Sensor là cái gì?

Các bạn vnphoto thân mến,
Hôm nay rảnh rỗi ôn lại kiến thức cóp nhặt đã lâu (ở nhiều nguồn và chả nhớ là thu lượm ở đâu), không dám chắc là mình nhận thức đã đúng nên viết ra đây nhờ các bạn đi qua phát hiện giúp xem có chỗ nào phải học lại. Cảm ơn trước nhé!

1. Bản chất của ảnh số là quá trình biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện rồi ghi lại các giá trị điện đó dưới dạng giá trị số. Ma trận các giá trị số này được ghi lại vào 1 file, đó chính là file raw. Để hiển thị hình ảnh như chúng ta nhìn thấy, còn phải làm tiếp một việc nữa là dùng các thuật toán xử lý cái ma trận trên, xào nấu chúng chán chê rồi mới ra được file jpeg với các 3 trị RGB cho các điểm ảnh.

2. Biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện là nhiệm vụ của sensor. Ghi lại các tín hiệu điện dưới dạng giá trị số là nhiệm vụ của bộ phận ADC (Analog - Digital Converter).

3. Tăng độ nhạy sáng (ISO) là nhiệm vụ của bộ phận khuếch đại tín hiệu điện (biến áp), không phải là nhiệm vụ của sensor vì nó không có khả năng này. Bản chất của quá trình tăng ISO là khuếch đại tín hiệu điện trước khi nó được đưa sang bộ phận ADC.

4. Cấu trúc sensor (theo công nghệ hiện nay) là một ma trận các tế bào quang điện nằm dưới các filter mầu đỏ, hoặc lục, hoặc lam có tên gọi là lưới filter Bayer (Tra Google để xem hình). Một tế bào quang điện này là một điểm ảnh (pixel). Sensor có bao nhiêu tế bào bào quang điện thì có bấy nhiêu pixel.

5. Hiểu về tế bào quang điện và cách thức làm việc của chúng ta sẽ hiểu được bản chất của ảnh kỹ thuật số. Tế bào quang điện là một thiết bị nhỏ xíu (kích thước mỗi chiều chỉ vài micro mét) và rất đặc biệt:
a. Nó được tạo nên từ các vật liệu mà khi có ánh sáng tác động vào sẽ làm nó tích lũy điện tử nhiều ít tùy lượng sáng nhận được (ví dụ như tinh thể muối cadimi sunfua). Khi nó mang điện tử, nó sẽ có một điện thế khác với điện thế của chính nó khi chưa có ánh sáng chiếu vào. Đo độ chênh lệch điện thế này ta sẽ được một giá trị điện áp.
b. Vì là điệp áp nên ta có thể dễ dàng biến đổi được để tăng giảm ISO như đã nói ở trên (chứ không như phim biến đổi độ nhạy bằng quá trình xử lý hóa chất rất phức tạp mà không hiệu quả mấy).
c. Giá trị điện áp này sau khi qua bộ phận khuếch đại để có thể tăng hoặc giảm rồi mới đến bộ ADC. Tại đây, người ta so sánh giá trị điện áp với một bảng định mức có sẵn để tìm giá trị số cho nó. Ví dụ như 0.267 mV thì giá trị số sẽ gán cho tế bào quang điện đó là 001010100010 (nôm na như vậy).
d. Như ta đã biết ở trên, mỗi tế bào quang điện này đều mang trên đầu nó một cái kính lọc mầu, nên giá trị số ở trên chỉ đại diện cho giá trị của một màu đơn. Để có được giá trị ba mầu RGB cho mỗi điểm ảnh hiển thị ở preview, người ta phải tham chiếu thêm các giá trị mầu khác ở các điểm ảnh bên cạnh, qua các thuật toán hiệu chỉnh rồi mới có kết quả cuối cùng.
e. Năng lực tích điện tỉ lệ thuận với lượng ánh sáng tác động vào tế bào quang điện chính là giải động của pixel (Dynamic range, Google để xem hình). Lượng ánh sáng dưới hoặc quá một mức nhất định, năng lực tích điện của tế bào quang điện có thể thay đổi rất ít hoặc không thay đổi.

