NGHIÊN cứu THIẾT kế PHẦN CỨNG và lập TRÌNH điều KHIỂN CHO CAMERA tốc độ CAO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
~~~~~  ~~~~~

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
CHO CAMERA TỐC ĐỘ CAO

Sinh viên thực hiện:

Mai Xuân Hòa
Tào Tuấn Mạnh
Lớp ĐTTT 7 –K56

Giảng viên hướng dẫn : TS NGUYỄN HOÀNG DŨNG
Cán bộ phản biện

:

Hà Nội, 06-2016
i|Page


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho giảng viên hướng dẫn)
Giảng viên đánh giá :

TS. Nguyễn Hoàng Dũng

Họ và tên sinh viên :

Mai Xuân Hòa

MSSV: 20111569

Tào Tuấn Mạnh

MSSV: 20111842

Tên đồ án: Nghiên cứu thiết kế phần cứng và lập trình điều khiển cho camera
tốc độ cao
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và
1 các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như

1 2 3 4 5

phạm vi ứng dụng của đồ án
2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5
3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
4

Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả
đạt được

1 2 3 4 5
1 2 3 4 5

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp
5 thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ 1 2 3 4 5
thống
6

Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết
quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng.

1 2 3 4 5

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa
7

kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp
lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

1 2 3 4 5

tương lai.

ii | P a g e


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Kỹ năng viết (10)

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương
logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được
8

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,
có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

1 2 3 4 5

chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có
trích dẫn đúng quy định.
9

Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa
học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)

1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
10a

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa
học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng

5

phát minh sáng chế.
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên
10b

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở
lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế

2

khác về chuyên ngành như TI contest.
10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học.

0

Điểm tổng

/50

Điểm tổng quy đổi về thang 10

iii | P a g e


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh
thần làm việc của sinh viên)
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

Ngày

/ 06 /2016

Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)

iv | P a g e


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho cán bộ phản biện)
Giảng viên đánh giá :..................................................
Họ và tên sinh viên :

Mai Xuân Hòa

MSSV: 20111569

Tào Tuấn Mạnh

MSSV: 20111842

Tên đồ án: Nghiên cứu thiết kế phần cứng và lập trình điều khiển cho camera
tốc độ cao
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và

1 các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như

1 2 3 4 5

phạm vi ứng dụng của đồ án
2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5
3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
4

Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả
đạt được

1 2 3 4 5
1 2 3 4 5

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp
5 thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ 1 2 3 4 5
thống
6

Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết
quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng.

1 2 3 4 5

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa
7

kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp

lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

1 2 3 4 5

tương lai.

v|Page


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Kỹ năng viết (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương
logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được
8

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,
có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

1 2 3 4 5

chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có
trích dẫn đúng quy định
9

Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa
học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)

1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
10a

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa
học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng

5

phát minh sáng chế.
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên
10b

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở
lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế

2

khác về chuyên ngành như TI contest.
10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học.

0

Điểm tổng

/50

Điểm tổng quy đổi về thang 10

vi | P a g e

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

Ngày

/ 06 /2016

Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)

vii | P a g e


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU
Một trong những mảng ứng dụng rất có tiềm năng phát triển trong tương lai đó
chính là thiết kế tối ưu tốc độ xử lý ảnh của các cảm biến, tiến tới đơn giản hóa các
quá trình bắt hình ảnh ở tốc độ cao vẫn thu được những hình ảnh chân thật nhất. Highspeed camera và các ứng dụng của nó đã đang phát triển hết sức mạnh mẽ trên hầu
hết các lĩnh vực. Việc nghiên cứu về việc điều khiển tốc độ thu nhận , xử lý tín hiệu
hình ảnh với những cảm biến CCD và CMOS trên nền tảng FPGA đang dần trở nên
phổ biến hơn cùng công nghệ ISIS với những phiên bản khác nhau từ V2 đến gần đây

nhất là V16.
