Cấu trúc phần cứng cơ bản camera

Bài viết này sẽ nêu khái quát thành phần của 1 thiết bị camera. Về cơ bản 1 camera sẽ bao gồm Ống kính (bao gồm nhiều thấu kính), cảm biến ảnh (sensor), bộ xử lí hình ảnh (ISP), MIC (tùy chọn) và các kết nối khác.

1. Ống kính (lens) : Ống kính camera thường được tạo thành từ nhiều thấu kính, nhiệm vụ là hội tụ ánh sáng lên cảm biến ánh, được tráng phủ vật liệu hạn chế quang sai (nên khi nhìn vào thấu kính sẽ thấy 1 lớp phủ có màu sắc). Thông số kĩ thuật của ống kính bao gồm tiêu cự và khẩu độ :

• Tiêu cự : đây là khoảng cách từ tâm ống kính đến cảm biến, đơn vị tính là mm. Khi so sánh 2 ống kính với cùng kích thước cảm biến thì ống kính tiêu cự dài hơn cho góc nhìn hẹp hơn.

• Khẩu độ : Đây là độ mở cửa ống kính, thường được quyết định bởi vòng khẩu độ, thay đổi khẩu độ sẽ ảnh hưởng đến việc ánh sáng đế cảm biến nhiều hay ít. Khẩu độ càng lớn thì ánh sáng đến cảm biến càng nhiều và ngược lại. Đơn vị khẩu độ kí hiệu là fx.x, vị dụ khẩu độ f1.4 f1.8, chỉ số càng nhỏ ứng với độ mở ống kính càng lớn.

2. Cảm biến hình ảnh (Sensor) :

Cảm biến hình ảnh có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành các tín hiệu điện sau đó đưa đến bộ xử lí hình ảnh ISP để chuyển thành tín hiệu số.

Cảm biến ảnh hiện nay được chế tạo bởi 2 công nghệ chính là CCD và CMOS. Trên cảm biến ảnh được chia thành nhiều điểm thu nhận ánh sáng gọi là pixel (điểm ảnh), 1 cảm biến ảnh có thể lên đến hàng triệu pixel nên gọi là Megapixel (thông số này còn được gọi là độ phân giải).

Trên các pixel được đặt các bộ lọc Red, Green, Blue, gọi tắt là bộ lọc RGB. Điều này giúp cảm biến thu nhận được màu sắc.

Cảm biến càng lớn, điểm ảnh càng lớn sẽ thu được nhiều ánh sáng hơn so với cảm biến nhỏ trong cùng 1 đơn vị thời gian. Việc này sẽ giúp chất lượng hình ảnh tốt hơn đặc biệt trong môi trường thiếu sáng. Kích thước cảm biến tiêu chuẩn gọi là fullframe (36mm x24mm), các cảm biến nhỏ hơn gọi là crop. Nếu cùng 1 tiêu cự ống kính, cảm biến nhỏ hơn sẽ có góc nhìn hẹp hơn.

3. Bộ lọc hồng ngoại (IR Filter Cut) 

• Một số dòng camera hỗ trợ tắt bật bộ lọc hồng ngoại, trong thương mại chủ yếu để quay video trong đêm.

• Mắt người người chỉ nhìn thấy ánh sáng trong khoảng bước sóng 380nm đến 740nm. Những bước sóng khác như hồng ngoại như mắt người không thấy được, tuy nhiên các cảm biến CCD/CMOS của camera lại thấy được 1 phần bước sóng hồng ngoại. Vì chỉ có camera thấy bước sóng hồng ngoại nên người ta thường áp dụng nó vào chế độ ban đêm (1 số thông tin cho rằng việc này sẽ hỗ trợ bảo mât vị trí camera cũng như không bị ô nhiễm ánh sáng ), lúc này hệ thống đèn hồng ngoại trên camera sẽ phát ra tia hồng ngoại, tia này truyền đến vật thể và phản xạ lại camera.

• Tuy nhiên hồng ngoại không mang màu sắc, vì vậy thông thường camera ở chế độ hồng ngoại sẽ không có màu sắc mà chỉ đen trắng.

• Ở chế độ ban ngày, hồng ngoại từ môi trường sẽ làm màu sắc bị ảnh hưởng nên người ta chế tạo 1 bộ lọc hồng ngoại để ngăn chặn và tắt nó khi ở chế độ ban đêm.

Hiện nay có 2 loại màn trập là màn trập cơ và màn trập điện tử.

• Màn Trập Cơ (Mechanical Shutter):

Tác Dụng: Màn trập cơ thường được làm từ các lá kim loại.

