Đồ án Mô hình Diafram điều khiển tự động

LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, sự phát triển như vũ bão của nghành công nghiệp điện tử, nghành công nghiệp công nghệ thông tin đòi hỏi nghành công nghiệp cơ khí chế tạo máy cũng phải có bước phát triển tương xứng. Sự kết hợp các nghành này đã sản xuất ra hàng loạt các sản phẩm hiện đại trong tất cả các lĩnh vực phục vụ cho cuộc sống ngày càng văn minh của con người. Các sản phẩm này, từ các thiết bị đo lường, nghe nhìn, điện tử tin học cho đến các dây chuyền sản xuất hiện đại, lại là sự kết hợp giữa các nghành điện – điện tử - tin học – cơ khí và một nghành nữa, có trong hầu hết các sản phẩm hiện đại, đó là chuyên nghành quang – quang điện tử. Có thể nói, trong các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn, mẫu mã đẹp đều sử dụng kỹ thuật quang – quang điện tử. Hơn nữa, sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp vi điện tử và bán dẫn sản xuất nên các cảm biến quang rất đa dạng với kích thước rất nhỏ và giá thành của các sản phẩm này thì lại rất rẻ. Điều này đặc biệt thuận lợi cho việc học tập, nghiên cứu, từ đó đưa ra được các sản phẩm mới, có thể được đưa vào sản xuất và được chấp nhận bỏi người tiêu dùng cũng như xã hội trong điều kiện đất nước còn nghèo. Mô hình Diafram điều khiển tự động trong đồ án tốt nghiệp này cũng không ngoài mục đích trên. Mô hình này cũng dựa trên tư tưởng kết hợp giữa điện, điện tử, cơ và sử dụng quang trở làm cảm biến, điều khiển trực tiếp bằng ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên, do giới hạn trong khuôn khổ một đồ án tốt nghiệp, thời gian không nhiều và trình độ hạn chế nên ở mặt này, mặt kia chắc chắn không thể không có sai sót. Rất mong nhận được sự chỉ giáo của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn CKCX-QH, cũng như tất cả những ai hiểu biết về lĩnh vực này. Tác giả xin được cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn CKCX-QH đã chỉ bảo trong quá trình học tập và thiết kế tốt nghiệp. Đặc biệt, tác giả xin được cảm ơn thầy giáo Chu Tiến Rảo đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn trong quá trình thiết kế tốt nghiệp. Hà Nội, tháng 05 – 2006. Dương Hồng Cang MỤC LỤC Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH 1.1. TỔNG QUÁT VỀ CAMERA 1.1.1. Sơ đồ khối của camera 1.1.1.1. Ống kính (lens) Hầu hết các máy quay, dù là dùng phim nhựa hay dùng băng video, ống kính là một trong những khối quan trọng nhất. Trong máy quay phim nhựa, hình ảnh qua ống kính được ghi lên phim; trong máy quay video, hình ảnh được ghi lên bia ống ghi (hình 1-2) hay lên chíp CCD (hình 1-3), sau đó được đổi từ dạng quang thành tín hiệu điện. Ống kính, gồm nhiều thấu kính, tập trung ánh sáng rọi vào trên một mặt, gọi là mặt phẳng tiêu (focal plane). Bia ảnh (target) của ống ghi được đặt tại mặt phẳng tiêu và tiêu cự (focus length) là khoảng cách từ tâm quang của ống kính đến mặt phẳng tiêu. Máy quay video thường được lắp ống kính zoom, đây là loại ống kính mà tiêu cự tác dụng của nó có thể thay đổi trong một phạm vi. Tỷ số 6:1 có thể thực hiện tiêu cự từ 11 đến 66mm. 1.1.1.2. Các kính lọc (filter) Như đối với máy quay phim