Từ những năm đầu tiên của thế kỉ 21, nhóm nghiên cứu của trường đại học Kinki
(Osaka-Japan) đã phát triển một bộ cảm biến ISIS-V2 dựa trên cảm biến CCD với
260 × 312 điểm ảnh có khả năng chụp 103 hình ảnh liên tiếp với khung hình 1M
frame/s[1]. Bên trong mỗi điểm ảnh của cảm biến này, 103 bộ nhớ được cài đặt; tín
hiệu hình ảnh được lưu trữ tại các vùng nhớ của thiết bị mà không được đọc ngay tại
đầu ra của cảm biến. Việc ghi tốc độ cao cuối cùng được kích hoạt bằng cách lưu trữ
tất cả các điểm ảnh cùng một lúc. Với những phiên bản về sau V4, V12 hay V16 thì
số lượng hình ảnh chụp được liên tiếp tăng lên cùng với sự mở rộng về khung hình.
(Đối với ISIS V16 khung hình đã lên tới 16 Mfps [2]).
Yêu cầu được đặt ra là phải làm thế nào để tối ưu về mặt tốc độ xử lý hay diện
tích của sensor (liên quan đến số phần tử sử dụng). Với sự định hướng của thầy
Nguyễn Hoàng Dũng, nhóm đã tiến tới nghiên cứu, kế thừa những kết quả đã đạt
được từ ISIS-V12, V16 và phát triển đề tài: “ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN
CỨNG VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO CAMERA TỐC ĐỘ CAO” với mục
đích như trên.
Cùng với việc thực hiện đề tài này, nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các thầy
cô trong Viện Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là
thầy TS.Nguyễn Hoàng Dũng đã tận tình chỉ dẫn các bước, hướng nghiên cứu, thực
hiện cũng như yêu cầu cần có của đề tài.
viii | P a g e


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trong quá trình thực hiện đề tài, dựa theo những kết quả đạt được bước đầu, dù
đã rất cố gắng tuy nhiên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế nhất định. Vì
vậy, nhóm rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung của các thầy cô để đề tài được tối
ưu và hoàn thiện hơn. Trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, tháng 06 năm 2016

Nhóm tác giả

ix | P a g e


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Với cảm biến hình ảnh CCD In-situ Storage Image Sensor phiên bản 16 (ISISV16) cho phép thu nhận và xử lý được những hình ảnh ở tốc độ cao những phiên bản
cũ trước đây. Việc tăng tốc độ xử lý, nâng cao khung hình cũng như số lượng hình
ảnh chụp được liên tiếp tại mỗi pixel khiến độ phân giải giảm đi một nửa so với ISISV12, độ phức tạp của kiến trúc phần cứng và bộ điều khiển tín hiệu (đối với camera
là các electron) đã có nhiều cải tiến mới. Yêu cầu về việc điều khiển để tăng khả năng
bắt được sự kiện hay giảm thiếu số phần tử cần dùng của mạch đòi hỏi sự tính toán
phù hợp trong thuật toán cùng với lượng dữ liệu cần xử lý cũng tăng lên. Trong báo
cáo này, nhóm nghiên cứu sẽ trình bày phương pháp điều khiển tốc độ ISIS camera
thông qua việc sử dụng HDL trên nền tảng FPGA.

x|Page


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ABSTRACT
With a CCD image sensor: In-situ Storage Image Sensor version 16 (ISIS-V16)
allows to receive and to process the images at ultra-high speed and very high
sensitivity; it is faster than the former version. The increase in processing speed,
improvement of frames as well as the number of images captured per pixel have posed
the quality of images reduced twice when comparing with ISIS-V12; the complexity
of the hardware-architecture and controller signal (for the camera is the electrons)
had many new development. Increasing the ability of following event or minimizing

the number of circuit elements need to use the appropriate calculations in the
algorithm when the amount of data processed increases. In this report, the group will
discuss, research and control ISIS sensor system through using Hardware Design
Language based FPGA technology.

