mmc-sale-2
New Member
** Mình đang trong quá trình học hỏi về các công nghệ của Video (Của thiết bị Camera) nên tìm được bài viết này (của nhiều bài viết nhưng có vẻ cái này nói rỏ nhất), mình đọc thêm một số tài liệu tiếng Anh nữa thì có rất nhiều ý kiến khác nhau nên đem lên cho Anh Em cũng bạn luận về 2 Công nghệ xưa như trái đất này nhưng lắm chuyện đế nói đến nó, nhưng trước tiên nên đọc bài này trước để có cái nhìn rỏ hơn !
"Nếu bạn không quan tâm tới việc chiếc máy ảnh kỹ thuật số mà bạn đang có hoặc định mua trong thời gian tới sử dụng công nghệ CCD hay CMOS, bạn có thể dừng đọc tại đây.
Nếu như bạn đang đắn đo về sự lựa chọn giữa hai công nghệ đó, hoặc bạn muốn biết chiếc máy ảnh bạn đang có sử dụng công nghệ nào, ưu điểm và nhược điểm của chúng đó ra sao, bài viết này có thể mang lại cho bạn những thông tin cơ bản và bổ ích.
Trước hết, CCD là gì và CMOS là gì?
Ngoại trừ những kỹ sư điện tử hoặc những người yêu thích kỹ thuật, CCD tồn tại trong tiềm thức của đông đảo người tiêu dùng từ lúc chúng bắt đầu xuất hiện trên các "mét" giá và các trang quảng cáo mầu mè của các siêu thị. CMOS thì rất lâu sau đó, trong vòng 5 năm trở lại đây. Không phải ai cũng biết rằng CCD được sáng chế và đưa vào sử dụng từ đầu những năm 70 của thế kỷ trước. CMOS còn sớm hơn thế nữa.
CCD (charge coupled device) và CMOS (complementary metal oxide semiconductor) là hai công nghệ khác nhau dùng trong các phần tử nhậy sáng (PTNS) được sử dụng trong các lĩnh vực xử lý hình ảnh như vô tuyến truyền hình, nhiếp ảnh số, các máy móc văn phòng (scaners, copyers), thiên văn, hàng không vũ trụ, cũng như các ngành công nghiệp khác.
Như tôi đã viết lúc trước, CMOS và CCD được sáng chế và sử dụng từ những năm 60, 70. Suốt hơn 3 thập niên CCD được sử dụng rộng rãi hơn CMOS vì lý do tỉ lệ giá thành trên chất lượng cao hơn trong phạm vi công nghệ hiện thời. Ngay cả trong thời hoàng kim của CCD, sự khẳng định rằng CCD (hoặc ngược lại, CMOS) cho ta chất lượng ảnh đẹp hơn là sai lầm. Cả hai công nghệ đều có thể đạt được những chỉ số tương tự về chất lượng. Sự khác nhau giữa chúng nằm ở giá thành phải bỏ ra để đạt được các sản phẩm có chất lượng tương đương. Trong 5 năm trở lại đây, chúng ta đã chứng kiến những bước nhẩy vọt trong công nghệ sản xuất PTNS CCD cũng như CMOS. Việc phát triển không ngừng của công nghệ sản xuất và sự sử dụng ngày một rộng rãi hơn của CCD cũng như CMOS đã phủ nhận mọi giả thiết cho rằng một trong hai công nghệ sẽ phát triển nổi trội và thay thế công nghệ thứ hai trong tương lai.
CCD và CMOS khác nhau như thế nào?
Cả CCD và CMOS đều thực hiện một nhiệm vụ giống nhau: biến các tín hiệu ánh sáng thành các tín hiệu điện tử. Sự khác nhau cơ bản của chúng (về nguyên lý hoạt động) nằm ở cách chuyển các tín hiệu điện tử đó ra khỏi PTNS nhằm mục đích xử lý tiếp và lưu trữ.
Như chúng ta biết, bề mặt của các PTNS được chia ra thành các phần tử nhỏ đứng cạnh nhau theo hàng và cột như một ma trận. Các phần tử nhó đó chính là các tế bào quang điện tí hon và được gọi là các pixel, viêt tắt của Picture Element. Các photon ánh sáng khi đập vào bề mặt của PTNS sẽ làm xuất hiện các điện tích tại các pixel mà độ lớn phụ thuộc vào cường độ sáng tại vị trí của pixel đó.
