảnh (như phóng to một phần ảnh) cho người sử dụng, điều mà chíp cảm biến CCD khó làm được. Với khả năng bổ trợ nhiều như vậy nhưng chip cảm biến CMOS lại tiêu thụ ít năng lượng hơn chip cảm biến CCD, cộng với nhiều yếu tố khác mà giá thành sản xuất chip CMOS thấp.

Ở thế hệ đầu của chíp cảm biến CMOS, độ nhiễu tạo ra do việc khuếch đại điểm ảnh là đáng kể, làm cho ảnh chụp được không mịn.Điểm yếu này đã được cải thiện ở thế hệ sau đó bằng việc đọc hai lần điểm ảnh (lần 1 đọc giá trị bắt sáng, lần 2 đọc giá trị của mạch bỗ trợ; sau đó thực hiện phép trừ) và bằng vi thấu kính làm ánh sáng “rơi” vào đúng vị trí bắt sáng. 

Khi so sánh giữa chip cảm biến CCD và chip cảm biến CMOS, người ta thường nêu ra ngay 5 ưu điểm của CMOS:

- Độ nhạy sáng cao, độ phân giải cao.

- Điện năng tiêu thụ ít, kéo dài thời gian dùng pin.

- Ít bị nhiễu.

- Tốc độ xử lý ảnh chụp cực nhanh.

- Tích hợp nhiều chức năng tương tác trên ảnh chụp.

Với những ưu thế vượt trội của chip cảm biến CMOS thế hệ mới, bạn dễ nhận thấy được dòng máy ảnh, máy quay kỹ thuật số dùng chip CMOS ắt sẽ có nhiều chức năng, cả về khả năng xử lý lẫn tiện ích kèm theo.

Tuy nhiên, hiện nay trên thị trường, dòng máy dùng chip cảm biến CMOS thường là dòng chuyên nghiệp hay bán chuyên nghiệp, đa số là ở máy quay video (gần đây cũng đã có máy ảnh bán chuyên nghiệp dùng chip CMOS của Canon), nên giá tiền có thể sẽ vượt quá khả năng của người dùng mua máy ảnh phục vụ cho nhu cầu của cá nhân, gia đình. Do vậy, máy ảnh dùng chip CCD vẫn còn chiếm lĩnh thị trường phổ thông trong thời gian trước mắt.

Xin nói thêm,ngoài hai loại cảm biến CCD và CMOS,hiện nay còn có Bộ cảm biến Foveon mô tả màu sắc theo cách khác. Thay vì sử dụng những bộ lọc, Bộ cảm biến Foveon đặt những Diode Quang với những độ sâu khác nhau bên trong Silicon để nhận những màu sắc khác nhau. Điều đó có nghĩa là mỗi Diode Quang có thể nhận biết được cả ba màu mà không cần dùng bộ lọc. Mặc dù được cho là tạo ra với màu sắc thật hơn.Tuy nhiên bộ cảm biến Foveon hiện tại vẫn còn mới và cần có thời gian để khảo sát kỹ lưỡng.

Kích thước các bộ cảm biến

Mặc dù những máy ảnh cơ chụp phim trước kia có một vài khổ phim 8 mm,16 mm,70 mm nhưng hầu hết những phim thông thường có kích thước 35mm. Do đó những bộ cảm biến trong những máy camera số cho tới giờ vẫn thường so sánh với những phim 35mm. Trong thực tế những Bộ cảm biến mà có cùng với kích thước như phim 35mm được gọi là bộ cảm biến “ khung hình đầy đủ “ – Full Frame.

Ta có thể hình dung, liên quan tới Chip xử lí, những Bộ cảm biến này có kích thước không lớn hơn nhiều lắm. Do đó những Bộ cảm biến hình ảnh trong hầu hết những máy Camera kỹ thuật số nhỏ hơn vùng hình ảnh 24mm x 36mm của những camera 35mm “Full Frame”. Trong thực tế Bộ cảm biến này có kích thước nhỏ hơn nhiều.

Không có sự thống nhất về hệ thống đơn vị đo của Bộ cảm biến nên khiến cho người dùng thông thường thấy vô cùng phức tạp. Một số nhà sản xuất sử dụng đo bằng inch, một số khác lại sử dụng đơn vị mm. Nhưng hầu hết những Bộ cảm biến đều lắp vừa trong những kiểu khác nhau. Các kiểu ta thường thấy như kiểu 2/3 inch, 1/1.8 inch và 1/2.7 inch. Đó là những kích thước tiêu biểu mà thường được dùng trong những sensor CCD trong những camera nhỏ loại dễ sử dụng kiểu “Point-and-Shoot”. Những camera SLR ( Single Lens Reflex ) mà có thể thay đổi ống kính thường dùng những Bộ cảm biến có kích thước lớn hơn. Hai kiểu kích thước hay sử dụng trong camera SLR là 4/3 inch và 1.8 inch APS.