xi | P a g e


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................... viii
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ..................................................................................................... x
ABSTRACT .............................................................................................................. xi
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... xiv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... xvi
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... xvii
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
Phân công công việc ................................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. CÔNG NGHỆ CMOS và CCD ............................................................ 3
1.1 Cảm biến hình ảnh ............................................................................................ 3
1.1.1. Định nghĩa ................................................................................................ 3
1.1.2 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh ........................................................ 4
1.2. Cảm biến CCD và CMOS ............................................................................... 7
1.2.1. Cảm biến CCD .......................................................................................... 7
1.2.2 Cảm biến CMOS [4] ................................................................................ 15
1.3. So sánh CCD và CMOS ................................................................................ 21
1.4. Kết luận chương............................................................................................. 23
CHƯƠNG II: CẢM BIẾN CAMERA TỐC ĐỘ CAO ISIS .................................... 24
2.1. Giới thiệu ....................................................................................................... 24

2.2. Đặc điểm và cấu hình cảm biến ..................................................................... 25
2.2.1 Cấu trúc tổng thể...................................................................................... 25
2.2.2. Cấu trúc pixel .......................................................................................... 27

xii | P a g e


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.2.3. Cấu trúc mặt cắt ngang ........................................................................... 29
2.2.4. Nguyên lý điều khiển tín hiệu bên trong ISS ......................................... 30
2.2.4. Đánh giá ISIS và so sánh với các loại cảm biến CCD khác. .................. 32
2.3. Kết luận chương............................................................................................. 39
CHƯƠNG III: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ELECTRONS TRONG ISIS CCD. .... 40
3.1. Hệ thống điều khiển ....................................................................................... 40
3.1.1. Đường đi của bus điểu khiển trên main board. ....................................... 40
3.1.2. Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................ 41
3.1.3. Khối Decoder .......................................................................................... 42
3.1.4. Khối Controller ....................................................................................... 43
3.1.5. Nhóm khối điều khiển VCCD và HCCD. .............................................. 46
3.2. Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 47
3.3 Kết luận chương.............................................................................................. 51
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 53
PHỤ LỤC 1 .............................................................................................................. 54
PHỤ LỤC 2 .............................................................................................................. 55

xiii | P a g e


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Chip CMOS và CCD trong thực tế .................................................................................... 3
Hình 1. 2. Sơ đồ tổng quan chip CCD ................................................................................................ 5
Hình 1. 3. Sơ đồ khối cảm biến CCD ................................................................................................. 5
Hình 1. 4. Sơ đồ khối cảm biến CMOS .............................................................................................. 6
Hình 1. 5. Cấu tạo chip CCD .............................................................................................................. 7
Hình 1. 6. Ánh sáng trên bề mặt chip CCD ........................................................................................ 8
Hình 1. 7. Cấu trúc hai chiều ngang- dọc của chip CCD.................................................................... 8
Hình 1. 8. Cấu trúc cảm biến CCD ..................................................................................................... 9
Hình 1. 9. Hoạt động của cảm biến CCD ......................................................................................... 10
Hình 1. 10. Electron trong các điện cực ........................................................................................... 11
