Bài giảng Xử lý ảnh - Chương 2: Ảnh số hoá

 10 
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 
có năm phần tử. 
Phần tử đầu tiên của bộ số hoá là ống kính (aperture) lấy mẫu-cho phép bộ số hoá 
truy cập vào các phần tử điểm ảnh riêng lẻ và bỏ qua phần còn lại của ảnh. 
Phần tử thứ hai là một cơ chế quét (sampling/scanning) ảnh. Quá trình này gồm có di 
chuyển ống kính lấy mẫu khắp ảnh theo mô hình định nghĩa trước. Quá trình quét cho 
phép ống kính lấy mẫu đánh địa chỉ cho các phần tử điểm ảnh, mỗi lần một điểm. 
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. 
 11 
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 
công cụ dùng riêng cho việc quét các ảnh chụp trên film. Những máy quét film chỉ có 
thể số hoá ảnh của một đối tượng sau khi camera quay film thu nhận ảnh của đối tượng 
 12 
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 
 13 
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 
Hình 2-3 Cấu trúc CRT 
 14 
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. 
HÌNH 2-4 
Hình 2-4 Ống nhân quang 
Đằng sau catôt quang là dãy các đinôt (dynode) được giữ ở các mức điện áp dương 
dần lên. Các hạt điện tử sơ cấp đã được các phôtôn giải phóng từ ca tốt quang bay nhanh 
về phìa đinôt đầu tiên. Sự va chạm của mỗi điện tử tự do với vài hạt điện tử thứ cấp sẽ 
tạo thành hiệu ứng phân rã hạt nhân. Sau đó các điện tử mới sinh ra bị hút về phía đinôt 
thứ hai, ở đây hiệu ứng tương tự được lặp lại. Quá trình cứ tiếp diễn như vậy cho đến khi 
các điện tử từ đinôt cuối cùng được tập hợp vào anôt, tạo thành dòng điện bên trong 
 15 
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 ma ... g. Trong quá trình phơi sáng, các phần nhũ tương khác nhau tiếp nhận các 
cường độ ánh sáng khác nhau. Khi hạt halogen bạc hấp thụ phôtôn, một hoặc nhiều phân 
tử bị biến đổi thành bạc và hạt trở thành phơi sáng (exposed). 
Rửa film (film development). Quá trình rửa film biến đổi các hạt halogen bạc thành 
bạc. Tuy nhiên, sự phản ứng lại quá trình biến đổi tiếp diễn trên các hạt phơi sáng nhanh 
hơn trên các hạt không phơi sáng. Sau một chu kỳ thời gian thích hợp, đa số các hạt phơi 
sáng và chỉ một vài hạt không phơi sáng bị biến đổi. Ở bước cuối cùng, các hạt không bị 
biến đổi được rửa khỏi nền film. Vì thế, film được rửa có tráng một lớp bột bạc với độ 
 26 
dày khác nhau. Trong các vùng bị phơi sáng nhiều, toàn bộ độ dày của lớp nhũ tương 
được duy trì, đem alị một mật độ cực đại. Tại các vùng không phơi sáng, những hạt 
halogen bạc hầu như chuyển động hoàn toàn, để lại duy nhất một mức vết mờ (fog level) 
xấp xỉ 0.04 mật độ quang học. 
Sự phản ứng lại ánh sáng của nhũ tương (Emulsion response to light). Hình 2-16 
cho thấy một phương tiện thích hợp cho việc mô tả đặc tính phản ứng lại ánh sáng của 
nhũ tương. Sự phản ứng lại được gọi là đồ thị D-log E hay đồ thị H và D, do lấy hai chữ 
cái đầu của Hurter và Driffield. Đồ thị đưa ra mật độ film rửa như hàm logarit của sợ 
phơi sáng. Với thời gian phơi sáng hợp lý, từ vài mili giây đến hàng giây, sự phơi sáng 
có thể được đo lường như là kết quả của mật độ thông lượng năng lượng bức xạ nhân 
với khoảng thời gian tồn tại. Sự tương đương giữa cường độ và thời gian phơi sáng này 
được gọi là quy luật trao đổi lẫn nhau (reciprocity law). Quy luật bị phá vỡ vào những 
khoảng thời gian phơi sáng cực kỳ dài hoặc cực kỳ ngắn gọi là thiếu khả năng trao đổi 
lẫn nhau (reciprcity failure). 
