Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam
Thứ sáu, 10/09/2010 18:56 (GMT+7)

Quay phim chụp ảnh màu nhờ bộ lọc Bayer

Ta biết rằng ở cảm biến CCD có đến hàng chục triệu linh kiện MOS xếp theo hàng theo cột, mỗi linh kiện như vậy ứng một phần tử ảnh của cảm biến. Khi có ánh sáng chiếu vào, linh kiện MOS vừa làm nhiệm vụ phát ra quang điện tử vừa làm nhiệm vụ là cái tụ điện chứa quang điện tử vừa phát ra. Như vậy lượng quang điện tử chứa trong tụ điện tỷ lệ với cường độ ánh sáng chiếu đến phần tử ảnh tương ứng của cảm biến CCD. Đọc và ghi lại được điện tích chứa trong từng tụ điện là ghi được ảnh.

Để ghi được ảnh màu, phía trên cảm biến CCD người ta đặt tấm lọc màu Bayer (hình 1). Tấm lọc này gồm có rất nhiều ô hình vuông, mỗi ô là một màng lọc nhỏ, chỉ cho một trong ba màu cơ bản đi qua: ô đỏ R cho ánh sáng màu đỏ đi qua, ô lục G cho ánh sáng màu lục đi qua và ô lam B cho ánh sáng màu lam đi qua. Các ô này đặt ngay ngắn, mỗi ô trên một linh kiện MOS. Để tập trung ánh sáng chiếu vào trên từng linh kiện MOS có một thấu kính cực nhỏ như vẽ ở hình 2. Do đặc điểm của mắt người nhạy hơn với màu lục nên Bayer bố trí ở tấm lọc số ô màu lục gấp đôi số ô màu lam hay màu đỏ và sắp xếp các ô theo một trật tự về màu rất xác định như trên hình 1.

Từ tấm lọc Bayer ta có thể thấy một vài quy luật như vẽ ở hình 3 làm thí dụ.

- Quanh một ô màu lục gần nhất có hai ô màu đỏ theo chiều ngang, hai ô màu lam theo chiều đứng (hình 3a) hoặc hai ô màu lam theo chiều ngang hai ô màu đỏ theo chiều đứng (hình 3b), còn ở bốn góc luôn có 4 ô màu lục.

- Quanh một ô màu đỏ luôn có 4 ô màu lục ở trái, phải, trên, dưới và 4 ô màu lam ở bốn góc (hình 3c), quanh một ô màu lam, có 4 ô màu lục ở trái, phải, trên, dưới và 4 ô màu đỏ ở bốn góc (hình 3d).

Còn nhiều quy luật khác nữa, ở đây ta không xét kỹ chỉ cần biết là dựa vào đấy người ta thực hiện việc tham khảo màu của các phần tử ảnh ở chung quanh để gán cho đủ ba màu đối với từng phần tử ảnh ở giữa theo cách sau đây:

Hình 2: Các thấu kính tập trung ánh sáng dọi vào các ô của tấm lọc Bayer.

Trước hết ta thấy linh kiện MOS dưới mỗi tấm lọc Bayer chỉ nhận được ánh sáng của màu đi lọt qua ô lọc. Thí dụ linh kiện MOSdưới ô màu lục ở giữa (hình 3a) nhận được ánh sáng màu lục chiếu đến, đo và ghi điện tích chứa trong tụ điện ứng với ô đó chỉ có được cường độ của ánh sáng màu lục. Cường độ ứng với màu đỏ và màu lamtại ô màu lục là không trực tiếp đo và ghi được. Người ta lấy trung bình cường độ của ánh sáng màu đỏ đo ở hai ô đỏ sát gần đó để gán cho cường độ ánh sáng màu đỏ ở chỗ ô màu lục đang xét. Tương tựlấy trung bình cường độ ánh sáng màu lam đo được ở hai ô màu lam sát gần đó để gán cho cường độ ánh sáng màu lam ở chỗ ô màu lục. Nhờ cách gán ghép kiểu như vậy đối với phần tử ảnh ứng với ô màu lụcta có được cường độ ứng với cả ba màu: màu lục là do thực sự đo và ghi lại, màu đỏ và màu lam là do suy ra từ các ô đỏ và lam sát kề.