Hình 1. 11. Hai dạng cơ bản của CCD ............................................................................................. 12
Hình 1. 12.(a) Bộ khuếch đại tín hiệu đầu ra CCA và (b) Tương quan lấy mẫu .............................. 13
Hình 1. 13.Cấu trúc cảm biến ảnh CMOS ........................................................................................ 15
Hình 1. 14. Ánh sáng vào các pixel được đưa ra ngay bộ khuếch đại của mỗi pixel ....................... 16
Hình 1. 15. Mô hình CMOS APS (a) và cấu trúc mảng (b) ............................................................. 18
Hình 1. 16. Layout của CMOS điển hình ......................................................................................... 19
Hình 1. 17. Xu hướng phát triển của CMOS và CCD ...................................................................... 23

Hình 2. 1. Cấu trúc mặt của ISIS-V16[6] ......................................................................................... 26
Hình 2. 2. Sơ đồ mặt trước của ISIS camera .................................................................................... 27
Hình 2. 3. Điện cực trong linear CCD .............................................................................................. 27
Hình 2. 4. Cấu trúc mặt cắt ngang .................................................................................................... 29
Hình 2. 5. Nguyên lý hoạt động của ISIS ......................................................................................... 30
Hình 2. 6 Hoạt động của linear CCD trong kĩ thuật truyền four-phase ............................................ 31
Hình 2. 7 Evaluation Camera ........................................................................................................... 32
Hình 2. 8 A 200-blade laser beem chopper ...................................................................................... 33
Hình 2. 9 A blade image captured by the V16 camera ..................................................................... 33
Hình 2. 10. Frame rate vs movement of blade.................................................................................. 33

Hình 2. 11 Bốn ảnh liên tiếp của một xung ánh sáng LED ............................................................. 34
Hình 2. 12. Qmax vs Frame rate....................................................................................................... 35
Hình 2. 14. Cấu trúc pixel của CCD thông thường .......................................................................... 38

xiv | P a g e


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 3. 1. Block diagram of CCD main board ................................................................................. 40
Hình 3. 2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ....................................................................................... 41
Hình 3. 3. Tín hiệu trong Decoder .................................................................................................... 42
Hình 3. 4. Tín hiệu trong khối Controller ......................................................................................... 45
Hình 3. 5. Sơ đồ khối kết nối khối điều khiển VCCD ...................................................................... 46
Hình 3. 6. Sơ đồ kết nối khối điều khiển HCCD .............................................................................. 47
Hình 3. 7. Kết quả mô phỏng tổng quan ........................................................................................... 48
Hình 3. 8. Mô phỏng chế độ chụp của camera ................................................................................. 49
Hình 3. 9. Mô phỏng hoạt động readout của ISIS ............................................................................ 51

xv | P a g e


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh giữa CCD và CMOS…………………………………..………………………..21
Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật của ISIS-V12 so với ISIS-V16[6] ........................................................ 25
Bảng 3. 1. Chức năng các tín hiệu trong khối decoder …………………………………………….43
Bảng 3. 2. Trạng thái điều khiển trong khối Controller.................................................................... 44

xvi | P a g e

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tên đầy đủ

Nghĩa

CCD

Charge-couple device

Thiết bị tích điện kép

Complementary metal oxide

Chất bán dẫn bổ sung

semiconductor

kim loại

CMOS

Cảm biến hình ảnh lưu

ISIS

In-situ storage image sensor

CCM

Charge Carrier Multiplication

Đa phí vận chuyển

BSI

Back-side illuminate

Chiếu sáng sau

VCCD

Vertical charge-couple device

Thiết bị tích điện kép dọc

HCCD

Horizontal charge-couple device

VHDL

trữ tại chỗ

Thiết bị tích điện kép
ngang

VHSIC Hardware Description

Ngôn ngữ mô tả phần

Language

cứng VHSIC

xvii | P a g e


PHẦN MỞ ĐẦU
Báo cáo sẽ tập trung vào cơ sở lý thuyết, trình bày các khái niệm của các kiến
thức liên quan đến cảm biến hình ảnh CMOS và CCD với những ưu nhược điểm của
hai công nghệ, giới thiệu ISIS sensor gồm những phiên bản khác nhau đồng thời đưa
ra kiến trúc và phương án tối ưu với ISIS-V16.