Hoạt Động: Khi bạn nhấn nút chụp ảnh hoặc bắt đầu quay video, màn trập cơ mở ra để cho phép ánh sáng đi qua và chiếu lên cảm biến hình ảnh trong một khoảng thời gian nhất định (tốc độ màn trập). Sau đó, màn trập đóng lại để kết thúc quá trình quay hoặc chụp.

• Màn Trập Điện Tử (Electronic Shutter):

Tác Dụng: Màn trập điện tử không sử dụng cơ cấu cơ học như màn trập cơ. Thay vào đó, nó sử dụng các linh kiện điện tử để kiểm soát thời gian mà cảm biến hình ảnh được mở và đóng.

Hoạt Động: Khi kích thích màn trập điện tử, nó mở và đóng bằng cách kiểm soát thời gian cảm biến hình ảnh được hoạt động. Nó hoạt động nhanh hơn so với màn trập cơ và thường cho phép chụp ảnh ở tốc độ cao hơn. Màn trập điện tử cũng thường được sử dụng trong quay video ở tốc độ khung hình cao.

5. Một số thành phần khác : 

• Một số thành phần khác như :

+ ISP (Image Signal Processor) nhận tín hiệu từ cảm biến ảnh và xử lí chúng, có thể kèm theo 1 số chức năng khác tùy hãng.

+ SoC (System on a Chip), đây là 1 hệ thống tích hợp nhiều thành phần xử lí như CPU, GPU, RAM ROM tạo giúp vận hành nhiều chức năng như cung cấp giao diện người dùng qua màn hình, quản lí I/O, các kết nối....

6. Các thông số khác :

a .HDR là viết tắt của "High Dynamic Range," là một kỹ thuật trong nhiếp ảnh, quay phim và xử lý hình ảnh để tăng cường độ động của hình ảnh. Độ động ảnh (dynamic range) là sự khác biệt giữa khu vực sáng nhất và khu vực tối nhất của một hình ảnh. Kỹ thuật này giúp tái tạo một cách chân thực hơn các chi tiết trong cả những vùng sáng và tối của một cảnh. 

Tưởng tượng chúng ta chụp 1 bức ảnh chênh sáng như ngồi trong nhà chụp ra ngoài nắng, khi đó thường là đo sáng trong nhà thì bên ngoài cháy sáng và ngược lại đo sáng bên ngoài thì trong nhà quá tối, HDR sẽ hỗ trợ điều này để giữ được cả chi tiết vùng tối và vùng sáng. Cách hoạt động cơ bản nhất của HDR là ghép nhiều ảnh độ phơi sáng khác nhau thành 1 hình (kỹ thuật frame stacking).

b. “Độ nhạy sáng ISO” là một thuật ngữ nhiếp ảnh được sử dụng rộng rãi.
Trong nhiếp ảnh số, nó cho biết độ nhạy của cảm biến CMOS đối với ánh sáng.

Độ nhạy sáng ISO càng cao cho biết độ nhạy sáng càng cao. Điều này sẽ có ích khi bạn chụp ở điều kiện thiếu sáng, vì nó cho phép bạn ghi lại môi trường xung quanh một đối tượng mà không phải sử dụng đèn flash. Điều này là lý tưởng đối với các tình huống như khi bạn chụp ảnh trong nhà ở nơi không được phép dùng đèn flash.
Nếu bạn sử dụng một độ nhạy sáng ISO thấp, bạn sẽ phải sử dụng đèn flash để có cùng kết quả.

• Tuy nhiên nếu camera khử nhiễu không tốt, khi tăng ISO có thể dẫn đến nhiễu xuất hiện nhiều trong hình ảnh.

c.WDR (Wide Dynamic Range ) về mục đích nó tương tự HDR là giữ được chi tiết khi camera đặt ở vùng ngược sáng, tuy nhiên WDR lại ứng dụng chử yếu trong lĩnh vực camera an ninh

d. Auto Focus (tự động lấy nét), mỗi 1 ống kính sẽ có những khoảng nét nhất định, khi muốn lấy nét vào những vật thể ở những vị trí khác nhau và không cần di chuyển camera chúng ta sử dụng tính năng Auto focus, tính năng này sẽ dịch chuyển thấu kính trong ống kính để thay đổi vị trí lấy nét. 

Hai cơ chế lấy nét cơ bản là Lấy nét tương phản và lấy nét theo phase.

e. Độ phân giải (resolution), đây là độ chia nhỏ nhất khi đề cập đến hình ảnh, đơn vị là pixel.  Ví dụ 1 bức ảnh có kích thước 1Megapixel có nghĩa nó được tạo thành từ 1 triệu pixel nhỏ, số lượng pixel càng nhiều thì ảnh càng chi tiết, cho phép in ảnh ở kích thước lớn hoặc zoom nhiều hơn mà không bị mờ nhòe.