HÌNH 2-16 
Hình 2-16 Đồ thị đặc tính của nhũ tương 
Tổng mức vết mờ (mức vết mờ của nhũ tương cộng với mật độ cơ bản) đặt mật độ 
film không phơi sáng tối thiểu. Mật độ tối đa được giới hạn bởi độ dày và kích thước hạt 
nhũ tương. Trên khắp phạm vi phơi sáng tương đối rộng, quan hệ giữa mật độ với logarit 
của sự phơi sáng là xấp xỉ tuyến tính. Đây là phạm vi làm việc bình thường của nhũ 
tương ảnh. Độ dài toạ độ trong phần tuyến tính là bề rộng của nhũ tương. Chỗ dốc của 
đồ thị trong phần thẳng gọi là gamma () và nó biểu thị sự tương phản của nhũ tương. Ở 
bên kia đỉnh đồ thị là vùng đảo ngược, ở đây phơi sáng liên tục sẽ dẫn đến giảm mật độ. 
Các đặc tính của nhũ tương. Kích thước hạt và độ dày của nhũ tương xác định 
nhiều đặc tính quan trọng của film. Ví dụ, mật độ tối đa cao chỉ có thể tồn tại với nhũ 
tương mỏng. Tuy nhiên, độ phân giải cao đòi hỏi trong nhũ tương các hạt phải nhỏ để 
tránh sự tán xạ ánh sáng bên trong nhũ tương. Những film có tính nhạy cảm cao mà phải 
làm việc với các mức ánh sáng thấp yêu cầu nhũ tương mỏng chứa tương đối ít hạt. Vì 
thế, film nào cũng là sự kết hợp giữa sự ép buộc đối kháng (opposing constraint) của độ 
phân giải, tính nhạy cảm và mật độ tối đa. Tuy nhiên, thường có thể tìm thấy quá nhiều 
nhũ tương có sự kết hợp thích ứng. Nói chung, hiệu suất tốc độ (tính nhạy cảm) của nhũ 
tương thấp hơn, gamma và độ phân giải của nó sẽ cao hơn, trong khi tính có chất hạt 
(granularity) và bề rộng của nó sẽ thấp hơn. Tính chất có hạt do sự phân bố hạt ngẫu 
nhiên bên trong nhũ tương. Dẫn đến hiện tượng có hạt trở nên rõ ràng hơn như khi tăng 
mật độ. 
 27 
Mật độ tối đa của ảnh tương phản thấp đạt được khi ảnh được phơi sáng (expose) và 
rửa (develop) với film có mật độ quang học nằm trong khoảng 0.8 đến 1.2. Ở bên dưới 
khoảng đó, chân đồ thị H và D sẽ giảm sự tương phản, trong khi tính chất có hạt trở nên 
phức tạp hơn tại những mật độ cao hơn. 
Đồ thị H và D đối với một nhũ tương riêng biệt biến thiên với các tham số của quá 
trình rửa. Ví dụ, sự hiện ảnh quá già (overdevelopment) có khuynh hướng dịch chuyển 
đồ thị về phía trái và tăng gamma Các kết quả có thể sản sinh ra, có thể dự đoán thu 
được đòi hỏi sự điều khiển phơi sáng cẩn thận và các tham số rửa. 