Nội dung báo cáo được chia thành 3 chương:
o Chương 1: Giới thiệu công nghệ CMOS và CCD. Trong chương này nhóm tác
giả sẽ đề cập đến khái niệm cũng như phần loại, so sánh các loại cảm biến hình
ảnh.
o Chương 2: Cảm biến CCD cho camera tốc độ cao. Trong chương 2, nhóm sẽ
trình bày cơ sở lý thuyết, đặc điểm của ISIS camera qua các thế hệ. Từ đó có
thể đánh giá được ISIS-V16 về hiệu suất cũng như các thông số liên quan.
o Chương 3: Phân tích thiết kế phần cứng hệ thống, đưa ra sơ đồ khối tổng quan
hệ thống, đồng thời đưa ra kết quả đã đạt được thông qua mô phỏng và hướng
phát triển.

1|Page


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Phân công công việc
Từ những mục tiêu và định hướng được đề ra, nhóm đã phân chia công việc giữa
các thành viên, để đảm bảo các công việc bị chồng lấn cũng như bị thiếu hụt, đảm
bảo tiến độ thực hiện đề tài. Trong quá trình phân chia vẫn có sự giúp đỡ lẫn nhau để
đảm bảo được chất lượng của công việc.
Công Việc
Tìm hiểu chung về cảm biến CCD, CMOS;
cấu trúc, nguyên lý của ISIS CCD
Lập sơ đồ khối chi tiết hệ thống và phân chia
khối+ thực hiện khối Controller bằng VHDL
Thực hiện khối decoder và các khối nhỏ khác
Lập trình nhóm các khối điều khiển hoạt
động VCCD
Lập trình nhóm các khối điều khiển hoạt
động HCCD
Viết testbench mô phỏng hệ thống
Viết báo cáo

Sinh Viên

Mai Xuân Hòa - Tào Tuấn Mạnh

Mai Xuân Hòa - Tào Tuấn Mạnh

Tào Tuấn Mạnh

Mai Xuân Hòa

Tào Tuấn Mạnh

Mai Xuân Hòa
Mai Xuân Hòa - Tào Tuấn Mạnh

2|Page


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1. CÔNG NGHỆ CMOS và CCD
Trong chương này, nhóm nghiên cứu sẽ trình bày các khái niệm cơ sở của cảm
biến hình ảnh nói chung và công nghệ CMOS và CCD được sử dụng trong camera
mà nhóm nghiên cứu thực hiện điều khiển tín hiệu.
1.1 Cảm biến hình ảnh
1.1.1. Định nghĩa
Khi một hình ảnh được chụp bởi một camera, ánh sáng đi qua ống kính và rơi
vào cảm biến hình ảnh. Các cảm biến hình ảnh bao gồm các yếu tố hình ảnh, cũng
gọi là điểm ảnh, các hạt photon của ánh sáng rơi vào cảm biến. Chúng chuyển đổi tín
hiệu nhận được ánh sáng vào một số electron tương ứng. Cường độ ánh sáng càng
mạnh, các electron được tạo ra nhiều hơn. Các electron được chuyển đổi thành điện
áp và sau đó chuyển sang số qua bộ chuyển đổi ADC. Các tín hiệu số được xử lý
bằng các mạch điện tử bên trong máy ảnh và các thiết bị điện tử tạo ra hỉnh ảnh ban
đầu đã chụp.

Hình 1. 1. Chip CMOS và CCD trong thực tế
Cảm biến hình ảnh là một thiết bị phần cứng nhỏ, có khả năng thu nhận ánh sáng

và chuyển đổi các photon thu nhận được thành các tín hiệu số và phục hồi lại hình
ảnh ban đầu trên các thiết bị điện tử. Hiện nay, có hai công nghệ chính mà có thể
được sử dụng cho các bộ cảm biến hình ảnh trong một máy ảnh là CCD (Chargecoupled Device) và CMOS (Complementary Metal-oxide Semiconductor).
3|Page


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CCD là một trong những công nghệ lâu đời nhất trên máy ảnh số, với chất lượng
ảnh chụp vượt trội so với CMOS nhờ có dải tần nhạy sáng và kiểm soát nhiễu tốt hơn.
