Học viện đào tạo trực tuyến Thứ Năm, 29 tháng 8, 2019 0 No comments

Nói ngay luôn là kích thước (diện tích) cảm biến ảnh (cảm quang) của một Camera nói chung và Camera Phone nói riêng, là yếu tố quan trọng nhất trong việc xác định hiệu suất và chất lượng hình ảnh. Nhưng hiện tại, chúng ta thấy một số điện thoại có camera độ phân giải rất cao, và dùng công nghệ gộp 4 pixel thành 1 để tăng chi tiết ảnh, độ mềm mịn, thu nhận ánh sáng tốt hơn. Chúng ta thử tìm hiểu.

Những thông số như Camera có độ phân giải 48 chấm (MP - megapixels), 40 chấm, 20 chấm, 16 chấm hoặc 12 chấm khi mỗi điện thoại ra đời kích thích sự thu hút khác nhau. Chúng ta sẽ tìm hiểu câu chuyện nhiều chấm, kích thước cảm biến - kích thước pixel - sự khác biệt về độ phân giải là gì và như thế nào. Trong đó, hiểu về kích thước cảm biến & nó hoạt động ghi hình thế nào của một camera và lý do tại sao nó quan trọng hơn số chấm.

Cảm biến máy ảnh là gì?
Hay còn gọi là cảm biến ảnh (camera sensor), là một thiết bị điện tử thu nhận thông tin ánh sáng, gồm cường độ sáng và sắc màu sau khi đi qua ống kính (khẩu độ). Tốc độ màn trập xác định khoảng thời gian thông tin ánh sáng được cảm biến thu nhận. ISO xác định mức nhạy sáng mà cảm biến ảnh nhận được. Có hai loại cảm biến ảnh thông dụng: CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) & CCD (charge-coupled device). Do hiệu suất cao hơn, nhất là trong điều kiện ánh sáng yếu và chi phí sản xuất thấp hơn, nên cảm biến CMOS được sử dụng nhiều hơn. Cảm biến CMOS được xác định bởi diện tích vật lý, chính là diện tích bề mặt thụ nhận ánh sáng, số lược pixel (điểm ảnh) thu thập được trên bề mặt này.

Chúng ta thường thấy người ta ghi các con số 2/3", 4/3", 1", 1/1.8" ... khi nói kích thước cảm biến ảnh của máy ảnh. Các con số đó vẫn được hiểu là kích thước đường chéo của cảm biến ảnh. Nhưng thực tế những con số ấy không phải là chỉ số kích thước cảm biến, nó lớn hơn kích thước thật của đường chéo của cảm biến.

Những con số ấy chính là kích thước đường kính của đường tròn vật liệu chứa cảm biến. Các kỹ sư từ đầu đã thấy rằng diện tích hữu dụng của bề mặt cảm biến nhạy sáng chiếm khoảng 2/3 diện tích bề mặt hình tròn có thể ghi nhận ánh sáng. Có vẻ như không có tính toán học rõ ràng giữa đường kính vòng tròn hình ảnh và kích thước cảm biến, nhưng nó luôn chiếm khoảng 2/3.

Pixel (điểm ảnh) trong hình ảnh là gì?
Anh em tưởng tượng diện tích bề mặt cảm biến ảnh hình chữ nhật, được chia ra hàng triệu pixel vuông nho nhỏ. Mỗi pixel sẽ hứng lấy thông tin ánh sáng, là đơn vị cơ sở của cảm biến hình ảnh. Mỗi pixel vuông riêng lẻ đại điện cho một mẫu bé tí của toàn thể khung hình. Sự kết hợp của hàng triệu pixel nhỏ có màu sắc khác nhau tạo nên khung hình.

Tấm lưới hình ảnh: Quan sát cái hình bên dưới, khung hình được nhìn qua màn hình điện thoại, một tấm lưới phủ bề mặt khung chứa hàng triệu hình vuông nhỏ có kích thước bằng nhau. Giờ chúng ta phóng to một mẫu trong ảnh (ô vuông màu đỏ), các ô vuông lớn hơn, và phóng đến khi mỗi hình vuông nhỏ ấy được nhìn thấy ở kích thước thực tế của nó, trông như chỉ có một tông màu duy nhất, không thể hiện các chi tiết riêng biệt. Sự hoà hợp tất cả các ô vuông này toạ ra tổng thể khung hình mà bạn chụp.

