Vai trò của công nghệ Pixel trong việc cải thiện dải động

Hiểu về dải động

Dải động đề cập đến khả năng của một hệ thống để chụp hoặc hiển thị cả cảnh rất sáng và rất tối cùng một lúc. Dải động rộng hơn cho phép thể hiện nhiều chi tiết hơn ở cả vùng sáng và vùng tối của hình ảnh. Nếu không có dải động đầy đủ, các vùng sáng sẽ bị phơi sáng quá mức (bị nhạt) hoặc các vùng tối sẽ bị phơi sáng quá mức (hoàn toàn đen), dẫn đến mất chi tiết và thể hiện cảnh kém chân thực hơn.

Hãy xem xét một bức ảnh chụp cảnh hoàng hôn. Một máy ảnh có dải động thấp có thể chụp bầu trời sáng tốt, nhưng các chi tiết tiền cảnh sẽ bị mất trong bóng tối. Ngược lại, nếu tiền cảnh được phơi sáng đúng cách, bầu trời có thể xuất hiện như một đốm trắng không có đặc điểm. Tuy nhiên, một hệ thống dải động cao (HDR) sẽ chụp cả bầu trời sáng và tiền cảnh tối với chi tiết, tạo ra hình ảnh hấp dẫn và chính xác hơn về mặt thị giác.

Phép đo phạm vi động thường được thể hiện bằng decibel (dB) hoặc theo tỷ lệ. Giá trị dB cao hơn hoặc tỷ lệ lớn hơn cho biết khả năng phạm vi động lớn hơn.

Kiến trúc điểm ảnh và dải động

Thiết kế và kiến ​​trúc của từng pixel ảnh hưởng đáng kể đến dải động tổng thể của cảm biến hình ảnh hoặc màn hình. Một số kỹ thuật được sử dụng để tối đa hóa lượng ánh sáng mà mỗi pixel có thể xử lý và giảm thiểu nhiễu, do đó cải thiện dải động.

Kích thước điểm ảnh và dung lượng giếng đầy đủ

Dung lượng giếng đầy đủ (FWC) đề cập đến số lượng electron tối đa mà một pixel có thể lưu trữ trước khi nó trở nên bão hòa. Các pixel lớn hơn thường có FWC cao hơn, cho phép chúng thu được nhiều ánh sáng hơn và do đó tăng dải động. Tuy nhiên, việc tăng kích thước pixel có thể làm giảm độ phân giải hình ảnh, do đó cần phải cân bằng.

Các điểm ảnh nhỏ hơn thường có FWC thấp hơn, có thể hạn chế dải động. Các thiết kế sáng tạo, chẳng hạn như cảm biến chiếu sáng mặt sau (BSI), giúp giảm thiểu vấn đề này bằng cách cải thiện hiệu quả thu sáng.

Cuối cùng, mục tiêu là tối đa hóa lượng ánh sáng mà mỗi pixel có thể thu được mà không gây ra nhiễu quá mức hoặc làm giảm độ phân giải.

Kỹ thuật chuyển điện tích và đọc ra

Cách điện tích được truyền từ điểm ảnh đến mạch đọc cũng ảnh hưởng đến dải động. Truyền điện tích hiệu quả giúp giảm thiểu mất điện tích và giảm nhiễu, cả hai đều góp phần tạo nên dải động cao hơn.

Lấy mẫu kép tương quan (CDS) là một kỹ thuật phổ biến được sử dụng để giảm nhiễu đặt lại trong cảm biến hình ảnh CMOS. Bằng cách đo điện áp điểm ảnh trước và sau khi phơi sáng, CDS có hiệu quả loại bỏ nhiễu đặt lại, dẫn đến tín hiệu sạch hơn và cải thiện dải động.

Các kỹ thuật đọc tiên tiến khác, chẳng hạn như lấy mẫu nhiều lần và lấy trung bình, có thể giảm nhiễu và tăng cường dải động hơn nữa.

Điểm ảnh có độ chuyển đổi cao

Các pixel có độ lợi chuyển đổi cao (HCG) chuyển đổi một số lượng nhỏ electron thành tín hiệu điện áp lớn hơn. Điều này làm tăng độ nhạy của pixel, cho phép nó chụp được nhiều chi tiết hơn trong điều kiện ánh sáng yếu. Trong khi các pixel HCG có thể cải thiện dải động ở mức thấp hơn, chúng có thể dễ bão hòa hơn trong điều kiện ánh sáng mạnh.

Kỹ thuật tăng cường chuyển đổi kép, trong đó điểm ảnh có thể chuyển đổi giữa mức tăng cường chuyển đổi thấp (LCG) cho cảnh sáng và HCG cho cảnh tối, mang lại dải động rộng hơn bằng cách tối ưu hóa hiệu suất trong các điều kiện ánh sáng khác nhau.

Phương pháp thích ứng này cho phép chụp cả vùng sáng và vùng tối với độ chi tiết cao, tạo ra hình ảnh cân bằng và chân thực hơn.

Kỹ thuật tăng cường dải động

Ngoài những cải tiến ở cấp độ pixel, một số kỹ thuật xử lý hình ảnh được sử dụng để nâng cao hơn nữa dải động.

Hình ảnh dải động cao (HDR)

Chụp ảnh HDR bao gồm chụp nhiều hình ảnh của cùng một cảnh ở các mức phơi sáng khác nhau và sau đó kết hợp chúng để tạo ra một hình ảnh duy nhất có dải động rộng hơn. Điều này cho phép chụp chi tiết ở cả vùng sáng nhất và tối nhất của cảnh.