Đối với các PTNS CCD, các điện tích hình thành tại các pixel được chuyển ra ngoài lần lượt theo từng hàng. Có nghĩa là các tín hiệu điện này được dồn dần theo các cột tới các điện cực nằm tại một cạnh của PTNS. Cách đọc này được gọi là cách đọc nối tiếp (serial readout). Các tín hiệu thu được tại các điện cực là các tín hiệu liền (analog signals). Tất cả các quá trình xử lý như khuếch đại, lọc nhiễu, ... đều thực hiện bên ngoài PTNS.
Trong công nghệ CMOS các điện tích tại các pixel được "cân đo" tại chỗ và được chuyển thành các tín hiệu dưới dạng điện thế bởi các transistor cấy cùng vị trí với các tế bào quang điện. Các tín hiệu này cũng được khuếch đại và lọc nhiễu sơ bộ tại chỗ và được chuyển trực tiếp ra ngoài. Các đọc này được gọi là các đọc trực tiếp hoặc cách đọc song song (parallel readout). Các tín hiệu thu được từ PTNS là các tín hiệu số (digital signals).
Như chúng ta thấy trong công nghệ CMOS mỗi một tế bào quang điện của một pixel còn được kèm theo các transistor khác. Vì vậy các tế bào quang điện đó không nằm sát nhau và chỉ chiếm một phần diện tích của phần tử pixel. Tính chất đó liên quan trực tiếp tới ứng dụng của CMOS trong công nghệ nhiếp ảnh và đến chất lượng những bức ảnh mà chúng tạo ra. Vì lý do tồn tại của các vi mạch tại các pixel của CMOS, cấu trúc của CMOS phức tạp hơn cấu trúc của CCD nhiều, đồng thời với cùng một mức độ phát triển của công nghệ sản xuất vi mạch (ví dụ cùng một độ phân giải của các ống kính công nghiệp dùng để cấy vi mạch) chúng ta có thể sản xuất các PTNS CCD với độ phân giải cao hơn.
Ưu điểm và nhược điểm của CCD và CMOS
Vì cấu trúc và nguyên lý hoạt động khác nhau nên CCD và CMOS có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau rõ rệt. Điều đáng chú ý là các ưu điểm và nhược điểm đó tương xứng nhau, vì vậy chúng không dẫn đến sự loại trừ của bất kỳ công nghệ nào ra khỏi thị trường.
Như chúng ta đã biết, các pixel của CCD nếu cùng một độ phân giải với CMOS có kích thước to hơn và nằm sát nhau hơn vì vậy kích thước của chúng cũng đều hơn. Vì lí do đó các tín hiệu nhận được từ CCD có chất lượng cao hơn và ít bị nhiễu hơn. Ngược lại, nhìn từ phương diện khác vì cách đọc tín hiệu của CCD là cách đọc nối tiếp nên các tín hiệu được lần lượt chuyển ra ngoài. Vì vậy các tín hiệu đó có thể bị nhiễu thêm trong quá trình đọc. Sự gây nhiễu này có thể quan sát rất rõ rệt đối với các điều kiện sáng yếu (tương ứng với việc sử dụng độ nhậy cao trong máy ảnh). Lúc đó các tín hiệu điện tử rất yếu và chúng sẽ bị mất mát đáng kể hơn trong quá trình đọc. Một trong các điểm yếu khác của cách đọc nối tiếp là tốc độ đọc thấp hơn so với cách đọc song song.
Một nhược điểm khác mà có lẽ được các nhà sản xuất quan tâm hơn là giá thành công nghệ sản xuất CCD cao hơn CMOS, mặc dù cấu trúc của CCD đơn giản hơn CMOS. Nhược điểm đó xuất phát từ việc CCD đòi hỏi một công nghệ khác hoàn toàn trong khi CMOS được sản xuất cùng một công nghệ với các loại vi mạch khác cũng như các procesor máy tính. Vì riêng một mình một công nghệ như vậy nên dây chuyền sản xuất cũng riêng, và các PTNS CCD không thể được cắt chung từ một bánh silicon (silicon waffer) cùng với các vi mạch khác như CMOS.
