Chuyên đề kỹ thuật DA và VTTH : CCD hay CMOS ?

Nguồn gốc cơ bản của máy thu – phát hình có thể được đánh dấu bởi các cột mốc Willoughby Smith tìm ra tính quang dẫn của các phần tử Se-len năm 1873. Willoughby Smith và trợ lý Joseph May đã chứng minh rằng điện trở suất của nguyên tố Selen thay đổi khi được chiếu sáng. Phát minh này đã đưa ra khái niệm "suất quang dẫn", nguyên lý hoạt động của ống Vidicon truyền ảnh. 

Vào năm 1911, kĩ sư Alan Archibald Campbell-Swinton đã đưa ra bài phát biểu tại London, được đăng trên tạp chí “Times” đã mô tả cách thức mà ống phóng tia âm cực CRT hoạt động trong việc truyền và nhận tín hiệu. Ông sử dụng một màn ảnh để thu nhận một điện tích thay đổi tương ứng với hình ảnh, và một súng điện tử trung hoà điện tích này, tạo ra dòng điện tử biến thiên. Nhiều người khác cũng đã thí nghiệm sử dụng ống phóng tia âm cực CRT như là một thiết bị tiếp nhận sóng, nhưng khái niệm này còn mới mẻ . Đến những năm cuối của thập niên 20, truyền hình điện cơ vẫn tiếp tục được phát triển, các nhà phát minh Philo Farnsworth và Vladimir Zworykin nghiên cứu độc lập về truyền dẫn bằng ống điện tử. Nguyên lý của Campbell Swinton đã được Zworykin áp dụng trong ống ghi hình iconoscope, bộ phận quan trọng nhất của camera. Về sau, chiếc đèn orthicon hiện đại hơn cũng sử dụng một thiết bị tương tự như vậy

Hệ thống máy quay dùng ống ghi hình chỉ tồn tại trong khoảng thời gian ngắn (khoảng những năm 1980) cho đến khi bộ cảm biến hình ảnh ra đời và phát triển.

Trong thập niên 1960, CCD được đầu tư thiết kế để trở thành bộ nhớ giá rẻ. Năm 1969, Willard Boyle và George Smith, thuộc phòng thí nghiệm Bell, chế tạo thành công bộ nhớ CCD. Sau đó, cảm biến ảnh CCD đầu tiên mật độ 100x100 điểm ảnh được Fairchild Electronics chế tạo thành công vào năm 1974. 

Chính phát minh ra cảm biến hình ảnh CCD đã tạo ra sự thay đổi rất lớn cho các hệ thống máy quay của truyền hình cũng như một số lĩnh vực liên quan đến cảm biến hình ảnh. Bắt đầu từ đây các hệ thống máy quay thay đổi một cách liên tục.

Cả hai bộ phận cảm biến hình ảnh dùng công nghệ CCD (charge-coupled device) và CMOS (complimentary metal-oxide semiconductor) cùng có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện . Một điều đơn giản có thể hiểu dùng trong máy ảnh kỹ thuật số là có một mảng 2D gồm hàng nghìn và hàng triệu những tế bào năng lượng mặt trời , mỗi một tế bào có nhiệm vụ chuyển ánh sáng từ một phần trên bức ảnh thành tín hiệu điện 

Những cảm biến CCD , như đã đề cập ở trên , cần được sản xuất với chất lượng cao để đạt được độ nhiều thấp nhất . Những cảm biến CMOS truyền thống thì chất lượng hình ảnh bị ảnh hưởng do nhiễu cao Bởi vì mỗi Pixel trong cảm biến CMOS có vài Transistor do đó độ nhạy sáng của Chip CMOS thấp hơn .CMOS truyền thống tiêu thụ năng lượng thấp.

• Những cảm biến CCD tiêu thụ nhiều năng lượng trong quá trình xử lí . Cảm biến CCD dùng nhiều hơn 100 lần so với cảm biến CMOS tương đương .

Sản xuất Chip CMOS đắt hơn nhiều so với sản xuất bộ cảm biến dùng CCD . Những cảm biến CCD có kích thước nhỏ hơn cảm biến CMOS nên đễ dàng cho chất lượng hình ảnh cao hơn vì tích hợp được số lượng CCD / đơn vị diện tích nhiều hơn.

Dựa trên những sự khác nhau đó mà có thể xem như bộ cảm biến CCD trong máy ảnh ký thuật số dễ dàng cho chất lượng hình ảnh cao với nhiều Pixel với độ nhạy sáng cao cấp .Các thế hệ đầu tiên của cảm biến dùng công nghệ CMOS tiêu thụ năng lượng thấp hơn , độ phân giải thấp hơn và độ nhạy sáng kém nhưng bên cạnh đó nó dùng được pin lâu hơn vi tiêu thụ năng lượng thấp.

Ngày nay những máy ảnh kỹ thuật số dùng công nghệ CMOS đã được cải tiến nhiều với chất lượng tiến bộ vượt bậc.Năm 1998, công nghệ cảm biến CMOS được chính thức đưa ra làm đối trọng với cả hệ thống sản xuất vi xử lý và bộ nhớ hiện nay nên giá thành giảm hơn và mở rộng diện tích dễ dàng hơn. Bên cạnh đó, kiến trúc CMOS cho phép truy xuất và đặt transistor khuếch đại độc lập trên mỗi điểm ảnh nên quá trình đọc dữ liệu diễn ra nhanh và tiêu tốn ít điện năng.

