Tài liệu Thiết bị tập ngắm, bắn bằng laser và xử lý ảnh phục vụ huấn luyện

Bé Khoa häc & c«ng nghÖ viÖn øng dông c«ng nghÖ b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi thiÕt bÞ tËp ng¾m, b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh phôc vô huÊn luyÖn Chñ nhiÖm ®Ò tµi:NguyÔn V¨n Long Trung T©m TriÓn Khai C«ng NghÖ 5969 28/8/2006 Hµ néi, th¸ng 12 – 2005 Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh Môc Lôc Ch−¬ng 1: tæng quan vÒ xö lý tÝn hiÖu ¶nh sè ...............................................3 1.1 Më ®Çu .................................................................................................................. 3 1.2 Qu¸ tr×nh t¹o ¶nh vµ c¸c m« h×nh ¶nh................................................................... 4 1.2.1 Camera......................................................................................................... 4 1.2.2 Mµu s¾c vµ biÓu diÔn ¶nh mµu................................................................... 17 1.3 Mét sè kh¸i niÖm c¬ b¶n ..................................................................................... 21 1.4 PhÐp xö lý ®iÓm ¶nh dùa trªn b¶ng t×m kiÕm LUT. ............................................ 22 1.4.1 KÐo c¨ng ®é t−¬ng ph¶n ............................................................................ 23 1.4.2 Lµm b»ng l−îc ®å møc x¸m ...................................................................... 24 1.5 PhÐp xö lý vïng ¶nh ............................................................................................ 24 1.6 Xö lý h×nh th¸i häc ¶nh nhÞ ph©n ........................................................................ 26 1.6.1 PhÐp biÕt ®æi “tróng hoÆc tr−ît” ................................................................ 26 1.6.2 Ph−¬ng ph¸p lËp b¶ng t×m kiÕm ................................................................ 26 1.6.3 PhÐp d·n l©n cËn 8 ..................................................................................... 27 1.6.4 PhÐp co l©n cËn 8 ....................................................................................... 27 1.6.5 PhÐp lÊp ®Çy ®−êng chÐo ........................................................................... 28 1.7 1.6.6 PhÐp më ..................................................................................................... 28 1.6.7 PhÐp ®ãng .................................................................................................. 28 §Æc tÝnh ®−êng biªn ............................................................................................ 28 1.7.1 Ph¸t hiÖn biªn dùa vµo ®¹o hµm bËc nhÊt.................................................. 29 1.7.2 Ph¸t hiÖn biªn dùa vµo ®¹o hµm bËc hai.................................................... 31 1.7.3 Ph−¬ng ph¸p Canny ®Ó ph¸t hiÖn biªn....................................................... 32 1.8 §Æc tÝnh gãc ........................................................................................................ 33 1.9.HÖ thèng ph¸t hiÖn môc tiªu tù ®éng...........................................................35 1.9.1 Tæng quan vÒ hÖ thèng b¸m video tù ®éng................................................ 35 Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh 1.9.2 KiÕn tróc vßng b¸m ................................................................................... 37 1.9.3. −íc l−îng vÞ trÝ môc tiªu. ........................................................................... 39 1.9.4. Cöa môc tiªu vµ t×m breaklock .................................................................. 41 1.9.4.1 X©y dùng cöa ............................................................................................. 42 1.9.4.2 Ph©n ®o¹n môc tiªu.................................................................................... 46 1.9.4.3 C¸c thuËt to¸n t×m breaklock ..................................................................... 47 1.9.5 Bï vßng b¸m vµ x¸c ®Þnh LOS ..................................................................... 49 1.9.5.1 X¸c ®Þnh LOS ............................................................................................ 49 1.9.5.2 Bï vßng b¸m .............................................................................................. 50 Ch−¬ng 2: thiÕt kÕ tæng thÓ vÒ hÖ thèng b¾n tËp trªn c¬ së xö lý tÝn hiÖu vµ cã trî gióp cña m¹ch ®iÖn tö vµ quang häc........53 2.1. C¸c khèi chÝnh trong hÖ thèng tËp ng¾m b¾n..................................................... 53 2.2. M« t¶ tãm t¾t ho¹t ®éng cña hÖ thèng tËp ng¾m b¾n. ....................................... 