Khảo sát khả năng ứng dụng hệ thống máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số ở nước ta

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học mỏ - địa chất


Nguyễn an định

Khảo sát
khả năng ứng dụng hệ thống máy chụp
ảnh hàng không kỹ thuật số ở nớc ta.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hà nội 2010


Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học mỏ - ®Þa chÊt
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

Ngun an ®Þnh

KHẢO SÁT
KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG HỆ THỐNG MÁY CHỤP
ẢNH HÀNG KHƠNG KỸ THUẬT SỐ Ở NƯỚC TA
Chuyªn nghành: Kỹ thuật Trắc địa
MÃ số
: 60.52.85

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Ngời hớng dẫn khoa học

PGS. TS. Phạm Vọng Thành

Hà néi – 2010


1

Lời cam đoan
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của
riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực
và cha từng đợc ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng

năm 2010

Tác giả

Nguyễn An Định


2

mục lục
Nội dung

Trang

Lời cam đoan...

1

Mục lục...........

2

Danh mục các bảng.
Danh mục các hình vẽ, đồ thị..
Danh mc cỏc thut ng, cỏc chữ viết tắt…………………………...
MỞ ĐẦU

4
5
7
8

1.Tính cấp thiết của đề tài. ………………………………………….

8

2. Mục tiêu nghiên cứu. …………………………………………….

9

3. Nhiệm vụ nghiên cứu. ……………………………………………

9

4. Phương pháp nghiên cứu. ………………………………………..

9

5. Phạm vi nghiên cứu. ……………………………………………..

10

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ..

10

7. Cấu trúc của luận văn.

11

Chơng 1: NHNG VN CƠ BẢN VỀ MÁY CHỤP ẢNH
KỸ THUẬT SỐ
1.1. ¶nh sè ………………………………………………………….

12
12
13

1.2. Những vấn đề cơ bản của máy chụp ảnh k thut s..
Chơng 2: hệ thống máy chụp ảnh S hàng không
trấN TH GII
2.1. Hin trng cụng ngh, thit b bay chụp ảnh tại Việt nam……..

35

2.2. Công nghệ chụp ảnh hàng khơng dạng số hiện có trên thế giới..

36

2.3. Các máy ảnh số dùng công nghệ chụp khung…………………..

38

2.4. Máy ảnh số dùng cơng nghệ qt dịng…………………………

61

ch−¬ng 3: KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG, GIẢI PHÁP LỰA CHỌN
CỦA MÁY CHỤP ẢNH KỸ THUẬT SỐ Ở NƯỚC TA.
3.1. Khả năng ứng dụng. ……………………………………………
3.2 Giải pháp lựa chọn. ……………………………………………..

35

73
73
75


3

ch−¬ng 4: thùc nghiƯm

84

4.1 Vài nét về cơng việc thực nghiệm. ………………………………… 84
4.2 Sơ đồ qui trình cơng nghệ bay chụp ảnh hàng không để hiện
84
chỉnh bản đồ tỷ lệ 1/500. ……………………………………………
4.3 Bay chụp ảnh hàng không. ………………………………………
85
4.4 Đo khống chế ảnh ngoại nghiệp. ………………………………..

85

4.5. Tăng dày tam giác ảnh hàng khơng…………………………….

86

4.6. Thành lập bình đồ trực ảnh……………………………………..

88

4.7 Cập nhật các yếu tố thay đổi………………………………….…

89

4.8 Đánh giá kết quả………………………………………………..

91

kÕt luËn và kiến nghị

94

1. Kết luận. .

94

2. Kiến nghị. ..

94

tài liệu tham kh¶o

96


4

Danh mục các bảng
Nội dung

Trang

Bảng 1.l: Các chủng loại máy chụp ảnh kỹ thuật số điển hình.

34

Bng 2.1:Cỏc s liu kỹ thuật chính của hệ thống DMC……………….

48

Bảng 2.2: Các số liệu kỹ thuật chính của hệ thống UltraCam-XP……...

55

Bảng 2.3 : Các thông số của hệ thống dẫn đường GPS/IMU…………...

58

Bảng 2.4: Độ cao bay chụp ảnh…………………………………………

58

Bảng 2.5: Sai số điểm tăng dày, độ cao bay chụp 1500m………………

60

Bảng 2.6: Bảng sai số tọa độ ảnh, độ cao bay chụp 1500m…………….

60

Bảng 2.7: Bảng sai số tọa độ điểm tăng dày, độ cao bay chụp 760 m….

61

Bảng 2.8: Bảng sai số tọa độ điểm ảnh, độ cao bay chụp 760 m……….

61

Bảng 2.9:Các số liệu kỹ thuật chính của hệ thống ADS40 2nd………….

65

Bảng 2.10: Kết quả kiểm tra máy ADS40………………………………

68

Bảng 2.11: Thông số khối tăng dày…………………………………….

72

Bảng 3.1: So sánh đặc tính kỹ thuật của các loại máy ảnh……………..

76

Bảng 3.2 : So sánh độ trùm phủ mặt đất giữa UltraCam-XP và DMC…

80

Bảng 3.3: Độ phân giải không gian tối đa của UltraCam-XP…………..

81

Bảng 4.1 Sai số điểm khống chế mặt đất………………………………..

87

Bảng 4.2 Sai số điểm khống chế mặt đất……………………………….

87

5

danh mục các hình vẽ, đồ thị
Nội dung

Trang

Hình 1.1: Các dải năng lợng đặc trng của chất cách điện và chất bán dẫn...

18

Hình 1.2: Cấu trúc thiết bị kết nối diện tích CCD điển hình

21

Hình 1.3: Mảng ghi hình tuyến tính.............................................................

