Những điều chưa biết về camera trên smartphone

Các biên tập viên của trang công nghệ uy tín AnandTech đã có một bài phân tích rất chi tiết về camera của máy ảnh, giúp cho bạn đọc hiểu rõ hơn về chức năng quan trọng này của smartphone.

1. Một số thuật ngữ quang học

Bất cứ cuộc thảo luận nào về máy ảnh cũng cần đề cập tới 3 con số quan trọng. Trước hết là chỉ số khúc xạ (index of refraction, thường được biết đến với khái niệm "chiết suất"). Chỉ số khúc xạ cho biết tốc độ của ánh sáng bị chậm lại bao nhiêu lần khi đi qua một hệ quang học so với khi đi qua chân không. Thứ 2 là bước sóng (wavelength): thực chất nhắc tới bước sóng là nhắc tới màu sắc và mắt người có thể nhận biết được những màu sắc có bước sóng 400 – 700nm (nano mét). Thứ 3 là cường số ánh sáng (optical power): khả năng hội tụ hoặc phân kỳ một tia sáng tới của hệ quang học.  

Một thuật ngữ nữa cần chú ý nữa là khẩu độ. Khẩu độ được định nghĩa là tỉ lệ giữa độ dài tiêu cự và đường kính đồng tử. Khẩu độ cho biết khả năng hấp thụ ánh sáng (hình ảnh) của hệ thống quang học – khẩu độ càng lớn thì lượng ánh sáng đi vào hệ quang học càng nhiều.

Khẩu độ được tính dựa trên các giá số (F-number). Các giá số 1, 1.4, 2 v...v... tương đương với các khẩu độ  f/1, f/1.4, f/2 v...v... (xem hình dưới). Giá số càng lớn thì khẩu độ càng nhỏ.

Ngoài ra, chúng ta cũng cần nhắc tới định dạng cảm biến hình ảnh, thường được đo với đơn vị 1/x inch. Cảm biến 1/2" sẽ lớn hơn cảm biến 1/7".

Camera hoạt động khá giống với mắt người

Do chúng ta đang nói về các hệ camera, chúng ta đang nói về một hệ phản chiếu lại một hình ảnh từ xa lên một bề mặt. Các hệ camera khá giống với mắt người, thay vì phản chiếu hình ảnh lên võng mạc, chúng phản chiếu hình ảnh lên các chip cảm biến.

2. Các bộ phận của hệ thống camera

Như bạn đọc có thể thấy trong hình bên dưới, chụp ảnh là một quá trình đi qua nhiều bộ phận khác nhau của máy ảnh (xem hình dưới). Khi đi từ bộ phận này sang bộ phận khác, chất lượng hình ảnh có thể bị thay đổi: ví dụ chip xử lý hình ảnh ISP có thể làm hỏng bức ảnh cho dù ống kính cho ra các tín hiệu tốt. Ngoài ra, giữa chip xử lý hình ảnh và một số bộ phận khác có thể có vòng lặp tín hiệu.

Từ trái qua phải: Cảnh vật, Ống kính, Cảm biến bán dẫn ô xít kim loại (CMOS), Vi xử lý tín hiệu hình ảnh (ISP), Giao diện/Hệ điều hành/File ảnh được lưu lại trên máy

Quay phim cũng là một quá trình tương tự, tuy vậy bộ mã hóa tín hiệu (Encoder) được đặt vào hệ thống để tạo ra file video cuối cùng được lưu trên máy. Ngoài ra, cảm biến CMOS cũng có thể không làm việc trên kích cỡ đầy đủ của mình và các tín hiệu phát ra từ ISP có thể được giảm bớt.

Từ trái qua phải: Cảnh vật, Ống kính, Cảm biến bán dẫn ô xít kim loại (CMOS), Vi xử lý tín hiệu hình ảnh (ISP), , Bộ mã hóa tín hiệu, File video MP4 được lưu lại trên máy

3. Giới hạn của camera trên smartphone

Các hạn chế của camera trên smartphone là khá đặc biệt – và chúng ta cần phải nhấn mạnh vào khía cạnh này để hiểu được những khó khăn mà các nhà sản xuất gặp phải.