55 Ch−¬ng 3: gi¶i bµi to¸n ph¸t hiÖn vÕt laser xuÊt hiÖn trªn hÖ bia trong ph«ng nÒn cè ®Þnh....................................................................................56 3.1 Më ®Çu ................................................................................................................ 56 3.2 Ph¸t hiÖn vïng thay ®æi ...................................................................................... 57 3.3. C¸c ph−¬ng ph¸p chän ng−ìng ............................................................................ 58 3.3.1 Ph−¬ng ph¸p chän ng−ìng cè ®Þnh.............................................................. 58 3.3.2 Ph−¬ng ph¸p chän ng−ìng kÐp toµn côc cña trig¬ smitt ............................. 59 3.3.3 Ph©n ng−ìng thÝch nghi ............................................................................... 62 3.3.4 Gi¶i ph¸p ng−ìng kÐp kÕt hîp víi ph©n ng−ìng thÝch nghi côc bé............. 63 3.3.5 Ph−¬ng ph¸p bã k trung b×nh cho vïng ®èi t−îng xuÊt hiÖn. ...................... 65 3.5 NhËn d¹ng vÕt laser theo mét sè ®Æc tÝnh ®Æc tr−ng............................................... 67 3.5.1 NhËn d¹ng theo c¸c ®Æc tÝnh h×nh häc ......................................................... 67 3.5.2 NhËn d¹ng theo c¸c ®Æc tÝnh m«men.......................................................... 68 Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh 3.5.3 Chän l¹i ®èi t−îng duy nhÊt b»ng c¸c phÐp so s¸nh m«men. ..................... 69 Ch−¬ng 4 Thùc nghiÖm vÒ gi¶i ph¸p nhËn d¹ng bia, tÝnh ®iÓm vµ b¸o ®iÓm......................................................................................................................... 75 4.1 Thùc nghiÖm vÒ x¸c ®Þnh kiÓu bia b»ng ph−¬ng ph¸p h×nh thÓ.............................. 78 4.2 Thùc nghiÖm vÒ ph−¬ng ph¸p tÝnh ®iÓm. ............................................................... 83 4.3 Sai sè vÒ hÖ thèng tÝnh ®iÓm. .................................................................................. 86 Ch−¬ng 5: X©y dùng hÖ qu¶n lý qu¸ tr×nh tËp luyÖn vµ gi¶i ph¸p b¶o mËt .......................................................................................................................... 87 5.1.ThiÕt kÕ c¸c b¶ng d÷ liÖu............................................................................................ 89 5.2. ThiÕt kÕ giao diÖn ...................................................................................................... 91 5. 3.VÊn ®Ò b¶o vÖ b¶n quyÒn cho hÖ thèng phÇn mÒm................................................... 97 5.3.1. Giao tiÕp USB ................................................................................................... 97 5.3.2. HID (Human Interface Device)....................................................................... 103 5.3.3. HID lµ g× ? ....................................................................................................... 10 5.3.4. C¸c yÕu tè cÇn thiÕt ®Ó ph¸t triÓn thiÕt bÞ HID............................................... 103 5.3.5. Ph−¬ng thøc ho¹t ®éng cña HID .................................................................... 104 5.4. Gi¶i thuËt b¶o vÖ cho ch−¬ng tr×nh. ........................................................................ 106 Ch−¬ng 6: ThiÕt kÕ hÖ thèng c¬ khÝ, quang häc vµ ®iÖn tö phô trî...................................................................................................................................108 6.1 ThiÕt kÕ m¹ch ®iÖn ph¸t laser vµ ph¸t tÝn hiÖu hång ngo¹i ®iÒu khiÓn cho khèi t¹o gi¶ tiÕng sóng. .................................................................................................................... 109 6.2 Lùa chän ®Çu ph¸t laser cho hÖ thèng b¾n tËp..................................................... 112 6.3 ThiÕt kÕ m¹ch kho¸ cøng cho phÇn mÒm xö lý ¶nh............................................. 113 Mét sè phô lôc vÒ phÇn mÒm kÌm theo - Mét sè module m· nguån quan träng - Lêi c¶m ¬n Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh Danh môc c¸c tõ viÕt t¾t ADC Analog-Digital Converter ATR Automatic Target Recognition CCD Charge Couple Device CCIR Consultative Committe on International Radio CIE Commission International de L'Eclairage CONDENSATION CONdition DENSity PropagATION DSP Digital Signal Processing EIA Electronics Industries Association FIFO First In First Out FOV Field Of View FPS Frame