nhựa, máy quay video cũng dùng các kính lọc. Hầu hết các máy quay đều sử dụng kính lọc hiệu chỉnh nhiệt độ màu sẵn có để đổi màu ánh sáng trong nhà/ngoài trời. Ngoài kính lọc này, máy quay video còn dùng các kính lọc khác trên đường ánh sáng, nằm giữa thấu kính và ống ghi. Kính lọc này thường được ghép với khóa điện định mức trắng để tạo độ tán tiêu (defocusing) chính xác từ hình ảnh đưa vào. Điều này cung cấp cho ống ghi ánh sáng trắng dịu (soft) vốn là sự phối hợp của tất cả ánh sáng và các màu sắc đưa vào. Lúc đó mạch hiệu chỉnh (mạch định mức trắng) có thể thiết lập một sự hòa trộn chính xác các màu ĐỎ, LỤC và DƯƠNG theo yêu cầu để cung cấp sự cân bằng màu toàn thể cho cảnh quan. Tùy vào ống ghi, người ta sử dụng hai loại kính lọc căn bản. Kính lọc loại bỏ tia hồng ngoại (infrared cut filter) và kính lọc cho qua ánh sáng thấp (low pass filter). 1.1.1.3. Ống ghi và chíp CCD (pick-up tube & CCD chip) Ống ghi dùng trong camera màu gồm 4 loại căn bản: VIDICON, NEWVICON, SATICON, và TRINICON. Trong các camera đời mới, người ta dùng chíp CCD (charge coupled device: linh kiện kết nối điện tích) thay cho ống ghi. 1.1.1.4. Mạch tiền khuyếch đại Mạch tiền khuyếch đại là mạch khuyếch đại có tạp âm thấp, trở kháng ngả vào cao, nhận thông tin hình ảnh thô hiện lên bia của ống ghi và khuyếch đại chúng đến một mức dùng được để đưa vào mạch xử lý và mạch mã hóa màu. 1.1.1.5. Mạch kích thích chíp CCD (CCD driver) CCD là một chíp có tác dụng chuyển đổi ánh sáng đưa vào thành tín hiệu điện (gọi là “tín hiệu điện tích”). Mạch kích thích chíp CCD, còn gọi là mạch cảm biến, dùng để tạo ra các loại xung định thời khác nhau kích thích khối CCD nhằm thực hiện việc tích điện và truyền sự hoạt động trong CCD. Mạch còn xử lý tín hiệu trước tín hiệu CCD ra, loại bỏ các thành phần nhiễu, chỉnh độ lợi tự động (AGC), chỉnh hệ số tương phản (gamma). 1.1.1.6. Mạch xử lý và mã hóa màu (process & encoding circuit) Trong sơ đồ khối, mạch xử lý và mã hóa màu bao gồm nhiều mạch điện. Mạch xử lý tín hiệu độ chói, xử lý tín hiệu độ màu, mạch AGC, ALC (tự chỉnh độ lợi, tự chỉnh ánh sáng), tạo tín hiệu NTSC, chỉnh cân bằng mức trắng, xử lý âm thanh, và mạch cảm nhận tín hiệu hình phát lại ra. 1.1.1.7. Nguồn cấp điện (power supply) Trong camera dùng ống ghi (pick-up tube), người ta sử dụng 2 nguồn cấp điện, nguồn cấp điện thế cao (HV, <2000V) cung cấp cho CRT ống ghi và cả CRT ống ngắm điện tử (EVF – electronic viewfinder), nếu có. Trong hầu hết các trường hợp, nguồn điện thế cao này lấy từ phần quét ngang, khá giống máy thu hình tiêu chuẩn. Nguồn điện thế thấp (LV) gồm có một hay nhiều nguồn ổn thế, lấy từ chuẩn 12VDC đưa vào camera, cấp điện cho các mạch khác nhau. Với camera dùng chíp CCD, không cần có điện cao cung cấp cho ống ghi, nên người ta sử dụng nguồn DC 12V. Nguồn 12VDC này được cho qua mạch chuyển đổi DC-DC, lấy ra các mức 3,5V; 5V; 8V; 9V; 15V cấp cho các mạch điện. 1.1.1.8. Mạch tạo xung đồng bộ (sync generator) Do camera màu được vận hành từ điện DC và là nguồn phát tín hiệu hình (truyền tín hiệu TV), chúng phải tự tạo cho mình độ ổn định, trang bị mạch phát đa chức năng để cung cấp các tín hiệu hàng dọc, hàng