Thứ nhất là kích cỡ của mô-đul camera trên máy ảnh. Tất cả mọi người đều muốn một chiếc điện thoại mỏng và không bị lồi lên ở phần camera, và do đó mô-đul camera sẽ là phần dày nhất của smartphone. Tuy vậy, các giới hạn về mặt vật lý dành cho camera vẫn bị giữ nguyên.

Thứ hai là vấn đề về giá cả. Do camera chỉ là một phần của smartphone, các nhà sản xuất phải cố giảm giá thành của mô-đul camera xuống còn khoảng 5 – 15 USD.

Thứ ba là vấn đề vật liệu: gần như tất cả các hệ camera trên smartphone (trừ một số mẫu của Nokia) đều được làm bằng nhựa. Số lượng nhựa quang học là không nhiều, và các nhà sản xuất gần như luôn luôn lựa chọn kết hợp PMMA (độ phân tán thấp) và Polystyrene (độ phân tán cao) để tránh hiện tượng tiêu sắc (chromatic abbrration – hiện tượng ống kính không thể tập trung tất cả màu vào một điểm hội tụ duy nhất). Ngoài ra, các camera trên smartphone luôn luôn có tiêu cự cố định, khẩu độ cố định (thường khá nhỏ), không có cửa trập, đôi khi sử dụng một màn lọc ND (mật độ trung tính). Để giữ được kích cỡ nhỏ cho mô-đul camera, tiêu cự thường khá nhỏ, tạo ra hình ảnh rộng và độ nhiễu lớn.

Ngoài ra, với tính chất tiện dụng của mình, camera trên smartphone cũng thường có điều kiện hoạt động không được lý tưởng cho lắm. Đây là một điểm yếu cho camera trên smartphone – một hệ thống phải chụp lại rất nhiều chi tiết vào các điểm ảnh (pixel) rất nhỏ bé.

4. Ống kính

Trước hết chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu bộ phận đầu tiên của camera trong chuỗi nhận hình ảnh: ống kính (lens). Nhìn vào hình dưới bạn có thể thấy một hệ thống ống kính được sản xuất bởi Foxconn, với tầm ngắm khá lớn (khẩu độ F/2.0) và 4 kính cầu: kính cầu số 1 và 3 có cường số ánh sáng dương trong khi kính cầu số 2 và 4 có cường số ánh sáng âm.

Đi kèm với bằng sáng chế dành cho ống kính này là các thông số kỹ thuật (xem hình dưới, từ trái qua phải): độ cong của các bề mặt (radius of curvature), khoảng cách giữa các bề mặt (separation), khả năng đọc tín hiệu (index at d), chỉ số phân tán (Abbe#) và hằng số hình nón (conic constant). Ngoài ra giữa kính cầu số 1 và kính cầu số 2 cũng có sự chênh lệch đối với mức độ phân tán, kính cầu số 1 có cường số ánh sáng dương và kính cầu số 2 có cường số ánh sáng âm. Điều này là nhằm giảm hiện tượng tiêu sắc.

Chúng ta có thể nhìn vào một sản phẩm cụ thể với 5 kính cầu của LG. Đây là hệ thống 5P được sử dụng trong Optimus G.

5. Mô-đul Camera và các xu hướng cảm biến CMOS

Sau khi đi qua ống kính, các tín hiệu hình ảnh sẽ đi tới đâu?

Câu trả lời là một "mô-đul" (module camera). Một mô-đul bao gồm có các ống kính, bộ lọc IR (phản chiếu hoặc chặn các tia hồng ngoại trung), mô tơ để lấy nét và cuối cùng là cảm biến ô xít kim loại (CMOS) và cáp đầu ra. Các hệ camera cao cấp hơn sẽ có hệ thống ổn định hình ảnh quang học (OIS) với mô tơ phức tạp hơn và con quay điện cơ siêu nhỏ (MEMS).