per second HIS Hue-Saturation-Intensity HSV Hue-Saturation-Value INS Inertial Navigation System ISA Industry Standard Architecture KLT Kanade-Lucas-Tomasi LOS Line Of Sight LUT Look-Up Table PCI Peripheral Component Interconnection PID Proportional Integral Derivative PSoC Programmable System on Chip RGB Red-Green-Blue SNR Signal Noise Ratio TV Television VFW Video For Window Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh Lêi giíi thiÖu Trªn thÕ giíi, c«ng nghÖ m« pháng cã vai trß chñ ®¹o trong ho¹t ®éng c«ng nghÖ cao, con ng−êi bay vµo vò trô an toµn nhê thö nghiÖm trªn c¸c thiÕt bÞ m« pháng d−íi mÆt ®Êt. M« pháng cßn cho phÐp nghiªn cøu, thö nghiÖm c¸c lo¹i vò khÝ mµ trong ®iÒu kiÖn thùc kh«ng ®−îc phÐp thùc hiÖn do hoµn c¶nh chÝnh trÞ, x· héi, m«i tr−êng v…v… nh− tiÕn hµnh næ h¹t nh©n … Tõ khi cã cuéc c¸ch m¹ng c«ng nghÖ th«ng tin, c«ng nghÖ m« pháng còng nhanh chãng ph¸t triÓn trong mäi lÜnh vùc kh¸c nhau c¶ vÒ qu©n sù lÉn d©n sù. C«ng nghÖ m« pháng trong c«ng t¸c ®µo t¹o huÊn luyÖn ®· trë thµnh xu h−íng chñ ®¹o cña c¸c n−íc. Ngay nh÷ng c−êng quèc vÒ qu©n sù, viÖc øng dông c«ng nghÖ m« pháng chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ phôc vô huÊn luyÖn chiÕn ®Êu lµ mét trong nh÷ng gi¶i ph¸p tèi −u n©ng cao chÊt l−îng vµ hiÖu qu¶ huÊn luyÖn chiÕn ®Êu, mang l¹i nhiÒu lîi Ých trªn mäi ph−¬ng diÖn, lîi Ých lín nhÊt lµ tiÕt kiÖm nguån tµi chÝnh dïng cho huÊn luyÖn. Ngµy nay trªn thÕ giíi, c¸c thiÕt bÞ m« pháng dïng trong huÊn luyÖn chiÕn ®Êu th−êng rÊt ®¾t, nhiÒu thiÕt bÞ chØ phï hîp chiÕn thuËt cña tõng n−íc s¶n xuÊt, ®ång thêi nhiÒu thiÕt bÞ còng kh«ng cho phÐp chuyÓn giao v× lý do qu©n sù … Thùc tr¹ng trang thiÕt bÞ m« pháng dïng trong huÊn luyÖn chiÕn ®Êu ë n−íc ta chiÕm tû lÖ rÊt thÊp . Nh÷ng thiÕt bÞ tr−íc kia ®−îc viÖn trî, nhËp ngo¹i … nay ®Òu ®· l©u n¨m, th« s¬, l¹c hËu, háng, xuèng cÊp … mÆc dï c¸c ®¬n vÞ cè g¾ng trong viÖc b¶o d−ìng, söa ch÷a còng kh«ng ®¸p øng huÊn luyÖn v× sai sè, mÊt an toµn. Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh ChÝnh v× vËy, ngay tõ nh÷ng n¨m 1997, Bé Tæng tham m−u coi gi¶i ph¸p nµy lµ nhiÖm vô mang tÝnh cÊp b¸ch, nhiÒu Dù ¸n vÒ trang thiÕt bÞ m« pháng dïng trong huÊn luyÖn chiÕn ®Êu ®−îc thùc hiÖn víi nhiÒu giai ®o¹n ®· cho nh÷ng kÕt qu¶ tiÒn kh¶ thi mang tÝnh thùc tiÔn ®· kh¼ng ®Þnh cÇn ®Çu t− trong nh÷ng n¨m tiÕp theo. Víi nh÷ng néi dung: HuÊn luyÖn kh«ng qu©n, H¶i qu©n, T¨ng thiÕt gi¸p, C«ng binh, Th«ng tin, Ph¸o binh, Ho¸ häc, Bé binh, ThÓ thao thµnh tÝch cao … ViÖc thùc hiÖn c¸c Dù ¸n nµy ngoµi nh÷ng thiÕt bÞ nhËp ngo¹i còng ®· thu hót nhiÒu ®¬n vÞ trong vµ ngoµi qu©n ®éi tham gia nghiªn cøu, chÕ thö, ®i ®Õn s¶n xuÊt nhiÒu chñng lo¹i thiÕt bÞ míi, rÊt phï hîp yªu cÇu thùc tÕ huÊn luyÖn, song cho ®Õn nay viÖc ®¸p øng yªu cÇu huÊn luyÖn cßn rÊt yÕu cÇn ®Çu t− tiÕp. §· tõ h¬n 10 n¨m nay, Côc Qu©n HuÊn - BTTM ®· phèi hîp víi ViÖn øng dông c«ng nghÖ hîp t¸c chÆt chÏ vÒ KHKT, cho ra ®êi nhiÒu thiÕt bÞ huÊn luyÖn cã hiÖu qu¶, ®é chÝnh x¸c cao, ®é bÒn, ®é æn ®Þnh, ®¬n gi¶n ho¸ c¸c thao t¸c cho ng−êi sö dông, phï hîp tÝnh c¬ ®éng, s½n sµng chiÕn ®Êu vµ ®¸p øng yªu cÇu thùc tÕ huÊn luyÖn. §· tæ chøc nhiÒu ®ît tËp huÊn toµn qu©n trªn thiÕt bÞ cña ViÖn øng dông c«ng nghÖ cho nh÷ng kÕt qu¶ rÊt tèt. §Ò tµi : “Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ thö hÖ tËp ng¾m, b¾n trªn bia cã tÝnh ®iÓm b»ng ph−¬ng ph¸p laser vµ xö lý ¶nh phôc vô Quèc phßng, an ninh “ thùc hiÖn tõ nh÷ng yªu cÇu trªn, nh»m ®−a ®éi ngò nghiªn cøu ®i s©u vµo lÜnh vùc c«ng nghÖ xö lý ¶nh ®ång thêi n©ng cao nhËn thøc cña c¸c chiÕn sÜ víi khoa häc c«ng nghÖ, tÊt c¶ ®Òu h−íng vÒ môc tiªu hiÖn ®¹i ho¸ Quèc phßng, an ninh. Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh Ch−¬ng 1: tæng quan vÒ xö lý tÝn hiÖu ¶nh sè 1.1 Më ®Çu Bªn c¹nh ng«n ng÷, c¸c th«ng tin d−íi d¹ng h×nh ¶nh ®ãng mét vai trß rÊt quan träng trong víi ®êi sèng con ng−êi. Nh−ng kh¶ n¨ng thu nhËn ¶nh cña m¾t ng−êi rÊt h¹n chÕ, chØ nh×n ®−îc mét d¶i phæ ¸nh s¸ng rÊt hÑp (350nm-750nm), ®é ph©n gi¶i kÐm… ChÝnh v× vËy, viÖc n©ng cao kh¶ n¨ng quan s¸t cña con ng−êi ®· ®−îc ®Æt vÊn ®Ò tõ rÊt sím. §ång thêi con ng−êi còng ®Æt vÊn ®Ò trang bÞ thÞ gi¸c cho c¸c m¸y mãc phôc vô con ng−êi. Víi sù ph¸t triÓn cña kü thuËt tÝnh to¸n sè, c¸c ¶nh thu nhËn ®−îc tõ c¸c thiÕt bÞ t¹o ¶nh ®· ®−îc sè ho¸ vµ ®−îc xö lý trùc tiÕp b»ng m¸y tÝnh sè. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, xö lý ¶nh sè ®· ®−îc ph¸t triÓn vµ trë thµnh mét lÜnh vùc khoa häc. Xö lý ¶nh sè ®· n©ng cao chÊt l−îng cña ¶nh ®ång thêi ph©n tÝch vµ lý gi¶i nã phôc vô c¸c môc ®Ých riªng biÖt. Trong ch−¬ng nµy ta sÏ giíi thiÖu c¸c m« h×nh t¹o ¶nh, biÓn diÔn ¶nh vµ c¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ xö lý ¶nh sè. H×nh 1.1 chØ ra hÖ thèng thu nhËn vµ xö lý ¶nh sè th«ng th−êng. H×nh 1.1 HÖ thèng thu nhËn vµ xö lý ¶nh sè §Ó më ®Çu ch−¬ng nµy, c¸c qu¸ tr×nh t¹o ¶nh, biÓu diÔn ¶nh vµ qu¸ tr×nh sè ho¸ ¶nh sÏ ®−îc ®Ò cËp ®Õn mét c¸ch s¬ l−îc. PhÇn tiÕp theo sÏ tr×nh bµy v¾n t¾t mét sè kh¸i niÖm c¬ b¶n cña thÞ gi¸c mµy tÝnh vµ xö lý ¶nh. PhÇn cßn l¹i cña ch−¬ng nµy sÏ tr×nh bµy chi tiÕt h¬n vÒ viÖc xö lý n©ng cao chÊt l−îng ¶nh sè lèi vµo b»ng ch−¬ng tr×nh m¸y tÝnh. Còng ®Ó t¹o tiÒn ®Ò cho phÇn tiÕp theo th× c¸c ®Æc tÝnh cña ¶nh còng ®−îc ®Ò cËp tíi. -3- Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh 1.2 Qu¸ tr×nh t¹o ¶nh vµ c¸c m« h×nh ¶nh 1.2.1 Camera Cã nhiÒu kiÓu thiÕt bÞ t¹o ¶nh, tõ m¾t ®éng vËt ®Õn nh÷ng èng kÝnh camera ghi h×nh vµ radio. Chóng cã thÓ cã hoÆc kh«ng trang bÞ thÊu kÝnh. M« h×nh buång tèi camera ®Çu tiªn ®−îc ph¸t minh vµo thÕ kû 16 kh«ng cã c¸c thÊu kÝnh, nh−ng thay vµo ®ã lµ mét lç (pinhole) ®Ó héi tô c¸c tia s¸ng lªn trªn t−êng hoÆc tÊm mê. C¸c lç dÇn dÇn ®−îc thay thÕ bëi c¸c thÊu kÝnh cµng ngµy cµng phøc t¹p. Nãi chung camera th−êng cã hai bé phËn c¬ b¶n mét lµ hÖ thèng t¹o ¶nh vµ hai lµ bÒ mÆt t¹o ¶nh cã chøa chÊt nh¹y c¶m quang. BÒ mÆt t¹o ¶nh cña mét camera th«ng th−êng lµ h×nh ch÷ nhËt, nh−ng c¸c camera toµn c¶nh cã thÓ trang bÞ mÆt t¹o ¶nh h×nh trô ®Ó t¨ng tr−êng nh×n. Nh÷ng phÇn tö nh¹y t¹o ¶nh cã nh÷ng ®Æc tr−ng kh¸c nhau. Chóng cã thÓ ghi nhËn mét ¶nh rêi r¹c hoÆc mét ¶nh liªn tôc vÒ mÆt kh«ng gian. HÖ thèng t¹o ¶nh cã thÓ lµ lç hoÆc lµ hÖ thÊu kÝnh trong c¸c camera hiÖn ®¹i. Ta sÏ kh¶o s¸t c¸c qu¸ tr×nh t¹o ¶nh vµ c¸c phÇn tõ nh¹y t¹o ¶nh d−íi ®©y. PhÐp chiÕu phèi c¶nh H·y t−ëng t−îng ta cÇm mét c¸i hép, ch©m mét lç nhá vµo mét trong sè c¸c mÆt cña hép b»ng mét ®inh ghim, vµ thay thÕ mÆt ®èi diÖn b»ng mét tÊm mê. NÕu ta ®Æt nguån s¸ng nµo ®ã (mét ngän nÕn ch¼ng h¹n), ta sÏ nh×n thÊy h×nh ngän nÕn lén ng−îc xuÊt hiÖn trªn tÊm mê (h×nh 1.2a). (a) (b) H×nh 1.2 M« h×nh t¹o ¶nh qua lç (a) vµ minh ho¹ c¸ch tÝnh ph−¬ng tr×nh phèi c¶nh (b) ¶nh nµy ®−îc h×nh thµnh bëi nh÷ng tia s¸ng ph¸t ra tõ c¶nh gÇn víi mÆt hép. NÕu lç ®−îc gi¶m nhá tíi mét ®iÓm (dÜ nhiªn kh«ng thÓ ®¹t ®−îc vÒ mÆt vËt lý), th× chÝnh x¸c mét tia s¸ng sÏ ®i qua xuyªn qua mçi ®iÓm trong mÆt ph¼ng tÊm mê (mÆt ph¼ng ¶nh), lç vµ mét ®iÓm c¶nh t−¬ng øng nµo ®ã. -4- Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh Trong thùc tÕ, lç cã mét kÝch th−íc nµo ®ã (mÆc dï nhá), vµ mçi ®iÓm trong mÆt ph¼ng ¶nh tËp hîp ¸nh s¸ng tõ mét h×nh nãn cña nh÷ng tia s¸ng tr−¬ng mét gãc ®Æc h÷u h¹n, v× vËy m« h×nh ®−îc lý t−ëng ho¸ vµ ®¬n gi¶n v« cïng nµy cña t¹o ¶nh h×nh häc cã Ýt hiÖu qu¶. Tuy vËy, m« h×nh chiÕu phèi c¶nh lç (còng ®−îc gäi lµ phèi c¶nh träng t©m), ®Çu tiªn ®−îc ®Ò xuÊt bëi Brunelleschi håi ®Çu thÕ kû 15, rÊt tiÖn lîi vÒ to¸n häc. BÊt chÊp sù ®¬n gi¶n, nã th−êng cung cÊp mét sù xÊp xØ chÊp nhËn ®−îc cña qu¸ tr×nh t¹o ¶nh. §«i khi ®Ó dÔ tÝnh ta thay ¶nh thËt b»ng mét ¶nh ¶o ®èi xøng víi ¶nh thËt qua lç (h×nh 1.2a). B»ng c¸c phÐp tÝnh h×nh häc ®¬n gi¶n, ta dÔ dµng thu ®−îc c¸c ph−¬ng tr×nh cho phÐp chiÕu phèi c¶nh. (h×nh 1.2b). Trong h×nh ®iÓm C’ lµ giao ®iÓm cña trôc quang vµ ∏’ ®−îc gäi lµ t©m ¶nh. §iÓm nµy cã thÓ ®−îc sö dông nh− lµ gèc to¹ ®é ¶nh vµ lµ ®iÓm t©m ®Ó tÝnh trong c¸c thñ tôc chuÈn ho¸ (calibration) camera. LÊy ®iÓm P lµ mét ®iÓm thuéc quang c¶nh cã to¹ ®é (x,y,z) vµ P’ lµ ¶nh cña P cã to¹ ®é lµ (x’,y’,z’). Do P’ n»m trªn mÆt ph¼ng ¶nh ta cã z’=f’. Tõ ba ®iÓm P, O, vµ P’ cïng n»m trong mét ®−êng th¼ng, ta cã OP' = λ OP , do vËy x ⎧ ⎪⎪ x' = f ' z ⎨ ⎪ y' = f ' y ⎪⎩ z VËy (1.1) PhÐp chiÕu Affine Nh− ®· nãi trong phÇn trªn, phèi c¶nh lç chØ lµ mét xÊp xØ cña qu¸ tr×nh t¹o ¶nh h×nh häc. PhÇn nµy m« t¶ mét líp xÊp xØ th« h¬n ®−îc gäi lµ m« h×nh chiÕu affine, nã còng ®−îc sö dông trong mét sè tr−êng hîp. Hai phÐp chiÕu affine cã thÓ kÓ ra lµ phÐp chiÕu phèi c¶nh yÕu vµ phÐp chiÕu trùc giao. PhÐp chiÕu phèi c¶nh yÕu lµ mét m« h×nh cã thÓ chÊp nhËn ®−îc trong nhiÒu ®iÒu kiÖn t¹o ¶nh, nh−ng phÐp chiÕu trùc giao thuÇn tuý th−êng kh«ng thùc tÕ. Ta sÏ kh«ng m« t¶ chi tiÕt mµ kÓ tªn chóng v× chóng chØ cã ý nghÜa mang tÝnh lÞch sö. C¸c camera cã thÊu kÝnh -5- Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh §a sè c¸c camera ®−îc trang bÞ hÖ thÊu kÝnh. Cã hai lý do chÝnh lµ: Tr−íc hÕt lµ ®Ó tËp hîp ¸nh s¸ng tõ mét tia s¸ng ®¬n lÎ sÏ ®Õn mçi ®iÓm kh¸c nhau trong mÆt ph¼ng ¶nh d−íi phÐp chiÕu lç lý t−ëng. Thùc tÕ c¸c lç tÊt nhiªn cã mét kÝch th−íc h÷u h¹n, v× vËy mçi ®iÓm trong mÆt ph¼ng ¶nh ®−îc chiÕu bëi mét h×nh nãn cña nh÷ng tia s¸ng tr−¬ng mét gãc ®Æc h÷u h¹n. Lç lín h¬n h×nh nãn réng h¬n vµ ¶nh s¸ng h¬n, nh−ng mét pinhole lín sÏ cho ¶nh kh«ng râ nÐt. Lµm co lç t¹o ra ¶nh s¾c nÐt, nh−ng lµm gi¶m sè l−îng ¸nh s¸ng ®Õn mÆt ph¼ng ¶nh, vµ cã thÓ ®−a ®Õn hiÖu øng nhiÔu x¹. Lý do chÝnh thø hai lµ khi sö dông mét thÊu kÝnh sÏ gi÷ ¶nh s¾c nÐt trong khi tËp hîp ®−îc ¸nh s¸ng tõ mét vïng lín. Bá qua sù nhiÔu x¹, giao thoa vµ c¸c hiÖn t−îng quang häc vËt lý kh¸c, ho¹t ®éng cña thÊu kÝnh tu©n theo c¸c ®Þnh luËt quang h×nh. Ta minh ho¹ qu¸ tr×nh t¹o ¶nh cña ®iÓm P qua thÊu kÝnh máng trong h×nh 1.3a. Ta cã ®−îc ph−¬ng tr×nh 1.2 ®Ó tÝnh vÞ trÝ ¶nh P’ 1 1 1 − = z' z f ë ®ã f = (1.2) R lµ tiªu cù cña thÊu kÝnh. 2(n − 1) (a) (b) H×nh 1.3 Qu¸ tr×nh t¹o ¶nh qua thÊu kÝnh máng (a) vµ thÊu kÝnh dÇy (b) Ta thÊy r»ng ph−¬ng tr×nh thÓ hiÖn qua hÖ vÞ trÝ cña P vµ P’ lµ chÝnh x¸c gièng nh− phÐp chiÕu phèi c¶nh lç nÕu ta lÊy z’=f’. Tõ P vµ P’ n»m trªn ®−êng th¼ng xuyªn qua t©m cña thÊu kÝnh vµ c¸c ®iÓm ë vÞ trÝ –z chØ héi tô s¾c nÐn khi mÆt ph¼ng ¶nh ë vÝ trÝ z’. Khi z → −∞ , lµ c¸c vËt nh− c¸c v× sao, sÏ ®−îc ¶nh t¹i vÞ trÝ -6- Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh c¸ch t©m thÊu kÝnh mét kho¶ng lµ f. Hai ®iÓm F vµ F’ t¹i vÞ trÝ c¸ch t©m thÊu kÝnh mét kho¶ng f trªn quang trôc ®−îc gäi lµ hai tiªu ®iÓm cña thÊu kÝnh. Trong thùc tÕ khi ¸nh s¸ng ®Õn thÊu kÝnh bÞ khóc x¹ trªn biªn giíi ph¶i sÏ kh«ng lËp tøc khóc x¹ tiÕp trªn biªn giíi tr¸i mµ gi÷a hai qu¸ tr×nh khóc x¹ trªn nã ph¶i truyÒn qua m«i tr−êng vËt chÊt chÕ t¹o thÊu kÝnh, do ®ã qu¸ tr×nh t¹o ¶nh cña c¸c thÊu kÝnh thùc sÏ kh¸c. M« h×nh hiÖn thùc h¬n cña hÖ quang häc ®¬n gi¶n lµ thÊu kÝnh dÇy. C¸c ph−¬ng tr×nh m« t¶ qu¸ tr×nh t¹o ¶nh cña nã dÔ dµng ®¹t ®−îc tõ ph−¬ng tr×nh khóc x¹ vµ chóng còng gièng nh− c¸c ph−¬ng tr×nh phèi c¶nh lç vµ phÐp chiÕu thÊu kÝnh máng ngo¹i trõ mét sai kh¸c (h×nh 1.3b). NÕu H vµ H’ lµ hai ®iÓm chÝnh cña thÊu kÝnh, th× ph−¬ng tr×nh 1.2 gi÷ nguyªn khi –z (t−¬ng øng lµ z’) lµ kho¶ng c¸ch gi÷a ®iÓm P (t−¬ng øng lµ P’) vµ mÆt ph¼ng chøa ®iÓm H (t−¬ng øng lµ H’) trùc giao víi trôc quang. Trong thùc tÕ, c¸c vËt n»m trong mét ph¹m vi kho¶ng c¸ch héi tô nhá (®−îc gäi lµ chiÒu s©u cña tr−êng hoÆc chiÒu s©u tiªu ®iÓm). ChiÒu s©u tr−êng t¨ng theo sè f cña thÊu kÝnh (sè f lµ tû lÖ gi÷a tiªu cù cña thÊu kÝnh vµ ®−êng kÝnh nã). Tr−êng nh×n cña mét camera lµ phÇn cña kh«ng gian c¶nh mµ thËt sù chiÕu lªn trªn phim cña camera. Nã kh«ng ®−îc ®Þnh nghÜa chØ bëi tiªu cù, mµ cßn phô thuéc vµo vïng cã hiÖu qu¶ cña vâng m¹c (hoÆc vïng phim cã thÓ ®−îc lé s¸ng trong mét camera chôp ¶nh, hoÆc vïng nh¹y CCD trong mét camera sè h×nh 1.4). H×nh 1.4 Minh ho¹ tr−êng nh×n cña camera C¸c thÊu kÝnh ®¬n bÞ mét sè quang sai. T¹i sao vËy? Ta h·y nhí l¹i trong ph−¬ng tr×nh quang h×nh chØ lµ xÊp xØ, cã hiÖu lùc khi gãc α nhá sao cho sinα ≈ α. Cho nh−ng gãc lín h¬n, ta sö dông khai triÓn Taylor bËc 3 thu ®−îc ph−¬ng tr×nh cËn trôc tinh vi h¬n. -7- Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh C¸c hiÖn t−îng t−¬ng tù x¶y ra víi thÊu kÝnh vµ lµ hai lo¹i quang sai cÇu (h×nh 1.5a): XÐt ®iÓm P n»m trªn trôc quang vµ ¶nh cËn trôc P’ cña nã. Kho¶ng c¸ch gi÷a ®iÓm P’ vµ giao ®iÓm cña trôc quang víi víi mét tia xuÊt ph¸t tõ P vµ bÞ khóc x¹ bëi thÊu kÝnh ®−îc gäi lµ quang sai cÇu däc cña tia. NÕu mÆt ph¼ng ¶nh ∏’ ®−îc dùng trªn P’, tia khóc x¹ sÏ c¾t mÆt ph¼ng nµy t¹i ®iÓm c¸ch trôc quang mét kho¶ng ®−îc gäi lµ quang sai cÇu ngang cña tia nµy. §ång thêi, tÊt c¶ c¸c tia xuyªn qua P vµ bÞ khóc x¹ bëi thÊu kÝnh t¹o thµnh mét h×nh trßn rèi lo¹n. KÝch th−íc cña h×nh trßn ®ã thay ®æi khi ta di chuyÓn ∏’ däc theo trôc quang. H×nh trßn cã ®−êng kÝnh nhá nhÊt ®−îc gäi lµ h×nh trßn rèi lo¹n tèi thiÓu, vµ nãi chung lµ kh«ng t¹i vÞ trÝ ®iÓm P’. Bªn c¹nh quang sai cÇu, cã 4 lo¹i quang sai c¬ b¶n kh¸c do sù kh¸c nhau gi÷a quang häc bËc nhÊt vµ bËc 3 lµ: coma, lo¹n thÞ, cong tr−êng vµ mÐo. C¸c ®Þnh nghÜa chÝnh x¸c c¸c kh¸i niÖm nµy v−ît qu¸ khu«n khæ luËn v¨n nay. Nãi chung, gièng nh− quang sai cÇu nã lµm gi¶m chÊt l−îng ¶nh. Sù mÐo lµm thay ®æi h×nh d¹ng cña ¶nh nh− trong h×nh 1.5b. ¶nh h−ëng nµy phï hîp víi thùc tÕ r»ng c¸c vïng kh¸c nhau cña thÊu kÝnh cã tiªu cù kh¸c nhau nhá. Quang sai ph¶i ®−îc kÓ ®Õn n÷a lµ sù ®¬n s¾c (chóng phô thuéc vµo ®¸p øng cña thÊu kÝnh víi c¸c b−íc sãng thay ®æi). Tuy nhiªn, chiÕt