ngang, chuẩn màu, xóa đường hồi, và các mạch khác cần có để tạo ra tín hiệu hình NTSC ổn định. Thông thường mạch này được thực hiện trong một IC MOS chuyên dùng với sự điều khiển của mạch dao động thạch anh. 1.1.1.9. Kính ngắm (view finder) Một số camera kiểu cũ, dùng kính ngắm quang học (optical viewfinder), loại này nhìn thấy cảnh vật trong phạm vi của kính ngắm, không có sự kết nối với ống kính. Cải thiện hơn, người ta dùng kính ngắm xuyên ống kính (TTL viewfinder). Ảnh của đối tượng thu vào ống kính được lăng kính chia thành 2 đường, một vào kính ngắm và một vào bia ảnh ống ghi. Hai loại trên là kiểu kính ngắm dạng quang, hiện nay ít dùng; mà hầu như tất cả đều dùng kính ngắm điện tử (EVF – electronic viewfinder), loại này không những cho phép nhìn cảnh trí trung thực, mà còn được sử dụng như một minitor để kiểm tra chất lượng hình ảnh vừa ghi. 1.1.1.10. Các mạch điều khiển (control circuits) Các mạch điều khiển có thể đơn giản như điều khiển GHI/TẠM DỪNG và phức tạp như điều khiển tuyến dữ liệu nối tiếp do bộ vi xử lý tạo ra, cung cấp đầy đủ các chức năng điều khiển VCR từ xa. Mở cảnh (fade in) và đóng cảnh (fade out), tiêu đề video (video title), chỉ thị thời gian hoạt động (elapsed time), đảo hình (reverse video), chỉ thị chế độ của hệ thống (system status), tăng/giảm AGC (AGC switching), và chỉnh nguồn sáng sau lưng (back light) là tất cả các ví dụ về các đặc tính điều khiển sẵn có trên các máy quay khác nhau. 1.1.2. Nguyên tắc hoạt động của camera Như mắt người, khi camera thu một cảnh tự nhiên, nó phải đưa ảnh đó vào đúng tiêu cự. Ngày nay, hầu hết camera đều sử dụng bộ cảm biến ghép điện tích CCD. Tín hiệu ánh sáng từ đối tượng quay sau khi đi qua hệ thấu kính, qua Diafram để điều chỉnh độ rọi được in lên mặt ghi hình trong các camera dùng ống ghi hay in lên mặt mạch cảm ứng như các camera dùng CCD hoặc CMOS để chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện sau đó ghi lên thiết bị nhớ. 1.2. CẢM BIẾN TRONG CAMERA Bộ cảm biến trong camera thực hiện hai nhiệm vụ: -Biến đổi ảnh quang thành ảnh điện tử. -Quét ảnh điện tử và phân phối tín hiệu điện tử. Hiện nay hầu hết các camera hiện đại dùng các bộ cảm biến CCD. 1.2.1. Thiết bị ghép điện tích (CCD) CCD là một thiết bị gồm các mạch tích hợp thực hiện hai quá trình cảm thụ ảnh: lưu trữ và đọc ra (quét). CCD được thiết kế trên một mảng tế bào hai chiều giống như các điểm ảnh. Mỗi tế bào trong mảng CCD có hai chế độ. Chế độ lưu trữ, ở chế độ này điện tử được nạp và tích tụ trong tế bào tương ứng với năng lượng ánh sáng tác động lên tế bào. Chế độ chuyển, ở đây các điện tử được nạp trong tế bào có thể di chuyển đến một tế bào gần kề, cả hàng ngang cũng như hàng dọc theo cấu trúc của tế bào. Chế độ chuyển cả dòng tế bào, thậm chí cả mảng tế bào hai chiều, được thực hiện đồng thời để từng bước thực hiện chuyển nội dung nạp của các dòng, các hàng tế bào hoặc toàn bộ hình ảnh. Nói chung, các CCD gồm có hai mảng tế bào: một là vùng tạo ảnh, hai là vùng đọc được lớp che phủ ánh sáng ngăn cách. Chế độ chuyển đạt được sử dụng để di chuyển ảnh điện tử từ vùng tạo ảnh sang vùng đọc (thường ở trong chu kỳ xóa dòng). Trong thời gian