23

Hình 1.4: CCD chuyển giữa dòng

24

Hình 1.5: CCD mảng chuyển khung thực địa..

25

Hình 1.6: CCD mảng chuyển toàn khung

28

Hỡnh 2.1: Hai hệ thống máy ảnh hiện có trên thế giới…………………….

37

Hình 2.2: Cấu hình, lắp đặt DMC trên máy bay…………………………...

40

Hình 2.3: Máy ảnh DMC………………………………………………….

41

Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống bay chụp ảnh DMC………………………

41

Hình 2.5: hình ảnh mặt đất của 4 đầu thu…………………………………

43

Hình 2.6: Cảm biến đơn sắc và đa phổ……………………………………

44

Hình 2.7: Cấu hình của camera đơn sắc…………………………………..

45

Hình 2.8: Mảng CCD kích thước 7000 pixel x 4000 pixel……………….

46

Hình 2.9: Hướng dải bay………………………………………………….

49

Hình 2.10: Ảnh chụp ở độ cao 740 m………………….………………….
Hình 2.11: Máy ảnh số UltraCam X (phần đặt trên máy bay): máy chụp,
máy chủ lưu trữ dữ liệu, màn hình điều khiển…………………………….
Hình 2.12: Hệ thống xử lí dữ liệu…………………………………………

50
52

Hình 2.13: Bộ cảm SUX (Sensor Unit)…………………………………...

54

Hình 2.14: Diện tích thu nhận ảnh của 9 ống kính chồng phủ lên nhau…..

54

Hình 2.15: Ảnh chụp đơn sắc, màu và đa phổ………………………….…

54

Hình 2.16: Ảnh chụp bằng máy ảnh ULTRACAM……………………….

57

Hình 2.17: Mơ hình khối ảnh……………………………………………...

59

Hình 2.18: Máy ảnh kỹ thuật số ADS40………………………………….

62

Hình 2.19: Vị trí qt của 3 đầu thu nhận ảnh…………………………….

62

Hình 2.20: bộ lọc nhiễu……………………………………………………

63

53


6

Hình 2.21: Lắp đặt hệ thống ADS40 trên máy bay Cessna……………….

64

Hình 2.22: Ảnh tổ hợp màu……………………………………………….

69

Hình 2.23: Nối dài hình ảnh……………………………………………….

69

Hình 2.24: Các tuyến bay chụp thử nghiệm………………………………
Hình 4.1: Sơ đồ qui trình cơng nghệ bay chụp ảnh hàng khơng, cập nhật,
hiện chỉnh bản đồ tỷ lệ 1/500 ……………………………………………..
Hình 4.2: Điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp……………………………..

71
84
85


7

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
IMU

Viết đầy đủ
(Inertial Measurement Unit) Bộ đo đạc quán tính

INS

(Inertial Navigation System) Hệ thống dẫn đường quán tính

GPS

(Global Positioning System) Hệ thống định vị toàn cầu

MEMS

(MicroElectroMechanical System) Hệ vi cơ điện tử

PC-box

(Persional Computer box) Máy tính cá nhân chuyên dụng

SINS
KF

(Strapdown INS) Hệ dẫn đường loại gắn chặt
(Kalman Filter) Bộ lọc Kalman

NED

(North, East, Down) Các trục của hệ toạ độ dẫn đường

DMC

(Digital Mapping Camera) Máy ảnh kỹ thuật số lập bản đồ

CCD

(Charge Coupled Device) Bộ cảm biến

FMC

(Forward Motion Compensation) Hệ thống chống trượt

SSD

(Solid State Disk) Ổ cứng thể rắn

PPS

(Postprocessing Software) Phần mềm xử lý

ISAT

(The ImageStation Automatic Triangulation) Trạm tăng dày
ảnh tự động

ADS40

(Airborne Digital Sensor 40) Bộ cảm kỹ thuật số hàng
không 40

DEM

(Digital Elevation Model) Mơ hình số độ cao

DGPS

(Differential Global Positioning System) Hệ thống GPS
động

GCP

(Ground control points) Điểm khống chế mặt đất

RMS

(Root Mean Square) Sai số trung phương

TDI

(Time Delayed Integration) Tích hợp thời gian trễ

T-AS

La bàn con quay

S/N

(Signal to noise) Tỷ số nhiễu/ tín hiệu

RAID

(Redundant Arrays of Independent Disks) Hệ thống ổ đĩa
cứng

FMS

(Flight management system ) Hệ thống quản lý bay


8

mở đầu
1. Tớnh cp thit ca ti.
Chp nh hng không để phục vụ cho công tác bảo đảm địa hình của
quân đội ta được thực hiện từ những năm đầu của cuộc kháng chiến chống Mỹ.
Những thế hệ máy chụp ảnh hàng không đầu tiên do Liên Xô cũ và
CHDC Đức viện trợ như AΦA-TE, AΦA-41 (Liên Xô cũ); MRB 18x18,
MRB 23x23 (CHLB Đức), cho đến thế hệ máy chụp ảnh hàng không thế hệ
những năm 1990 RC30 của Thuỵ Sỹ vẫn sử dụng công nghệ chụp bằng phim.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, những năm
gần đây máy chụp ảnh nói chung đã có những thay đổi cơ bản. Hầu hết máy
chụp ảnh phổ thông đều chuyển sang công nghệ số với độ phân giải rất cao.
Theo đó máy chụp ảnh hàng khơng cũng đã chuyển hẳn sang công nghệ số
với việc ứng dụng những thành tựu mới nhất của khoa học công nghệ về tốc
độ xử lý và dung lượng bộ nhớ.
Những tiện ích mà máy chụp ảnh hàng khơng kỹ thuật số đem lại là rất
lớn. Ảnh số hàng không không những nâng cao dung lượng và chất lượng
thông tin mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điều tra cơ bản, đồng
thời thích ứng với các hệ thống xử lý ảnh hiện đại như công nghệ đo vẽ thành
lập bản đồ bằng phương pháp ảnh số, công nghệ giải đốn ảnh số thành lập
bản đồ chun đề, cơng nghệ xây dựng cơ sở dữ liệu thông tin địa lý...
Công nghệ chụp ảnh số kết hợp với công nghệ định vị toàn cầu (GPS)
và các hệ thống xác định qn tính (IMU) đã tạo ra một quy trình cơng nghệ
thành lập bản đồ hoàn chỉnh. Sự kết hợp này cho phép dẫn đường bay, xác
định tọa độ tâm chụp ảnh và các thơng số về các góc định hướng của ảnh, do
đó giúp cho cơng tác thành lập bản đồ từ ảnh hàng không giảm tối đa khối
lượng ngoại nghiệp, tiết kiệm thời gian và kinh phí.
Trong chiến tranh hiện đại cần những thơng tin nhanh chóng và chính xác,