suÊt cña m«i tr−êng trong suèt phô thuéc vµo b−íc sãng (h×nh 1.5c) vµ nã kÐo theo ph−¬ng tr×nh thÊu kÝnh máng (1.2) lµ tiªu cù còng phô thuéc vµo b−íc sãng. §iÒu nµy sinh ra hiÖn t−îng s¾c sai: c¸c tia khóc x¹ t−¬ng øng víi c¸c b−íc sãng kh¸c nhau sÏ c¾t trôc quang ë c¸c ®iÓm kh¸c nhau (s¾c sai däc) vµ t¹o ra c¸c ®−êng trßn rèi lo¹n kh¸c nhau trong mÆt ph¼ng ¶nh nh− nhau (s¾c sai ngang). (a) (b) H×nh 1.5 C¸c hiÖn t−îng g©y ra quang sai -8- (c) Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh C¸c quang sai cã thÓ gi¶m thiÓu b»ng c¸ch s¾p xÕp mét vµi thÊu kÝnh ®¬n víi h×nh d¹ng vµ chiÕt suÊt ®−îc chän tèt vµ ®−îc ph©n t¸ch b»ng kho¶ng chÆn thÝch hîp. C¸c thÊu kÝnh phøc t¹p vÉn cã thÓ ®−îc lµm theo c¸c ph−¬ng tr×nh thÊu kÝnh dµy. Chóng l¹i bÞ thªm khuyÕt tËt liªn quan ®Õn thÞ gi¸c m¸y: Chïm s¸ng ph¸t ra tõ c¸c ®iÓm vËt n»m ngoµi trôc bÞ chÆn mét phÇn bëi c¸c kÏ hë gi÷a thÊu kÝnh ®Ó h¹n chÕ quang sai (h×nh 1.6). H×nh 1.6 HiÖn t−îng vignetting HiÖn t−îng nµy ®−îc gäi lµ lµm mê nÐt ¶nh (vignetting), sinh ra do sù chiÕu s¸ng gi¶m t¹i mÐp ¶nh. HiÖn t−îng nµy cã thÓ n¶y sinh vÊn ®Ò cho c¸c ch−¬ng tr×nh ph©n tÝch ¶nh tù ®éng, nh−ng nã kh«ng quan träng trong chôp ¶nh nhê sù trî gióp cña m¾t ng−êi kh«ng c¶m gi¸c râ rµng c¸c ®é dèc chiÕu s¸ng mÞn. M¾t ng−êi ë ®©y ta m« t¶ v¾n t¾t vÒ cÊu tróc gi¶i phÉu cña m¾t. H×nh 1.7 (tr¸i) lµ mét ph¸c ho¹ mÆt ®−îc c¾t th¼ng ®øng cña nh·n cÇu bao gåm c¸c thµnh phÇn chÝnh cña m¾t: mèng m¾t vµ con ng−¬i sÏ ®iÒu khiÓn l−îng ¸nh s¸ng xuyªn vµo nh·n cÇu; gi¸c m¹c vµ thÊu kÝnh cïng víi nhau lµm khóc x¹ ¸nh s¸ng ®Ó t¹o ¶nh lªn vâng m¹c vµ cuèi cïng lµ vâng m¹c ë ®ã ¶nh ®−îc t¹o thµnh. MÆc dï nã cã d¹ng h×nh cÇu, nh·n cÇu vÒ chøc n¨ng gièng víi mét camera víi tr−êng nh×n (viÕt t¾t lµ FOV-Field Of View) bao phñ mét vïng 1600 (réng)×135 (cao). Gièng bÊt kú hÖ thèng quang häc kh¸c, nã bÞ quang sai h×nh häc vµ s¾c sai. Mét vµi m« h×nh m¾t ®−îc ®Ò x−íng tu©n theo luËt quang h×nh bËc nhÊt, h×nh 1.7 (ph¶i) minh ho¹ mét trong sè ®ã, m« h×nh m¾t s¬ l−îc cña Helmoltz. ChØ cã ba mÆt khóc x¹ lµ gi¸c m¹c rÊt máng vµ mét thÊu kÝnh ®ång nhÊt. C¸c h»ng sè cho trªn -9- Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh h×nh lµ trong tr−êng hîp m¾t nh×n ë v« cïng (m¾t kh«ng ®iÒu tiÕt). TÊt nhiªn m« h×nh nµy chØ lµ xÊp xØ cña c¸c ®Æc tÝnh quang häc thùc cña m¾t. H×nh 1.7 CÊu t¹o cña m¾t (tr¸i) vµ m« h×nh m¾t Helmoltz (ph¶i) Ta h·y m« t¶ s©u h¬n vÒ c¸c thµnh phÇn cña m¾t. Gi¸c m¹c lµ mét cöa sæ khóc x¹ trong suèt vµ cã ®é cong cao. ¸nh s¸ng tíi m¾t sÏ xuyªn qua nã tr−íc khÝ bÞ ng¨n chÆn mét phÇn bëi mèng m¾t ®ôc. §ång tö m¾t lµ mét lç hæng ë t©m cña mèng m¾t, ®−êng kÝnh cña nã thay ®æi kho¶ng tõ 1 tíi 8 mm t−¬ng øng víi sù thay ®æi cña ®é chiÕu s¸ng, nã d·n ra khi ¸nh s¸ng thÊp ®Ó lµm t¨ng thªm n¨ng l−îng ®Õn vâng m¹c vµ co l¹i trong ®iÒu kiÖn chiÕu s¸ng b×nh th−êng ®Ó giíi h¹n sù mê ¶nh do quang sai cÇu cña m¾t. Kh¶ n¨ng khóc x¹ (nghÞch ®¶o cña tiªu cù) cña m¾t, phÇn lín lµ do hiÖu øng khóc x¹ cña mÆt giao tiÕp kh«ng khÝ – gi¸c m¹c, vµ ®−îc hiÖu chØnh bëi sù biÕn d¹ng cña thuû tinh thÓ sao cho vËt héi tô s¾c nÐt. Trong nh÷ng ng−êi khoÎ m¹nh, nã thay ®æi gi÷a 60 (kh«ng ®iÒu tiÕt) vµ 68 diopter (1 diopter = 1 m-1) t−¬ng øng víi d¶i tiªu cù gi÷a 15 vµ 17 mm. Hình nón Hình que Số tế bào cảm thụ Điểm mù Góc cân đối với điểm vàng (deg) H×nh 1.8 Ph©n bè cña c¸c tÕ bµo h×nh nãn vµ h×nh que trªn vâng m¹c - 10 - Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh B¶n th©n vâng m¹c lµ mét mµng máng ®−îc xÕp thµnh tõng líp c− tró bëi hai lo¹i tÕ bµo nhËn s¸ng – h×nh que vµ h×nh nãn – ®¸p øng víi ¸nh s¸ng cã b−íc sãng tõ 330 tíi 730 (tõ tÝm tíi ®á). C¸c tÕ bµo h×nh nãn kÐm nh¹y s¸ng h¬n vµ chñ yÕu lµ ®Ó nh×n ban ngµy. Chóng cã tr¸ch nhiÖm c¶m nhËn mµu s¾c. Cã ba lo¹i tÕ bµo h×nh nãn t−¬ng øng nh¹y víi c¸c phæ ¸nh s¸ng kh¸c nhau (®á, lôc, lam) gi÷ vai trß chñ ®¹o trong nhËn thøc mµu. Cã kho¶ng 100 triÖu tÕ bµo h×nh que vµ 5 triÖu tÕ bµo h×nh nãn trong m¾t ng−êi. Ph©n bè kh«ng gian cña chóng thay ®æi vÒ hai phÝa cña vâng m¹c. Vïng trung t©m (macula lutea) ë chÝnh gi÷a vâng m¹c ë ®ã tËp trung c¸c tÕ bµo h×nh nãn ®Æc biÖt cao vµ ¶nh ®−îc héi tô s¾c nÐt hÔ khi nµo m¾t tËp trung sù chó ý cña nã vµo mét ®èi t−îng. C¸c tÕ bµo h×nh nãn tËp trung cao nhÊt t¹i ®iÓm vµng (fovea), lµ mét chç lâm gi÷a vïng trung t©m, ®¹t tíi 1.6×105/mm2 (h×nh 1.8). Ng−îc l¹i, kh«ng cã c¸c tÕ bµo h×nh que trong ®iÓm vµng, nh−ng mËt ®é tÕ bµo h×nh que t¨ng vÒ phÝa r×a cña tr−êng nh×n. Còng cã mét ®iÓm mï trªn vâng m¹c, ë ®ã c¸c sîi tÕ bµo