tích cực của ảnh, vùng tạo ảnh được đặt trong chế độ lưu trữ, còn vùng đọc sử dụng chế độ chuyển đạt để chuyển phần ảnh được nạp tới cổng ra. 1.2.2. Cấu trúc CCD CCD bao gồm ba cấu trúc cơ bản được sử dụng rộng rãi trong các camera hiện đại. Sự khác nhau giữa các cấu trúc CCD là cách thức bố trí vùng tạo ảnh, vùng đọc và cách thức chuyển đạt. 1.2.2.1. Cấu trúc chuyển khung (FT – Frame Transfer) Hình 1-4 là một cấu trúc chuyển khung FT. Vùng tạo ảnh được đặt trên vùng đọc. Vùng đọc được che khuất bởi một lớp phủ để không cho ánh sáng tác động vào. Chức năng lưu trữ được thực hiện ở vùng tạo ảnh trong khoảng thời gian tích cực của ảnh. Trong khoảng thời gian xóa mành, toàn bộ vùng lưu trữ được chuyển vào vùng đọc theo chiều dọc. Các tế bào của mỗi dòng được chuyển xuống đồng thời một dòng và quá trình này lặp lại cho mỗi dòng của ảnh. Nếu ảnh có 480 dòng, sẽ có 480 quá trình truyền trong khoảng thời gian một mành. Trong khoảng thời gian xóa dòng, một dòng tại một thời điểm trong vùng đọc được chuyển theo chiều dọc tới mảng đọc của một dòng ngang. Còn trong khoảng thời gian dòng tích cực, mảng ngang được khóa để chuyển các điểm ảnh sang bên phải đến đầu ra video. Do quá trình tích nạp trong vùng ảnh không thể dừng lại khi đang chuyển tới vùng đọc, hơn nữa, quá trình chuyển này phải mất một lượng thời gian xác định (cỡ 1ms) nên hiệu ứng “vết chuyển” sẽ xuất hiện trên và dưới vùng sáng rõ của ảnh. Trong camera CCD ứng dụng cấu trúc chuyển khung, hệ thống quang học cần đến một cơ cấu cơ học đặc biệt để loại bỏ hiệu ứng này. Trên thực tế, bộ tạo ảnh FT ít được sử dụng trong các camera ghi hình chất lượng cao. 1.2.2.2. Cấu trúc chuyển liên dòng (IT – Interline Transfer) Hình 1.5 mô tả cấu trúc chuyển liên dòng IT. Cấu trúc này được xây dựng theo kiểu chèn mảng tạo ảnh và mảng đọc theo chiều ngang lần lượt trên cơ sở một điểm ảnh, nhằm tạo ra chip có kích thước nhỏ hơn cấu trúc chuyển khung. Ảnh quang được tập trung trên toàn bộ vùng này. Các tế bào đọc được che khuất về phương diện quang học, ánh sáng từ ảnh chiếu đến các vùng này sẽ bị mất, vì vậy độ nhậy của chíp sẽ giảm xuống. Trong một số CCD cấu trúc chuyển liên dòng, một mảng vi thấu kính được đặt lên các tế bào và như vậy sẽ khôi phục được độ nhạy của chip. Tất nhiên sử dụng vi thấu kính sẽ làm tăng giá thành của thiết bị, song đó là biện pháp khá hữu hiệu để nâng cao độ nhạy của chip CCD. Quá trình lưu trữ trong cấu trúc chuyển liên dòng xẩy ra ở mọi thời điểm trừ khi chuyển dòng. Quá trình nạp vào các tế bào được truyền theo hàng ngang tới mảng đọc. Trong khoảng xóa dòng, mảng đọc được dịch xuống dưới một dòng cho mảng đọc ngang, mảng đọc sau đó sẽ bị khóa lại trong khoảng thời gian tích cực của dòng để đưa đến đầu ra video. Cấu trúc CCD chuyển liên dòng thường không cần đến cơ cấu cơ học phức tạp để loại bỏ “vết chuyển”. Tuy nhiên điều tương tự như trong CCD chuyển khung với chỗ sáng nhất do sự che khuất quang học của các tế bào đọc được chèn không hoàn hảo. Hiệu ứng này có thể gây nên những đường dọc xuất hiện ở vùng sáng nhất của ảnh. 1.2.2.3. Cấu trúc chuyển liên dòng – khung (FIT – Frame Interline Transfer) Hình 1.6 mô tả cấu trúc