Độ phân giải film. Mặc dù đồ thị H và D làm sáng tỏ sự phản ứng của nhũ tương 
với ánh sáng, nhưng có vẫn không đề cập gì về độ phân giải của film. Hàm truyền đạt 
điều biến (Modulation Transfer Function-MTF) (Hình 2-17) là cách thông thường để chỉ 
rõ những đặc tính phân giải của nhũ tương. Giả sử chúng ta đem nhũ tương phơi sáng 
một cách định kỳ, với ánh sáng có cường độ cho bởi 
 )2sin(loglog 0 fxEE (5) 
trong đó log E0 làm suy giảm phần giữa đoạn thẳng trong đồ thị H và D. Từ đồ thị H 
và D, ta suy ra mật độ là 
 )2sin()( 0 fxDxD  (6) 
Tuy nhiên, khi tần số không gian f cao, kích thước hạt và sự tán xạ ánh sáng bên 
trong nhũ tương sẽ làm giảm sự tương phản của những biến thiên mật độ hình sin. Vì 
vậy, mật độ quan sát được là 
 1)(0)2sin()()( 0 fMfxfMDxD  (7) 
HÌNH 2-17 
Hình 2-17 Hàm truyền đạt điều biến 
Trong đó M(f) biểu thị sự mất tương phản của ảnh như một hàm tần số không gian. 
Đơn giản hoá định nghĩa độ phân giải ảnh hơn nữa, các nhà sản xuất thường đề cập đến 
tần số độ phân giải giới hạn, fL. Đây là tần số không gian mà tại đó hàm truyền đạt điều 
biến suy giảm đến 0.1 và nó xấp xỉ tương đương với giới hạn tầm nhìn. 
 28 
2.7.3 Sao chụp (photocopying) 
Ta thường không làm việc với những ảnh film nguyên bản, mà làm việc với những 
bản sao chụp khác của ảnh film. Hình 2-18 minh hoạ cơ cấu sao chụp và chụp ảnh hiển 
vi. Đặt mật độ ảnh gốc là Ds(x,y) và giả thiết rằng film sao chụp có đặc điểm như trong 
hình 2-19. Giả sử mẫu vật được chiếu sáng từ phía sau với cường độ l0 trong khoảng thời 
gian T. Nghĩa là lượng phơi sáng bắt đầu từ (x,y) và đi đến điểm (x’,y’) trên film là 
 ),(0 10)','(
yxDsTlyxE (8) 
Đặt E0=l0T và lấy logarit cả hai vế 
   ),(log)','(log 0 yxDEyxE s (9) 
HÌNH 2-18 
Hình 2-18 Cấu hình bộ sao chụp 
HÌNH 2-19 
Hình 2-19 Đồ thị đặc tính nhũ tương lý tưởng 
Trong miền tuyến tính ở Hình 2-19, mật độ được cho bởi 
 )log(log)(log 1EEDED fog  (10) 
Kết hợp với biểu thức (9), ta được 
   ),(log),(log)','( 010 yxDDEyxDEDyxD ssfog  (11) 
 29 
trong đó 
 )(log)log(log 0100 EDEEDD fog  (12) 
Biểu thức 11 cho thấy rằng bản sao là film âm bản với mật độ giảm xuống thấp hơn 
D0 và hệ số thay đổi độ tương phản . 
2.8 TỔNG KẾT CÁC ĐIỂM QUAN TRỌNG 
1. Các yếu tố cần thiết cho một bộ số hoá ảnh bao gồm (1) lỗ ống kính lấy mẫu, (2) 
một thiết bị quét, (3) một bộ cảm biến ánh sáng, (4) một bộ số hoá, và (5) một 
phương tiện cho đầu ra. 
2. Các đặc tính quan trọng của bộ số hoá ảnh bao gồm (1) kích thước điểm ảnh, (2) 
khoảng cách giữa các điểm ảnh, (3) số lượng điểm ảnh trên cột và trên dòng, (4) số 
lượng mức xám, (5) tham số đo sáng (photometric) mà bộ số hoá đo được, (6) tính 
tuyến tính của sự đo lường đó, và (7) mức nhiễu. 
3. Nguồn sáng bao gồm bóng đèn nóng sáng, đèn hồ quang, LED, laser và phốt pho. 
4. Bộ cảm ánh sáng gồm có ống nhân quang, đi ốt quang, transistor quang và các bộ 
cảm biến ánh sáng. 
5. Quá trình quét có thể được thực hiện với phương tiện cơ khí, chùm điện tử, và 
mạch tổ hợp. 