Đối với các ô màu đỏ hay màu lam (hình 3c và 3d) người ta cũng làm tương tự, ứng với ô màu đỏ chẳng hạn, cường độ của ánh sáng màu đỏ là do trực tiếp đọc và ghi điện tích chứa trong tụ điện ứng với ô màu đỏ, còn màu lục là lấy trung bình từ bốn ô màu lục bao quanh, màu lam là lấy trung bình ở bốn ô màu lam ở bốn góc. Lập luận tương tự ứng với ô màu lam. Theo cách này đối với tất cả phần tử ảnh của cảm biến CCD ta đều có đầy đủ ba màu đỏ, lục, lam (một màu trực tiếp đo, hai màu còn lại là tham khảo chung quanh để gán cho). Như vậy là với một cảm biến CCD nhờ có tấm lọc Bayer ta đã ghi lại được ảnh màu.

Ta thấy ở từng phần tử ảnh trên cảm biến CCD, ghi được ba màu trong đó hai màu là do tính toán gán ghép. Màu sắc thực sự của ảnh màu ghi được rất phụ thuộc vào cách suy luận để gán ghép đó có phù hợp với màu thực tế không. Cách gán màu như đã trình bày trên là cách tính toán tham khảo đơn giản nhất. Các hãng chế tạo máy quay phim, chụp ảnh số, mỗi hãng tìm cách tham khảo các ô chung quanh để gán màu cho ô ở giữa theo những cách phức tạp hơn nhằm cho ảnh cuối cùng có màu sắc trung thực hơn. Các ô lọc màu của tấm lọc màu Bayer cũng không nhất thiết là có hình vuông. Thường ảnh hay được in ra có tỷ lệ 4/3, tức là dài 4 rộng 3 do đó ở tấm lọc màu Bayer đặt trên cảm biến CCD có nhiều khi làm ô lọc màu hình chữ nhật với cùng tỷ lệ 4/3. Nhờ đó trên cảm biến CCD, số ô theo hàng ngang cũng như theo hàng dọc, việc xác định địa chỉ của ô và tính toán được thuận lợi hơn.

Hình 3: Tham khảo màu ở chung quanh để gán thêm màu cho ô ở giữa.

Để dễ hình dung trong việc quay phim, chụp ảnh màu theo kỹ thuật số phải sử dụng những kỹ thuật vật lý tinh vi như thế nào taxét một máy ảnh hay máy quay phim loại trung bình khá có cảm biến CCD kích thước dài và rộng là 20mm x 15mm có 2800 x 2100 ~ 6 triệu linh kiện MOS, mỗi linh kiện chiếm diện tích có kích thước theomỗi chiều là 20mm/2800 = 0,007mm tức là 7 micromet đó có một thấu kính nhỏ và có một màng lọc màu dưới là một linh kiện MOS. Đó là cảm biến CCD có tấm lọc Bayer để chụp ảnh màu 6 megapixel (6MP).Thực tế số megapixel ghi trên máy quay phim hay máy ảnh cao hơn số pixel của cảm biến vì bên cạnh số phần tử ảnh thực tế có trên cảm biến CCD còn có số phân tử ảnh ở xung quanh do tính toán ghép thêmvào. Trong việc quay phim, chụp ảnh màu trước đây khi còn dùng phim màu thì khâu then chốt của kỹ thuật là nhờ vào các phương pháp hoá học chế tạo ba lớp nhạy màu phủ lên phim nhựa để làm ra phimchụp ảnh màu. Ngày nay trong việc quay phim, chụp ảnh màu theo kỹ thuật số thì khâu then chốt là làm được các cảm biến CCD, các tấm lọc màu theo kỹ thuật vi điện tử và các bộ vi xử lý, bộ nhớ nhỏ gọnthực hiện các phép đọc ghi số liệu và tính toán y như là một máy tính.

Cầm một chiếc máy ảnh hay máy quay phim kỹ thuật số nhỏ gọn trên tay, nếu ngẫm nghĩ về nguyên lý làm việc của chúng chỗ nào ta cũng thấy có ứng dụng của vật lý ở trình độ rất tinh vi.