9

hệ thống máy ảnh cũ khi thực hiện nhiệm vụ để cho ra một tấm ảnh số cần phải
tiến hành qua rất nhiều bước từ chụp ảnh, tráng phim, quét phim với hệ thống
thiết bị cồng kềnh... hệ thống máy ảnh số hiện đại hồn tồn có thể bỏ qua các
bước trên.
“Khảo sát khả năng ứng dụng hệ thống máy chụp ảnh hàng không kỹ
thuật số ở nước ta” nhằm đồng bộ cơng nghệ đảm bảo tư liệu địa hình, đáp
ứng ngày càng cao cho các hoạt động của các lực lượng vũ trang phục vụ mục
tiêu hiện đại hoá quân đội và sự phát triển nền kinh tế xã hội của đất nước.
2. Mục tiêu nghiên cứu.
- Nghiên cứu làm rõ các đặc tính kỹ thuật nổi trội của hệ thống máy chụp
ảnh hàng không kỹ thuật số.
- Nghiên cứu khả năng ứng dụng của ảnh số hàng không trong các mục
đích kinh tế quốc dân và mục đích quân sự.
- So sánh, đánh giá các hệ thống máy ảnh hàng khơng kỹ thuật số hiện có
trên thế giới. Đánh giá độ chính xác của ảnh số hàng khơng.
- Khả năng ứng dụng máy chụp ảnh hàng không kỹ thuật số tại nước ta.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu.
- Nghiên cứu các đặc tính của các hệ thống máy chụp ảnh hàng khơng
kỹ thuật số hiện có trên thế giới.
- Nghiên cứu khả năng ứng dụng tại Cục Bản đồ - BTTM.
- Đánh giá độ chính xác của ảnh hàng không kỹ thuật số so với các tài
liệu đo đạc trực tiếp bằng phương pháp toàn đạc.
4. Phương pháp nghiên cu.
Trớc hết luận văn tập trung nghiên cứu các vấn đề lý thuyết cơ bản nhất
liên quan đến máy chụp ảnh số hàng không, sau đó làm thực nghiệm kết quả
để kiểm chứng độ chính xác và các tính năng −u viƯt cđa hƯ thèng m¸y chơp


10

ảnh số hàng không, nghiên cứu khả năng ứng dụng t¹i ViƯt Nam.
Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp, xử lý các thông tin và tài
liệu liên quan.
Phương pháp phân tích: Sử dụng các phương tiện và các cơng cụ tiện
ích, phân tích logic các tư liệu, đánh giá khách quan các yếu tố để đưa ra kết
luận chính xác làm cơ sở giải quyết các vấn đề đặt ra.
Phương pháp so sánh: Tổng hợp các kết quả, so sánh, đánh giá, đưa ra
các kết luận chính xác về vấn đề nêu ra.
Phương pháp chuyên gia: Thu thập, tổng hợp và phân tích các ý kiến
chuyên gia làm cơ sở đưa ra các kết luận khoa học.
Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm để chứng minh cho
các luận chứng khoa học đã đưa ra.
5. Phạm vi nghiên cứu.
Nghiên cứu các đặc tính cơ bản của các hệ thống máy chụp ảnh hàng
khơng kỹ thuật số hiện có trên thế giới, so sánh tìm ra hệ thống thích hợp nhất
để đưa vào ứng dụng tại nước ta.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Đầu tư đổi mới công nghệ phù hợp với chiến lược phát triển ngành Địa
hình quân sự theo từng giai đoạn và đúng xu thế chung của thế giới trong lĩnh
vực kỹ thuật này.
Sử dụng hệ thống máy ảnh số để thành lập cơ sở dữ liệu địa hình quân
sự ở các tỷ lệ phủ trùm toàn bộ lãnh thổ Việt Nam và các nước trong khu vực.
Ứng dụng công nghệ chụp ảnh số trong việc cung cấp thông tin, cập
nhật dữ liệu bản đồ, thông tin địa lý, xây dựng bản đồ ba chiều (3D), bản đồ
địa hình và các loại bản đồ chuyên đề khác.


11

7. Cấu trúc của luận văn.
Luận văn gồm 97 trang, chia làm 4 chơng với 17 bảng biểu và 32 hình
vẽ.
Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo hớng dẫn, PGS.TS. Phạm
Vọng Thành, ngời đà động viên và chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình thực
hiện luận văn. Xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn o ảnh và Viễn thám
Khoa Trắc địa Trờng Đại học Mỏ Địa chất đà quan tâm giúp đỡ và cung cấp
tài liệu để thực hiện luận văn. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến lÃnh đạo
Công ty Trắc địa Bản đồ Bộ Quốc phòng đà tạo mọi điều kiện thuận lợi về
máy móc trang thiết bị để hoàn thành phần thực nghiệm của luận văn.