FIT, kết hợp các đặc điểm của hai cấu trúc FT và IT. Trong thời gian xóa mành, toàn bộ ảnh được chuyển tới các thanh ghi đã được chèn, sau đó được chuyển tiếp xuống mảng đọc. Trong thời gian tích cực của ảnh, quá trình đọc xẩy ra giống như trong cấu trúc FT. Do toàn bộ quá trình chuyển của mảng tạo ảnh xẩy ra với khoảng thời gian rất bé (khoảng thời gian xóa mành) và ngay trong các thanh ghi bị che quang, nên không cần thiết phải có cơ cấu để loại bỏ “vết chuyển” và cũng không xẩy ra vấn đề gì đối với vùng sáng nhất. Có thể nói đây là cấu trúc thích hợp nhất cho các camera chuyên dùng. 1.2.3. Quét cách dòng trong CCD Với ba cấu trúc nêu trên, có thể nói đó là quá trình quét liên tiếp của CCD. Tất nhiên, nếu CCD có một dòng tế bào cho mọi dòng của ảnh được quét cách dòng và mặc nhiên trong cấu trúc FIT có thể bị khóa để chỉ chuyển các dòng lẻ hay các dòng chẵn tới các thanh ghi chuyển theo chiều dọc, kết quả là sẽ tạo nên quét cách dòng ở đầu ra video. Điều này làm tăng độ nhạy của chip CCD và mảng đọc chỉ cần phải lưu giữ một nửa trên tổng số dòng. Nhược điểm của phương pháp này là có thể gây ra chồng phổ mành biểu hiện dưới dạng các biên dòng nhọn, nên cần phải có các bộ lọc quang để hạn chế nó. Ngoài ra, có thể thực hiện liên tiếp với chu kỳ mành và xử lý số tín hiệu thành cấu trúc quét cách dòng. Ở đây có hai phương thức thực hiện: một là loại bỏ các dòng lẻ (hoặc chẵn) ở đầu ra của CCD và mở rộng những dòng còn lại theo tiêu chuẩn. Phương pháp này khá đơn giản, song nó lại loại bỏ một nửa tín hiệu, làm suy giảm tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR (Signal-to-Noise Ratio). Phương pháp thứ hai là lưu trữ bằng kỹ thuật số hai dòng từ CCD và kết hợp hai dòng kề nhau để tạo ra tín hiệu quét cách dòng. Phương pháp này không gây tổn hao SNR và khắc phục được vấn đề chồng phổ song trong một chừng mực nào đó lại gây nên sự suy giảm độ phân giải mành. Nói chung cả hai phương pháp quét trong CCD đều yêu cầu thanh ghi dòng của CCD phải có tốc độ gấp đôi so với phương pháp quét dòng trực tiếp. 1.2.4. Cấu trúc của camera CCD đơn Trong các camera chuyên dùng, tương ứng với ba mầu cơ bản RGB sử dụng ba CCD. Cơ cấu camera RGB này đảm bảo tái tạo ảnh với chất lượng cao nhất trong hệ thống chuyên nghiệp, song lại quá đắt đối với thị trường camera dân dụng. Các camera một CCD hay còn gọi camera CCD đơn được phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường dân dụng (hình 1-7). Một bộ lọc quang mầu được đặt trên các tế bào của CCD. Trong quá trình xử lý tín hiệu, ba thành phần mầu RGB đạt được bằng cách lấy mẫu tín hiệu video tại ba pha như đã chỉ ra trên hình 1-7. Phần còn lại của quá trình xử lý tín hiệu tương tự như đã nêu trong các loại camera có ba CCD. 1.2.5. Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) của CCD Nói chung tạp âm xuất hiện trong bộ tạo ảnh CCD là do tạp âm quang điện tử (hiệu ứng chụp ảnh điện tử). Các chỉ tiêu SNR của một CCD phụ thuộc vào kích thước của điểm ảnh. Điểm ảnh lớn cho phép thu nhận được nhiều ánh sáng của ảnh quang làm tăng SNR, tuy nhiên điểm ảnh lớn, kích thước chip CCD tăng, bộ phận quang – cơ vì thế có thể tăng lớn làm tăng giá thành camera. 