h¹ch ®i vµo vâng m¹c vµ t¹o d©y thÇn kinh quang häc. C¸c tÕ bµo h×nh que lµ c¸c tÕ bµo nhËn kÝnh thÝch ¸nh s¸ng cùc kú nh¹y: chóng cã kh¶ n¨ng ®¸p øng víi chØ mét photon, nh−ng chóng ®em ®Õn chi tiÕt kh«ng gian t−¬ng ®èi kÐm bëi v× nhiÒu tÕ bµo h×nh que cïng ®æ vÒ neuron gièng nhau trong vâng m¹c. Tr¸i l¹i, c¸c tÕ bµo h×nh nãn trë thµnh tÝch cùc t¹i møc ¸nh s¸ng cao h¬n, nh−ng tÝn hiÖu lèi ra cña mçi tÕ bµo h×nh nãn trong ®iÓm vµng ®−îc m· ho¸ bëi mét vµi neuron, ®em l¹i ®é ph©n gi¶i cao trong vïng ®ã. C¶m biÕn ¶nh CCD (Charge Couple Device) Nh− chóng ta biÕt Niepce ph¸t minh ra kü thuËt chôp ¶nh tõ ®Çu thÕ kû 19, nh−ng Daguerre míi lµ ng−êi giíi thiÖu nã víi c«ng chóng. Sau hai lÇn cïng céng t¸c trong n¨m 1826, Daguerre tiÕp tôc ph¸t triÓn ph−¬ng ph¸p chôp ¶nh cña riªng m×nh sö dông h¬i thuû ng©n ®Ó khuÕch ®¹i vµ ®Ó lé ra ¶nh ®−îc t¹o trªn miÕng ®ång m¹ b¹c ®−îc b«i i-èt. PhÐp chôp ¶nh Daguerre ngay lËp tøc thµnh c«ng khi Arago biÓu diÔn ph−¬ng ph¸p Daguerre ë viÖn hµn l©m khoa häc Ph¸p n¨m 1839. Nh÷ng cét mèc kh¸c trong lÞch sö l©u dµi cña ph−¬ng ph¸p chôp ¶nh bao gåm ph−¬ng ph¸p tÊm −ít ©m/d−¬ng cña Legray vµ Archer n¨m 1850, ph−¬ng ph¸p gelatin (chÊt láng trong suèt kh«ng cã vÞ ®Ó chÕ t¹o phim ¶nh) cña Maddox n¨m 1870, Eastman giíi - 11 - Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh thiÖu phim chôp ¶nh n¨m 1889, vµ ph¸t minh kü thuËt ®iÖn ¶nh (cinema) cña Lumiere n¨m 1895 vµ chôp ¶nh mµu n¨m 1908. V« tuyÕn truyÒn h×nh (viÕt t¾t lµ TV) ®−îc ph¸t minh vµo nh−ng n¨m 20 cña thÕ kû 20 ®· trë thµnh yÕu tè chÝnh thóc ®Èy sù ph¸t triÓn cña c¸c bé c¶m biÕn ®iÖn tö. Vidicon lµ mét lo¹i èng ch©n kh«ng TV phæ biÕn. Nã lµ mét vá bäc b»ng thuû tinh cã mét sóng ®iÖn tö ë mét ®Çu vµ mét mµn h×nh (faceplate) ë ®Çu kia. PhÝa sau cña mµn h×nh ®−îc phñ mét líp mµng máng chÊt quang dÉn l¹i phñ lªn mét film kim lo¹i trong suèt tÝch ®iÖn d−¬ng. Sù phñ kÐp nµy t¹o thµnh bia. èng ®−îc bao quanh bëi c¸c cuén héi tô vµ l¸i ®Ó quÐt bia lÆp ®i lÆp l¹i b»ng chïm ®iÖn tö ®−îc ph¸t ra tõ sóng. Chïm nµy ®Æt mét líp ®iÖn tö lªn bia ®Ó c©n b»ng ®iÖn tÝch d−¬ng cña nã. Khi mét vïng nhá cña mµn h×nh ®−îc chiÕu s¸ng, c¸c ®iÖn tö ch¹y xuyªn qua lµm x¶ hÕt ®iÖn tÝch côc bé cña bia. Khi chïm ®iÖn tö quÐt vïng nµy, nã thay thÕ c¸c ®iÖn tö ®· mÊt, t¹o ra dßng ®iÖn tØ lÖ víi c−êng ®é ¸nh s¸ng tíi. Sù thay ®æi cña dßng ®iÖn sau ®ã ®−îc chuyÓn ®æi thµnh tÝn hiÖu h×nh ¶nh b»ng m¹ch vidicon. Vidicon vµ c¸c thiÕt bÞ cïng hä ®−îc dïng ®Õn tËn ®Çu nh÷ng n¨m 1980 trong mäi øng dông truyÒn h×nh, bao gåm camera qu¶ng b¸, camera x¸ch tay, camera theo dâi. C¸c camera CCD (Charge Couple Device) ®−îc ®Ò xuÊt n¨m 1970 vµ ®· thay thÕ c¸c camera vidicon trong hÇu hÕt c¸c øng dông hiÖn ®¹i. C¶m biÕn CCD sö dông mét l−íi h×nh ch÷ nhËt cña c¸c ®iÓm (site) thu thËp ®iÖn tö phñ trªn mét ®Õ silic máng ®Ó ghi l¹i n¨ng l−îng ¸nh s¸ng ®Õn mçi ®iÓm trong chóng (h×nh 1.15). Mçi mét ®iÓm ®−îc t¹o thµnh b»ng c¸ch cÊy mét líp SiO2 trªn ®Õ vµ sau ®ã l¾ng ®äng mét cÊu tróc cæng dÉn lªn trªn. Khi photon ®Ëp vµo silic, th× cÆp ®iÖn tö lç trèng ®−îc t¹o ra (chuyÓn ®æi quang) vµ ®iÖn tö bÞ b¾t gi÷ b»ng giÕng ®iÖn thÕ ®−îc t¹o thµnh bëi t¸c ®éng cña mét ®iÖn thÕ d−¬ng ë cæng t−¬ng øng. C¸c ®iÖn tö ®−îc t¹o ra ë mçi ®iÓm ®−îc tËp hîp qua mét chu kú thêi gian T cè ®Þnh. C¸c ®iÖn tÝch ®−îc l−u tr÷ ë nh÷ng ®iÓm riªng biÖt sÏ ®−îc di chuyÓn sö dông c¸ch m¾c tÝch n¹p ®iÖn (charge coupling): C¸c gãi ®iÖn tÝch ®−îc truyÒn tõ ®iÓm nµy ®Õn ®iÓm kia b»ng c¸ch vËn chuyÓn c¸c ®iÖn thÕ cæng vµ b¶o tån c¸c gãi riªng biÖt. ¶nh ®−îc ®äc ra khái CCD mét hµng mét lÇn, mçi hµng ®−îc truyÒn song song - 12 - Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh tíi mét thanh ghi lèi ra nèi tiÕp. Gi÷a hai lÇn ®äc hµng, thanh ghi truyÒn mét « ®iÖn tÝch cña nã mét lÇn (h×nh 1.9) tíi mét bé khuÕch ®¹i lèi ra t¹o ra mét tÝn hiÖu tû lÖ víi ®iÖn tÝch nã nhËn ®−îc. Qu¸ tr×nh nµy tiÕp tôc cho tíi khi toµn bé ¶nh ®· ®−îc ®äc ra. Nã cã thÓ ®−îc lÆp l¹i 30 lÇn trong mét gi©y (tèc ®é TV) cho c¸c øng dông ghi h×nh hoÆc ë tèc ®é thÊp h¬n nhiÒu, bá ®i nhiÒu thêi gian (gi©y, phót, thËm chÝ hµng giê) ®Ó thu thËp ®iÖn tö trong c¸c øng dông møc s¸ng thÊp nh− thiªn v¨n häc. L−u ý r»ng lèi ra sè cña hÇu hÕt c¸c CCD camera ®−îc chuyÓn ®æi bªn trong thµnh mét tÝn hiÖu ghi h×nh t−¬ng tù tr−íc khi ®−îc chuyÓn tíi mét bé b¾t h×nh (frame grabber) ë ®ã t¹o dùng ¶nh sè cuèi cïng. Truyền hàng Mảng các điểm thu Thanh ghi dịch Truyền pixel H×nh 1.9 ThiÕt bÞ CCD C¸c CCD camera mÇu cÊp ®é d©n dông thùc chÊt sö dông c¸c chip gièng