Sau đó, các thuật toán ánh xạ tông màu được sử dụng để nén hình ảnh có dải động cao thành định dạng dải động thấp hơn phù hợp để hiển thị trên màn hình tiêu chuẩn. Các thuật toán này nhằm mục đích bảo toàn chi tiết và độ tương phản của cảnh gốc trong khi vẫn phù hợp với giới hạn của màn hình.

HDR hiện được sử dụng rộng rãi trong nhiếp ảnh, quay phim và công nghệ hiển thị để tạo ra hình ảnh chân thực và hấp dẫn hơn.

Ánh xạ âm điệu cục bộ

Thuật toán ánh xạ tông màu cục bộ điều chỉnh độ sáng và độ tương phản của các vùng khác nhau của hình ảnh một cách độc lập. Điều này cho phép tăng cường chi tiết ở cả vùng sáng và vùng tối mà không ảnh hưởng đến sự cân bằng tổng thể của hình ảnh.

Các thuật toán này thường phân tích độ tương phản và độ sáng cục bộ của từng vùng và áp dụng đường cong ánh xạ tông màu được tối ưu hóa cho vùng cụ thể đó. Điều này có thể tạo ra hình ảnh tự nhiên và chi tiết hơn so với các kỹ thuật ánh xạ tông màu toàn cục.

Ánh xạ tông màu cục bộ đặc biệt hữu ích cho các cảnh có độ tương phản cao, trong khi ánh xạ tông màu toàn cục có thể dẫn đến hiện tượng vùng sáng bị phơi sáng quá mức hoặc vùng tối bị thiếu sáng.

khuếch đại logarit

Khuếch đại logarit nén tín hiệu từ điểm ảnh theo cách logarit. Điều này cho phép thu được phạm vi cường độ ánh sáng rộng hơn mà không bị bão hòa. Sau đó, tín hiệu logarit được giải nén trong quá trình xử lý để khôi phục lại các giá trị độ sáng ban đầu.

Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng chụp ảnh khoa học đòi hỏi dải động rất rộng.

Bằng cách nén tín hiệu, khuếch đại logarit cho phép thu được cả tín hiệu rất yếu và rất sáng cùng lúc.

Lấy mẫu quá mức theo thời gian

Lấy mẫu quá mức theo thời gian liên quan đến việc chụp nhiều khung hình của cùng một cảnh liên tiếp nhau và sau đó lấy trung bình chúng lại với nhau. Điều này làm giảm nhiễu và tăng phạm vi động hiệu quả của cảm biến.

Bằng cách tính trung bình nhiều khung hình, nhiễu ngẫu nhiên sẽ được giảm xuống, mang lại tín hiệu sạch hơn và chất lượng hình ảnh được cải thiện.

Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích trong điều kiện ánh sáng yếu khi nhiễu có thể là vấn đề đáng kể.

Công nghệ hiển thị và dải động

Dải động của công nghệ hiển thị cũng quan trọng như cảm biến hình ảnh. Công nghệ hiển thị có dải động cao hơn có thể tái tạo hình ảnh với độ chân thực và chi tiết cao hơn.

Màn hình OLED

Màn hình điốt phát quang hữu cơ (OLED) cung cấp dải động tuyệt vời do khả năng kiểm soát độ sáng riêng lẻ của từng điểm ảnh. Điều này cho phép có màu đen thực sự và các điểm sáng rất sáng, tạo ra tỷ lệ tương phản cao và dải động rộng.

Màn hình OLED cũng có thời gian phản hồi rất nhanh, giúp giảm hiện tượng nhòe chuyển động và cải thiện trải nghiệm xem tổng thể.

Khả năng tắt hoàn toàn từng điểm ảnh là một lợi thế quan trọng của công nghệ OLED xét về dải động.

Màn hình LCD có chức năng làm mờ cục bộ

Công nghệ màn hình tinh thể lỏng (LCD) cũng có thể đạt được dải động cao thông qua việc sử dụng tính năng làm mờ cục bộ. Tính năng làm mờ cục bộ liên quan đến việc chia đèn nền thành nhiều vùng và kiểm soát độ sáng của từng vùng một cách độc lập. Điều này cho phép màu đen tối hơn và điểm sáng sáng hơn, dẫn đến tỷ lệ tương phản cao hơn và cải thiện dải động.

Hiệu quả của tính năng làm mờ cục bộ phụ thuộc vào số vùng và độ chính xác trong việc kiểm soát độ sáng của từng vùng.

Mặc dù màn hình LCD có chức năng làm mờ cục bộ có thể đạt được dải động tốt nhưng nhìn chung chúng không tốt bằng màn hình OLED về mặt này.

Màn hình MicroLED

Màn hình MicroLED là công nghệ màn hình mới nổi có tiềm năng cho dải động thậm chí còn cao hơn màn hình OLED. MicroLED là đèn LED nhỏ có thể được điều khiển riêng lẻ, tương tự như OLED. Tuy nhiên, MicroLED sáng hơn và hiệu quả hơn OLED, và chúng không gặp phải các vấn đề về hiện tượng lưu ảnh.

Màn hình MicroLED vẫn đang trong giai đoạn đầu phát triển, nhưng dự kiến ​​sẽ trở thành một sản phẩm chủ chốt trên thị trường màn hình trong những năm tới.

Sự kết hợp giữa độ sáng cao, hiệu suất cao và khả năng kiểm soát từng pixel khiến MicroLED trở thành công nghệ đầy hứa hẹn để đạt được dải động rất cao.