Ống kính và các thành phần trong mô-đul camera

Sau khi đi qua mô-đul này, các tín hiệu sẽ đi vào cảm biến hình ảnh CMOS. Các chip CMOS cho smartphone thường có kích cỡ 1/4 ~ 1/3 inch. Dĩ nhiên là cũng có những ngoại lệ, nhưng kích cỡ nói trên là phổ biến nhất. Các cảm biến cho camera mặt trước dĩ nhiên là sẽ nhỏ hơn. Các cảm biến CMOS trong phần lớn các mẫu smartphone thường có kích cỡ cố định, do cảm biến lớn hơn sẽ tạo ra hệ thống quang học dày hơn. Do đó, xu hướng gia tăng số lượng megapixel của các nhà sản xuất thực chất là để tạo ra các pixel nhỏ hơn.

Xu hướng giảm kích cỡ pixel là rất dễ để có thể nhận biết. Thế hệ smartphone hiện thời chụp ra những bức ảnh có các điểm ảnh kích cỡ 1,1 micron. Gần như tất cả các mẫu smartphone 13MP, ví dụ như Optimus G, đều đang sử dụng pixel 1,1 micron, trong khi các máy khác như Optimus G (phiên bản mỏng) hoặc Nexus 4 sử dụng pixel 1,1 micron với máy ảnh độ phân giải 8MP để có thể trở nên mỏng hơn. Các thế hệ smartphone 8MP trước sử dụng pixel 1,4 micron; còn ở độ phân giải 5MP chúng ta đang nhắc tới các pixel có độ lớn 1,65 hoặc 1,75 micron. Các micron này rõ ràng là có kích cỡ rất nhỏ bé, nên nhớ rằng một ánh sáng đỏ có bước sóng 700 nm, và 1 pixel có kích thước 1,4 micron chỉ tương đương 2 bước sóng. Do việc đưa kích cỡ xuống thấp hơn 1 bước sóng là không hợp lý, các nhà sản xuất khó có thể giảm kích cỡ các pixel xuống thấp hơn nữa.

Chúng ta cũng nhắc tới việc chiếu sáng từ phía sau (BSI) và chiếu sáng từ phía trước (FSI). Chiếu sáng từ phía sau chiếu ảnh trực tiếp qua silicon lên vùng hoạt động của điểm ảnh, trong khi chiếu sáng từ phía trước đi qua nhiều lớp kim loại tạo ra phản chiếu lên một vùng nhỏ hơn của điểm ảnh, do đó làm mất một lượng ánh sáng (hình ảnh) nhất định. BSI xuất hiện nhằm đáp ứng các mục tiêu ứng dụng và khoa học trong việc đạt được mức độ hiệu suất lượng tử (chuyển từ photon sang electron) cao nhất, và công nghệ này được áp dụng trong smartphone không chỉ nhằm tăng độ nhạy của các pixel.

Với FSI, kích cỡ rất nhỏ (1,4 x 1,4 micron) của các pixel sẽ làm hiện tượng mờ lượng tử (quantum blur) xuất hiện: khi photon được chuyển thành electron trên một pixel, photon này có thể không chuyển đổi một cách chính xác lên vùng hoạt động của pixel. Ngoài ra, khẩu độ có thể đạt được của các camera này sẽ không tương xứng với chiếc điện thoại.

6. Chip xử lý tín hiệu hình ảnh (ISP)

Các pixel có độ nhạy tương ứng với nhiều dải bước sóng ánh sáng, do đó về bản chất chúng ta không thể biết được một pixel sẽ mang màu gì. Do đó để tạo ra một bức ảnh màu chúng ta cần có một màng lọc, trước hết là lọc ra mẫu các dải màu, sau đó lọc màu của các pixel ở cạnh nhau. Cảm biến CMOS 8MP sẽ không nhận biết các màu đỏ, xanh lá cây và xanh da trời bên trong từng pixel; CMOS sẽ đoán ra màu của từng pixel và ISP cũng sẽ đoán ra màu này dựa vào các pixel ở xung quanh. Đây là kỹ thuật gộp màu "demosaicing" và đó cũng là công việc chính của ISP.