Một nhược điểm nghiêm trọng nữa của CCD là nếu trong quá trình sản xuất có một pixel bị hỏng thì khi đọc tín hiệu ảnh ta sẽ bị mất cả một cột pixel. Việc này đòi hỏi quá trình sản xuất CCD phải chính xác tuyệt đối và vì vậy làm giảm hệ sô thu hoạch trong sản xuất (tỉ lệ số lượng sản phẩm không lỗi trên toàn bộ số lượng sản phẩm được sản xuất). Hệ số thu hoạch thấp dẫn đến giá thành sản xuất bị tăng đáng kể. Đối với PTNS CMOS sự hư hỏng của các pixel riêng lẻ ít được nhận ra trên bức ảnh hơn, nhất là trong những bức ảnh nhiều chi tiết.
CMOS có các phần tử bắt sáng bé hơn và thường không đều nhau hơn. Vì vậy tín hiệu nhận được từ CMOS có chất lượng kém hơn và chịu ảnh hưởng của nhiễu nhiều hơn. Nhưng nhìn từ khía cạnh khác cách đọc song song cho phép nhà sản xuất đưa các hệ thống lọc nhiễu vào cho từng pixel (per pixel noise reduction). Các hệ thống này được cấy thành các vi mạch trực tiếp trên bề mặt của PTNS CMOS. Nhiệm vụ của hệ thống này là loại trừ các tín hiệu nhiễu cố định (fixed noise hoặc còn được gọi là black frame noise). Các vi mạch này sẽ nhớ lại hình ảnh được tạo ra trong bóng tối trên PTNS CMOS ngay trước khi chụp. Sau khi chụp, các tín hiệu hình ảnh nhận được sẽ được trừ đi bởi các tín hiệu nhiễu đã nhớ trước đó và kết quả là tín hiệu cuối cùng sẽ không bị ảnh hưởng của các nhiễu cố định. Phương pháp này được thực hiện một cách tài tình bởi các kỹ sư của Canon, cho phép loại trừ đáng kể các nhiễu cố định của tín hiệu ảnh mà không "cắt" mất các chi tiết của bức ảnh (picture details).
Nếu như việc đọc ảnh trực tiếp của CMOS mang lại cho công nghệ này các ưu điểm như vậy thì việc đọc ảnh nối tiếp lại mang cho CCD một ưu điểm khác. Vì toàn bộ hệ thống điện tử xử lý ảnh của CCD nằm ngoài PTNS, việc ứng dụng CCD trong các máy ảnh đa năng hơn. Ví dụ nếu như một phương pháp lọc nhiễu mới được nghĩ ra thì người ta vẫn có thể dùng được các cấu trúc CCD cũ và chỉ phải thay thế các mạch điện tử phía ngoài chứ không cần thay đổi cả dây truyền sản xuất PTNS như trong trường hợp CMOS.
Sau hết, vì phương pháp đọc nối tiếp, PTNS CCD được coi là kẻ "phàm ăn" hơn, có nghĩa mức tiêu thụ năng lượng của nó cao hơn CMOS.
Vậy thì sử dụng CCD hay CMOS
Đọc xong các phần trước của bài viết, chắc hẳn độc giả sẽ tự đặt ra cho mình câu hỏi, nếu như CCD và CMOS có những ưu điểm và nhược điểm bù trừ nhau như vậy thì sự lựa chọn giữa chúng có đáng phải lưu tâm lắm không?
Thực sự khó tìm được câu trả lời nhất quán cho câu hỏi này.
Tôi vẫn thường so sánh việc lựa chọn giữa CCD và CMOS như sự lựa chọn giữa xe hơi chạy xăng và xe Diezel. Định kiến về việc xe Diezel kém "bốc" hơn hoặc chạy ồn hơn đối với điều kiện công nghệ hiện nay đã không đúng nữa. Các định kiến về CMOS cũng như CCD cũng dần được xoá bỏ cùng bước tiến của công nghệ sản xuất ra chúng.
