Máy ảnh có Độ phân giải và hiệu suất hình ảnh được cải thiện

Độ phân giải và độ tương phản của máy ảnh đóng một vai trò không thể thiếu trong cả quang học và thiết bị điện tử của hệ thống hình ảnh. Mặc dù độ phân giải và độ tương phản của máy ảnh có vẻ như thông số quang, số pixel và kích thước, dòng TV, máy ảnh MTF, giới hạn Nyquist, độ sâu pixel / thang độ xám, dải động và SNR đóng góp vào chất lượng của nội dung người dùng đang cố gắng tạo hình ảnh. Với các mẹo kỹ thuật cho mỗi thông số quan trọng, người dùng hình ảnh từ người mới đến chuyên gia có thể tìm hiểu về độ phân giải của máy ảnh vì nó liên quan đến các thiết bị điện tử hình ảnh của một hệ thống.

Số điểm ảnh và Kích thước pixel

Để hiểu số điểm ảnh và kích thước pixel của máy ảnh, hãy xem xét loạt máy ảnh FireWire của Đồng minh Vision Stingray F-145 . Mỗi F-145 đều có cảm biến Sony ICX285 có kích thước 1392 x 1040 pixel (ngang x dọc) trên cảm biến 9,0mm x 6,7mm. Nếu người ta tưởng tượng lĩnh vực xem như một hình chữ nhật chia thành 1392 x 1040 hình vuông (Hình 1), thì chi tiết có thể phân giải tối thiểu bằng với hai trong số các ô vuông này hoặc các pixel (Hình 2). Mẹo kỹ thuật số 1 là: Số pixel nhiều hơn trong một trường xem (FOV), độ phân giải càng tốt. Tuy nhiên, một số lượng lớn pixel yêu cầu bộ cảm biến lớn hơn hoặc các pixel riêng nhỏ hơn. Điều này dẫn đến Mẹo Kỹ thuật số 2: Sử dụng cảm biến lớn hơn để đạt được nhiều pixel hơn có nghĩa là độ phóng đại của ống kính hình ảnh và / hoặc lĩnh vực xem sẽ thay đổi. Ngược lại, nếu sử dụng các pixel nhỏ hơn, ống kính hình ảnh có thể không giữ được độ phân giải và hiệu suất hình ảnh của hệ thống do đáp ứng tần số không gian hữu hạn của quang học, chủ yếu là do các vấn đề thiết kế hoặc giới hạn nhiễu xạ của khẩu độ.

Hãy xem thêm tại  https://photographyprof.com/

Số lượng pixel cũng ảnh hưởng đến tốc độ khung hình của máy ảnh. Ví dụ: mỗi pixel có 8 bit thông tin phải được chuyển trong quá trình tái tạo hình ảnh. Mẹo kỹ thuật số 3: Các điểm ảnh trên cảm biến càng cao, độ phân giải của máy ảnh càng cao nhưng tỷ lệ khung hình càng thấp. Nếu cả tốc độ khung hình cao và độ phân giải và hiệu suất hình ảnh cao (ví dụ: nhiều pixel) là bắt buộc, thì giá hệ thống và mức độ phức tạp thiết lập sẽ tăng nhanh, thường ở tốc độ không nhất thiết phải tỷ lệ thuận với số pixel.

TV Lines

Trong các camera CCD tương tự , đặc tả TV Line (TVL) thường được sử dụng để đánh giá độ phân giải. Đặc điểm kỹ thuật của TVL là một đơn vị độ phân giải dựa trên mục tiêu thanh với các dòng cách đều nhau. Nếu mục tiêu được mở rộng để nó bao phủ FOV, thì số TVL được tính bằng cách cộng tất cả các dòng và khoảng trống kết quả. Phương trình 1 và 2 cung cấp các phép tính đơn giản để xác định TVL ngang (H) và dọc (V). Bao gồm trong phương trình 1 là một yếu tố bình thường cần thiết để tính toán tỷ lệ co 4: 3 của cảm biến. Hình 3 cho thấy một mục tiêu thử nghiệm được chấp thuận của IEEE để đo TVL của một hệ thống.