1.3. XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG CAMERA SỐ Nói chung, tín hiệu ra từ các thiết bị CCD được lấy mẫu theo điểm ảnh và cấu trúc dòng của CCD song có biên độ analog. Tín hiệu sau đó được khuếch đại một cách tuyến tính đến mức phù hợp cho quá trình xử lý tiếp theo bao gồm: chuyển đổi AD, các bước xử lý khác nhau trong miền số. Bất cứ một động thái xử lý phi tuyến nào trong miền tương tự cũng nên tránh, nhằm đảm bảo tính ổn định của hệ thống (hình 1.9). 1.3.1. ADC Bất kỳ một quá trình ADC nào cũng đều thực hiện theo bốn bước đó là lấy mẫu, nhớ mẫu, lượng tử hóa và mã hóa. Cấu trúc điểm ảnh của CCD được thực hiện ngay trong giai đoạn lấy mẫu theo thời gian và tín hiệu video được truyền nhịp nhàng từ giá trị điểm ảnh này đến giá trị điểm ảnh tiếp theo. Quá trình lấy mẫu các giá trị điểm ảnh như thế này có thể được biểu diễn tương tự trên hình 1.7 và các thành phần RGB được lấy từ một CCD đơn. Quá trình lượng tử hóa sẽ tạo nên các thành phần tạp âm của chính nó, để tạp âm lượng tử không làm suy giảm SNR của camera, SNR của quá trình lượng tử hóa phải được thiết lập ở mức lớn 6dB được xác định theo công thức: SNR = 6,02N + 10,8 + 15,6 + 6[dB] (1.3) Trong đó thành phần 15,6 dB là mức bảo vệ vùng sáng. Trên cơ sở này ITU.Rec.BT 601 đã đưa ra khuyến nghị chọn lượng tử hóa 10 bit đối với các camera số. 1.3.2. Nén vùng sáng Dải động của CCD là tỷ số tín hiệu đầu ra cao nhất có thể có của CCD với mức tạp âm của nó. Thông thường, mức tín hiệu tối đa (đỉnh trắng) được thiết lập chủ yếu dưới điểm bão hòa của bản thân CCD, trừ lại điểm cuối của đỉnh để báo vệ vùng sáng nhất của CCD nhằm tránh sự bão hòa gây ra những hiệu ứng xấu cho quá trình xử lý tín hiệu tiếp theo. Trong các camera chuyên dụng, mức bảo vệ vùng sáng trên đỉnh mức trắng là 600% tươn ứng với 15,6 dB của dải động. Quá trình xử lý tín hiệu trong camera sẽ nén bất cứ vùng sáng nào đi vào vùng bảo vệ theo một thuật toán phù hợp với mục đích sử dụng của camera. Thông thường dải động của các loại CCD có thể đạt 80 dB, còn SNR đối với camera cỡ 60 dB. Phương pháp thường dùng để nén vùng sáng trong các camera là tạo một đặc tuyến truyền đạt tuyến tính tới mức 100% và sau đó thực thi quá trình điều chỉnh để nén các vùng sáng thực phù hợp với khả năng của khoảng bảo vệ đối với máy ghi, thiết bị truyền dẫn cũng như thiết bị hiển thị (hình 1-10). Có thể thực hiện nén vùng sáng trước chuỗi tín hiệu để toàn bộ quá trình xử lý các vùng sáng này. Tuy nhiên, nó phải thực hiện tại điểm mà các tín hiệu đã cân bằng về mầu và mức đã được chuẩn hóa. Trên hình 1-9, các mạch cân bằng trắng phải được đặt vào trước khối nén độ sáng cao. Cân bằng trắng được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu với các hằng số được xác định tại thời điểm lấy cân bằng trắng. Điều này thường được trợ giúp của một bảng tra cứu, bao gồm một bộ nhớ RAM lưu trữ giá trị đầu ra cho mọi giá trị đầu vào. Tín hiệu đầu vào được đưa vào bộ nhớ của bảng tra cứu và giá trị phù hợp sẽ được đọc phù hợp với yêu cầu của đầu ra. Với 12 bit/mẫu, bộ nhớ của bảng tra cứu có thể lưu trữ được 4096 giá trị 12 bit cho mỗi kênh R, G, B. Trong tiến