Mỗi ô vuông trong tấm lưới cảm biến tương ứng một ô vuông nhỏ trên lưới hình ảnh. Lưới cảm biến gồm hàng triệu pixel thu thập thông tin ánh sáng của một cảnh vật. Còn lưới hình ảnh là một cảnh vật thế giới thực bị chia thành hàng triệu hình vuông nhỏ. Công việc của pixel là ghi nhận lại sắc màu cụ thể của từng ô vuông trên lưới hình ảnh ấy.

Megapixels (chấm) và Sắc màu
Chúng ta hay gọi là "chấm - camera có bao nhiêu chấm" - đó là cách đánh giá bằng tổng số pixel mà cảm biến ảnh có. Mega là thuật ngữ toán học biểu thị 10^6 - 1 triệu đơn vị. Ví dụ: Cảm biến ảnh 36,6 MP (36,6 triệu pixel) thì có thể rộng 7360 x 4912 pixel. Diện tích dài x rộng sẽ là 36,6 triệu pixel. Đó là một tấm lưới chứa tổng cộng 36,6 triệu ô vuông nhỏ (pixel).

Ánh sáng - các hạt photon cơ bản mang thông tin ánh sáng, khi chạm vào bề mặt vật liệu cảm biến ảnh trong máy, tạo ra một điện tích nhỏ, thu thập trên lưới cảm biến ảnh. Số lượng điện tích mỗi pixel thu nhận xác định mức độ sáng trên dải xám từ đen 100% đến trắng 100%. Chúng ta hay gọi là thang sắc độ xám. Càng nhiều điện tích thu nhận được thì giá trị xám càng nhẹ - một pixel trắng chứa lượng điện tích tối đa so với năng lực đầy đủ của nó.

Ánh sáng ít -- lượng điện tích ít -- tín hiệu ghi nhận ít -- giá trị sắc độ xám tối hơn.

Ánh sáng nhiều -- lượng điện tích nhiều -- tín hiệu ghi nhận lớn - giá trị sắc độ xám sáng hơn.

Cảm biến ảnh thu nhận ánh sáng như thế nào?

Khi một pixel không chứa điện tích, nó sẽ không tạo ra tín hiệu. Giá trị tương ứng sẽ là một màu đen, tạo ra một pixel đen trong ảnh. Và, vì thông tin màu sắc không được xác định bằng số lượng điện tích trong mỗi pixel, nên một bộ lọc màu được đặt trên mỗi pixel. Cảm biến CMOS sử dụng bộ lọc Bayer như một tấm lưới Đỏ - Xanh lục - Xanh lam bao phủ từng pixel.

Các cảm biến của máy ảnh có một bộ thu sáng rất nhạy, gọi là photodiode (bán dẫn dò sáng). Mỗi photodiode nhạy với một màu. Một điểm ảnh có thể được tính toán dựa trên dữ liệu thu nhận được bởi ba photodiode (Đỏ (R) Xanh lá cây (G) Nước biển (B)) hoặc nhiều hơn (R G B …).

Phát minh vĩ đại của Bryce Bayer được dùng trong hầu hết máy ảnh số, máy quay phim và camera điện thoại trong thị trường từ trước đến nay. Cảm biến nội suy Bayer là loại phổ biến. Cảm biến "nội suy Bayer" được thiết kế (chồng khít) thành các cụm 4 photodiode. Mỗi cụm dựa trên photodiode nhạy sáng gồm 2 xanh lá cây, 1 đỏ và một xanh nước biển (được xác định là những photodiode với bộ lọc màu). Một điểm ảnh đơn có thể được "nội suy Bayer" căn cứ trên dữ liệu từ bốn photodiode (thu thập thông tin RGB cần thiết). Bản chất kiểu mội suy này là gì ? Nhìn vào minh hoạ bên dưới đây người ta có thể để ý thấy là 2 photodiode bên phải của điểm ảnh #1 được chia sẻ với điểm ảnh #2. Vì thế có một dư lượng nhất định trong cả cụm hệ thống.

Số lượng bit xác định tông màu mà một pixel hiển thị - độ sâu bit. Lúc này, mỗi pixel chỉ có thể thu thập thông tin màu chính của bộ lọc màu Đỏ - Xanh lục - Xanh lam được gán, cùng với lượng điện tích thu nhận được trong pixel, xác định giá trị sắc độ. Thuật toán của máy ảnh xác định màu của từng pixel có trên lưới cảm biến ảnh, chuyển đổi thành mã nhị phân truyền đạt giá trị của màu sắc đó (Đỏ - Xanh lục - Xanh lam) - Khái niệm độ sâu (Bit) có từ đây. Một bit có thể là 1 (bật) hoặc 0 (tắt) - đúng hoặc sai, có hoặc không, đen hoặc trắng. Tương tự thì 2 bit sẽ có 4 lựa chọn: đen - trắng - xám đen - xám nhạt; 3 bit sẽ có 8 lựa chọn... N-bit chứa 2^N lựa chọn.

