Sigma Foveon: Giấc mơ chưa hoàn thành, thứ có thể thay đổi cách chúng ta chụp ảnh số

Không liên quan lắm tới máy ảnh kỹ thuật số và máy quay phim cảm biến số, mấy ngày nay mình nghiên cứu những hệ thống máy quay phòng thu và truyền hình trực tiếp. Ở đó là những cảm biến ⅔ inch, đành rằng không lớn như cảm biến full frame, nhưng những hệ thống máy quay vẫn có giá rất cao đơn giản vì bên trong mỗi chiếc máy là không phải 1, mà là tới 3 cảm biến. Ngày xưa hồi mới có máy quay kỹ thuật số, các thiết bị trong ngành truyền hình đã trang bị 3 cảm biến CCD, rồi giờ là 3 cảm biến CMOS.

Lý do là, với ba cảm biến, nhà đài có thể sử dụng thiết bị để ghi hình độc lập, mỗi cảm biến thu một bước sóng ánh sáng riêng biệt, với ba màu đỏ, xanh lá và xanh lam. Nếu như hậu kỳ phim hay ảnh thích làm bao lâu cũng được, thì hậu kỳ những nguồn nội dung truyền hình trực tiếp phải được thực hiện trong vòng vài giây đồng hồ, và mọi thứ đều phải đủ sáng sủa chi tiết, đặc biệt là tông màu da của biên tập viên. Với những hệ thống 3-CMOS hiện giờ, mọi thứ chỉ mất vài giây để biên tập màu sắc và lên sóng.

Thành ra, máy quay truyền hình trực tiếp giá vài tỷ Đồng là chuyện bình thường, chẳng hạn như Sony HDC-3500 đang dùng ở đài truyền hình Việt Nam chẳng hạn.



Điều đó đưa chúng ta đến với thế giới cảm biến CMOS hiện tại. Tuyệt đại đa số cảm biến máy ảnh và máy quay hiện giờ đều ứng dụng một cái gọi là bayer filter, để từng photo diode bắt sáng trên một pixel array của cảm biến chỉ thu dữ liệu một bước sóng ánh sáng nhất định, ghép những dữ liệu này lại để tạo ra một tấm hình hoàn chỉnh.
Đấy là lúc chúng ta có thể bàn đến một dạng cảm biến khác, tên là Foveon. Foveon Inc. được thành lập tại Mỹ năm 1997, và đến năm 2008 thì được Sigma mua lại. Những gì các kỹ sư ở Foveon đã và đang làm thực sự bắt nguồn từ tham vọng giải quyết được mọi vấn đề của kỹ thuật lọc màu Bayer Filter rồi sau đó là nội suy màu sắc của một điểm ảnh dựa trên những dữ liệu mà pixel array RGB thu được. Thế nhưng như anh em thấy đấy, đến giờ những cảm biến của Foveon phát triển đều chỉ hiện diện trên những chiếc máy ảnh do Sigma bán ra thị trường, mà chúng cũng chưa đủ tạo ra cú hích cần thiết.

Lần gần đây nhất một cảm biến Foveon ra mắt là chiếc máy sd Quattro, ra mắt năm 2016, tức là gần chục năm trước. Giờ fp, fp L hay mới nhất là BF đều đã sử dụng cảm biến back side illuminated CMOS do Sony sản xuất, với Bayer Filter như truyền thống.



Nhưng trong podcast mới nhất của PetaPixel, với sự hiện diện của CEO kiêm chủ tịch tập đoàn Sigma, ông Kazuto Yamaki, ông vẫn khẳng định rằng, Sigma chưa từ bỏ thiết kế ba lớp photo diode xếp chồng mà các kỹ sư Foveon nghiên cứu.

Đấy là lúc phải đảo lại đầu bài viết. Lý do mình đề cập tới những hệ thống máy quay truyền hình, với ba cảm biến độc lập, là vì nó vận hành gần giống như lý thuyết cảm biến của Foveon phát triển. Ba cảm biến thu nhận ánh sáng đỏ, xanh lá và xanh lam độc lập được nhận tín hiệu từ ống kính, qua một lớp lăng kính để cả ba cảm biến đều nhận được nguồn photon lọt qua ống kính. Còn cảm biến Foveon thì ứng dụng không phải một lớp photodiode như CMOS với Bayer Filter phổ biến hiện giờ, mà dùng tới ba lớp photodiode xếp chồng, mỗi lớp chỉ thu một dải ánh sáng R, G hoặc B độc lập.