trình cân bằng trắng, CPU của hệ thống sẽ xác định các điểm cho giá trị tăng ích và lặp lại cho đến khi sự cân bằng trắng được thực hiện. Có thể thực hiện cả quá trình cân bằng trắng và nén vùng sáng trên cùng một bảng tra cứu, điều này có nghĩa là máy tính phải xác định các giá trị phối hợp riêng khi các chức năng được điều chỉnh. Phương pháp sử dụng bảng tra cứu trong bộ nhớ RAM cũng thường được sử dụng để sửa đổi đặc tính truyền đạt của nén vùng sáng. 1.3.3. Sửa lỗi gamma digital Nói chung, đặc tính truyền đạt về biên độ video của CCD là tuyến tính trên hầu hết dải động của nó. Tuy nhiên như đã biết, thiết bị hiển thị tiêu biểu (CRT) lại có cường độ là một hàm phi tuyến, ngược với hàm của tín hiệu. Hầu hết các bộ cảm biến trong camera, vì vậy thường được lắp đặt hệ thống sửa méo gamma để đưa vào tín hiệu có đặc tuyến biên độ cần thiết. Trong quá trình xử lý số nếu sử dụng RAM như đã nêu trên có thể gây ra lỗi gamma. Việc điều chỉnh các đặc tính méo gamma có thể được thực hiện bằng cách thay đổi giá trị lưu trong bộ nhớ. Một camera có điều chỉnh lỗi gamma thường có bộ nhớ sửa lỗi có thể ghi được và có thể nạp lại bộ nhớ từ phần lưu trữ thường trực khác hoặc từ các giá trị đã được tính toán. 1.3.4. Sửa mầu digital Sửa mầu thực hiện hai nhiệm vụ: -Thứ nhất, thực hiện che để chỉnh sự đo mầu của camera đạt đến tiêu chuẩn. -Thứ hai, thực hiện một số điều chỉnh mầu khác sao cho phù hợp với mục đích nghệ thuật. Nhiều camera chỉ sử dụng sửa mầu đối với phép đo mầu, mà không cung cấp phương tiện cho việc hiệu chỉnh khác. Nói chung, máy tính thường được ứng dụng để thực thi việc sửa mầu số. Điều chỉnh quy trình sửa mầu trong hệ thống RGB có thể ảnh hưởng đến cân bằng mầu vì thế máy tính là một nhân tố không thể thiếu được nhằm tính toán một cách nhanh chóng sự thay đổi các hệ số để duy trì cân bằng. 1.3.5. Điều khiển lộ sáng Điều khiển lộ sáng một camera video bao gồm hoạt động của màng ngăn thấu kính, các bánh xe của bộ lọc mật độ trung bình, và, ở mức độ ánh sáng thấp, độ tăng ích của video tăng. Tăng độ tăng ích của camera sẽ kéo theo sự suy giảm SNR, vì vậy việc này thường chỉ được sử dụng ở mức ánh sáng thấp với màng ngăn đã được mở rộng và tất cả các bộ loc đều được đưa ra khỏi đường dẫn quang. Do có sự suy giảm SNR ở độ tăng ích cao, rất nhiều camera cũng sẽ giảm sự tăng cường ảnh, hoặc thậm chí là không tăng cường ở những điều kiện này. Các chức năng lộ sáng được điều chỉnh để duy trì mức đầu ra riêng của video từ camera. Việc này có thể thao tác bằng tay hoặc thao tác tự động. Trong trường hợp thao tác tự động, mức tín hiệu video được cảm thụ trong chuỗi xử lý tín hiệu và một CPU trong camera sẽ quyết định cần phải điều chỉnh cái gì. Các thuật tóan khác nhau được sử dụng cho mục đích này, chủ yếu là để đạt được đặc tuyến tốt ở những điều kiện mà mức ánh sáng có thể thay đổi nhanh chóng, hoặc camera được điều chỉnh để quay từ vùng sáng nhất đến vùng tối hay ngược lại. Bởi vì, ngay thậm chí những thuật toán tốt nhất thực hiện tự động cũng chưa phải là tối ưu, cho nên hầu hết các camera đều có khả năng tắt phần điều khiển lộ sáng tự động. Điều khiển lộ sáng tự động là một đặc điểm rất