Chuyện con số điểm ảnh - số chấm và công nghệ pixel binning

Hiện nay, có một số điện thoại công bố thông số điểm ảnh có thể là 48MP, nhưng bạn chỉ thấy 12MP trong lựa chọn độ phân giải hoặc phải thay đổi chế độ chụp thủ công mới được. Đó là các máy có thể sử dụng cảm biến ảnh 1/2" ISOCELL GM1 của Samsung , kích thước điểm ảnh 0,8μm, độ phân giải 12MP với kích thước thực là 4000x3000 pixel, người dùng có thể chọn giữa 2 độ phân giải 12MP và 48MP . Hoặc ghi bên ngoài cạnh cụm camera là 48MP, nhưng trong máy khi chụp thì chỉ 12MP.

Nói về cảm biến 48MP, thực tế bạn chỉ chọn được độ phân giải này chỉ khi chuyển qua chế độ chụp Pro và lúc này kích thước của cảm biến sẽ là 8000x6000 pixel, còn các chế độ chụp khác, độ phân giải chỉ thể hiện ở 12MP mà thôi. Đây là công nghệ pixel binning hay còn gọi là Tetracell của cảm biến Quad Bayer của Sony hay Samsung gộp 4 pixel lại theo kiểu 2x2 để tạo ra một pixel lớn hơn lên đến kích thước lớn 1.6μm pixel, giúp thu được nhiều thông tin ánh sáng hơn giúp chất lượng ảnh cao hơn, mịn hơn và ít nhiễu khi chụp thiếu sáng. Nên thực tế độ phân giải của các điện thoại này thực tế đạt được 12MP mà thôi, còn độ phân giải 48MP là giống độ phân giải sau khi nội suy lên. Thử một số trường hợp ở 12MP và 48MP sau đó so sánh chi tiết khi crop100% tại vùng lấy nét tương ứng trong 2 trường hợp, kể cả so sánh chi tiết khi crop100% của hình chụp 12MP sau đó dùng Photoshop resize lên 48MP và hình 48MP gốc để các bạn tham khảo.

Về lý thuyết thì cảm biến 48MP này cho kết quả ảnh 12MP có độ chi tiết cao, chính xác màu sắc, mịn hơn cảm biến gốc 12MP thông thường. Thực tế thì vẫn là câu chuyện dài trong trải nghiệm thực tế và các nhà sản xuất cảm biến ảnh vẫn liên tục cải tiến.

Cho nên kích thước cảm biến ảnh là quan trọng?

Cảm biến ảnh của điện thoại rất nhỏ, như iPhone trước đây chỉ nhỏ 1/3.2" tức là 4,54x3,42mm nhưng vẫn có thể chứa tới 12MP. Nokia 808 có cảm biến rất lớn 1/1.2" (10,67x8mm) và Nokia 1020 có cảm biến 1/1.5" nhưng cả hai cùng có 41MP, thì mỗi điểm ảnh trên cảm biển 1020 bé hơn. Cụ thể, kích thước vật lý mỗi điểm ảnh trên Lumia 1020 là 1.12μm so với 1.344μm trên 808. Hậu quả từ vấn đề kỹ thuật này là gì? - Thưa rằng: Chắc chắn khả năng đón nhận ánh sáng trên mỗi điểm ảnh và trên toàn bề mặt cảm biến ảnh của Lumia 1020 là kém hơn 808. Nokia đã có lối đi rất sớm cho đến ngày nay vẫn là điều tiếc nuói. Mình lấy ví dụ này để dễ hiểu các máy khác.

Cùng số lượng pixel, cảm biến được đánh giá theo diện tích vật lý lớn nhỏ / diện tích bề mặt. Diện tích bề mặt sẽ xác định kích thước lớn nhỏ từng pixel. Kích thước cảm biến được cung cấp chiều rộng và cao. Diện tích bề mặt cảm biến càng lớn tăng khả năng thu thập thông tin ánh sáng trong cùng thời gian lộ sáng (phơi sáng). Giống như cánh buồm, bề mặt càng rộng thì càng thu nhiều gió. Diện tích bề mặt càng lớn ánh sáng (photon) sẽ thu được càng nhiều.

Số lượng megapixel nhiều hơn, không hẳn luôn mang lại chất lượng hình ảnh hơn.