Không dùng cơ chế chuyển dịch tuần tự như CCD, cảm biến CMOS tiến hành khuếch đại tín hiệu điện trực tiếp tại từng tế bào cảm quang. Mạch quét ngang, quét dọc sẽ lần lượt quét hết ma trận cảm biến ảnh và lần lượt đọc giá trị tại điểm giao để chuyển đến bộ xử lý ảnh. Vì thế phương pháp này được đặt tên là phương thức địa chỉ X-Y (X-Y address method). Phương pháp đọc dữ liệu tuần tự thường phải xác định trước vùng làm việc và tốc độ chuyển dữ liệu đến thanh ghi rất cao nên cần nhiều điện năng hơn phương pháp địa chỉ X-Y.

Cảm biến ảnh CMOS xử lý độc lập từng điểm ảnh nên chức năng truy xuất cửa sổ (windowing) linh hoạt hơn CCD. Khi thực hiện chức năng zoom kỹ thuật số, lấy nét, canh sáng, hệ thống có thể trích xuất thông tin của một vùng bất kỳ trên cảm biến và giữ nguyên độ phân giải gốc. Với CCD, vùng truy xuất cần phải được chỉ định trước.

Sony tăng cường độ nhạy CCD và thu nhỏ kích thước máy bằng cách thay đổi công nghệ và kiến trúc chế tạo phần tử cảm quang, đưa ra bộ cảm biến ảnh Super HAD (Hole-Accumulation Diode) CCD. Sony ứng dụng kỹ thuật vi thấu kính trên chip (on-chip microlen) để đặt trên mỗi điểm ảnh một thấu kính nhỏ, giúp mở rộng phạm vi ghi nhận nhằm tăng độ nhạy sáng.

Những bước cải tiến kế tiếp của Sony đã cho ra đời CCD kiến trúc SIL (Single Inner Lens). Do nhận thấy khi mở tiêu cự tối đa, luồng ánh sáng chiếu vào tế bào cảm quang có thể bị chắn bởi lớp đế nên Sony đặt thêm thấu kính nhỏ thứ hai ngay bên trên tế bào cảm quang và áp dụng nhiều công nghệ chế tạo vi mạch mới để thu hẹp bề dày của lớp cách điện giữa lớp đế và điện cực.

Trong khi đó công nghệ CMOS cũng được nâng cấp nhờ “trang bị” thêm mặt nạ Bayer,tức là một màng lọc đặt trước chip cảm biến nhằm bố trí các bộ lọc màu sắc RGB trên một ô vuông của photosensort.

Trên mặt nạ Bayer mỗi điểm ảnh có một bộ lọc màu sắc.Hàng đầu tiên của điểm ảnh là các màu lục và đỏ xen kẽ,hang thứ 2 xen kẽ lục và lam,hàng kế tiếp là đỏ và lục…và như thế tiếp tục.Cấu trúc của mặt nạ Bayer là sử dụng phép toán học để nội suy toàn bộ giá trị của các màu đỏ,màu lục và lam cho mỗi điểm ảnh. 

Cả hai công nghệ CCD và CMOS thực hiện cùng một nhiệm vụ nhưng lại dùng công nghệ khác nhau .Ngày nay,khi so sánh CCD và CMOS người ta nêu ra ngay 5 ưu điểm của CMOS:

-Độ nhạy sáng và độ phân giải cao.

-Điện năng tiêu thụ ít,thời gian dùng pin lâu hơn.

-Ít bị nhiễu tín hiệu.

-Tốc độ xử lý ảnh cực nhanh.

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

Nếu cho rằng công nghệ CMOS ra đời sau ắt hẳn các thiết bị ghi hình sử dụng chíp cảm biến CMOS hiện đại và chất lượng hơn chưa hẳn đúng.Các loại máy quay kỹ thuật số tiêu chuẩn điện ảnh (HD 24P) như Sony F23,F35 của dòng Cine Alta hay Panavision Genesic và P2 HD 2700-3700 vv… đều được thiết kế với CCD có đường chéo bề mặt đường chéo 2/3 inch.

Giá thành sản phẩm là nguyên nhân khiến máy quay,máy ảnh kỹ thuật số dùng chip CCD vẫn phổ biến hơn.Máy quay phim kỹ thuật số D20-D21 của Hãng ARRI dùng công nghệ CMOS có mặt nạ Bayer ,được dùng với bộ ống kính Carl Zeiss ,là một tiến bộ vượt bậc về công nghệ với hình ảnh độ phân giải cao,tần số máy ổn định,độ tương phản hình ảnh tốt cũng như độ tái hiện màu sắc trung thực.Tuy nhiên do giá thành cao nên dòng máy quay này ít được sử dụng, ngay cả tại các phim trường của Mỹ vốn rất chịu chi phí.

Cũng sử dung công nghệ CMOS có mặt nạ Bayer,như ARRI các máy quay Red One ra đời sau với chất lượng hình ảnh có độ phân giải rất cao so với các hãng đàn anh kể trên,nhưng giá thành máy quay lại thấp hơn hẳn.Điều đó khiến máy quay Red One được sử dụng phổ biến cả trong điện ảnh Mỹ cũng như ở các nước điện ảnh còn chậm tiến.Đây đó vẫn có sự ngờ vực về chất lượng hình ảnh chuẩn 4k-độ phân giải hình ảnh tương đương phim nhựa 35mm-của Red One.Lấy giá thành khoảng 20 nghìn đô la thân máy của Red One để so với trên 40 nghìn do la của máy quay P2HD 2700 và giá thành gần 200 ngàn euro của ARRI D21 thì điều băn khoăn nói trên cũng có cơ sở.Dẫu sao thành công về việc quảng bá thương hiệu cũng như sự phổ biến của máy quay Red One cũng là điều đáng ghi nhận.

Bùi Huy Hoàng.

Posted in: Quay Phim