12

Ch−¬ng 1
NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ MÁY CHỤP ẢNH K THUT S
1.1 ảnh số.
ảnh số có thể đợc xem là một tập hợp của những điểm ảnh (pixel)
khác nhau. Mỗi pixel mang một giá trị màu sắc nào đó. ảnh số có thể nhận
đợc từ 2 con đờng: trực tiếp từ máy chụp ảnh số hoặc gián tiếp từ việc quét
các ảnh tơng tự. Trong khi chất lợng của ảnh tơng tự phụ thuộc vào độ
nhạy của lớp nhũ trên phim thì chất lợng của ảnh số phụ thuộc vào các thông
số của CCD (charge-coupled device). Đây là bộ phận cảm quang của tất cả
các thiết bị thu nhận ảnh số nh máy chụp ảnh hoặc quay video số, máy quét
v.v.. Số lợng các tế bào cảm quang của CDD, hình dạng, kích thớc và độ
nhạy của chúng là những thông số cơ bản của CCD. Có 2 quá trình cơ bản và
quan trọng diễn ra khi tạo lập ảnh số, đó là lấy mẫu và lợng tử hoá.
Lấy mẫu là việc chia sự biến đổi liên tục của hình ảnh thành một tập
hợp rời rạc các giá trị đại diện, đó chính là các pixel với hình dáng và kích
thớc xác định. Toàn bộ tấm ảnh đợc chia thành các phần tử hình ảnh nhỏ

nhất còn gọi là pixel, hình dạng và kích thớc của nó phụ thuộc vào hình dạng
và kích thớc của các tế bào tạo nên CCD. Quá trình lấy mẫu quyết định đến
thuộc tính hình học của ảnh số.
Lợng tử hoá là việc chọn và gán một giá trị cờng độ tín hiệu (độ xám)
nào đó cho một pixel. Các giá trị này sẽ tạo nên thuộc tính cờng độ của tấm
ảnh.
Các khái niệm liên quan đến thuộc tính hình học và thuộc tính cờng độ
sẽ đợc nêu chi tiết trong phần kế tiếp.
ảnh số có nhiều điểm u việt, đáng chú ý có thể nêu lên nh sau:
- Cho phép tự động hoá các quá trình xử lý.


13

- Cho phép lu trữ, sao chép dễ dàng tiện lợi.
- Cho phép gửi dữ liệu dễ dàng nhanh chóng từ khoảng cách xa (gửi từ
ni này đến nơi khác qua mạng, gửi từ vệ tinh và tàu vũ trụ về mặt đất v.v..).
- Cho phép thể hiện nhiều kênh với các dải tần bất kỳ kể cả các dải ánh
sáng nhìn thấy và không nhìn thấy.
Tuy nhiên bên cạnh những u điểm, ảnh số vẫn còn một số nhợc điểm:
- Các thiết bị thu nhận và xử lý đắt tiền.
- Dung lợng lu trữ lớn.
- Độ phân giải thông thờng thấp hơn ảnh tơng tự. Phim chụp hàng
không thông thờng đạt 60-80 lp (cặp dòng)/mm, trong khi ảnh quét thờng
dùng trong sản xuất, nếu quét với độ phân giải 16 àm đạt khoảng 31 lp/mm.
Với những u điểm và nhợc điểm nh trên, nhìn chung phần u điểm vẫn
vợt trội hơn và ảnh số ngày càng chiếm lĩnh vị trí thay thế dần ảnh tơng tự.
1.2 Nhng vn cơ bản của máy chụp ảnh kỹ thuật số.
1.2.1 C¬ sở của hệ thống ghi hình
1.2.1.1 Các loại hệ thống ghi hình.

Các hệ thống ghi hình có thể phân thành các loại cơ bản theo tính chất
(thống kê hoặc nhiều mức) và theo bố trí không gian (đều đặn hoặc ngẫu
nhiên) của các phần tử tạo hình .
a) Thống kê đều đặn
Sự bố trí đều đặn của ảnh in tin tức chỉ sử dụng các chấm đen trên một
nền trắng cho phép tạo ra các màu trắng , xám và đen khi quan sát bình
thờng, mắt ta lẫn lộn các chấm đó (các phần tử ảnh) để sinh ra một hình ảnh
với tông màu liên tục, nhng khi phóng đại thì cấu trúc chấm đó đợc phản
ảnh và mặc dù chúng phân bố đều trong không gian, kích cỡ của chấm đen sẽ
khống chế mật độ hình ảnh. Trong hệ thống nh vậy, tính chất thống kê của
hình ảnh là tính chất của các phần tử nhị phân mà nó chØ cã thĨ chÊp nhËn c¸c


14

cực trị của một dải mật độ đà cho, chẳng hạn đen (1) hoặc trắng (0). Bất kỳ
tông màu xám nào giữa trắng và đen đợc thể hiện chỉ trong một diện tích lớn
hơn một phần tử đơn lẻ và với sự pha trộn mang tính thống kê thích hợp của
các phần tử trắng và đen.
b) Thống kê ngẫu nhiên.
Nếu chúng ta làm ảnh với một phim độ phân giải cao có độ tơng phản
rất cao, chúng ta thấy cấu trúc hình ảnh là một tập hợp ngẫu nhiên có chấm đen,
mỗi cái với một hàm phân bố điểm (PSF) có đờng kính khoảng 1.0 àm ở mức
cờng độ 10% . Khi quét ở độ mở lớn hơn PSF ( chẳng hạn nh mắt ngời hoặc
một microdensitometr) chúng ta sẽ cảm nhận nhiều chấm đó là một diện tích
đen liên tơc. Nh−ng nÕu chØ mét nưa sè chÊm chiÕm cïng diện tích đó, khi đó
cảm nhận sẽ là một diện tích màu xanh xám, và v.v... cho đến màu trắng - trong
đó chỉ có một chấm đơn lẻ (PSF) chiếm diện tích quét đó mà thôi.
c) Thống kê đều đặn theo nhiều mức
Các hệ thống tạo ảnh đều đặn nhiều mức bao gồm các phần tử CCD,

trong đó có mảng đều các pixel, mỗi mảng với một dung lợng đa mức (M)
của các tầng xám hoặc mầu. Khi các CCD đợc đa ra thị trờng lần đầu tiên
chúng còn rất thô với mảng cỡ chỉ 400 x 400 pixel. Tuy nhiên, đến giữa những
năm 1970, các CCD đợc sử dụng trong thiên văn; trong những năm 1990
chúng ta có các máy ảnh với mảng hàng triệu pixel đợc dùng trong việc chụp
thông thờng. Đối với các hệ thống tạo hình CCD nhiều mức và bố trí đều các
phần tử (pixel), thì trữ lợng thông tin (Ic) có thể đợc xác định rất dễ dàng.
1.2.1.2. Trữ lợng thông tin.
Đối với một hệ thống gồm n phần tử với M mức mỗi phần tử thì trữ
lợng thông tin đợc tính bằng
Ic = nlog2M (bit)

(1.1)

(Lu ý: Bit là mảng thông tin có thể lu trong một máy tính và là một
giá trị nhị phân của 1 hoặc 0). Vì các hệ thống thống kê chỉ có các mức đen và


15

trắng, chúng có cùng một trữ lợng thông tin với t cách là một hệ thống đa
mức với số lợng tối thiểu có thể để so sánh hình ảnh giữa các hệ thống khác
nhau, dù chúng là các hình ảnh thông thờng hoặc các ảnh kỹ thuật số ( nh
những ảnh tạo bởi một bộ thu hình CCD). Chẳng hạn, một âm bản 35mm trên
phim Plus X có 2 x 105 ô vuông /cm2, Khi tính toán từ một hàm PSF ở mức
cờng độ 10%, có nghĩa là một tổng tơng tự 1.7 triệu ô trong toàn bộ khung
ảnh cì 24 x 36mm. Vµ nÕu ta chÊp nhËn r»ng phim Plus- X cã 3 møc mËt ®é
(10 σ ), khi đó trữ lợng thông tin của khung ảnh này sÏ lµ
Ic = (1.7 x 106)log3 = (1.7 x 106) 1.585=2.7 triƯu bit.

(1.2)

Nh−ng nÕu ta lÊy K b»ng 4 h¬n 10 độ lệch tiêu chuẩn trong phơng
trình (1.2), khi đó các mức mật độ đợc tăng lên 2.5 lần để cho ta M = 7.5, và
dung lợng thông tin tơng ứng sẽ trở thành 4.93 triệu bít.
Bằng cách so sánh, máy ảnh kỹ thuật số Kodak DCS 420 i (phiên
bản toàn sắc) có 1524 x 1012 pixel trong một chip 14mm x 9mm, và 256 mức.
Trữ lợng thông tin cđa hƯ thèng nµy sÏ lµ:
Ic= 1542288 x log2256= 1542288 x 8 = 12338304 bit

(1.3)

Chúng ta thấy máy ảnh kỹ thuật số có trữ lợng thông tin nhiều hơn
nhiều. Nhiều đến mức phải nén hình ảnh này đến mức dung lợng thấp hơn
nhiều trớc khi chuyển tải xuống máy tính, nhng chất lợng hình ảnh có tốt
hơn so với ảnh chụp bằng phim Plus X không? Phụ thuộc vào độ phóng đại
nhng ngay cả khi in trên một máy in chất lợng cao và trên giấy bóng tốt
nhất, thì hình ảnh kỹ thuật số sẽ khó in thành ảnh tốt hơn. Tuy nhiên, điều này
cần xét đến các yếu tố khác, nh tính chất đối tợng chụp, độ chiếu sáng, trình
bày, v.v... và trên hết là các cải tiến nhanh chóng hiện nay cho máy chụp ảnh
kỹ thuật số.
Rõ ràng là giá trị cao của Ic là không đủ. Từ các ví dụ trên, ta thấy rằng
hình ảnh Plus X sẽ đợc cải thiện khi M tăng, nhng không thể mở rộng vô
hạn. Tất nhiên liệu ngời quan sát trung bình có thực sự cần đến 256 mức x¸m


16

hoặc màu sắc trong một ảnh? Liệu ngời đó có thể thấy nhiều hơn 100 mức
xám hoặc đánh giá đợc nhiều hơn 20 hoặc 30 mức ? liệu việc chấp nhận một

hệ thống thống kê có phải là không tốt hơn hay không?
Đối với các hình ảnh toàn sắc, các hệ thống thống kê làm việc tốt: bởi
vì ít nhất 2 tình trạng thay nhau ghi lại thông tin, việc chứa tối đa xảy ra khi ô
đó đợc giảm đến kích cỡ chỉ có 2 mức mật độ là đợc phép theo độ hạt. Nói
một cách khác thông tin tối đa chứa trong màng nhũ ảnh xuất hiện với trờng
hợp ghi nhị phân thống kê.
1.2.1.3 Độ phân giải không gian.
Hiện nay, cách thực hành phổ biến để xem xét độ phân giải của ảnh là
xem xét mật độ chứa đựng trong bộ cảm, tức là số pixel trên đơn vị diện tích
hoặc số pixel trên chip. Đây là một hình thức hữu ích xem xét độ phân giải
pixel với điều kiện là ta có thể xác định khoảng cách từ pixel đến pixel. Chip
của Kodak/M-5 đợc sử dụng trong máy ảnh DCS-420, là một ví dụ thích hợp
. Chíp này cã mét m¶ng 1524 pixel x 1012 pixel trong mét diện tích hoạt động
là 14mm x 9.3mm. Chia 1524 pixel thành 14mm ta thấy là độ phân giải pixel
M-5 là vào cỡ 9.2 àm giữa các tâm pixel.
Ta cũng có thể phát biểu điều này nh là tần số lấy mẫu không gian(k):
K = 1000/ p (pixel/mm )

