Hãy quên độ phân giải đi, đây là thời đại của độ nhạy sáng!

Tinhte-Cái thời mà độ phân giải cao bị đánh đồng với chất lượng ảnh cao đã qua rồi. Hầu hết người tiêu dùng đều nhận ra được không phải cứ máy có độ phân giải cao là có chất lượng ảnh tốt. Có một thông số khác nổi lên nhằm thay thế cho độ phân giải, đó chính là độ nhạy sáng ISO. Vậy bạn đã hiểu gì về ISO cũng như các yếu tố cấu thành, ảnh hưởng lên nó chưa? Bài viết này sẽ cung cấp một số kiến thức căn bản về ISO cũng như cảm biến ảnh.

Trong quá trình phát triển của máy ảnh số, hầu hết người ta đều tập trung vào độ phân giải. Năm 1991, camera chỉ có 1,3MP. Đến 1999, chiếc Nikon D1 dùng cảm ứng CCD với giá 5000$ chỉ có thể chụp những bức ảnh 2,7 MP và đến năm nay, năm 2010 thì độ phân giải trung bình của máy ảnh số đã là 14MP. Tuy độ phân giải này đã đủ cho khá nhiều mục đích khác nhau nhưng nó vẫn còn có thể tăng cao nữa. 
Hầu hết các máy ảnh số ngày này (không tính điện thoại chụp hình) đều có tối thiểu 10MP, độ phân giải 14MP cũng đang trở nên thông dụng hơn. Ngay cả các máy DSLR vốn chú trọng vào chất lượng hình ảnh cũng đã từng có cuộc đua độ phân giải. Dòng DSLR cấp thấp của Canon giờ có độ phân giải tiêu chuẩn là 18MP. Độ phân giải là một thông số quá dễ để hình dung, và tất nhiên các công ty dùng nó thể quảng cáo. Họ gắn liền độ phân giải với chất lượng hỉnh, hay ít ra là làm cho người tiêu dùng nghĩ thế. 

Giờ đây, khá nhiều người trong chúng ta đã nhận ra độ phân giải cao hơn không phải lúc nào cũng tốt. Tiêu chuẩn mới về chất lượng chuyển qua khả năng chụp trong điều kiện thiếu sáng. Và chiếc máy làm người dùng “quay ngoắt 180 độ” đó không ai khác chính là D3. Sản phẩm đầu bảng của Nikon hy sinh độ phân giải cao để đổi lấy ISO. Đã có những lời đồn chính D3 và D300 của Nikon là “thủ phạm” làm Canon phải thay đổi chiến lược của mình, thúc đẩy toàn bộ nhân viên làm việc cật lực để tạo ra đối thủ cạnh tranh 5D Mark II xuất sắc như ta thấy ngày nay.

Cho dù ISO trở nên quan trọng bắt đầu từ lúc nào, hay như thế nào, thì bây giờ, hầu hết những máy chụp ảnh có giá trên 300$ thường kèm theo tính năng chụp ảnh thiếu sáng như là vũ khí “tối thượng” của mình. Những máy ảnh DSLR mới nhất của Nikon, Canon đã có ISO trên 100.000 trong khi Sony và các hãng khác cũng sắp đưa ra những sản phẩm cạnh tranh. Chào mừng đến với cuộc chiến mới, hỡi các nhà sản xuất! 

Camera hoạt động như thế nào?

Cảm biến ảnh

Rất đơn giản, đó chính là thu thập ánh sáng. Ở một chừng mực nào đó, cái cách máy ảnh “nhìn” thật sự rất giống với phương thức hoạt động của nhãn cầu mắt. Ánh sáng môi trường sẽ đi qua ống kính rổi từ đó đập vào cảm biến ảnh hình chữ nhật. Sau đó, cảm biến này sẽ chuyển đổi nó thành những tín hiệu điện. Mắt người hoạt động y hệt vậy và tất nhiên, nó cũng chuyển đổi ánh sáng nhìn thấy thành tín hiệu điện khi đi qua võng mạc. Nếu bạn không hiểu tất cả những gì đang được nói đến, chỉ cần nhớ một điều thôi: “Cảm biến ảnh thu thập được càng nhiều ánh sáng thì càng tốt”. 