6. Ống ảnh điện tử tạo ra một tín hiệu video có thể lấy mẫu và số hóa. 
7. Bộ cảm biến ảnh bán dẫn bao gồm ma trận đi ốt quang, thiết bị ghép (CCD) và 
thiết bị phun điện tích (CID). 
8. Những kiến trúc CCD được sử dụng phổ biến là khung đầy đủ, truyền đan xen 
dòng và truyền khung. 
9. Nguồn nhiễu CCD chủ yếu là dữ liệu đưa ra, tốc độ đưa dữ liệu ra tăng lên sẽ sinh 
ra nhiễu; luồng tối tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 60C và nhiễu phôtôn tăng theo 
căn bậc hai tổng số điện tử. 
10. Các CCD được làm mát có thể tích hợp với chu kỳ thời gian dài để ghi ảnh mức 
ánh sáng thấp. 
11. Các CID ít nhạy sáng hơn các CCD, nhưng chúng có ít đối tượng bị nhoè màu và 
thiệt hại do bức xạ, chúng có thể đưa dữ liệu ra ngoài bằng cách truy cập ngẫu 
nhiên một cách tích cực. 
12. Khi các đối tượng trong suốt một phần được chồng lên thì hệ số truyền của chúng 
được nhân thêm, trong khi mật độ quang học của chúng được cộng vào. 
13. Quá trình rửa nhũ tương chụp ảnh tạo ra mật độ quang học tương đối tỷ lệ với 
logarit cường độ phơi sáng nhân thời gian phơi sáng. 
14. Sự tương phản của nhũ tương chụp ảnh có thể được chỉ rõ bởi gamma, tỷ lệ 
giữađộ dốc đồ thị mật độ và logarit sự phơi sáng của nhũ tương (đồ thị H và D của 
nó). 
BÀI TẬP 
1. Một chip cảm nhận ảnh CCD truyền khung 480 640 điểm ảnh được sử dụng với 
tốc độ video (thời gian phơi sáng 16.7 ms, tần số 14 MHz). Nó có các điểm ảnh 
6.3 9.3 micron và một nguồn điểm ảnh dung lượng 20,000 điện tử. Mật độ điện 
tích lưu trữ của chip so với mật độ 800 điện tử/m2 của diện tích nguồn đã đề cập 
đến trong bài như thế nào? Chip có nhiễu dữ liệu ra 80 điện tử/điểm ảnh tại tốc độ 
10 MHz và 180 điện tử/điểm ảnh tại tốc độ 20 MHz. Giả thiết quan hệ là tuyến 
tính, nhiễu dữ liệu ra là bao nhiêu tại tốc độ 14 MHz? Dải động là bao nhiêu? 
 30 
Chip có hiệu suất lượng tử là 0.35 ở các bước sóng nhìn thấy và luồng tối là 6000 
điện tử/giây/điểm ảnh ở 250C. Luồng tối của nó sẽ là bao nhiêu nếu chip được 
làm mát ở 00C? Giả thiết rằng thông lượng ánh sáng tới là 2 106 
phôtôn/giây/điểm ảnh, bao nhiêu phần trăm dung lượng nguồn sẽ được lấp đầy 
khi phơi sáng trong thời gian 16.7 ms? Với thời gian phơi sáng là bao lâu để bão 
hoà nguồn (lấp đầy hoàn toàn)? Tại 250C, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu là bao nhiêu 
(signal to noise ratio-SNR)? Mức nhiễu phôtôn của nó là bao nhiêu? Mức nhiễu 
tổng cộng là bao nhiêu? 