Ngoài ra, ISP cũng đảm nhiệm các công việc phụ trợ khác như kiểm soát tự động lấy nét, kiểm soát độ phơi sáng và kiểm soát cân bằng ánh sáng trắng. Ngoài ra, gần đây ISP còn làm thêm các nhiệm vụ sửa mờ hình hoặc sửa bóng màu do lỗi ống kính, bên cạnh các nhiệm vụ như kết hợp HDR, giảm nhiễu, phát hiện khuôn mặt hoặc các vật thể khác. Nói tóm lại, các loại ISP khác nhau có thể làm các nhiệm vụ khác nhau, nhưng đây luôn là bộ phận kiểm soát việc chuyển các dữ liệu thu được từ CMOS thành một ma trận hình ảnh có thể xử lý được.

7. Giao diện chức năng camera trên smartphone

Đây là một bài toán khó cho các nhà sản xuất. Hiện tại có 2 xu hướng tồn tại đối với các nhà sản xuất: để phần mềm tự động làm mọi thứ (Apple) hoặc đưa ra gần như là tất cả các lựa chọn mà người dùng có thể làm được (Samsung). Các nhà sản xuất khác như HTC lựa chọn hướng đi khác là cho phép người dùng có thể điều chỉnh một số thông số, và tạo ra các thông số mặc định cho người dùng thông thường.

Các phần mềm chụp ảnh trên iPhone 5 và Nexus 4 tạo ra các khung preview (xem trước) với tỉ lệ không đúng với tỉ lệ của ảnh được tạo ra. Điều này khiến cho bố cục ảnh có thể không chuẩn xác, và việc nó xuất hiện trên các sản phẩm lớn là một điểm đáng chê trách. Ngoài ra, tốc độ khung hình và độ phân giải của phần preview có thể là vấn đề đối với một vài nhà sản xuất. Thậm chí, một số phần mềm chụp ảnh còn có giao diện không ổn định.

Một số nhà sản xuất đưa ra giao diện camera gần như không tạo ra được một trải nghiệm chụp ảnh nào cho người dùng. Khi smartphone tiến triển từ việc là một chiếc camera "tiện thì dùng" trở thành chiếc camera chính cho người dùng, việc đưa ra các lựa chọn tùy chỉnh mạnh mẽ là rất cần thiết nếu ISP và các chức năng khác không hoạt động như mong muốn. Có thể nói, cho tới giờ vẫn chưa có nhà sản xuất nào tạo ra được một giải pháp phù hợp.

Ngoài ra chúng ta cũng cần nói tới bộ mã hóa của video. Chức năng quay video là gần như tương tự với chức năng chụp hình, cho dù ISP thường sẽ cắt ảnh chỉ để lại phần trung tâm, dựa theo khả năng của cảm biến. Bộ mã hóa sẽ lấy các bức ảnh này và nén chúng lại thành một định dạng với bitrate tùy thuộc vào nhà sản xuất – thông thường là H.264. Không phải bộ mã hóa nào nào cũng giống nhau, và trong khi nhiều nhà sản xuất sử dụng các bộ mã hóa có sẵn trên thị trường, nhiều nhà sản xuất tự phát triển ra bộ mã hóa cho riêng mình. Phần lớn các nhà sản xuất đều chọn giảm khả năng của bộ mã hóa để tiết kiệm dung lượng. Thế hệ điện thoại mới nhất sử dụng bitrate từ 15 ~ 20 Mbps H.264 cho các video 1080p tốc độ 30 khung hình mỗi giây (fps).

8. Đánh giá chất lượng hình ảnh

Trước hết phải nhắc tới độ nét của ảnh – chức năng chuyển đổi module (MTF). Nói một cách đơn giản MTF cho chúng ta thấy trong một dải sóng tại một tần số nhất định chúng ta sẽ thấy độ tương phản là bao nhiêu. MTF cũng cho biết tần số cao nhất của một hệ thống, từ đó có thể biết được độ phân giải của ảnh. Ngoài ra, chúng ta cũng cần biết tới quang sai.

Không có hệ camera nào là hoàn hảo, và các hệ thống tốt đạt được sự cân bằng giữa các quang sai. Vị trí rìa của ảnh là phần khó nhất, nơi có nhiều quang sai hơn so với phần giữa của ảnh.