(1.4)

Trong đó p là khoảng cách giữa các pixel đợc biểu thị bằng mm và k
là tần số lấy mẫu
1.2.2 Chất bán dẫn và bộ cảm ghi hình CCD
1.2.2.1 Chất dẫn điện và cách điện
Điện trở của các chất dẫn diện (cũng nh các chất cách điện và bán
dẫn) đợc xác định theo số lợng electron ở mức năng lợng ngoài cùng là
giải hoá trị của các nguyên tử cấu thành chất đó trong điều kiện thích hợp nh
việc dùng năng lợng bên ngoài, các electron có thể bị cỡng bức từ dải ho¸

17

trị nhảy vào mức năng lợng cao hơn của dải dẫn điện. Việc vận chuyển các
electron đó gọi là dòng điện.
Trong tinh thể rắn, các hạt nhân nguyên tử quá gần nhau đến mức các
electron của một nguyên tử đà cho bị ảnh hởng của các electron của các
nguyên tử lân cận làm cho các mức năng lợng mở rộng thành các dải các các
giá trị cho phép nhóm lại gần nhau để xuất kiện nh một dải liên tục. Dải
năng lợng mà các electron không thể chiếm đợc gọi là dải cấm.
Số lợng các electron nhiều nhất trong một dải hoá trị là 8. Nguyên tử
có 8 electron hoá trị thờng là một chất cách điện rất tốt. Điều này là do dải
hoá trị đà bị lấp đầy, và xem nh ở trạng thái cân bằng để cho hoặc để nhận
một electron từ giải hoá trị cha bị lấp đầy của một nguyên tử gần đó. Toàn bộ
các khí trơ (Heli, neon, argon, krypton, xenon và radon) có 8 electron hoá trị
là cách điện. Nhng các nguyên tố có 6,7 electron hoá trị cũng đợc xem là
chất cách điện tốt do khoảng cách giữa các dải hoá trị và dải dẫn điện quá lớn.
Các nguyên tử chỉ có 1, 2 hoặc 3 electron trong dải hoá trị của chúng
thờng dễ nhận hoặc cho các electron từ các nguyên tử lân cận, cho nên chúng
là các chất dẫn điện tốt . Các kim loại nh bạc và đồng một electron hoá trị là
chất dẫn điện rất tốt bởi vì chúng có một dải cấm rất nhỏ hoặc không có dải
cấm nào. Khi một pin đợc dẫn với một dây dẫn kim loại, một vài electron
hoá trị có năng lợng nhỏ và di chuyển sang mức năng lợng cao hơn của dải
dẫn điện, tại đó chúng di chuyển tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác
dọc theo dây dẫn, nhng với một chất cách điện, các electron hoá trị không
thể nhận đủ năng lợng từ opin để lấp đầy khoảng cách cực kỳ lớn tới dải dẫn
điện. kết quả là không có các phần tử mang để dẫn điện.
Hình 1.1. (a) minh hoạ các điều kiện đó của chất cách điện.
Một tính chất cơ bản của vật liệu là ®iƯn trë xt ( ε) cđa nã, ®ã lµ hµm
cđa ®iƯn trë (R) vµ kÝch th−íc cđa vËt liƯu ®ã. Từ định luật ôm ta có mối liên
hệ với điện trở (R) với hiệu thế (V) và dòng điện (I)

18

R= V/I( )

(1.5)

Khi đó điện trở suất đợc tính theo c«ng thøc:
ε = R ( A / L )( cm )

(1.6)

Trong đó A là tiết diện của dây dẫn tính bằng cm2, và L là độ dài tính
bằngcm

Hình 1.1: Các dải năng lợng đặc trng của chất cách điện và chất bán dẫn
Các vật liệu có giá trị <10-2 là các chất dẫn điện, ví dụ nhôm là chất
dẫn điện rất tốt vì có điện trở suất <10-6 cm ở nhiệt độ trong phòng. Các
chất cách điện có giá trị <105 cm. Chẳng hạn , điôxyt silic là chất cách
điện vì nó có điện trở xuất là 1016 cm. Nằm giữa hai loại vật liệu đó là các
chất bán dẫn.
Chất bán dẫn đợc dùng làm các linh kiện điện tử bán dẫn và làm bộ
cảm sử dụng hiệu ứng quang hiện. Một tế bào quang điện tiêu biểu là điện trở
quang sulfite cadime (CDS), với trở kháng có thể thay đổi từ hàng chục ôm
trong bóng tối hoàn toàn cho đến một vài chục ôm khi đợc chiếu sáng. Chất
bán dẫn ôxyt kim loại (MOS) còn đợc sử dụng trong các thiết bị kết nối điện
tích (CCD).
Chất bán dẫn có biểu đồ dải năng lợng tơng tự nh các chất cách
điện, nhng khoảng cách giữa các dải hoá trị và dẫn điện rất hẹp (hình 1.1b) ở