Những phân số trên là tên những kiểu Bộ cảm biến nhưng thực tế lại lớn hơn kích thước thực tế. Những tên này được quy ước sử dụng trong những ống Camera Tivi từ những năm 1950. Những tên quy ước này đã bị loại bỏ từ lâu và theo thói quen nó vấn tiếp tục còn tồn tại.

Bảng bên dưới cho biết kích thước thật của những kiểu khác nhau, chiều dài của đường chéo và tỉ lệ của các cạnh của khuôn hình máy ảnh kỹ thuật số.

Kiểu Kích thước (Rộng x Chiều cao) Độ dài đường chéo Tỉ lệ các cạnh

2/3” 8.80 mm x 6.60 mm 11.00 mm 4:3

1/1.8” 7.18 mm x 5.32 mm 9.00 mm 4:3

1 /2.7” 5.37 mm x 4.04 mm 6.72 mm 4:3

4/3” 18.0 mm x 13.5 mm 22.5 mm 4:3

1.8”(APS-C) 22.7 mm x 15.1 mm 45.72 mm 3:2

Phim chụp 36mm x 24 mm 43.3 mm 3:2

35mm

Tên APS ( Active-Pixel Sensor ) đã bị loại bỏ trong những tên kiểu “phân số” như trên. Tuy nhiên nó lại đem lại nhiều điều khó hiểu bởi vì nhiều nhà sản xuất khác nhau lại dùng kích thước APS khác nhau. Kiểu APS-C như trong bảng trên là kích thước thông thường của Chip APS, nhưng một số Chip APS-C của Nikon lại lớn hơn một chút và một số chip APS-C của canon lại nhỏ hơn một chút. Canon cũng có bộ cảm biến kiểu APS-H lớn hơn.

                                        Ảnh bên:Kích thước khuôn hình phim quay và chụp.

Nguyên nhân kích thước của bộ cảm biến quan trọng đến như vậy có thể dễ dàng nhận ra khi chúng ta có thể hình dung tới hàng triệu mega pixel đặt trong sensor. Những nhà sản xuất cố gắng lôi kéo người dùng mua những máy ảnh của mình bằng việc tăng số mega pixel trong máy ảnh. Khi đó số lượng Pixel tính theo hàng triệu và bạn có thể hình dung điều đó có nghĩa là sẽ thêm càng nhiều Diode Quang trên một kích thước Bộ cảm biến nhất định để tạo thêm càng nhiều số mega pixel và điều đó khiến cho pixel sẽ càng nhỏ hơn. Những pixel có kích thước càng nhỏ thì lượng ánh sáng tới nó càng ít để xử lí. Khi pixel không nhận được đủ cường độ ánh sáng thì kết quả sẽ bị sai lệch và điều đó gọi là “Nhiễu”. Và Nhiễu sẽ khiến cho màu sắc của bức hình bị sai lệch, bị lốm đốm.

Do đó những điều khác cũng tương đương như vậy. Hàng triệu diode quang học trên bộ cảm biến nhỏ sẽ cho bức ảnh chất lượng kém hơn khi so với cùng số diode quang như vậy trên bộ cảm biến có kích thước lớn hơn. Với bộ cảm biến có kích thước lớn hơn hoặc số lượng MegaPixel nhỏ hơn thì mỗi diode quang có kích thước lớn hơn và nó sẽ thu được nhiều ánh sáng hơn so với diode quang có kích thước nhỏ hơn, vì thế chất lượng bức hình sẽ tốt hơn.

Bộ cảm biến nhỏ cũng không phải hoàn toàn là tồi. Nó cho phép camera nhỏ gọn hơn. Và đó là nguyên nhân tại sao những máy camera kỹ thuật số lại nhỏ hơn nhiều so với những Camera phim ảnh. Bộ cảm biến càng nhỏ thì chi phí sản xuất càng rẻ và khiến cho giá thành của Camera số ngày càng rẻ.

Ảnh:Quy trình sản xuất phim theo công nghệ Điện ảnh kỹ thuật số.

Lời kết:

Bộ cảm biến là một trong những linh kiện quan trọng nhất bên trong máy ảnh và máy quay kỹ thuật số và kích thước của nó cũng lại là một trong những khía cạnh rất quan trọng. Khi chọn camera số nên nhớ rằng những máy loại nhỏ thường có bộ cảm biến nhỏ hơn và những máy Camera SLR thường có bộ cảm biến lớn hơn. Thêm nữa, kích thước của Sensor có thể khác nhau thậm trí với cùng nhà sản xuất và trong cùng kiểu Camera.

Mặc dù những Bộ cảm biến nhỏ hơn cho phép Camera cũng nhỏ hơn, gọn hơn, rẻ hơn, khi số lượng MegaPixel lại quá cao và khi ấy thường tạo ra nhiễu trong những hình ảnh thu được. Vì thế với những máy Camera số thông dụng lại có kích thước nhỏ và nhiều hơn 6 MegaPixel thì bạn nên xem xét kỹ những bức hình chụp hoặc quay thử trước khi quyết định sử dụng.

L Q L

Posted in: Kỹ Thuật, Quay Phim