Hiện nay, CCD vẫn được sử dụng nhiều trong các mẫu máy ảnh du lịch giá rẻ, song
quá trình lắp ráp khó khăn và điện năng tiêu thụ quá nhiều của CCD đã dẫn tới sự
thống trị của CMOS.
Trong lịch sử, cảm biến CMOS luôn được cho là có chất lượng ảnh chụp thấp
hơn so với CCD, nhưng các đột phá về công nghệ mới đã khiến cho chất lượng của
CMOS hiện đại trở nên ngang bằng hoặc thậm chí là vượt qua cả tiêu chuẩn của CCD.
Với nhiều tính năng được tích hợp sẵn hơn là CCD, cảm biến CMOS hoạt động hiệu
quả hơn, cần ít điện năng hơn và chụp ảnh tốc độ cao tốt hơn CCD.
1.1.2 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh
Đây là bộ cảm biến ánh sáng nằm trong máy ảnh kỹ thuật số có tác dụng chuyển
ánh sáng thu nhận từ môi trường bên ngoài sang tín hiệu điện. CCD (Charged Couple
Device ) bao gồm hàng triệu tế bào quang điện, mỗi tế bào có tác dụng thu nhận thông
tin về từng điểm ảnh (pixel ).
Để có thể thu được màu sắc máy ảnh kỹ thuật số sử dụng bộ lọc màu (color filter)
trên mỗi tế bào quang điện. Các tín hiệu điện tử thu được trên mỗi tế bào quang điện
sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số nhờ bộ chuyển đổi ADC (Analog to
digital converter). Vào thời điểm hiện tại có hai loại bộ cảm biến ánh sáng: CCD
(Charged Couple Device) và CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor).
Cả hai bộ phận cảm biến hình ảnh dùng công nghệ CCD và CMOS cùng có nhiệm
vụ chuyển đổi tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện. Một điều đơn giản có thể hiểu
dùng trong máy ảnh kỹ thuật số là có mộng mảng 2D gồm hàng nghìn, hàng triệu

4|Page


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
những tế bào năng lượng mặt trời, mỗi một tế bào có nhiệm vụ chuyển đổi ánh sáng
từ một phần trên bức ảnh thành tín hiệu điện.

Hình 1. 2. Sơ đồ tổng quan chip CCD

Bước tiếp theo là đọc gái trị tín hiệu điện tai mỗi tế bào quang điện trong hình
ảnh. Trong thiết bị CCD, điện áp nạp trên thực tế được qua một chip và được đọc ở
góc của một mảng. Bộ chuyển đổi ADC sẽ biến giá trị mỗi pixel thành giá trị số tương
ứng.

Hình 1. 3. Sơ đồ khối cảm biến CCD

5|Page


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1. 4. Sơ đồ khối cảm biến CMOS
Trong hầu hết những thiết bị CMOS có vài transistor cho mỗi một pixel và được
khuếch đại và chuyển tín hiệu tới mạch nạp truyền thống. CMOS đạt được nhiều sự
linh hoạt bởi vì mỗi pixel được đọc giá trị riêng biệt.
Giá thành sản xuất CCD thường đắt hơn so với CMOS, nguyên nhân chủ yếu là
do CCd đòi hỏi phải có dây chuyền sản xuất riêng trong khi có thể sử dụng dây chuyền
sản xuất chip, bảng mạch thông thườngđể sản xuất CMOS.
Những CCD được chế tạo đặc biệt để có thể chuyển tín hiệu nạp tới chip mà

không bị méo tín hiệu. Sự xử lý này để sản xuất những cảm biến với chất lượng cao
với độ tin cậy cao và độ nhạy sáng cao.