Khi thông số của một máy ảnh là 10 megapixels, nó không chỉ nói cho bạn biết một bức hình chụp từ máy này có 10 triệu điểm ảnh, mà còn nói lên số điểm nhạy sáng (photosite, photodiode) của máy. Thông thường, những điểm nhạy sáng này thường bị hiểu lầm là điểm ảnh. Điểm nhạy sáng là một phần của cảm biến ảnh vô cùng nhạy cảm với ánh sáng. Nếu còn nhớ các kiến thức khoa học, bạn sẽ dễ hình dung hơn. Điểm nhạy sáng chuyển đổi ánh sáng (photon) thành điện (electrons). Nó giống như các lỗ thu thập từng hạt nhỏ ánh sáng đi vào. Và tất nhiên, điểm nhạy sáng càng lớn, nó càng thu thập được nhiều photon (đồng nghĩa với ánh sáng) hơn trong thời gian máy ảnh số phơi sáng (ví dụ như lúc bạn bấm nút chụp).

Cảm biến ảnh có rất nhiều kích thước khác nhau, như bạn có thể thấy trong hình bên. Cảm biến ảnh càng lớn - chẳng hạn như những cảm biến Full Frame trên Canon 5D, Nikon D3 và Sony A900 - thì càng có nhiều không gian cho điểm nhạy sáng hơn là các cảm biến “tí hon” trên các máy du lịch(PnS). Một máy ảnh có độ phân giải 12MP (triệu điểm ảnh), nó cũng có 12 triệu điểm nhạy sáng. Nhưng cảm biến càng lớn thì điểm nhạy sáng càng lớng và nó càng có khả năng “bắt giữ” nhiều ánh sáng hơn. 
Nếu những điều trên quá khó hiểu và bạn cần một thống số nào đó để nắm giữ, thì đó chính là độ lớn điểm ảnh (pixel pitch). Độ lớn điểm ảnh cho bạn biết kích cỡ của một điểm ảnh. Ví dụ, Nikon D3 với cảm biến kích cỡ 36x23,9mm có độ lớn là 8,45 micromet trong khi Canon S90 với kích cỡ 7,6x5,7mm lại có độ lớn chỉ 2 micromet. Kết quả này ra sao thì ai cũng rõ, cùng với một lượng ánh sáng và thời gian phơi sáng như nhau, những điểm ảnh lớn hơn trên D3 có khả năng ghi nhận nhiều ánh sáng hơn S90. Và tất nhiên, với điều kiện ánh sáng yếu, bạn sẽ thấy ngay sự khác biệt.

Nhiều ánh sáng hơn:

Nói từ nãy đến giờ, hẳn bạn đã rút ra được kết luận: điểm nhạy sáng càng lớn thì độ nhạy sáng càng cao. Chính vì vậy, các nhà sản xuất thường làm cho nó càng to càng tốt. Chẳng hạn như đối với 1D Mark IV, Canon đã giữ nguyên kích thước của điểm nhạy sáng mà cố gắng thu nhỏ phần còn lại của điểm ảnh nhằm làm cho cảm biến vẫn giữ nguyên kích thước như 1D MarkIII. Tất nhiên là ngoài điểm nhạy sáng, cảm biến ảnh còn có rất nhiều thành phần khác. Theo tiến sĩ Peter B. Catrysse từ đại học Stanford (1 đại học hàng đầu và vô cùng nổi tiếng của Mỹ) thì 1 điểm ảnh thông thường chính là 1 vùng phẳng có tác dụng thu nhận ánh sáng, hầu như cấu tạo từ silicon.

Chi tiết hơn, nó bao gồm các thứ sau: một thấu kính siêu nhỏ (microlens) để chiếu sáng trực tiếp vào điểm nhạy sáng, một bộ lọc màu (vô cùng cần thiết vì cảm biến ảnh vốn bị “mù màu”, 1 lớp vật liệu khác, chẳng hạn như dây dẫn và lớp dưới cùng là điểm nhạy sáng (photodiode),. Chính vì vậy, có 1 cách mà các nhà sản xuất cảm biến ảnh danh tiếng như Sony, Fuji hay Kodak thường làm cho những lớp vật liệu này càng mỏng càng tốt (vài trăm nanomet) để ánh sáng có thể đi qua nhiều hơn.