Nhưng trước khi nói đến ưu và nhược điểm của cảm biến Foveon, phải nhắc lại ngắn gọn cách cảm biến CCD hay sau này là CMOS vận hành, biến ánh sáng thành dữ liệu số, rồi qua xử lý thuật toán, biến thành những tấm hình số trong máy của anh em trước đã.

Hiện giờ silic vẫn là thứ chất liệu bán dẫn phổ biến nhất trong những mạch điện tử tích hợp. Còn với ngành nhiếp ảnh, thứ quan trọng nhất, silic là vật liệu rất nhạy sáng. Cụ thể hơn, chất liệu này hấp thụ ánh sáng bước sóng từ 400 đến 1100 nm. Tin tốt ở đây là, mắt người nhìn được dải bước sóng ánh sáng từ 400 đến 750nm, vượt qua hai mốc đó, ngắn hơn 400 nm thì là tia tử ngoại, hay dài hơn 750nm thì là tia hồng ngoại, mắt người không thấy được. Điều này có nghĩa là dùng được silic để ghi lại dữ liệu màu sắc của thế giới bên ngoài, tạo ra cảm biến máy ảnh số, không mất công và tốn kém với film nhựa nữa.

Còn tin xấu, silic không phân biệt bước sóng ánh sáng, cứ photon nào ở dải 400 đến 1100nm kể trên, đều sẽ bị hấp thụ.



Vậy là bước đầu tiên, để chụp ra được hình mà mắt người nhìn được, cảm biến hình ảnh silicon phải có thêm một bộ lọc để loại bỏ việc hấp thụ những photon ở dải sóng 750 đến 1100 nm, tia hồng ngoại, khỏi việc bị cảm biến silicon hấp thụ. Kết quả chúng ta có một cảm biến đen trắng, không thu được thông tin dữ liệu màu.

Bước kế tiếp, cách phổ biến nhất để thu thập dữ liệu số mô tả màu sắc là dùng một dải lọc màu, cFA - color filter array. Đó là lúc phát minh của kỹ sư Bryce Bayer đăng ký năm 1976 khi ông làm việc tại Kodak được ứng dụng. Những lớp lọc nhạy cảm với ánh sáng đỏ, xanh lá và xanh lam được sắp xếp theo cách chính xác, mỗi ô 2x2 photo diode là 2 bộ lọc ánh sáng xanh lá, 1 bộ lọc ánh sáng xanh lam và 1 bộ lọc ánh sáng đỏ.

Nhờ ba bộ lọc này, tấm hình ghi lại bằng cảm biến silicon, dù là công nghệ CCD hay CMOS, đều có thể thu được thông tin màu sắc. Tuy nhiên, quá trình này phải đánh đổi vài thứ, đáng nói nhất là chi tiết và độ phân giải hình ảnh. Với mỗi điểm ảnh “đỏ”, thiết bị sẽ phải nội suy để tìm ra giá trị dữ liệu ánh sáng xanh lá và xanh lam. Hiện giờ cảm biến nhiều chấm, kích thước lớn là một chuyện. Thứ quan trọng không kém là thuật toán nội suy màu sắc của từng điểm ảnh trên tấm hình.

Giờ không thiếu những thuật toán nội suy màu sắc điểm ảnh được đánh giá cao, nhưng chất lượng hình ảnh sau khi nội suy thường tạo ra những nhiễu màu và chi tiết hình ảnh không nét. Ngoài việc không chính xác một cách tuyệt đối, mảng lọc màu Bayer truyền thống như trong máy ảnh của anh em hấp thụ rất nhiều photon trong quá trình thu thập thông tin màu sắc. Việc hấp thụ này tùy thuộc vào việc hãng lựa chọn bộ lọc và tấm hình chụp sáng hay tối. Nhưng nhìn chung, lượng ánh sáng mà cảm biến thu được chỉ bằng ⅓ so với tổng lượng ánh sáng mà ống kính thu được. Ngần ấy tương đương với 1.5 stop phơi sáng rồi.