Xem Thêm

Thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý năng lượng - Giải pháp then chốt giảm phát thải nhà kính
Ngày 17/12, tại phường Bà Rịa, thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM), Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Sở Công Thương TP.HCM, Trung tâm Chứng nhận Chất lượng và Phát triển Doanh nghiệp và Công ty Cổ phần Tập đoàn Vira tổ chức Hội thảo khoa học “Giải pháp thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý, sử dụng năng lượng hiệu quả nhằm giảm phát thải khí nhà kính”.
Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách
Trong hai ngày 12-13/11, tại tỉnh Cao Bằng, Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PanNature) và Liên hiệp các Hội KH&KT tỉnh Cao Bằng tổ chức Chương trình chia sẻ “Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách”.
Thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của vật liệu tiên tiến trong sản xuất năng lượng sạch
Ngày 24/10, tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Hội Khoa học Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam (VNACA) tổ chức Hội thảo khoa học “Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính”.
Dựa vào thiên nhiên để phát triển bền vững vùng núi phía Bắc
Đó là chủ đề của hội thảo "Đa dạng sinh học và giải pháp dựa vào thiên nhiên cho phát triển vùng núi phía Bắc" diễn ra trong ngày 21/10, tại Thái Nguyên do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Vusta) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PANNATURE) phối hợp tổ chức.
Muốn công tác quy hoạch hiệu quả, công nghệ phải là cốt lõi
Phát triển đô thị là một quá trình, đô thị hoá là tất yếu khách quan, là một động lực quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội nhanh và bền vững. Trong kỷ nguyên vươn mình, quá trình đô thị hoá không thể tách rời quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước...
Hội thảo quốc tế về máy móc, năng lượng và số hóa lần đầu tiên được tổ chức tại Vĩnh Long
Ngày 20/9, tại Vĩnh Long đã diễn ra Hội thảo quốc tế về Máy móc, năng lượng và số hóa hướng đến phát triển bền vững (IMEDS 2025). Sự kiện do Hội Nghiên cứu Biên tập Công trình Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VASE) - hội thành viên của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long (VLUTE) tổ chức.
Ứng dụng công nghệ số toàn diện là nhiệm vụ trọng tâm của VUSTA giai đoạn tới
Ứng dụng công nghệ số toàn diện, xây dựng hệ sinh thái số là bước đi cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả quản trị và phát huy sức mạnh đội ngũ trí thức của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA). Qua đó cho thấy, VUSTA không chỉ bắt kịp xu thế công nghệ mà còn chủ động kiến tạo những giá trị mới, khẳng định vai trò tiên phong của đội ngũ trí thức trong thời đại số.

Tin mới

Thủ tướng Lê Minh Hưng lên đường tham dự Hội nghị cấp cao ASEAN lần thứ 48 tại Philippines
Nhận lời mời của Tổng thống nước Cộng hòa Philippines Ferdinand Romualdez Marcos Jr, Chủ tịch ASEAN năm 2026, ngày 7/5, Thủ tướng Chính phủ nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Lê Minh Hưng dẫn đầu Đoàn đại biểu cấp cao Việt Nam lên đường tham dự Hội nghị cấp cao ASEAN lần thứ 48 tại Cebu, Philippines từ ngày 7 đến 8/5/2026.
Hội Vô tuyến - Điện tử Việt Nam: Điểm tựa khoa học công nghệ gắn với chuyển đổi số quốc gia
Hội Vô tuyến - Điện tử Việt Nam với gần 40 năm phát triển đang thể hiện rõ vai trò tổ tổ chức xã hội - nghề nghiệp uy tín trong lĩnh vực vô tuyến, điện tử, viễn thông, công nghệ thông tin đồng thời đóng góp thực chất vào tiến trình chuyển đổi số quốc gia theo tinh thần Nghị quyết 57-NQ/TW của Bộ Chính trị.
Đầu tư khoa học công nghệ giải quyết điểm nghẽn của ngành Thủy sản Việt Nam
Phát biểu tại Hội nghị khoa học công nghệ thủy sản và kiểm ngư toàn quốc năm 2026, Thứ trưởng Bộ Nông nghiệp và Môi trường Phùng Đức Tiến đã nhấn mạnh sự cần thiết của đổi mới sáng tạo khoa học công nghệ trong giải quyết điểm nghẽn về logistics, môi trường, nâng cao sức cạnh tranh của ngành Thủy sản trong nước.
Chủ tịch VUSTA Phan Xuân Dũng nhận danh hiệu Giáo sư danh dự Đại học Năng lượng Moskva, Liên bang Nga
Sáng 30/4/2026, tại Trường Đại học Năng lượng Moskva, Liên bang Nga (MPEI), TSKH. Phan Xuân Dũng, Chủ tịch VUSTA đã vinh dự đón nhận danh hiệu Giáo sư danh dự của MPEI. Chủ tịch VUSTA Phan Xuân Dũng là công dân đầu tiên của Việt Nam được trao tặng danh hiệu Giáo sư tại MPEI, đứng trong bảng danh dự cùng với các nhà khoa học nổi tiếng trên thế giới.
51 năm thống nhất đất nước: Khơi thông nguồn lực tri thức trong kỷ nguyên mới
Thông tấn xã Việt Nam giới thiệu bài phỏng vấn với Phó Giáo sư, Tiến sĩ Phạm Ngọc Linh, Phó Chủ tịch Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) về vai trò của lực lượng trí thức và những giải pháp đột phá để hiện thực hóa khát vọng hùng cường vào năm 2030 và 2045.