(1)

(2)

-Chức năng điều biến truyền

Các phương tiện hiệu quả nhất để xác định độ phân giải của máy ảnh là chức năng truyền điều chế (MTF). MTF là một cách kết hợp độ tương phản và độ phân giải để xác định tổng hiệu suất của cảm biến. Một thuộc tính hữu ích của MTF là thuộc tính nhân của các hàm truyền; MTF của mỗi thành phần (ống kính hình ảnh, cảm biến máy ảnh, màn hình hiển thị , vv) có thể được nhân lên để nhận được phản hồi toàn bộ hệ thống (Hình 4).

MTF không chỉ tính đến độ phân giải không gian về số lượng pixel / mm mà còn cả cuộn xảy ra ở tần số không gian cao do các yếu tố lấp đầy pixel và các yếu tố lấp đầy hữu hạn. Mẹo kỹ thuật số 4: Không phải trường hợp cảm biến sẽ cung cấp độ tương phản 100% ở tần số không gian bằng nghịch đảo của kích thước pixel của nó. Để có một cuộc thảo luận đầy đủ về MTF và tầm quan trọng của nó, hãy xem Chức năng chuyển đổi điều chế .

Giới hạn Nyquist

Độ phân giải giới hạn tuyệt đối của cảm biến được xác định bởi giới hạn Nyquist của nó. Điều này được xác định bằng một nửa tần số lấy mẫu, hay còn gọi là số lượng pixel / mm (phương trình 3). Ví dụ, Sony ICX285 là cảm biến CCD đơn sắc với diện tích hoạt động ngang là 9mm, chứa 1392 pixel ngang mỗi kích thước 6,45μm. Điều này thể hiện tần số lấy mẫu ngang là 155 pixel / mm (1392 pixel / 9mm = 1mm / 0.00645 mm / pixel = 155). Giới hạn Nyquist của phép tính này là 77,5 lp / mm. Hãy nhớ rằng các phương thức xử lý ảnh tồn tại, chẳng hạn như lấy mẫu phụ pixel, cho phép người dùng phân tích thống kê độ phân giải cao hơn giới hạn Nyquist trong trường hợp đặc biệt của các cạnh và các hình ảnh đơn giản khác về mặt hình học. Tại giới hạn Nyquist, độ tương phản phụ thuộc pha đối với sóng vuông cố định không đổi (tưởng tượng một pixel trên, giảm một pixel hoặc mỗi pixel bằng một nửa chu kỳ). Do đó, thông thường, bao gồm yếu tố Kell (∼0.7), phản ánh độ lệch của đáp ứng tần số thực tế từ tần số Nyquist. Quan trọng nhất, yếu tố Kell bù cho khoảng cách giữa các điểm ảnh.Mẹo công nghệ # 5: Lấy mẫu ở tần số không gian trên giới hạn Nyquist của hệ thống có thể tạo ra các tín hiệu giả và hiệu ứng răng cưa không mong muốn và không thể tránh khỏi.

(3)

Độ sâu pixel / thang độ xám

Thường được gọi là thang độ xám hoặc, (chính xác hơn) phạm vi động của máy ảnh CCD, độ sâu pixel biểu thị số bước màu xám trong hình ảnh. Độ sâu pixel có liên quan chặt chẽ đến số lượng độ tương phản tối thiểu có thể phát hiện được bằng cảm biến. Trong các máy ảnh analog, tín hiệu là điện áp thay đổi theo thời gian tỷ lệ thuận với cường độ của sự cố ánh sáng trên cảm biến, được chỉ định bên dưới điểm bão hòa. Sau khi số hóa, điện áp liên tục này được chia thành các mức riêng biệt, mỗi giá trị tương ứng với một giá trị số. Khi đạt được sự thống nhất, ánh sáng có độ bão hòa 100% của pixel sẽ được cho một giá trị là 2 ^N -1, trong đó N là số bit và sự vắng mặt của ánh sáng được đưa ra một giá trị bằng 0 Tech Tip # 6: nhiều bit hơn trong máy ảnh, quá trình số hóa càng mượt mà.Ngoài ra, nhiều bit hơn có nghĩa là độ chính xác cao hơn và nhiều thông tin hơn. Với đủ bit, mắt người không còn có thể xác định sự khác biệt giữa một thang độ xám liên tục và biểu diễn số của nó. Số bit được sử dụng trong số hóa được gọi là độ sâu bit hoặc độ sâu pixel.