Như một máy ảnh bình thường, một máy ảnh số có một thấu kính và một cửa trập
cho phép ánh sáng đi qua. Nhưng có một điểm khác là ánh áng tác dụng lên một mảng
của những tế bào quang điện hoặc những ô cảm quang thay cho phim. Mảng tế bào
quang điện là một chip khoảng 6-11nm chiều ngang. Mỗi bộ cảm biến hình ảnh là
một thiết bị tích điện (Charged Couple Device – CCD ), nó chuyển đổi ánh sáng thành
điện tích. Sự tích điện được lưu dưới dạng thông tin tương tự rồi được số hóa bởi một
thiết bị khác gọi là bộ biến đổi tương tự - số (Analog to Digital Converter – ADC ).

6|Page


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Mỗi phần tử quang điện trong mảng của hàng ngàn phần tử, tạo ra một pixel và
mỗi pixel chứa một vài thông tin được lưu trữ. Một số máy ảnh số sủ dụng bộ cảm
biến hình ảnh bằng chip CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor ).
Công nghệ CMOS liên quan tới quá trình thiết kế bộ cảm biến. Quá trình này cũng
giống quá trình sản xuất hàng loạt DRAM và những bộ vi xử lý nên bộ cảm biến
CMOS rẻ hơn và dễ làm hơn nhiều so với bộ cảm biến CCD.
1.2. Cảm biến CCD và CMOS
1.2.1. Cảm biến CCD
1.2.1.1 Tổng quan về CCD
Ánh sáng được thu thập toàn bộ trên khung hình cùng một lúc. Sau đó ánh sáng
sẽ được tắt để các photon đã thu được có thể được chuyển xuống các cột. Cuối cùng,
mỗi dòng dữ liệu được chuyển đến một thanh ghi ngang riêng biệt, các gói dữ liệu
cho mỗi hàng được đọc ra tuần tự và cảm nhận bởi một chuyển đổi photon thành điện
áp và đi tới phần khuếch đại.

Hình 1. 5. Cấu tạo chip CCD

CCD bao gồm một mạng lưới như bàn cờ các điểm bắt sang như Hình 1.5 (điểm
ảnh, pixel). Các điểm này lại được phủ các lớp lọc màu (thường là 1 trong 3 màu cơ
bản: đỏ, xanh lam, xanh dương) để mỗi điểm chỉ bắt được một màu nhất định. Do các
điểm ảnh được phủ các lớp lọc màu khác nhau và được đặt xem kẽ nhau nên màu
nguyên thủy tại một điểm của hình ảnh thật sẽ được tái hiện bằng màu từ một điểm
ảnh chính kết hợp với các màu bù được bổ sung từ các điểm xung quanh bằng phương
pháp nội suy.
7|Page


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.6. Ánh sáng trên bề mặt chip CCD
Hình 1.6 cho thấy cách camera thu nhận tín hiệu, ánh sáng qua ống kính sẽ được
lưu lại tại bề mặt chip thông qua các điểm ảnh. Trong khi đó, Hình 1.7 minh họa
thông tin về số lượng ánh sáng lưu lại của mỗi điểm (thể hiện bằng độ khác nhau về
điện áp) sẽ được chuyển lần lượt theo từng hàng ra ngoài bộ phận đọc giá trị (để đọc
các giá trị khác nhau của mỗi điểm ảnh). Sau đó các giá trị này sẽ đi qua bộ khuếch
đại tín hiệu, rồi đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (A/D converter),
rồi tới bộ xử lý để tái hiện lại hình ảnh đã chụp được.

Hình 1. 7. Cấu trúc hai chiều ngang- dọc của chip CCD
Nhưng chính việc phải đọc thông tin theo từng hàng lần lượt một này khiến cho
chip CCD có bất lợi đó là tốc độ xử lý hoàn thiện một bức ảnh khá chậm, ảnh ở một
số vùng hoặc dễ bị thừa sáng, thiếu sáng. Để xử lý vấn đề này, một bộ đọc ảnh có
kích thước bằng mạng lưới các hạt sáng được bổ sung xen kẽ để làm tăng tốc độ xử
lý ảnh mà không bị suy giảm chất lượng, do đó quá trình đọc ảnh chỉ qua một lần đổ
8|Page