Kích thước cảm biến: xác định diện tích bề mặt thu nhận ánh sáng.

Chất lượng cảm biến: Công nghệ mới hơn sẽ chất lượng hơn trong tái tạo hình ảnh.

Chất lượng thuật toán: Phần mềm xử lý hình ảnh mạnh hơn và mới hơn giúp xử lý chất lượng hình ảnh tốt hơn.

Độ lớn của từng pixel: Diện tích của mỗi hình vuông nhỏ pixel ảnh hưởng đến thu nhận ánh sáng ít hay nhiều.

Số lượng Megapixel: Tổng cộng có bao nhiêu pixel trên bề mặt cảm biến.

Cảm biến lớn và kích thước mỗi pixel lớn, chi tiết ảnh tốt hơn, dải ảnh tương phản động rộng hơn, tăng hiệu suất camera, ít nhiễu hạt hơn trong tình huống thiếu sáng. Ghi nhận được nhiều thông tin ánh sáng hơn trong cùng khung hình chênh lệch vùng quá sáng vùng quá tối.

Tóm lại: "Kích thước cảm biến càng lớn càng cho ảnh chất lượng hơn trong cùng điều kiện thiết lập và ánh sáng".

Vậy độ phân giải quan trọng khi nào? Khi bạn in ảnh!

Kích thước ảnh (image size), độ phân giải (resolution) và in ảnh là những điểm nên tìm hiểu để có lựa chọn tốt nhất khi làm việc với một file ảnh, in ấn đạt chất lượng mong muốn.

Thật sự thì các màn hình hiển thị hình ảnh như máy tính, máy chiếu hay các thiết bị hiển thị hình ảnh chuyên dụng đều có phần mềm kiểm soát độ phân giải để hiển thị. Nên khi xem ta rất khó phân biệt được sự thay đổi về độ phân giải trên màn hình. Nhưng với máy in, bạn có thể in ảnh độ phân giải thấp (72 ppi) và ảnh độ phân giải cao (300 ppi) và bạn sẽ có ngay kết quả khác nhau, một ảnh vỡ từng khối hình và một ảnh mượt mịn.

Chẳng hạn bạn muốn in bức ảnh 4x6" tại 300 ppi, thì bạn cần một file có hai cạnh 4 x 300 (1200) pixel và 6 x 300 (1800) pixel, tức là 1200 x 1800 pixel. Để in 8 x 10" tại 300 ppi thì kết quả là cần file ảnh 2400 x 3000 pixel.

Khi crop ảnh hay resize thay đổi kích thước mà ảnh đó sẽ được mang đi in, bạn cần lưu ý độ phân giải ppi cần thiết. Trước khi in cần kiểm tra ể đảm bảo chất lượng bản in thành phẩm của mình.

Điểm ảnh là đơn vị có thể đo lường được. Chẳng hạn một điện thoại có thể chụp ảnh kích thước 4928x3264 (khoảng 16 megapixel). Bạn có thể kiểm tra kích thước này của hình ảnh bằng các phần mềm, kiểm tra thông tin ảnh. Số lượng điểm ảnh cho ta biết độ phân giải ảnh, xác định kích thước màn hình tương ứng để xem toàn bộ tấm ảnh.

ppi (pixels per inch) là mật độ thông tin mà các màn hình có thể thu nhận trên mỗi inch

dpi - (dots per inch) là số điểm trên diện tích 01 inch vuông được tính trong in ấn.

Cùng kích thước vật lý, độ phân giải cao tức là số lượng pixel nhiều và kích thước từng pixel sẽ nhỏ hơn là độ phân giải thấp tức là có ít pixel hơn và chúng lại có kích thước lớn hơn. Độ phân giải cao dù pixel nhỏ hơn nhưng nhiều sẽ cho chất lượng bản in mượt hơn, ảnh in độ phân giải thấp dù pixel có kích thước vật lý lớn hơn thì bản in bị vỡ nát. Chẳng hạn in khổ A4, ảnh có kích thước 300 x 400 thì vẫn đáp ứng được độ phân giải. Nhưng cũng với độ phân giải này, in offset khổ A3 hoặc A2 thì hình sẽ bị vỡ (không sắc nét).

Cuối cùng,
Trừ khi tìm không ra thông số kích thước cảm biến của một điện thoại, còn nếu có thì cứ chọn kích thước lớn. Thứ hai, tuỳ theo nhu cầu in ấn mà chọn file ảnh có độ phân giải tương ứng để chọn dùng.