Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh Camera

I. Giới thiệu

Trước đây, độ phân giải VGA và D1 là phổ biến trên thị trường giám sát. Khi đó, việc đánh giá chất lượng video của camera dễ dàng hơn. Với sự xuất hiện của camera 1MP và 1.3MP, việc so sánh từng sản phẩm cũng không quá khó. Tuy nhiên, hiện nay, nhiều loại camera độ phân giải cao – nhiều megapixel như 2MP, 3MP, 4MP, 5MP, 10MP… đã xuất hiện, gây nhầm lẫn và khó khăn trong việc so sánh. Camera 10 megapixel có cho chất lượng hình ảnh tốt hơn và chi tiết hơn so với camera 4 megapixel? Không nhất thiết! Số điểm ảnh cao hơn không đảm bảo cho hình ảnh chi tiết và đẹp hơn.

Hãy cùng nhìn vào hai hình ảnh sau.

Có thể thấy hình ảnh bên trái đẹp và chi tiết hơn, mặc dù kích thước hình ảnh nhỏ hơn. Nếu camera của bạn có số điểm ảnh cao nhưng hình ảnh không rõ ràng, thì bạn không chỉ mất các chi tiết của hình ảnh, mà còn lãng phí băng thông và không gian lưu trữ.

Dưới đây chúng ta sẽ giải thích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng video và cách kiểm tra để chọn camera cho hình ảnh đẹp nhất.

II. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng video

Chất lượng video có thể được đánh giá bằng cách chụp hình trên luồng video. Quá trình chuyển ánh sáng thành hình ảnh (video) khá phức tạp và bao gồm nhiều khâu. Mỗi khâu ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh tổng thể của camera. Nếu chỉ tăng độ phân giải của cảm biến mà không tăng cường các thành phần khác của camera thì chỉ làm tăng rất ít chất lượng hình ảnh đầu ra. Điều này được minh họa rõ ràng từ ví dụ trên.

Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng video bao gồm ống kính, cảm biến hình ảnh, bộ xử lý tín hiệu hình ảnh (đại diện bởi các tính năng như tự phơi sáng, tự cân bằng trắng, tự động lấy nét, chống ngược sáng WDR, chống nhiễu kỹ thuật số DNR, độ nét, v.v.) và chuẩn nén hình ảnh.

Mỗi yếu tố được giải thích chi tiết như sau:

a. Ống kính

Bạn có thể đã từng thấy loại ống kính megapixel được bán trên thị trường. Điều này có nghĩa là gì?

Mỗi ống kính có một độ phân giải quang học. Độ chính xác của các ống kính thiết kế để nhận các tia sáng đến chính xác điểm đích trên bảng cảm biến. Ví dụ, với ba hình ảnh – có một hình ảnh cây trong tầm nhìn của camera. Bây giờ hãy nhìn cách mỗi điểm của cây đó được nhận trên cảm biến thông qua ống kính. Tất cả các tia sáng đến từ cùng một nguồn sẽ đến cùng một điểm ảnh trên cảm biến. Trong trường hợp ống kính chất lượng cao, ống kính sẽ đưa chính xác các tia sáng đến cùng một điểm ảnh trên cảm biến hình ảnh độ phân giải thấp. Hình ảnh sẽ rõ và không có nhiễu hoặc mờ.

Điều gì sẽ xảy ra nếu dùng ống kính chất lượng thấp thay cho loại chất lượng cao? Mặc dù các tia sáng không đến chính xác cùng một điểm nữa, nhưng chúng vẫn ở cùng trong một điểm ảnh, và như vậy hình ảnh vẫn đẹp nhất có thể.

Trong trường hợp sử dụng cảm biến hình ảnh chất lượng cao nhưng lại sử dụng ống kính chất lượng thấp, thì hình ảnh sẽ không được như mong muốn. Nhiều camera megapixel hiện nay được sản xuất dùng cảm biến hình ảnh độ phân giải cao nhưng dùng ống kính chất lượng thấp, loại ống kính không được thiết kế cho dòng cảm biến như vậy.

Yêu cầu đặt ra: cần sử dụng ống kính chất lượng cao với cảm biến hình ảnh độ phân giải cao. Như vậy, camera nhiều megapixel mới cho hình ảnh đẹp nhất và độ phân giải cao nhất. Và như vậy, cần đặc biệt lưu ý khi thay ống kính giữa các mẫu camera khác nhau – nếu không chất lượng hình ảnh sẽ không được như ý.

b. Cảm biến hình ảnh

Với sự thiếu thay đổi và không đủ năng lực cung cấp độ phân giải xử lý video từ đầu đến cuối, hầu hết các nhà sản xuất chỉ đơn giản thay thế thiết kế camera với cảm biến hình ảnh độ phân giải cao hơn. Độ phân giải tiêu chuẩn của giám sát IP hiện thông thường là 2MP. Các độ phân giải cao hơn 2 megapixel khá “mong manh” – càng nhỏ càng dễ bị ảnh hưởng bởi chất lượng ống kính hoặc bộ xử lý tín hiệu số, chuẩn nén.

