Cảm biến máy ảnh: mù màu nhưng quyết định chất lượng ảnh
Cảm biến máy ảnh là một linh kiện điện tử làm từ silic, đồng và kính, chia thành vô số photosite nhỏ có nhiệm vụ thu ánh sáng đi qua ống kính, biến nó thành tín hiệu điện, rồi được bộ xử lý chuyển tiếp thành dữ liệu số để tạo thành từng pixel trong ảnh kỹ thuật số. Điều gây bất ngờ cho nhiều người là: bản thân cảm biến máy ảnh hoàn toàn “mù màu”. Mỗi photosite chỉ là một chiếc máy đo độ sáng tí hon, ghi lại một con số thể hiện lượng ánh sáng thu được trong thời gian phơi sáng, với độ phân giải thường từ 12 đến 14 bit, tương ứng khoảng 4.000 đến 16.000 mức từ đen đến trắng. Nếu không có các lớp lọc màu phía trên, cảm biến chỉ có thể tạo ra ảnh đen trắng. Hiểu được giới hạn này là bước đầu để đánh giá đúng vai trò của Bayer filter và thuật toán demosaicing trong việc tái tạo màu sắc.
Photosite và màu sắc: vì sao cảm biến cần Bayer filter
Về bản chất vật lý, mỗi photosite là một “giếng” silic nơi photon bị chuyển thành electron nhờ hiệu ứng quang điện; càng nhiều ánh sáng, điện tích càng lớn, và máy ảnh đọc ra một giá trị độ sáng duy nhất. Vấn đề là, photon đỏ hay photon xanh lam đều trở thành điện tích giống nhau, không mang nhãn màu, nên tín hiệu thô từ cảm biến không chứa thông tin bước sóng. Để gán màu cho từng photosite, nhà sản xuất gắn trực tiếp lên bề mặt cảm biến một ma trận lọc màu gồm các ô siêu nhỏ đỏ, xanh lá, xanh lam; mỗi ô nằm đúng trên một photosite. Khi ánh sáng đi qua Bayer filter, photosite dưới ô đỏ chủ yếu nhận ánh sáng đỏ, dưới ô xanh lá nhận xanh lá, dưới ô xanh lam nhận xanh lam. Nhờ vậy, giá trị độ sáng của photosite có thể được hiểu là “độ sáng của kênh màu” tương ứng. Ma trận Bayer lặp lại theo khối 2x2 gồm một ô đỏ, một ô xanh lam và hai ô xanh lá, giúp ưu tiên độ phân giải cho kênh xanh lá vốn gần với độ nhạy của mắt người.
Demosaicing algorithm: từ lưới Bayer đến ảnh màu hoàn chỉnh
Ngay cả với Bayer filter, mỗi photosite vẫn chỉ ghi một kênh màu, nghĩa là tại một vị trí trên cảm biến ta chỉ biết đỏ hoặc xanh lá hoặc xanh lam, chứ không có đủ ba giá trị RGB. Bước xử lý lấp đầy khoảng trống này được gọi là demosaicing (hay debayering): bộ chuyển đổi ảnh thô sẽ ước lượng hai kênh màu còn thiếu cho từng photosite bằng cách đọc các photosite lân cận. Ví dụ, một photosite đỏ sẽ “mượn” giá trị xanh lá và xanh lam từ các photosite xanh lá và xanh lam xung quanh; quy trình này lặp lại trên toàn lưới cho đến khi mỗi điểm ảnh có đủ bộ ba đỏ, xanh lá, xanh lam. Vì dữ liệu gốc luôn thiếu thông tin màu, thuật toán demosaicing khác nhau sẽ cho kết quả khác nhau về độ sắc nét, nhiễu màu và chi tiết tinh. Đó là lý do cùng một file RAW nhưng mở bằng các phần mềm khác nhau có thể cho ảnh trông sắc hoặc mềm, viền áo vải hoặc hàng rào có thể xuất hiện hoặc giảm bớt viền màu. Với nhiếp ảnh gia, hiểu rằng màu sắc là kết quả của nội suy giúp đánh giá đúng vai trò phần mềm xử lý, chứ không chỉ nhìn vào số megapixel.
Cảm biến CMOS, BSI và ý nghĩa thực tế khi chọn máy ảnh
Trong thế giới cảm biến máy ảnh, CCD từng nổi tiếng vì cho màu sắc mạnh và trung thực, nhưng đã gần như biến mất, nhường chỗ cho CMOS nhờ khả năng tiêu thụ điện thấp hơn, phù hợp thiết bị di động nhỏ gọn. Bên cạnh đó, kiến trúc CMOS cũng chia thành FSI (FrontSide Illuminated) và BSI (BackSide Illuminated). Ở BSI, cấu trúc được đảo lại để ánh sáng ít bị cản bởi mạch điện, giúp tăng hiệu quả thu sáng. Các cảm biến BSI CMOS hiện chủ yếu xuất hiện trên máy ảnh hybrid và DSLR cao cấp, cho phép tăng ISO cao hơn với ít nhiễu số hơn. Tuy nhiên, “to hơn, nhiều megapixel hơn” không phải lúc nào cũng tốt. Điều quan trọng là hiểu cảm biến máy ảnh là một tập hợp photosite mù màu, phụ thuộc vào Bayer filter, demosaicing algorithm và kiến trúc như BSI để tạo ra ảnh màu sạch, chi tiết. Khi nắm rõ cơ chế này, bạn sẽ ít bị chiêu marketing đánh lừa, biết cân nhắc giữa kích thước cảm biến, độ phân giải, loại cảm biến và phần mềm xử lý để chọn thiết bị phù hợp phong cách chụp của mình.