Tuy vẫn cố gắng làm giảm độ mỏng vật liệu nhưng có một cách khác mà các nhà sản xuất đang thực hiện, đó chính là chuyển đổi qua cấu trúc khác. Họ chuyển điểm nhạy sáng lên ngay sau bộ lọc màu và microlens chứ không đặt dưới cùng như trước nữa. Tuy hiện nay việc sản xuất vẫn còn đắt hơn cách truyền thống nhưng nó sẽ dần phổ biến vì ánh sáng đi qua nhiều hơn nên điểm ảnh có thể nhỏ hơn mà chất lượng không đổi. Sony là hãng đầu tiên phát triển và thương mại hóa loại hình cảm biến này từ giữa năm 2008. Bạn có thể đọc thông cáo báo chí tại đây.

Bức ảnh ấn tượng của Sony trình diễn khả năng của cảm biến Back-illuminated và Front-illuminated truyền thống

Trong cấu trúc cơ bản của cảm biến ảnh, microlens nằm sát nhau để chiếu ánh sáng xuống điểm nhạy sáng phía dưới. Nhưng trước đây, có một khoảng trống nhỏ giữa các microlens với nhau. Kết quả là ánh sáng không thẻ chiếu trực tiếp xuống vị trí nhạy sáng nhất của cảm biến (điểm nhạy sáng). Nikon và Canon đã phát minh ra hệ thống cho phép các ống kính này nằm sát nhau để ánh sáng chiếu trực tiếp vào photosite, không để phung phí lượng ánh sáng quý giá đó. Điều này cũng tương tự như một cái phễu, phễu miệng rộng bao giờ cũng đổ được nhiều nước hơn.

Lý do chính mà người ta cần máy ảnh số thu càng nhiều ánh sáng càng tốt chính là tỷ số tín hiệu/nhiễu của bức ảnh. Có rất nhiều nguyên nhân và loại nhiễu khác nhau nhưng có 2 loại mà bạn nên biết. Đó chính là “photon shot”, “read” và “dark current” noise. “Photon shot” gây ra bởi dòng photons tiếp xúc với cảm biến ảnh không bao giờ phù hợp một cách hoàn hảo với thời gian của nó. “Read” do chính bản thân của cảm biến trong khi “dark current” là do có một số electron tản mạn không được tạo ra bởi ánh sáng nhìn thấy chạm vào cảm biến. Hầu hết nguyên nhân của “dark current” là do nhiệt độ.

Trở lại quá khứ, những ngày mà các nhiếp ảnh gia còn phải dùng phim, họ mua nó theo độ nhạy sáng của phim đó được thể hiện dưới tốc độ ISO (tiêu chuẩn do tổ chức International Organization for Standardization với tên ISO 5800:1987). Với máy ảnh số, ISO vẫn còn nhưng bạn có thể tùy chỉnh trên máy chứ không còn cần thay phim như ngày xưa nữa. 

Hình chụp bằng Nikon D3s ở ISO 102.400!

Vấn đề là, cho dù bạn chụp ở ISO 100 hay 1600 thì lượng ánh sáng đi vào cảm biến là như nhau. Nhưng khi thiết lập ISO cao, bạn bắt cảm biến phải tạo ra nhiều tín hiệu hơn và theo đó nhiễu cũng tăng theo. Nếu cảm biến của bạn lớn, nó sẽ có nhiều tín hiệu hơn để làm việc và tất nhiên, tỷ số tín hiệu/nhiễu cũng tăng theo. Đó chính là lý do tại sao một bức hình với ISO từ D3 luôn đẹp hơn một máy PnS có ISO tương đương. Và đó cũng là lý do D3s và 1D MarkIV có khả năng chụp những bức hình ISO trên 100.000 mà vẫn chấp nhận được. Tất nhiên một phần cũng vì những máy ở đẳng cấp này có bộ xử lý mạnh hơn, có những thuật toán cao cấp và phức tạp hơn để mang lại khả năng khử nhiễu tối ưu.