Điều quan trọng là độ phân giải của cảm biến cao hơn, kích thước vật lý của từng điểm ảnh càng nhỏ. Về tổng thể, kích thước của cả cảm biến vẫn không thay đổi nhiều. (Ví dụ: camera 1MP dùng cảm biến 1/3”, camera 5MP dùng cảm biến 1/2.9”) Do đó chất lượng ống kính sẽ càng làm tăng nguy cơ sai lệch quang học của hình ảnh.

Để vượt qua vấn đề này, một số nhà sản xuất bắt đầu sử dụng công nghệ mới để tận dụng tối đa lượng ánh sáng đến cảm biến bằng cách thay đổi cấu trúc cảm biến. Hikvision đã áp dụng cho các camera siêu nhạy sáng Dark Fighter. Kết quả là tăng giá trị năng lượng cho từng điểm ảnh.

c. Bộ xử lý tín hiệu hình ảnh

Giả sử rằng các camera sử dụng cảm biến có độ phân giải cao (nhiều megapixel) cùng với ống kính chất lượng cao, bước quan trọng tiếp theo để cho hình ảnh chất lượng cao là bộ xử lý tín hiệu hình ảnh (ISP). ISP là bộ não của camera – có nhiệm vụ cho hình ảnh đẹp nhất mà không kể đến điều kiện ánh sáng.

Bộ não này có thể điều khiển một số công cụ có thể tác động đến chất lượng video – kích thước iris của ống kính tự chỉnh khẩu độ, tốc độ màn chập, điều khiển độ lợi, cân bằng trắng, tự động lấy nét (nếu có thể), chế độ ngày đêm, giảm nhiễu số, chống ngược sáng WDR và nhiều tính năng khác. Mặc dù một số thành phần được dùng như là các thành phần độc lập, một ISP có tính tích hợp cao có thể điều khiển tất cả chúng và tối ưu các thông số tùy theo khung cảnh.

Trong khi khá dễ để xử lý hình ảnh độ phân giải thấp, thì phải tốn nhiều tài nguyên xử lý và dùng những công thức rất phức tạp để áp dụng các quy trình tăng cường hình ảnh ở độ phân giải cao, đặc biệt là dưới các điều kiện ánh sáng khác nhau.

Hầu hết các ISP thiết kế cho camera 1MP sẽ không tương thích với camera độ phân giải cao. Sử dụng cảm biến 3 megapixel hoặc cao hơn sẽ yêu cầu sử dụng công nghệ ISP hoàn toàn khác. Các nhà sản xuất camera vẫn sử dụng ISP cũ trong các camera độ phân giải nhiều megapixel, thường do thiếu khả năng cho ra các ISP có khả năng tăng chất lượng hình ảnh. Là nhà sản xuất thiết bị giám sát hàng đầu thế giới, Hikvision có thể.

Một ví dụ đơn giản có thể minh họa giới hạn của các ISP cũ:

Cảm biến độ phân giải cao hơn, càng khó để chỉnh tiêu cự ống kính. Kể cả khi chúng ta sử dụng một ống kính chất lượng cao thích hợp, điểm ảnh trên các cảm biến đó vẫn rất nhỏ, khi xoay ống kính ở vòng nhỏ nhất vẫn ảnh hưởng nhiều đến tiêu cự. Trong khi mất 5-10 giây để lấy nét chuẩn cho camera 1.3MP, thì mất đến 5 phút để chỉnh cho camera độ phân giải cao hơn.

Giải pháp được sử dụng là dùng các ống kính tự động lấy nét với ISP đặc biệt thông minh để có thể tính toán và điều chỉnh vị trí tiêu cự với độ chính xác cao nhất. Nhiều ISP hiện tại không có khả năng như vậy. Là nhà sản xuất thiết bị giám sát hàng đầu thế giới, Hikvision có thể.

Một ví dụ khác có thể là khả năng sử dụng linh hoạt các tính năng tăng cường hình ảnh tùy theo điều kiện ánh sáng. Dựa vào các thời điểm trong ngày, giải pháp tối ưu là sử dụng tính năng giảm nhiễu số trước khi xử lý độ nét, kết quả sẽ cho hình ảnh rõ ràng nhất với ít nhiễu nhất. Trong trường hợp các ISP cũ, các tính năng tăng cường hình ảnh là cố định và không thể thay đổi, dù ở trong nhiều điều kiện ánh sáng.

d. Chuẩn nén hình ảnh

Chuẩn nén hình ảnh có vị trí đặc biệt quan trọng trong quá trình xuất ra video. Camera nhiều megapixel tạo ra lượng lớn dữ liệu. Đây là một thách thức cho chip nén hình ảnh để giảm kích thước dữ liệu càng nhiều càng tốt mà không làm mất chất lượng hình ảnh. Trong khi băng thông 2-6 Mbps vẫn là chấp nhận được, hầu như không ai chấp nhận băng thông 10 Mbps hoặc cao hơn khi cân nhắc với vấn đề chi phí cho băng thông và dung lượng lưu trữ. Nhiều chip nén hình ảnh hạn chế đến MJPEG cho hình ảnh độ phân giải cao do thiếu tốc độ xử lý. Điều này có nghĩa là chính xác khi người ta cần nén tốt nhất.