Đấy là lúc các kỹ sư của Foveon, bao gồm Carver Mead, Richard Lyon, Richard B. Merrill, Richard Turner, Richard Nedwich, cùng vài kỹ sư khác phát hiện ra một điều.

Photon vẫn di chuyển một quãng đường nhất định trong chất liệu silicon trước khi bị hấp thụ hoàn toàn. Quãng đường di chuyển này được quyết định bởi năng lượng của photon, tức là bước sóng ánh sáng sẽ quyết định xem bao lâu photon mới bị silic hấp thụ. Những photon bước sóng thấp, ánh sáng tím, xanh hay tia tử ngoại bị hấp thụ nhanh hơn so với những photon bước sóng cao, như ánh sáng đỏ hay tia hồng ngoại:



Nhờ biểu đồ này, về mặt lý thuyết, người Mỹ nghĩ ra rằng, vị trí photon bị hấp thụ sẽ cho phép họ đoán được thông tin màu sắc. Vậy là một ý tưởng cực kỳ thông minh ra đời: Tại sao không dùng bộ lọc màu theo chiều sâu, thay vì bộ lọc màu xếp chồng lên phía trên photodiode của cảm biến máy ảnh?

Trên lý thuyết, điều này giúp cảm biến máy ảnh chụp ra những tấm hình chi tiết hơn, vì không cần tới những thuật toán nội suy thông tin màu sắc nữa. Và thứ hai, thiết kế cảm biến đo thông tin màu bằng chiều sâu cảm biến silicon giúp hình ảnh chi tiết hơn, cả về tương phản lẫn chi tiết và màu sắc, vì không còn lớp Bayer Filter hấp thụ tới ⅔ lượng ánh sáng đi qua ống kính nữa.



Nhưng dĩ nhiên đấy là lý thuyết.

Năm 2002, Sigma SD9 DSLR ra mắt, với cảm biến Foveon độ phân giải 3.43 megapixel. Vấn đề nằm ở chỗ, để tạo ra một hình ảnh với độ phân giải như vậy, cảm biến của Foveon phát triển phải có 10.3 megapixel chia thành 3 tầng photo diode. Sigma quảng cáo máy ảnh của họ có độ phân giải 10 megapixel, giữa thời điểm Canon EOS-1D chỉ có cảm biến 4.2 megapixel, Nikon D100 cũng chỉ có 6 megapixel.

Vài nghiên cứu khoa học hàn lâm trong ngành khoa học máy tính và chip bán dẫn thực sự đã hứng minh được là, cảm biến Foveon thực sự tạo ra được độ phân giải hình ảnh định tính cao hơn so với CCD vì không cần thuật toán nội suy, cũng không bị nhiễu màu quanh những cạnh nhỏ trong tấm hình chụp. Điều này có nghĩa là không chỉ trên lý thuyết, mà thực tế cảm biến Foveon có lợi thế rõ ràng:



Một lợi thế khác chính là độ chính xác màu sắc. Vì không cần nội suy dữ liệu hai màu còn lại đối với mỗi lớp lọc Bayer nhất định, mà mọi thông tin màu được lưu trữ đồng thời đối với cả ba màu RGB, trên từng photodiode. Kết hợp tất cả lại với nhau, trên lý thuyết, cảm biến Foveon phải có được rất nhiều lợi thế, từ chất lượng hình ảnh, độ chính xác màu sắc, khả năng chụp thiếu sáng…

Nhưng anh em thấy đấy, chuyện đó không xảy ra.

Thời điểm Sony hay các tập đoàn khác tạo ra được những cảm biến CMOS với mật độ điểm ảnh tăng khủng khiếp, chẳng hạn như cảm biến 60 megapixel mà Sony trang bị trên Leica Q3, cho tới cảm biến 100 megapixel trang bị trên chiếc máy medium format Hasselblad X2D, vấn đề độ nét và chi tiết hình ảnh không còn là thứ đáng lo ngại nhất trên công nghệ cảm biến CMOS trang bị Bayer Filter nữa rồi. Vậy là lợi thế của cảm biến Foveon không còn lớn như trước.