Cảm biến ảnh: 

Có 2 loại cảm biến ảnh được hầu hết các thiết bị dùng ngày nay, đó chính là CCD (charge-coupled device) và CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor). Theo tiến sĩ Catrysse, Về cơ bản, 2 loại cảm biến này hoạt động giống hệt nhau, ít ra là về mặt vật lý. Vì vậy không có loại này là tuyệt hảo và vượt trội hơn hẳn. Cảm biến CCD đã từng được coi là cảm biến của tương lai, nó đã chiếm ưu thế một thời gian dài trước khi CMOS “vùng lên” lật ngược lại. Ngày nay, hầu hết các điện thoại và máy ảnh DSLR chuyên nghiệp đều dùng cảm biến CMOS trong khi chỉ còn một số máy đời cũ hoặc Medium Format còn dùng CCD. Cũng theo tiến sĩ này, thị phần của CCD sẽ dần thu hẹp lại, chủ yếu tồn tại trong các thiết bị phục vụ nghiên cứu khoa học.

Cảm biến CMOS được chế tạo theo tiến trình CMOS, cùng với cách mà người ta chế tạo những thứ như CPU, GPU, RAM nên nó rất rẻ so với CCD. Giá rẻ chính là nguyên nhân tại sao người ta chọn nó để dùng trong các điện thoại cũng như những hệ thống DSLR dùng chip cực lớn. Không giống như CCD bắt các electron ra khỏi chip để đi vào bộ chuyển đổi tương tự sang số, CMOS thực hiện tất cả việc đó ngay trong con chip được tích hợp sẵn. Chính vì vậy mà nó nhanh hơn và sử dụng ít năng lượng hơn.

Hơn thế nữa, vì CMOS được chế tạo giống với dây chuyền sản xuất của các thiết bị bán dẫn khác, nó cũng được lợi từ tiến bộ của ngành công nghiệp này. Những transistors nhỏ hơn cho phép tạo ra nhiều mạch dẫn hơn trong một điểm ảnh, từ đó khử nhiễu tốt hơn. Nó cho phép chúng ta tiếp cận gần hơn đến những giới hạn vật lý cơ bản như “photon noise”. Chúng ta đang nói về việc điều khiển ảnh sáng ở mức độ nano! 

Tổng kết: 

Bằng nhiều cách khác nhau, độ phân giải đã không còn giá trị như ngày xưa. Chẳng nhiều người cần in những bức ảnh khổ lớn mà cần độ phân giải trên 14 MP. Nhưng công nghệ vẫn phát triển, chẳng hạn như cảm biến ảnh tốt hơn, tiến trình xử lý ảnh thông minh hơn hay thấu kính sắc nét hơn, và ngành công nghiệp máy ảnh cần phải có một thông số nào đó để quảng cáo nhằm bán nhiều hàng hóa hơn mỗi năm. 

Ông Teru Kuwayama, một nhiếp ảnh gia nổi tiếng đã nói rằng: “Tăng độ phân giải quá nhiều càng làm cho mọi chuyện khó khăn hơn, chỉ tổ tốn thẻ nhớ và ổ cứng. Nhưng tăng ISO lại là một cái gì đó tốt hơn nhiều, nó mở ra một kỷ nguyên mới của nhiếp ảnh mà những thế hệ nhiếp ảnh gia cũ không thể với tới do hạn chế về mặt thiết bị. Tôi rất sẵn lòng đổi giảm một nửa độ phân giải máy mình để có độ nhạy sáng tăng gấp đôi”.

Những bức ảnh đẹp thì luôn tốt hơn ảnh lớn. Đó chính là lời hứa mà ngành công nghiệp nhiếp ảnh mang đến cho chúng ta. Có lẽ tốc độ ISO sẽ còn được tăng hơn nữa trong năm tới để hấp dẫn người dùng. Nhưng hãy nhớ rằng, con số ISO cao không đồng nghĩa với hiệu năng chụp tối tốt hơn vì đôi khi nó chỉ dùng để quảng cảo. Cái gì quá cũng không tốt, cũng giống như sản phẩm có chất lượng tốt hơn không phải lúc nào cũng có cấu hình cao hơn!