Các đại lượng đo lường cảm biến ánh sáng
Bài viết này cung cấp cái nhìn chi tiết về cách đo và đánh giá độ sáng trong lĩnh vực thị giác máy, nhấn mạnh vai trò của các cảm biến ánh sáng và sự khác biệt của chúng so với thị giác của con người. Các tiêu chuẩn hóa trong tương lai sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác và nhất quán trong các ứng dụng công nghiệp.
Thông lượng ánh sáng (luminous flux) đo cường độ cảm nhận của thông lượng bức xạ (năng lượng bức xạ phát ra trong một đơn vị thời gian) dựa trên độ nhạy cảm của mắt người (hiệu suất sáng phổ chuẩn V(λ)) trong cùng điều kiện hình học. Trong thị giác máy (machine vision), thay vì sử dụng mắt người, chúng ta dùng “mắt máy”. Vì thế, định nghĩa về thông lượng ánh sáng truyền thống không còn áp dụng được. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu cách đo độ sáng thông qua cảm biến ánh sáng của mắt máy và sự liên quan của nó với mắt người.
Thông lượng bức xạ qua cảm biến ánh sáng của mắt máy
Làm thế nào để đo thông lượng ánh sáng bằng cảm biến ánh sáng của mắt máy? Thoạt nghe có vẻ đơn giản: chỉ cần thay thế độ nhạy phổ của mắt người bằng độ nhạy phổ của cảm biến ánh sáng trong mắt máy. Tuy nhiên, không có tiêu chuẩn hóa nào cho mắt máy giống như đối với mắt người (hiệu suất sáng phổ chuẩn V(λ)) do có rất nhiều loại cảm biến khác nhau phục vụ các ứng dụng thị giác máy.
Hình 1. Thông lượng bức xạ qua cảm biến ánh sáng của mắt máy
Các cảm biến ánh sáng trong thị giác máy có đặc tính nhạy phổ khác nhau để đáp ứng nhu cầu của từng ứng dụng cụ thể. Do đó, ngay cả khi nhận cùng một thông lượng bức xạ, các mắt máy với các loại cảm biến ánh sáng khác nhau cũng có độ nhạy khác nhau.
Mối quan hệ giữa phân phối phổ nguồn sáng P(λ) và cảm biến ánh sáng S(λ)
Hãy xét ba loại nguồn sáng: đèn UV LED, đèn LED xanh lá, và đèn LED hồng ngoại (IR). Diện tích dưới đường cong phân phối phổ của mỗi đèn LED chính là thông lượng bức xạ, và thông lượng bức xạ của mỗi đèn LED là 1 W.
Khi so sánh độ nhạy của mắt người V(λ) và cảm biến trong mắt máy S(λ) với từng loại đèn LED, chúng ta nhận thấy: đèn LED xanh lá sáng rõ đối với mắt người vì V(λ) tương ứng với dải bước sóng xanh lá. Trong khi đó, mắt người gần như không nhạy với bước sóng trong vùng tử ngoại (UV) và hồng ngoại (IR), khiến chúng trở nên vô hình (tối) do không tạo ra kích thích trong các dải này.
Ngược lại, với một mắt máy sử dụng cảm biến UV S(λ), cảm biến này chỉ nhận kích thích từ vùng tử ngoại và sẽ cảm thấy sáng, trong khi đèn LED xanh lá và IR lại trở nên tối. Hơn nữa, mức độ sáng mà cảm biến UV có thể nhận còn phụ thuộc vào loại cảm biến UV vì mỗi loại có đặc tính nhạy khác nhau.
Hình 2. Ví dụ minh họa về các loại đèn LED
Giới hạn của thị giác máy trong đo lường ánh sáng
Như đã minh họa, việc đặt một phản hồi phổ cố định và đơn vị đo lường là có thể nếu chỉ sử dụng một loại cảm biến trong mắt máy cụ thể. Ví dụ, mật độ thông lượng photon quang hợp (PPFD) là một đơn vị đo trong các ứng dụng nông nghiệp, lâm nghiệp và hải dương học. Tuy nhiên, hiện tại chưa có tiêu chuẩn nào cho cảm biến trong các ứng dụng thị giác máy nói chung. Do đó, đơn vị đo độ sáng (kích thích) mà cảm biến ánh sáng nhận được là tùy ý, và chỉ có thể đánh giá tương đối trong các điều kiện cố định.
Chúng ta có thể đo độ sáng tương đối với cảm biến trong mắt máy trong các đại lượng ánh sáng nếu năng lượng của ánh sáng nằm trong phổ nhìn thấy và có đặc tính phân phối phổ cố định P(λ). Tuy nhiên, sẽ không thể đo độ sáng tương đối nếu nguồn sáng có đặc tính phân phối phổ P(λ) thay đổi. Hơn nữa, đối với bức xạ tử ngoại hoặc hồng ngoại – những loại không có năng lượng trong phổ nhìn thấy – độ sáng sẽ bằng 0 bất kể phân phối phổ, trừ khi sử dụng cảm biến ánh sáng UV hoặc IR.
Mặc dù có những giới hạn trong việc đánh giá ánh sáng bằng các đại lượng ánh sáng (đo bằng lumen), hệ thống đo lường này hiện vẫn là phương pháp hiệu quả nhất trong thị giác máy. Việc sử dụng một đơn vị tùy ý để đánh giá ánh sáng, đồng thời cố định cảm biến của mắt máy (camera), là thực hành phổ biến hiện nay.