CCD trong nhiều trường hợp cho chúng ta khả năng tải (dynamic range) nhiều hơn và màu sắc (color rendition) tự nhiên hơn. Công nghệ CCD được làm chủ tốt từ nhiều thập niên nay vì vậy các yếu tố chất lượng của CCD chắc chắn được cân đối một cách tốt hơn. Ngược lại CCD thua kém CMOS rõ rệt đối với việc chụp ảnh với độ sáng thấp (chụp ảnh hoà nhạc, thể thao, ...). Nếu như bạn thường xuyên sử dụng độ nhậy cao (ISO800, ISO1600, ISO3200) hoặc bạn thường xuyên dùng thời gian chụp dài (long time exposer) (ví dụ trong chụp ảnh ban đêm, chụp ảnh thiên văn, ...), có lẽ bạn phải nghĩ một cách nghiêm túc đến việc sử dụng CMOS.
Nhìn từ góc độ khác, chúng ta phải tính đến rất nhiều yếu tố khác khi chọn cho mình một hệ máy. Vì vậy sự lựa chọn giữa CCD và CMOS thường bị xếp vào vị trí thứ yếu hoặc bị bó buộc bởi các sự lựa chọn khác."
Người viết: Nguyễn Bằng Giang
"Nếu bạn không quan tâm tới việc chiếc máy ảnh kỹ thuật số mà bạn đang có hoặc định mua trong thời gian tới sử dụng công nghệ CCD hay CMOS, bạn có thể dừng đọc tại đây.
Nếu như bạn đang đắn đo về sự lựa chọn giữa hai công nghệ đó, hoặc bạn muốn biết chiếc máy ảnh bạn đang có sử dụng công nghệ nào, ưu điểm và nhược điểm của chúng đó ra sao, bài viết này có thể mang lại cho bạn những thông tin cơ bản và bổ ích.
Ngoại trừ những kỹ sư điện tử hoặc những người yêu thích kỹ thuật, CCD tồn tại trong tiềm thức của đông đảo người tiêu dùng từ lúc chúng bắt đầu xuất hiện trên các "mét" giá và các trang quảng cáo mầu mè của các siêu thị. CMOS thì rất lâu sau đó, trong vòng 5 năm trở lại đây. Không phải ai cũng biết rằng CCD được sáng chế và đưa vào sử dụng từ đầu những năm 70 của thế kỷ trước. CMOS còn sớm hơn thế nữa.
CCD (charge coupled device) và CMOS (complementary metal oxide semiconductor) là hai công nghệ khác nhau dùng trong các phần tử nhậy sáng (PTNS) được sử dụng trong các lĩnh vực xử lý hình ảnh như vô tuyến truyền hình, nhiếp ảnh số, các máy móc văn phòng (scaners, copyers), thiên văn, hàng không vũ trụ, cũng như các ngành công nghiệp khác.
Như tôi đã viết lúc trước, CMOS và CCD được sáng chế và sử dụng từ những năm 60, 70. Suốt hơn 3 thập niên CCD được sử dụng rộng rãi hơn CMOS vì lý do tỉ lệ giá thành trên chất lượng cao hơn trong phạm vi công nghệ hiện thời. Ngay cả trong thời hoàng kim của CCD, sự khẳng định rằng CCD (hoặc ngược lại, CMOS) cho ta chất lượng ảnh đẹp hơn là sai lầm. Cả hai công nghệ đều có thể đạt được những chỉ số tương tự về chất lượng. Sự khác nhau giữa chúng nằm ở giá thành phải bỏ ra để đạt được các sản phẩm có chất lượng tương đương. Trong 5 năm trở lại đây, chúng ta đã chứng kiến những bước nhẩy vọt trong công nghệ sản xuất PTNS CCD cũng như CMOS. Việc phát triển không ngừng của công nghệ sản xuất và sự sử dụng ngày một rộng rãi hơn của CCD cũng như CMOS đã phủ nhận mọi giả thiết cho rằng một trong hai công nghệ sẽ phát triển nổi trội và thay thế công nghệ thứ hai trong tương lai.
CCD và CMOS khác nhau như thế nào?