quan trọng đối với các camera dân dụng, tuy nhiên, lại không quan trọng đối với những sản phẩm khác. Đối với các thao tác trong phòng thu chuyên nghiệp, tại đó việc chiếu sáng đã được kiểm soát, điều khiển lộ sáng tự động hầu như không được sử dụng. 1.3.6. Hội tụ tự động Các camera dân dụng thường có khả năng hội tụ tự động, nghĩa là có thể điều khiển một vùng trên cảnh và điều chỉnh thấu kính để giữ cho vùng này có độ nét nhất. Sự cảm nhận tiêu cự chủ yếu dựa vào quá trình tìm kiếm chi tiết tần số cao trong vùng đang được điều khiển và thành phần này sẽ tối ưu hóa khi hình ảnh đạt mức độ rõ nét nhất. Tồn tại một số giới hạn đối với bộ phận cảm nhận năng lượng tần số cao cho cơ cấu hội tụ tự động vì cảnh không phải lúc nào cũng có số mức năng lượng đủ để thực hiện các thao tác hội tụ tự động. Trong trường hợp này, cơ cấu hội tụ tự động sẽ quay ngược lại và sẽ không ổn định. Điều này cần được lưu ý khi thiết kế và tính toán hệ thống điều chỉnh tiêu cự. 1.3.7. Mã hóa trong camera Phần mã hóa của camera làm nhiệm vụ chuyển đổi định dạng tín hiệu trong camera thành định dạng tín hiệu ngoài của hệ thống sử dụng nó hoặc chuyển đổi định dạng trong thành định dạng của máy ghi hình nối với camera. Hiện đang tồn tại nhiều camera sử dụng hệ thống tín hiệu video tổng hợp analog NTSC hay PAL, nên các thiết bị mã hóa của chúng chuyển đổi các tín hiệu số của camera thành tín hiệu video tổng hợp tiêu chuẩn. Trong các trường hợp khác, quá trình mã hóa thường là số để cung cấp cho mạch truyền dẫn hay thiết bị ghi hình số. 1.4. ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CAMERA SỬ DỤNG CCD CCD có ưu điểm về khả năng dễ dàng vận hành thiết bị. Cấu trúc nhỏ gọn cho phép CCD lắp trong các camera lưu động, giảm bớt khối lượng thiết bị. Ngoài ra, CCD còn có ưu điểm về tiết kiệm năng lượng, không chịu ảnh hưởng bởi rung cơ học vốn có ở các thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện. Với các camera dùng 3 chíp CCD cho chất lượng hình ảnh khá cao. Tuy nhiên, với 3 chíp CCD và nhiều phụ kiện kèm theo, máy trở nên cồng kềnh và rất đắt. Với camera chíp đơn thì trái lại, kết hợp nhiều thành tựu tiên tiến của khoa học và kỹ thuật, nên gọn nhẹ, giá thành thấp, phù hợp với người tiêu dùng nên ngày càng được phổ biến. Bảng 1-1 đưa ra các đặc tính kỹ thuật điển hình đối với các loại camera hiện nay. Bảng 1-1.Đặc tính kỹ thuật của camera màu Danh mục Loại camera Dân dụng Bán chuyên nghiệp Quảng bá HDTV Tiêu chuẩn quét 525/60 525/60 525/60 1125/60 Kiến trúc 1-CCD 3-CCD 3-CCD 3-CCD Đóng gói Camcorder Camcorder Camera Bù không gian N.A Có Có Không Kích cỡ quang CCD 1/4 inch 1/3 inch 1/2 inch 1 inch Tốc độ quang tối đa 1,2 f 1,6 f 1,4 f 1,2 f Độ phân giải CCD 270.000 270.000 380.000 2.000.000 Tỷ lệ khung hình 4:3 4:3 4:3 16:9 Độ phân giải dòng tối đa 275 TVL 530 TVL 750 TVL 1000 TVL SNR của video 40 dB 50 dB 60 dB 50 Db Độ rọi tối thiểu > 100 lux 1400 lux @ f/5,6 2000 lux @ f/8 1000 lux @ f/4 Độ tăng ích bình thường 8 lux 60 lux Độ tăng ích cao 2 lux 1 lux (+ 18 dB) 2 lux (+30 dB) Điều khiển từ xa Không Không Có Có Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG 2.1. NGUYÊN LÝ CẤU TẠO 2.1.1. Khái