2. Một chip cảm nhận ảnh CCD khung đầy đủ 384 576 điểm ảnh có các điểm ảnh 
23 23 micron và nguồn điểm ảnh dung lượng 175,000 điện tử. Mật độ điện tích 
lưu trữ của chip so với mật độ 800 điện tử/m2 của diện tích nguồn đã đề cập đến 
trong bài như thế nào? Chip có nhiễu dữ liệu ra 8 điện tử/điểm ảnh tại tốc độ 40 
Hz và 24 điện tử/điểm ảnh tại tốc độ 200 kHz. Giả thiết quan hệ là tuyến tính, nó 
sẽ có dải động là 10,000, 20,000 tại tần số đưa dữ liệu ra là bao nhiêu? Chip có 
hiệu suất lượng tử là 0.40 ở các bước sóng nhìn thấy và luồng tối là 6.5 điện 
tử/giây/điểm ảnh ở -450C. Luồng tối của nó là bao nhiêu ở 00C? Giả thiết rằng 
thông lượng ánh sáng tới là 10,000 phôtôn/giây/điểm ảnh, bao nhiêu phần trăm 
dung lượng nguồn sẽ được lấp đầy khi phơi sáng trong thời gian 20 giây? Với 
thời gian phơi sáng là bao lâu để bão hoà nguồn (lấp đầy hoàn toàn)? Tại tốc độ 
đưa dữ liệu ra 50 kHz và nhiệt độ 250C, thì thời gian phơi sáng là bao lâu để tỷ lệ 
tín hiệu trên nhiễu SNR là 300? Tỷ lệ phần trăm nguồn được lấp đầy với thời gian 
phơi sáng trên? 
3. Một chip cảm nhận ảnh CCD khung đầy đủ 1,317 1,035 điểm ảnh có các điểm 
ảnh 6.8 6.8 micron và nguồn điểm ảnh dung lượng 45,000 điện tử. Mật độ điện 
tích lưu trữ của chip so với mật độ 800 điện tử/m2 của diện tích nguồn đã đề cập 
đến trong bài như thế nào? Chip có nhiễu dữ liệu ra 5 điện tử/điểm ảnh tại tốc độ 
50 kHz và 13 điện tử/điểm ảnh tại tốc độ 500 kHz. Giả thiết quan hệ là tuyến tính, 
nó sẽ có dải động là 4,000 tại tần số đưa dữ liệu ra là bao nhiêu? Chip có hiệu suất 
lượng tử là 0.41 ở các bước sóng nhìn thấy và luồng tối là 0.02 điện tử/giây/điểm 
ảnh ở -400C. Luồng tối của nó là bao nhiêu ở 250C? Giả thiết rằng thông lượng 
ánh sáng tới là 2,000 phôtôn/giây/điểm ảnh, thời gian phơi sáng là bao lâu để bão 
hoà nguồn (lấp đầy hoàn toàn)? Tại tốc độ đưa dữ liệu ra 4000 kHz và nhiệt độ 
00C, thì thời gian phơi sáng là bao lâu để tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR là 200? Tỷ 
lệ phần trăm nguồn được lấp đầy với thời gian phơi sáng trên? 
4. Một chip cảm nhận ảnh CCD khung đầy đủ 2,048 2,048 điểm ảnh có các điểm 
ảnh 9 9 micron và nguồn điểm ảnh có mật độ 1,049 điện tử/m2. Dung lượng 
nguồn là bao nhêu? Chip có nhiễu dữ liệu ra 13 điện tử/điểm ảnh tại tốc độ 200 
kHz và tại tốc độ 500 kHz. Dải động của nó là bao nhiêu? Chip có hiệu suất 
lượng tử là 0.45 ở các bước sóng nhìn thấy và luồng tối là 0.25 điện tử/giây/điểm 
ảnh ở -200C. Luồng tối của nó là bao nhiêu ở 250C? Giả thiết rằng thông lượng 
ánh sáng tới là 20,000 phôtôn/giây/điểm ảnh, thời gian phơi sáng là bao lâu để 
bão hoà nguồn (lấp đầy hoàn toàn)? Tại tốc độ đưa dữ liệu ra 400 kHz và nhiệt độ 
-300C, thì thời gian phơi sáng là bao lâu để tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR là 150? 
Tỷ lệ phần trăm nguồn được lấp đầy với thời gian phơi sáng trên? Mức nhiễu tổng 
cộng là bao nhiêu? 