Ví dụ về độ sâu pixel, hãy xem xét dòng máy ảnh Sony XC , cung cấp 256 màu xám và loạt máy ảnh Edmund Optics USB 2.0 CMOS , có sẵn ở 8 bit (256 thang độ xám) và 10 bit (1024) grayscales) mô hình. Nói chung, máy ảnh 12 bit và 14 bit có tùy chọn chạy ở chế độ sâu pixel thấp hơn. Mặc dù độ sâu pixel trên 8 bit rất hữu ích cho xử lý tín hiệu, màn hình máy tính chỉ cung cấp độ phân giải 8 bit. Do đó, nếu hình ảnh từ máy ảnh sẽ chỉ được xem trên màn hình, dữ liệu bổ sung sẽ không làm gì ngoài việc giảm tốc độ khung hình. Hình 5 minh họa độ sâu pixel khác nhau. Chú ý sự tiến triển trơn tru từ màu xám sang màu trắng khi độ sâu bit tăng lên.

Phạm vi động

Phạm vi động là sự khác biệt giữa mức ánh sáng phát hiện thấp nhất và mức ánh sáng phát hiện cao nhất. Về mặt vật lý, điều này được xác định bởi khả năng bão hòa của mỗi điểm ảnh, tiếng ồn tối hoặc hiện tại tối, mạch ADC và các thiết lập độ lợi. Mẹo kỹ thuật số 7: Đối với phạm vi động cao, cần thêm nhiều bit để mô tả thang độ xám theo kiểu có ý nghĩa. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là, với việc xem xét tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm, sử dụng 14 bit để mô tả dải động 50dB cho các bit dư thừa và không có thông tin bổ sung.

Tỷ số tín hiệu-nhiễu (SNR)

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) được liên kết chặt chẽ với phạm vi động của máy ảnh. Mẹo kỹ thuật số 8: SNR cao hơn mang lại số bước có thể cao hơn trong thang độ xám (độ tương phản cao hơn) do máy ảnh tạo ra. SNR được thể hiện dưới dạng decibel (dB) trong các hệ thống tương tự và các bit trong các hệ thống kỹ thuật số. Nói chung, 6dB SNR tương tự chuyển thành 1-bit khi được số hóa. Đối với máy ảnh kỹ thuật số hoặc analog, X bit (hoặc tương đương trong các hệ thống analog) tương ứng với 2 ^X grayscales (tức là máy ảnh 8-bit có 2 ⁸ hoặc 256 mức xám).

Read more: Nikon D850 Review – High Resolution And Performance

Có hai nguồn chính cho tiếng ồn trong cảm biến máy ảnh. Đầu tiên là không hoàn hảo trong chip, dẫn đến hiện tượng tối không đồng đều và nhiễu xuyên âm. Thứ hai là tiếng ồn nhiệt và các biến thể điện tử khác. Sự không hoàn hảo của chip và các biến thể điện tử làm giảm độ phân giải của máy ảnh và cần được theo dõi để xác định cách bù đắp tốt nhất cho chúng trong hệ thống hình ảnh.

Những điều cơ bản về độ phân giải của máy ảnh có thể được chia thành các thông số về số điểm ảnh và kích thước, đường truyền hình, máy ảnh MTF, giới hạn Nyquist, độ sâu pixel / thang độ xám, dải động và SNR. Hiểu các thuật ngữ cơ bản này cho phép người dùng chuyển từ làm người mới thành chuyên gia hình ảnh. Để tìm hiểu thêm về chụp ảnh điện tử, xem phim thêm hình ảnh điện tử 101 của chúng tôi liên quan đến cảm biến camera , các loại camera và cài đặt camera .

Xem thêm nhiều bài viết hay tại Fanpage: Photography Prof