6. Tôi chưa thấy hãng sản xuất sensor nào mô tả năng lực cụ thể của các loại tế bào quang điện mà họ phát minh ra, nhưng để tiện hình dung, tôi tạm lấy ví dụ mô phỏng về một tế bào quang điện cụ thể có kích thước vùng đón ánh sáng 6.3x6.3 micro mét như sau:
a. Giải động cơ sở: Ở độ rọi từ 1 lux đến 2028 lux, tế bào quang điện này tích lũy được một điện áp tương ứng là 0.01 mV đến 20.28 mV, và có các giá trị số được gán tương ứng sau khi chuyển đổi qua ADC là 000000000001 đến 010000000000 (mã hóa 12 bit, 12 chữ số nhị phân liền nhau).
b. Giải động thấp: Ở độ rọi từ 0.0001 lux đến 0.9999 lux, tế bào quang điện này tích lũy được một điện áp tương ứng là 0.00001 mV đến 0.00999 mV. Vẫn tuyến tính nhưng nhiễu (noise) xuất hiện nhiều và tỷ lệ nghịch với độ rọi.
c. Giải động quá thấp: Ở độ rọi dưới 0.0001 lux, tế bào quang điện không thay đổi điện thế.
d. Giải động quá cao: Ở độ rọi trên 2028 lux, tế bào quang điện thay đổi điện áp rất ít rồi ổn định ở mức 21mV.

7. Với loại tế bào quang điện cụ thể như trên, các giải động sẽ được sử dụng như thế nào?
a. Ở giải động cơ sở: Đây là vùng mà tế bào quang điện này cho ra chất lượng tín hiệu tốt nhất (thông thường là ISO 100). Ở đây, ta mới dùng hết 11 bit trong mã hóa áp dụng là 12 bit (phí tài nguyên số). Câu hỏi đặt ra là nếu áp dụng mã hóa nhiều bit hơn thì liệu ta sẽ có giải động lớn hơn, để có mầu sắc biến đổi mượt mà hơn được không? Câu trả lời là không khi bước biến đổi (step) đã nhỏ tới mức tới hạn. Khi đó, nếu có tăng bit thì chỉ phí tài nguyên số chứ không có hiệu quả.
b. Ở giải động thấp: Đây là vùng tín hiệu kém dần nhưng có thể sử dụng để khuếch đại khi tăng ISO. Giải động này khá lớn, nhưng thực tế chỉ có thể khuếch đại được cỡ tối đa 32 lần. Noise sẽ làm chất lượng tín hiệu kém dần. Lớn hơn nữa chất lượng tín hiệu không còn chấp nhận được. Ví dụ khi tăng ISO từ 100 lên 1600, các giá trị điện áp mà tế bào quang điện thu nhận được sẽ được khuếch đại lên 16 lần, vùng tín hiệu điện áp từ 0.000625 mV đến 324.48 mV (tương đương với vùng tín hiệu ánh sáng thấp, từ 0.0625 lux đến 126.75 lux) sau khi khuếch đại 16 lần sẽ bằng giải động cơ sở để đưa sang ADC.
c. Ở giải động quá thấp và quá cao: Đây là vùng mà tế bào quang điện không còn khả năng chuyển đổi chính xác tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu điện (vượt ngưỡng). Bất kể độ rọi là bao nhiêu, giá trị số được gán cho chúng chỉ là “cực đen” hoặc “ cực trắng”. Đây là vùng ảnh sẽ “cháy đen” hoặc “cháy trắng” nguyên phát do nguồn sáng, dùng để phân biệt với các vùng cháy thứ phát do hiệu chỉnh mà tôi sẽ trình bày ở phần sau.

8. Tôi nghi ngờ một số máy ảnh có mã hóa raw cao đến 14 bit (như Canon 40D, 500D…) chỉ là một chiêu marketing, vì theo Dpreview, năng lực của cảm biến các máy ảnh này cũng giống như phần lớn các sensor thông dụng chỉ có giải động hiệu dụng chừng 10 đến 11 bit (phát biểu theo cách khác là chừng 10~11 EV hay 10~11 khẩu độ. Các đơn vị này tương đương nhau). Tôi cũng nghi ngờ DxO Mark đã thiên vị Nikon khi đánh giá sensor của hãng này có giải động quá cao, như D800, hơn 14 bit. Nhưng tôi tin là H4D mã hóa 16 bit là không thừa khi xem ảnh chụp bởi máy này.