Cả CCD và CMOS đều thực hiện một nhiệm vụ giống nhau: biến các tín hiệu ánh sáng thành các tín hiệu điện tử. Sự khác nhau cơ bản của chúng (về nguyên lý hoạt động) nằm ở cách chuyển các tín hiệu điện tử đó ra khỏi PTNS nhằm mục đích xử lý tiếp và lưu trữ.
Như chúng ta biết, bề mặt của các PTNS được chia ra thành các phần tử nhỏ đứng cạnh nhau theo hàng và cột như một ma trận. Các phần tử nhó đó chính là các tế bào quang điện tí hon và được gọi là các pixel, viêt tắt của Picture Element. Các photon ánh sáng khi đập vào bề mặt của PTNS sẽ làm xuất hiện các điện tích tại các pixel mà độ lớn phụ thuộc vào cường độ sáng tại vị trí của pixel đó.
Đối với các PTNS CCD, các điện tích hình thành tại các pixel được chuyển ra ngoài lần lượt theo từng hàng. Có nghĩa là các tín hiệu điện này được dồn dần theo các cột tới các điện cực nằm tại một cạnh của PTNS. Cách đọc này được gọi là cách đọc nối tiếp (serial readout). Các tín hiệu thu được tại các điện cực là các tín hiệu liền (analog signals). Tất cả các quá trình xử lý như khuếch đại, lọc nhiễu, ... đều thực hiện bên ngoài PTNS.
Trong công nghệ CMOS các điện tích tại các pixel được "cân đo" tại chỗ và được chuyển thành các tín hiệu dưới dạng điện thế bởi các transistor cấy cùng vị trí với các tế bào quang điện. Các tín hiệu này cũng được khuếch đại và lọc nhiễu sơ bộ tại chỗ và được chuyển trực tiếp ra ngoài. Các đọc này được gọi là các đọc trực tiếp hoặc cách đọc song song (parallel readout). Các tín hiệu thu được từ PTNS là các tín hiệu số (digital signals).
Ưu điểm và nhược điểm của CCD và CMOS
Vì cấu trúc và nguyên lý hoạt động khác nhau nên CCD và CMOS có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau rõ rệt. Điều đáng chú ý là các ưu điểm và nhược điểm đó tương xứng nhau, vì vậy chúng không dẫn đến sự loại trừ của bất kỳ công nghệ nào ra khỏi thị trường.
Như chúng ta đã biết, các pixel của CCD nếu cùng một độ phân giải với CMOS có kích thước to hơn và nằm sát nhau hơn vì vậy kích thước của chúng cũng đều hơn. Vì lí do đó các tín hiệu nhận được từ CCD có chất lượng cao hơn và ít bị nhiễu hơn. Ngược lại, nhìn từ phương diện khác vì cách đọc tín hiệu của CCD là cách đọc nối tiếp nên các tín hiệu được lần lượt chuyển ra ngoài. Vì vậy các tín hiệu đó có thể bị nhiễu thêm trong quá trình đọc. Sự gây nhiễu này có thể quan sát rất rõ rệt đối với các điều kiện sáng yếu (tương ứng với việc sử dụng độ nhậy cao trong máy ảnh). Lúc đó các tín hiệu điện tử rất yếu và chúng sẽ bị mất mát đáng kể hơn trong quá trình đọc. Một trong các điểm yếu khác của cách đọc nối tiếp là tốc độ đọc thấp hơn so với cách đọc song song.
Một nhược điểm khác mà có lẽ được các nhà sản xuất quan tâm hơn là giá thành công nghệ sản xuất CCD cao hơn CMOS, mặc dù cấu trúc của CCD đơn giản hơn CMOS. Nhược điểm đó xuất phát từ việc CCD đòi hỏi một công nghệ khác hoàn toàn trong khi CMOS được sản xuất cùng một công nghệ với các loại vi mạch khác cũng như các procesor máy tính. Vì riêng một mình một công nghệ như vậy nên dây chuyền sản xuất cũng riêng, và các PTNS CCD không thể được cắt chung từ một bánh silicon (silicon waffer) cùng với các vi mạch khác như CMOS.