độ không tuyệt đối, chất bán dẫn thuần khiết là chất cách điện, nhng ở nhiệt


19

độ trong phòng (khoảng 200C hoặc 2900K) năng lợng nhiệt trung b×nh cđa
mét electron sÏ tÝnh theo biĨu thøc sau đây
E1 = 3kT/2

(1.7)

Trong đó :
E1 là năng lợng trung bình để tịnh tiến một phân tử
K là hằng số Boltzmann, 1,38 x10-23JK-1(Jun theo độ Kelvin),
T là nhiệt độ tuyệt đối của phân tử đó (tính theo độ kenvin)
Nếu ta lấy T = 2900K và bởi vì 1eV = 1.6 x 10-19Jun. Chúng ta có thể
tính năng lợng nhiệt trung bình của một electron ở nhiệt độ trong phòng
khoảng 0.04eV. Tuy nhiên, một vài electron hoá trị sẽ có nhiều năng lợng
nhiệt hơn electron này và có thể dễ dàng vợt qua khoảng cách năng lợng
0.75eV bị cấm của bán dẫn gecmani hoặc khoảng cách năng lợng 1.1 eV bị
cấm của bán dẫn silic.
Chất bán dẫn thờng đợc kích thích bằng các tạp chất làm giảm trở
kháng của nó để cho dòng điện mạnh hơn đi qua thiết bị, nếu ta đa vào một
phân tử hoá trị năm (tức là có 5 electron hoá trị) nh phốt pho, arsenic hoặc
antimoan vào trong mét tinh thÓ silic tinh khiÕt (cã 4 electron hoá trị), khi đó
mỗi nguyên tử thay thế sẽ có nhiều hơn một electron cho việc tạo thành một
liên kết đồng hoá trị, các nguyên tử hoá trị 5 này gọi là các chất cho bởi vì
chúng có khả năng cho một electron d. Vì chúng không có trong dải hoá trị,
các electron d này đợc tự do mạng một điện tích âm và để lại một điện tích
dơng cố định (lỗ dơng) trong các nguyên tử thay thế. Theo cách này, Trạng

thái trung hoà điện tích đợc bảo tồn. Một bán dẫn hoàn hảo tuyệt đối là một
bán dẫn gốc mà trong đó mật độ các electron(n) và các lỗ dơng (p) bằng
nhau. Trong điều kiện nh thế thì bán dẫn gốc không phải là hữu ích đặc biệt
nên ngời ra phải dùng các chất kích thích.
Silic đợc kích thích bằng phốt pho gọi là chất bán dẫn ngoại lai thuộc
loại âm (loại n) vì mật độ của các electron tự do hơn nhiều so với mật độ c¸c


20

lỗ. Mặt khác, nếu một nguyên tố hoá trị 3 nh bo, nhôm hoặc gali đợc dùng
nh một chất thay thế, đợc tạo ra với điện tích âm xác định vẫn ở lại trong
nguyên tử không thuần chất đó.
Các vật liệu có số lỗ dơng gọi là các bán dẫn loại p chính là chuyển
động của các cặp lỗ điện tử mang điện tích trong các thiết bị kết nối bán dẫn.
Điốt kết nối tạo bởi một giao diện các vật liệu bán dẫn loại p và loại n đặc trng
cho khả năng ngăn chặn electron theo một hớng về phía loại p của điốt thì
chúng sẽ không đi qua giao diện của chỗ nối pn bởi vì các electron có tại miền
loại p sẽ đẩy chúng ngợc trở lại. Nhng nếu các electron có đủ năng lợng
hớng về phía loại n của chỗ kết nối, thì chúng dễ dàng vợt qua chỗ nối để kết
hợp với các lỗ dơng và tạo ra một dòng điện. Lu ý là tất cả các thiết bị vi điện
tử đều tận dụng chỗ nối pn dới hình thức này hoặc hình thức khác. Và trong
hoạt động của điốt các electron đợc coi là phần tử mang điện tích , ta có thể
xem các lỗ về phía loại p của chỗ nối là những phần tử mang điện tích vì các lỗ
liên tục di chuyển tới chỗ nối pn để kết hợp với electron đang đi tới.
Transitor là một linh kiện bán dẫn quan trọng kết hợp nhiều chỗ nối pn
và mặc dù có nhiều loại transistor nhng chúng đều cho một dòng điện tơng
đối lớn chạy qua thiết bị khi cần điều khiển bằng một dòng điện hoặc thế hiệu
vô cùng nhỏ tại một điện cực thứ ba hoặc cổng.
1.2.2.2 Thiết bị kết nối điện tích CCD

Về thực chất, thiết bị kết nối điện tích CCD là mạch tổ hợp silic thuộc
loại MOS có cấu trúc cơ bản nh biểu thị trên hình 1.2. Mét CCD gåm cã mét
líp nỊn cã phđ oxyt silic SiO2 trên đó hình thành một mảng các điện cực bố
trí gần nhau. Thông tin của tín hiệu đợc mang dới dạng điện tích thờng là
electron (mặc dù có thể có các CCD với cực ngợc lại). Điện tích này đợc
khu trú dớc các điện cực với các điện áp dụng cao nhất bởi vì điện thế dơng
của một ®iƯn cùc (Vc) g©y ra cho silic n»m d−íi trong vùng rỗng và nh vậy sẽ
nhận một điện thế dơng. Điện thế dơng này sẽ hút các electron tín hiệu,