9. So sánh sensor máy ảnh compact thông thường có mật độ là 50 Mpx/cm2 - giải động 8 bit với máy Nikon D800 là 4.67 Mpx/cm2 – giải động 12 bit để thấy rằng diện tích nhận sáng của tế bào quang điện là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh. Khi Canon 50D ra đời có mật độ hơn 40D tới 40% mà chất lượng ảnh tương đương, hãng đã phải dùng thêm công nghệ micro lens cho pixel để tận dụng hết diện tích “dư” trên bề mặt sensor cho việc đón thêm ánh sáng bù vào việc tế bào quang điện phải bé đi.

10. Hầu hết các màn hình LCD hiện nay có tương phản tĩnh 1000:1, nghĩa là giải động tầm 10 bit. Sensor máy ảnh cũng tầm 10 bit. Vậy tại sao lại mã hóa jpeg có 8 bit? Chúng ta đều tiếc khi bị mất chất lượng với jpeg, nhưng nếu phân tích tối ưu hóa, chúng ta có thể chấp nhận được điều này với các lợi ích về tiết kiệm tài nguyên số. Ta cũng cần biết rằng tương phản của bản in giấy thông thường khoảng 60:1, nghĩa là giải động chỉ xấp xỉ 6 bit. Các thông số này cực kỳ ý nghĩa cho bạn khi bạn đưa raw ra jpeg hoặc sửa jpeg để in đẹp.

11. Hãy hình dung công việc xử lý raw từ 14 bit xuống jpeg 8 bit cho các trường hợp thiếu sáng, thừa sáng, dư giải động, thiếu giải động… ta sẽ thấy là không thể có thuật toán nào tạo ra ảnh đẹp tối ưu cho tất cả các trường hợp. Chính vì lẽ này, một chiếc máy ảnh dù được trang bị chip tốc độ cao tới đâu, chạy được nhiều thuật toán tiên tiến tới đâu, cũng không thể đẻ ra ảnh nào cũng đẹp. Và kết quả là ảnh jpeg xử lý tự động bới máy ảnh dù hiện đại đến mấy cũng chưa chắc cho chất lượng tốt nhất. Đó là ý nghĩa tại sao mà thay vì chỉ cần 7 MB cho ảnh jpeg, ta lại phải mất 28 MB cho file raw để có thể dùng các phần mềm tùy chỉnh làm chất lượng tốt hơn. Đó cũng là nguyên nhân vì sao ảnh đã “cháy” trên máy mà ta vẫn có thể “cứu” khi làm raw hậu kỳ, nếu raw của bạn chưa bị cháy nguyên phát.

12. Cháy thứ phát là cháy do hiệu chỉnh trong quá trình xuất ảnh raw ra các định dạng có giải động thấp hơn. Nếu raw không bị cháy nguyên phát, thì có hai nguyên nhân chính gây cháy thứ phát: do cân bằng trắng sai và do nén tuyến tính từ giải động cao xuống. Khi cần bằng trắng sai, các kênh màu lệch nhau có thể gây cháy 1 kênh màu (trên hystogram tổng hợp cho ta kết quả ảnh cháy). Hiện tượng này dễ thấy nhất khi bạn làm ảnh chụp với filter hồng ngoại. Khi nén giải động tuyến tính, các vùng “cực đen” và “cực trắng” trên ảnh giải động cao có thể rơi vào “vùng cháy” trên ảnh giải động thấp. Chúng ta hoàn toàn có thể cứu cháy thứ phát khi cân bằng trắng không quá sai và dùng đúng các thuật toán hiệu chỉnh raw. Ví dụ hai công cụ highlights và shadows trong phần mềm Lightroom hoặc Capture One Pro.

13. Ảnh raw với giải động tầm 12 bit sẽ là không đủ để chụp rất nhiều các cảnh có giải động cao hơn, ví dụ như cảnh ngược sáng trời có giải động cỡ 16 bit. Trường hợp này ta phải chụp bracketing nhiều ảnh để có thể ghi lại cả các vùng ngoài giải động rồi sau đó dùng kỹ thuật HDR hoặc blend để trộn lấy các vùng không bị cháy.