CMOS có các phần tử bắt sáng bé hơn và thường không đều nhau hơn. Vì vậy tín hiệu nhận được từ CMOS có chất lượng kém hơn và chịu ảnh hưởng của nhiễu nhiều hơn. Nhưng nhìn từ khía cạnh khác cách đọc song song cho phép nhà sản xuất đưa các hệ thống lọc nhiễu vào cho từng pixel (per pixel noise reduction). Các hệ thống này được cấy thành các vi mạch trực tiếp trên bề mặt của PTNS CMOS. Nhiệm vụ của hệ thống này là loại trừ các tín hiệu nhiễu cố định (fixed noise hoặc còn được gọi là black frame noise). Các vi mạch này sẽ nhớ lại hình ảnh được tạo ra trong bóng tối trên PTNS CMOS ngay trước khi chụp. Sau khi chụp, các tín hiệu hình ảnh nhận được sẽ được trừ đi bởi các tín hiệu nhiễu đã nhớ trước đó và kết quả là tín hiệu cuối cùng sẽ không bị ảnh hưởng của các nhiễu cố định. Phương pháp này được thực hiện một cách tài tình bởi các kỹ sư của Canon, cho phép loại trừ đáng kể các nhiễu cố định của tín hiệu ảnh mà không "cắt" mất các chi tiết của bức ảnh (picture details).
Nếu như việc đọc ảnh trực tiếp của CMOS mang lại cho công nghệ này các ưu điểm như vậy thì việc đọc ảnh nối tiếp lại mang cho CCD một ưu điểm khác. Vì toàn bộ hệ thống điện tử xử lý ảnh của CCD nằm ngoài PTNS, việc ứng dụng CCD trong các máy ảnh đa năng hơn. Ví dụ nếu như một phương pháp lọc nhiễu mới được nghĩ ra thì người ta vẫn có thể dùng được các cấu trúc CCD cũ và chỉ phải thay thế các mạch điện tử phía ngoài chứ không cần thay đổi cả dây truyền sản xuất PTNS như trong trường hợp CMOS.
Sau hết, vì phương pháp đọc nối tiếp, PTNS CCD được coi là kẻ "phàm ăn" hơn, có nghĩa mức tiêu thụ năng lượng của nó cao hơn CMOS.
Vậy thì sử dụng CCD hay CMOS
Đọc xong các phần trước của bài viết, chắc hẳn độc giả sẽ tự đặt ra cho mình câu hỏi, nếu như CCD và CMOS có những ưu điểm và nhược điểm bù trừ nhau như vậy thì sự lựa chọn giữa chúng có đáng phải lưu tâm lắm không?
Thực sự khó tìm được câu trả lời nhất quán cho câu hỏi này.
CCD trong nhiều trường hợp cho chúng ta khả năng tải (dynamic range) nhiều hơn và màu sắc (color rendition) tự nhiên hơn. Công nghệ CCD được làm chủ tốt từ nhiều thập niên nay vì vậy các yếu tố chất lượng của CCD chắc chắn được cân đối một cách tốt hơn. Ngược lại CCD thua kém CMOS rõ rệt đối với việc chụp ảnh với độ sáng thấp (chụp ảnh hoà nhạc, thể thao, ...). Nếu như bạn thường xuyên sử dụng độ nhậy cao (ISO800, ISO1600, ISO3200) hoặc bạn thường xuyên dùng thời gian chụp dài (long time exposer) (ví dụ trong chụp ảnh ban đêm, chụp ảnh thiên văn, ...), có lẽ bạn phải nghĩ một cách nghiêm túc đến việc sử dụng CMOS.
Nhìn từ góc độ khác, chúng ta phải tính đến rất nhiều yếu tố khác khi chọn cho mình một hệ máy. Vì vậy sự lựa chọn giữa CCD và CMOS thường bị xếp vào vị trí thứ yếu hoặc bị bó buộc bởi các sự lựa chọn khác."
Người viết: Nguyễn Bằng Giang
Nếu người dùng ko phải dân chuyên nghiệp thì thiết bị xài CMOS vẫn là lựa chọn tốt vì khả năng thích ứng với mọi điều kiện ánh sáng hơn hẳn CCD