5. Một chip cảm nhận ảnh CCD khung đầy đủ 3,072 2,028 điểm ảnh có các điểm 
ảnh 9 9 micron và nguồn điểm ảnh có dung lượng 85,000 điện tử/điểm ảnh. 
Chip có nhiễu dữ liệu ra 9 điện tử/điểm ảnh tại tốc độ 500 kHz và 20 điện tử/điểm 
 31 
ảnh tại tốc độ 2 MHz. Tần số là bao nhiêu để có được dải động là 5,000? Chip có 
hiệu suất lượng tử là 0.45 ở các bước sóng nhìn thấy và luồng tối là 0.05 điện 
tử/giây/điểm ảnh ở -400C. Luồng tối của nó là bao nhiêu ở 250C? Giả thiết rằng 
thông lượng ánh sáng tới là 8,000 phôtôn/giây/điểm ảnh, thời gian phơi sáng là 
bao lâu để bão hoà nguồn (lấp đầy hoàn toàn)? Tại tốc độ đưa dữ liệu ra 1 MHz 
và nhiệt độ -300C, thì thời gian phơi sáng là bao lâu để tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu 
SNR là 256? Tỷ lệ phần trăm nguồn được lấp đầy với thời gian phơi sáng trên? 
6. Theo bạn, với những điều kiện tổng quát nào của sự chiếu sáng, nhiệt độ và thời 
gian phơi sáng, để quan sát thấy phần lớn nhiễu dữ liệu đưa ra trong ảnh được số 
hoá từ một bộ cảm biến CCD? Với những điều kiện tổng quát nào của sự chiếu 
sáng, nhiệt độ và thời gian phơi sáng, để quan sát thấy phần lớn nhiễu luồng tối? 
Với những điều kiện tổng quát nào của sự chiếu sáng, nhiệt độ và thời gian phơi 
sáng, để quan sát thấy phần lớn nhiễu phôtôn? 
7. Một camera vidicon có đường kính đích 25 mm và đường kính điểm cảm nhận là 
35 micron. Số hàng và cột tối đa mà nó có thể số hoá một ảnh vuông là bao nhiêu 
nếu khoảng cách điểm ảnh của nó bằng đường kính điểm cảm nhận? Nếu ảnh số 
hoá là 480 640 điểm ảnh, khoảng cách điểm ảnh trên đích là bao nhiêu? 
DỰ ÁN 
1. Tham khảo vấn đề 6 ở trên, số hoá ảnh flat field thu từ camera video CCD dưới 
điều kiện ánh sáng và bóng tối, phân tích chúng để xác định trạng thái tự nhiên 
định tính và định lượng của các thành phần nhiễu dữ liệu đưa ra và nhiễu phôtôn. 
Sử dụng độ lệch tiêu chuẩn của mức xám hoặc độ rộng lược đồ mức xám (xem 
chương 5) để xác định số lượng mức nhiễu. Giải thích tính chất bằng phẳng của 
ảnh kiểm tra. 
2. Tham khảo vấn đề 6 ở trên, số hoá ảnh flat field thu từ camera CCD tích hợp 
được làm mát dưới điều kiện ánh sáng và bóng tối, thời gian phơi sáng ngắn và 
dài, nhiệt độ cao và thấp. Phân tích ảnh để xác định trạng thái tự nhiên định tính 
và định lượng của các thành phần nhiễu dữ liệu đưa ra và nhiễu phôtôn, Sử dụng 
độ lệch tiêu chuẩn của mức xám hoặc độ rộng lược đồ mức xám (xem chương 5) 
để xác định số lượng mức nhiễu. Giải thích tính chất bằng phẳng của ảnh kiểm 
tra. 
3. Số hoá một ảnh từ film, mô tả đặc điểm độ phân giải, mức nhiễu và tính tuyến 
tính của quá trình. Sử dụng các vùng mức xám không thay đổi để ước lượng mức 
nhiễu và các biên sắc nét để ước lượng độ phân giải. Cho cảnh chứa các vùng có 
độ sáng phân biệt được khác nhau, vẽ đường đáp ứng đo sáng (photometric 
response) của quá trình.