Thứ hai, trên lý thuyết đúng là lợi thế về màu sắc mà từng photo diode trên cảm biến Foveon tạo ra là có thật, rõ ràng là khác. Nhưng thực tế sử dụng máy ảnh, lợi thế này không rõ ràng. Ngoại trừ việc anh em sử dụng màn hình được cân màu một cách vô cùng chính xác, hoặc môi trường phòng thí nghiệm, hầu hết người dùng đều chẳng để ý tới sai lệch màu mà cảm biến dùng bộ lọc Bayer tạo ra so với cảm biến dùng bộ lọc Foveon.

Chưa kể thời này anh em chơi nhiếp ảnh số còn hậu kỳ để hình lệch màu như ảnh film ngày xưa cho tăng tính nghệ thuật và cuốn hút, chứ cũng chẳng quan trọng vấn đề màu sắc nữa.

Thứ ba, quan trọng nhất, là nhiễu điểm ảnh. Trên lý thuyết, không có bộ lọc Bayer, thì lượng ánh sáng lọt vào cảm biến tăng gấp 3, tức là tỷ lệ signal to noise khi biên dịch tín hiệu số thành hình ảnh số sẽ được cải thiện 1.7 lần. Nhưng trên thực tế mọi chuyện ngược lại hoàn toàn. Giám đốc điều hành của Foveon, Shri Ramaswami năm 2014 đã thừa nhận trong một cuộc phỏng vấn như thế này:

“Một trong những giới hạn của cảm biến Foveon chính là nhiễu hình ảnh nhiều hơn cảm biến thông thường. Điều này có thể do những vấn đề liên quan tới hiệu năng vận hành trong kiến trúc cảm biến, ánh sáng bị mất trong kết cấu ba lớp diode nhận ánh sáng, và qua những lớp chia phân tách 3 lớp diode này. Rồi quá trình xử lý để tạo ra những màu sắc tự nhiên cũng tạo ra noise, sau khi xử lý dữ liệu trộn mà chip cảm biến thu nhận.”



Để công bằng thì, cảm biến Foveon và cảm biến CMOS với Bayer Filter đều mắc chung một vấn đề. Ánh sáng đáng lẽ lọt vào photo diode này hoàn toàn có thể bị tràn sang những photo diode lân cận, làm sai lệch dữ liệu hình ảnh. Cái này gọi là crosstalk. Nhưng vì thiết kế phẳng của CMOS, nên hoàn toàn có thể được giải quyết bằng những kết cấu tường dọc để cách ly từng photo diode độc lập. Nhưng thiết kế cảm biến Foveon xếp chồng theo chiều dọc, nên nếu cách ly từng lớp photo diode, tấm hình sẽ chỉ có màu xanh lam.

Nói theo cách một kỹ sư phát triển thuật toán “dịch” tín hiệu số thành hình ảnh số mà gần đây mình tìm thấy trên mạng xã hội Reddit:

"Khi so sánh những lớp lưới lọc màu của cảm biến số, và Foveon, chroma noise là yếu tố cực kỳ quan trọng, bên cạnh tần suất lấy mẫu ở những hướng khác nhau. Kết cấu lặp của lớp lọc màu càng có kích thước lớn, thì những chấm noise nhiễu màu cũng sẽ càng lớn. Lớp lọc Bayer có kết cấu lặp 2x2, tạo ra nhiễu màu nhỏ nhất có thể. Còn cảm biến X-trans của Fujifilm thiết kế thì có kết cấu lặp 6x6, nhiễu màu lớn hơn hẳn.



Rồi giờ bàn đến Foveon. Cái cảm biến ấy chia kênh RGB bằng chiều sâu hấp thụ electron và photon. Đáng tiếc là nó chỉ hợp lý và lý tưởng trên giấy tờ, vì electron chỉ có thể di chuyển tới một khoảng cách chiều sâu nhất định trên cảm biến, nơi photon đi cùng nó đã bị hấp thụ. Thành ra, ba kênh màu không được chia tách đúng cách. Kết quả là những tấm hình với độ tương phản màu rất thấp, cần phải sửa chữa bằng những thuật toán ma trận màu cực kỳ phức tạp. Và cũng vì thuật toán can thiệp quá mạnh vào dữ liệu hình ảnh, nên tấm hình chụp ra rất nhiều noise. Đó chính là lý do vì sao Foveon mất đi lợi thế về chất lượng hình ảnh so với những cảm biến phẳng với lưới lọc màu."

Nguồn: P.W - tinhte.vn