21

chúng ta có thể nói rằng các electron đang giữ lại trong hố thế năng phần
hoạt tính của CCD (tại đó lu giữ các điện tích) đợc gọi là kênh, và miền này
đợc liên kết bằng các điểm dừng của kênh thuộc loại p có tính chất thụ
động về điện nh biểu thị trên Hình 1.2.
Thuật ngữ kết nối điện tích nói về phơng pháp mà theo đó điện tích
tín hiệu (có thể là các electron quang đà tạo ra từ hình ảnh rơi vào mảng CCD)
có thể chuyển dịch từ điện cực này sang điện cực khác. Điều này thực hiện
bằng cách nâng điện thế ở điện cực thứ hai lên một mức cao và giảm ®iƯn thÕ
ë ®iƯn cùc thø nhÊt. B»ng c¸ch cho dao động lần lợt các điện thế ở các điện
cực giữa các mức cao thấp, các electron tín hiệu đợc chuyển xuống một
mảng rất nhiều điện cực, không có tổn thất vµ rÊt Ýt nhiƠu, hƯ thèng vËn hµnh
CCD nµy th−êng đợc ví nh hoạt động của một đội gầu sử dụng để chuyển
những gầu nớc đến dập tắt một đám cháy. Việc tơng tự hoá này là đúng do
thực chất là mỗi một gầu là một hố thế năng của các electron mang theo
một sổ di chuyển đến một đầu ra cuối cùng.

Hình 1.2: Cấu trúc thiết bị kết nối diện tích CCD điển hình

22

1.2.2.3. Bộ cảm ghi hình CCD
Bộ cảm ghi hình CCD thờng đợc gọi là bộ cảm ghi hình kết nối điện
tích. Các máy ảnh kỹ thuật số có nhiều dạng, các khác biệt chủ yếu tập trung
ở bộ cảm ghi hình CCD sử dụng. Chúng ta đà tìm hiểu cơ chế căn bản của các
CCD, bây giờ ta sẽ xem xét bộ cảm ghi hình CCD.
Hầu hết các bộ cảm ghi hình CCD là cổng quang đợc xác định bằng hệ
số lấp đầy hoặc tỷ lệ phần trăm của pixel có thể lấp đầy bằng ánh sáng. Hiện
nay có một số bộ cảm ghi hình CCD có hệ số lấp đầy bằng 100%.
Khi lộ quang để có ánh sáng hình ảnh, mỗi pixel sẽ nhận các electron tỷ
lệ với năng lợng bức xạ chiếu lới và mỗi gói điện tích của các electron lúc
này đợc chuyển xuống dòng pixel do quá trình kết nối điện tích.
Khi một gói điện tích đi tới cuối dòng thì nó đợc chuyển cho thiết bị ghi
đầu ra và đợc đo. Lu ý là tín hiệu nhận đợc ở thiết bị đầu ra ở dạng tơng
tự và vẫn dới dạng đó cho đến khi đa vào bộ chuyển đổi dạng tơng tự sang
dạng số A/D. Sau khi chuyển đổi A/D, mỗi pixel nhận đợc một số DN theo
cờng độ của nó tơng ứng với vị trí bộ cảm của nó trong mảng. (Lu ý: các
phần tử CCD chỉ tơng đơng với các pixel nếu tốc ®é lÊy mÉu lóc chun ®ỉi
A/D cịng gièng nh− vËy). Tuy có một vài điện tích bị mất mát tại mỗi hố thế
năng vì tín hiệu đợc chuyển xuống dòng, nhng đây chỉ là một số lợng vô
cùng nhỏ so với các CCD vì chúng thờng có hiệu suất chuyển điện tích cao
tới 99.99%, hoặc một electron trên 105.
a) Các mảng ghi hình tuyên tính CCD
Mảng tuyến tính (một chiều) là dạng đơn giản nhất của bộ cảm ghi hình
CCD đợc dùng từ những năm đầu 1970 trong công tác trinh sát quân sự trên
vũ trụ và trong máy quét đế phẳng. Một dÃy pixel CCD đợc định thời thành
thiết bị ghi đầu ra song song nh thể hiện trên H×nh 1.3.

23

Hình 1.3: Mảng ghi hình tuyến tính
Tuy nhiên, để lạo ra ảnh 2 chiều cần sử dụng bộ cảm ghi hình CCD mảng
tuyến tính nh thiết bị quét bằng cách di chuyển mảng tuyến tính trên đối
tợng hoặc ngợc lại. Trong việc tạo ảnh vũ trụ, phơng pháp di chuyển mảng
này đợc sử dụng bằng chổi quét, trong đó tàu vũ trụ chuyển động trên thực
địa và giống nh dùng chổi để quét sàn, mảng tuyến tính quét miền thực địa
theo một trình tự đều đặn và đọc từng dải một thông qua bộ ghi đầu ra vào
trong bộ lu giữ hoặc truyền trực tiếp.
Kỹ thuật này đà dùng để sản xuất bộ cảm ghi hình dạng số CCD dùng
trong quân sự và vệ tinh SPOT (Pháp), MEISII (Canada). Chẳng hạn vệ tinh
SPOT đà sử dụng mảng tuyến tính có 6000 phần tử trong phơng thức toàn sắc
và 3000 phần tử trong phơng thức đa phổ. Các phơng pháp tơng tự dùng
cho máy quét đế phẳng sử dụng mảng động hoặc tĩnh. Đặc biệt gần đây, kỹ
thuật này đà đợc hÃng Leica Geosystems nghiên cứu để chế tạo bộ cảm ghi
hình CCD trong máy ảnh hàng không kỹ thuật số ADS- 40.
b) Các mảng ghi hình diện tích CCD.
Các mảng ghi hình diện tích (hai chiều) có 3 loại cấu trúc cơ bản: a)
chuyển giữa các dòng; b) chuyển khung thực địa; c) chuyển toàn khung. Tất
cả 3 loại mảng này đang đợc chế tạo và luôn đợc cải tiến. 3 loại mảng nói
trên là các cấu trúc tiêu chuẩn cho nhiều năm với cách bố trí chuyển toàn