Trong khi các quang sai trước đây là đơn sắc, cũng có những quang sai xảy ra với nhiều màu sắc (bước sóng). Các quang sai trục có thể được khắc phục bằng các ống kính lưỡng cực. Các quang sai ngang tương ứng với các viền màu. Trong phần lớn các hệ máy thương mại viền màu là sản phẩm của ISP.

Vậy chúng ta cần để ý tới những quang sai phổ biến nào? Với các camera dùng ống kính góc rộng, hiện tượng méo hình là rất phổ biến. Viền màu cũng hay xảy ra với các khung cảnh có nhiều bóng. Ảnh cũng có thể bị mờ, và hiện tượng mờ màu cũng có thể được nhận biết từ các biểu đồ, nhưng tốt nhất là từ các khung hình mẫu.

Trước hết là hiện tượng nhiễu hình, như bức ảnh bàn phím sau đây:

Ở bức hình sau, các bạn có thể thấynhững quầng sáng xung quanh những vị trí có độ tương phản lớn. Điều này xảy ra khi các nhà sản xuất cố gắngtăng độ tương phản trở lại, sau khi độ tương phản bị hạ xuống trong quá trình xử lý chống nhiễu. Bạn cũng có thể thấy những chi tiết như bị gợn sóng ở góc dưới, bên trái ảnh.

Ở bức ảnh cây lá này, các bạn có thể thấy phần trung tâm rất sắc nét nhưng phần xung quanh lại rất mờ.

Bức ảnh tiếp theo đến từ một máy ảnh rất nổi tiếng có ánh sáng tím, xảy ra khi một nguồn sáng bên ngoài khung hình lọt vào ống kính. Việc các ánh sáng không thuộc vào khung hình lọt vào ảnh là một vấn đề lớn đối với các nhà sản xuất – rất nhiều các nhãn hiệu lớn gặp phải vấn đề này. Giải pháp là ống che cho ống kính (hood), nhưng chẳng ai muốn có một ống che thò ra khỏi điện thoại mình.

Tiếp đến chúng ta sẽ so sánh 2 thế hệ liên tiếp nhau của một dòng sản phẩm nổi tiếng. Bức hình bên trái có phần xanh lá cây rất nổi bật ở giữa, và một vòng tròn đỏ ở xung quanh. Đây là ví dụ điển hình về việc các chip xử lý hình ảnh không thể sửa được hiện tượng mờ bóng màu. Tuy vậy, ở bức hình bên phải, hiện tượng này đã được khắc phục. Hiện tượng mờ bóng màu là rất phổ biến khi chụp các vật thể có bề mặt đơn sắc, ví dụ như bìa sách hoặc bảng trắng.

Chúng ta cũng cần để ý tới các quang sai khác, ví dụ như việc chống nhiễu quá mức, cân bằng trắng tự động kém, sai nét v...v...

9. Các xu hướng của camera smartphone

Các biên tập viên tại AnandTech đã nghiên cứu 4000 bức ảnh chụp từ điện thoại để nhìn ra xu hướng của camera trên smartphone.

Trước hết, dựa vào biểu đồ sau đây, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy cuộc đua megapixel đang tạo ra sức ép rất lớn tới không gian lưu trữ của người dùng: mỗi bức ảnh 13MP "ăn" tới hơn 5MB.

Khi được ghép lại, chúng ta thấy phần lớn các bức ảnh có kích cỡ vài KB tới 6MB. Các bức ảnh paranoma hoặc ảnh cỡ lớn khác nằm rải rác ở các khoảng 16MB hoặc hơn.

Cuối cùng, không thể phủ nhận rằng camera trên smartphone đang thay thế dần cho các máy ảnh thông thường. Sự thật là một vài nhà sản xuất đã chuyển một số công nghệ ưu việt từ bộ phận máy ảnh của mình sang bộ phận smartphone. Quan trọng nhất, hiệu năng xử lý hình ảnh của smartphone cũng đang thay đổi qua từng thế hệ - hãy đón chờ những tín hiệu đáng mừng trong thời gian tới.