nh− c¸c camera ®en tr¾ng, chØ kh¸c lµ c¸c hµng hoÆc c¸c cét liªn tiÕp cña c¶m biÕn ®−îc t¹o ra nh¹y c¶m víi ¸nh s¸ng ®á, lôc hoÆc lam th−êng sö dông mét bé läc phñ ®Ó bï ¸nh s¸ng. C¸c mÉu läc kh¸c cã thÓ thùc hiÖn ®−îc bao gåm c¸c khèi kh¶m (mosaic) 2×2 ®−îc t¹o bëi c¸c bé c¶m nhËn hai lôc, mét ®á vµ mét lam (mÉu Bayer). §é ph©n gi¶i kh«ng gian cña camera mét CCD tÊt nhiªn lµ cã giíi h¹n, c¸c camera chÊt l−îng cao h¬n sö dông mét bé chia chïm tia ®Ó chuyÓn ¶nh tíi 3 CCD kh¸c nhau th«ng qua c¸c bé läc mµu. C¸c kªnh mµu riªng biÖt sau ®ã ®−îc sè ho¸ hoÆc lµ riªng biÖt (lèi ra RGB) hoÆc kÕt hîp thµnh tÝn hiÖu ghi h×nh mµu hçn hîp (NTSC, SECAM hoÆc PAL) hoÆc thµnh ®Þnh d¹ng ghi h×nh thµnh phÇn t¸ch rêi th«ng tin mµu vµ ®é chiÕu s¸ng. - 13 - Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh Qu¸ tr×nh sè ho¸ ¶nh vµ c¸c bé xö lý C¸c tÝn hiÖu h×nh ¶nh tõ CCD sÏ ®−îc sè ho¸ qua c¸c bé b¾t h×nh råi ®−a tiÕp vµo bé xö lý. H×nh 1.10 lµ cÊu tróc c¬ b¶n cña mét bé b¾t h×nh. Điều khiển Xung nhịp pixel Xung đồng bộ ra Tách xung đồng bộ Trích-giữ mẫu & A/D Số liệu Bộ đệm hình ảnh FIFO Điều khiển Đồng bộ/ thời gian (PLL) Địa chỉ Điều khiển BUS Dồn kênh tín hiệu vào Đồng bộ dòng/mành Tín hiệu video Máy phát xung đồng bộ H×nh 1.10 CÊu t¹o cña bé b¾t h×nh (frame grabber). TÝn hiÖu video ®−îc ®−a ®Õn bé t¸ch c¸c xung ®ång bé dßng vµ mµnh ra khái tÝn hiÖu thÞ tÇn h×nh ¶nh. Tuú theo chuÈn video mµ m¹ch trÝch gi÷ mÉu tÝn hiÖu sÏ trÝch 767 pixel trªn mét dßng cho chuÈn CCIR vµ 647 pixel trªn mét dßng cho chuÈn EIA ®Ó sè ho¸ chóng. Khi bé b¾t h×nh ®−îc nèi víi bus më réng cã tèc ®é chËm nh− bus ISA th× cÇn ph¶i sö dông c¸c bé nhí phô trªn b¶n m¹ch nh−ng khi nèi víi c¸c bus nhanh nh− PCI th× chØ cÇn bé nhí ®Öm FIFO ®Ó ®Öm cho mét dßng quÐt. Th−êng sau khi tÝn hiÖu video vµo ®Õn bé b¾t h×nh, cÇn ®Õn 3 khung ¶nh ®Ó khëi ®éng. C¸c bé xö lý cã thÓ lµ c¸c m¹ch vi xö lý chuyªn dông (DSP), vi ®iÒu khiÓn hoÆc c¸c m¸y vi tÝnh PC. Ngoµi nhiÖm vô thu thËp d÷ liÖu, chóng cã nhiÖm vô xö lý c¸c d÷ liÖu nµy b»ng c¸c ch−¬ng tr×nh ®−îc nhóng trong bé xö lý hoÆc ch¹y trªn c¸c m¸y PC. Mét vi ®iÒu khiÓn (microcontroller) lµ mét m¸y tÝnh trªn mét chip (computer-on-a-chip, single-chip computer). Th−êng c¸c vi ®iÒu khiÓn cßn ®−îc gäi lµ c¸c bé ®iÒu khiÓn nhóng (embedded controller) v× r»ng chóng vµ c¸c m¹ch ®iÖn hç trî th−êng ®−îc thiÕt kÕ l¾p ®Æt (nhóng) ngay bªn trong c¸c thiÕt bÞ ®−îc ®iÒu khiÓn. HiÖn cã rÊt nhiÒu lo¹i vi ®iÒu khiÓn ®−îc s¶n xuÊt nh− hä 80x51, - 14 - Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh MC68HCxx, Basic Stamp hay PSoC. Mét vi ®iÒu khiÓn t−¬ng tù nh− mét vi xö lý bªn trong mét m¸y tÝnh c¸ nh©n. C¶ hai lo¹i, vi xö lý vµ vi ®iÒu khiÓn ®Òu chøa mét ®¬n vÞ xö lý trung t©m CPU cã nhiÖm vô ch¹y c¸c lÖnh cho phÐp thùc hiÖn c¸c chøc n¨ng logic, to¸n häc vµ chuyÓn sè liÖu c¬ b¶n trong m¸y tÝnh. §Ó t¹o mét m¸y tÝnh hoµn chØnh, ngoµi vi xö lý cßn ph¶i cã bé nhí ®Ó l−u tr÷ sè liÖu vµ ch−¬ng tr×nh, c¸c ghÐp nèi vµo/ra. Ng−îc l¹i, mét vi ®iÒu khiÓn lµ mét m¸y tÝnh trªn mét chip nghÜa lµ nã chøa c¶ bé nhí vµ giao diÖn vµo/ra bªn c¹nh CPU. Tuy nhiªn, v× cÇn ®−îc thiÕt kÕ chØ trªn mét chip nªn l−îng bé nhí vµ c¸c giao diÖn vµo/ra trong vi ®iÒu khiÓn ®−îc thiÕt kÕ nhá. M« h×nh c¶m biÕn §Ó ®¬n gi¶n, ta h¹n chÕ sù chó ý tíi c¸c CCD camera ®en tr¾ng: c¸c camera mµu cã thÓ ®−îc gi¶i quyÕt t−¬ng tù b»ng c¸ch xem xÐt mçi kªnh mµu riªng biÖt vµ tÝnh ®Õn hiÖu øng läc mµu. Gäi I lµ sè c¸c ®iÖn tö ghi ®−îc t¹i tÕ bµo cã vÞ trÝ ë hµng r vµ cét c cña m¶ng CCD th× I cã thÓ ®−îc m« h×nh lµ: I (r , c) = T ∫λ ∫p∈S ( r ,c ) E ( p, λ ) R( p)q (λ )dpdλ , (1.3) ë ®ã T lµ thêi gian thu thËp ®iÖn tö vµ tÝch ph©n ®−îc tÝnh trªn miÒn kh«ng gian S(r,c) cña tÕ bµo vµ d¶i b−íc sãng mµ ®¸p øng cña CCD kh¸c kh«ng. Trong tÝch ph©n E lµ c«ng suÊt trªn ®¬n vÞ diÖn tÝch vµ ®¬n vÞ b−íc sãng ®Õn ®iÓm p, R lµ ®¸p øng kh«ng gian cña ®iÓm, vµ q lµ hiÖu øng l−îng tö cña thiÕt bÞ. Trong tr−êng hîp tæng qu¸t, E vµ q phô thuéc vµo b−íc sãng ¸nh s¸ng λ, vµ E vµ R phô thuéc vµo vÞ trÝ ®iÓm p trong S(r,c). Bé khuÕch ®¹i lèi ra cña CCD chuyÓn ®æi ®iÖn tÝch ®−îc thu thËp t¹i mçi ®iÓm thµnh ®iÖn ¸p cã thÓ ®o l−êng ®−îc. Trong hÇu hÕt c¸c camera, ®iÖn ¸p nµy sau ®ã ®−îc chuyÓn ®æi thµnh mét tÝn hiÖu ghi h×nh ®−îc läc th«ng thÊp cã biªn ®é tû lÖ víi I. ¶nh t−¬ng tù cã thÓ ®−îc chuyÓn ®æi l¹i mét lÇn n÷a thµnh ¶nh sè sö dông mét khèi b¾t h×nh ë ®ã lÊy mÉu kh«ng gian vµ l−îng tö ho¸ gi¸ trÞ chiÕu s¸ng ë mçi ®iÓm ¶nh hoÆc gäi lµ pixel (hoÆc thµnh phÇn ¶nh – picture element). - 15 -