Vì sao smartphone từng được trang bị cảm biến khủng tới 41 MP nhưng nay chẳng ai cần nữa?

Quay trở lại vào năm 2012, thị trường điện thoại thông minh lúc này đã gần như ổn định, tuy nhiên những chiếc điện thoại có khả năng chụp ảnh tốt thì chỉ có số lượng rất ít. Apple và các hãng khác chỉ mới bắt đầu tập trung vào phát triển camera trên điện thoại được vài năm và vẫn còn một chặng đường dài để phát triển. Nhưng tất cả đã thay đổi với chiếc Nokia PureView 808.

Sử dụng ống kính quang học của Carl Zeiss, cảm biến ảnh 41 Megapixel và phần mềm xử lý ảnh mạnh mẽ, PureView 808 được xem như là ngọn cờ đầu cho công cuộc phát triển máy ảnh trên điện thoại. Nối tiếp thành công của PureView 808, Nokia đã cho ra mắt mẫu Lumia 1020 huyền thoại của mình vào năm sau với hệ thống chống rung quang học 3 trục và ứng dụng chụp ảnh Pro Camera của mình. Lumia 1020 được trang bị cảm biến BSI (Back-side Illuminated) 1/1.5-inch, 41 megapixel và chạy trên nền tảng Windows Phone 8 thay vì Symbian truyền thống của Nokia.

Sự ra đời của Lumia 1020 đã giúp Nokia vươn lên dẫn đầu trong cuộc chạy đua công nghệ máy ảnh trên điện thoại. Tuy nhiên, kể từ đó đến nay, vẫn chưa có một sản phẩm bứt phá nào tương tự như vậy ra đời nữa, tại sao lại như thế?

Hiện tượng nhiễu xạ, đĩa nhiễu xạ và chất lượng hình ảnh

Ánh sáng truyền theo đường thẳng, khi ánh sáng đi qua khí, chất lỏng hoặc gương thì quỹ đạo đường đi của nó sẽ bị thay đổi. Nhiễu xạ ánh sáng xảy ra khi ánh sáng truyền qua khe nhỏ hoặc mép vật cản, khi đó sóng ánh sáng bị lệch hướng lan truyền rồi tỏa ra mọi phía từ vật cản và thậm chí là giao thoa vào các sóng khác lan tỏa từ vật cản.

Hãy thử tưởng tượng vật cản là một bức tường có một chiếc lỗ thủng, ánh sáng khi truyền qua chiếc lỗ này sẽ có một độ nhiễu xạ nhất định, mức độ nhiễu xạ phụ thuộc vào độ lớn của chiếc lỗ. Với chiếc lỗ có đường kính lớn, ánh sáng đi qua nhiều hơn thì nhiễu xạ sẽ ít hơn và ngược lại đối với trường hợp lỗ có đường kính nhỏ. Hiện tượng tương tự cũng xảy ra bên trong ống kính của máy ảnh.

Hình minh họa trên đây sẽ giúp hình dung được hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng ở mức cơ bản.

HIện tượng nhiễu xạ ánh sáng trong cuộc sống thường ngày.

Ánh sáng bị nhiễu xạ lan truyền rộng ra theo hình tròn. Và trong một chiếc máy ảnh, khi ánh sáng đi qua ống kính, các ánh sáng nhiễu xạ cũng tạo ra những hình ảnh như vậy trên cảm biến hoặc trên film. Những vòng tròn này được gọi là đĩa nhiễu xạ hay đĩa Airy được đặt tên theo nhà bác học George Biddell Airy, người đã mô tả hiện tượng nhiễu xạ vào năm 1835. Như đã nói ở trên, khi khẩu độ của ống kính nhỏ, thì nhiễu xạ càng cao, kết quả là các đĩa nhiễu xạ được cảm biến ảnh ghi lại sẽ càng lớn.

Hình ảnh mô tả các đĩa Airy.

Kích thước và khoảng cách giữa các đĩa nhiễu xạ đóng vai trò rất quan trọng trong việc quyết định chất lượng và độ nét của bức ảnh.

Những phiền hà của nhiễu xạ ánh sáng

Cảm biến ảnh về cơ bản thì chỉ là tập hợp những điểm ảnh được sắp xếp theo dạng ô lưới. Khi ta chụp ảnh, cảm biến tiếp nhận ánh sáng và các điểm ảnh sẽ biến đổi ánh sáng thu được thành các dữ liệu hình ảnh. Đối với những cảm biến có điểm ảnh nhỏ, có nhiều trường hợp đĩa nhiễu xạ có kích thước to hơn 1 điểm ảnh và nó sẽ tràn ra nhiều điểm ảnh. Đối với những trường hợp khẩu độ ống kính nhỏ, hiện tượng này còn nặng nề hơn khi các đĩa nhiễu xạ bắt đầu gối chồng lên nhau, làm cho bức ảnh mất độ nét và chi tiết đáng kể.

Theo lý thuyết, người ta sẽ cố gắng làm cho các đĩa nhiễu xạ nhỏ đến mức không thể tràn ra nhiều điểm ảnh cùng một lúc. Trên nhiều mẫu điện thoại flagship hiện nay, kích thước điểm ảnh thường sẽ không nhỏ hơn nhiều so với đĩa nhiễu xạ xuất hiện trên hệ thống máy ảnh của điện thoại. Nhưng bởi vì dùng cảm biến ảnh nhỏ, các nhà sản xuất phải giới hạn độ phân giải lại để hạn chế hiện tượng các đĩa nhiễu xạ gối chồng lên nhau. Nếu không, việc tăng kích thước cảm biến mà không tăng kích thước các điểm ảnh sẽ làm tăng mức chênh lệch giữa kích thước điểm ảnh và độ lớn của các đĩa Airy, và làm giảm chất lượng ảnh nghiêm trọng. Nhưng các điểm ảnh nhỏ hơn cũng thu được ít ánh sáng hơn, và như vậy, hiệu năng của máy ảnh trong môi trường ánh sáng yếu là không cao.

Nghe có vẻ hơi ngược đời, nhưng cảm biến có điểm ảnh nhỏ lại cho chất lượng tốt hơn, vì những vấn đề về chất lượng ảnh như đã nêu ở trên đều do kích thước điểm ảnh quá lớn.

Điểm ảnh lớn cũng không phải là mấu chốt cho một bức ảnh có chi tiết tốt. Theo định lý lấy mẫu Nyquist, để có thể lấy được hoàn toàn chính xác thông tin từ một nguồn dữ liệu, ta cần phải lấy mẫu ít nhất 2 lần từ dữ liệu nguồn. Nói một cách đơn giản, một bức ảnh sẽ khi được chụp bằng cảm biến có độ phân giải gấp 2 lần mức yêu cầu sẽ cho chất lượng tốt nhất trong trường hợp ánh sáng hoàn hảo, nhưng thực tế, chúng ta vướng phải hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng đối với các máy ảnh có độ phân giải cao. Mặc dù vậy, cảm biến của Nokia đã có thể giấu đi được nhược điểm này, cùng với số lần lấy mẫu cao đã tạo ra được bức ảnh nét nhất mà máy ảnh điện thoại có thể ghi được.

Và như vậy, hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng thực sự là một vấn đề ảnh hưởng trầm trọng đối với chất lượng hình ảnh của những chiếc máy ảnh điện thoại có kích thước nhỏ, đặc biệt là những máy ảnh có cảm biến nhỏ nhưng độ phân giải cao.

Những bước tiến trong công nghệ máy ảnh trên điện thoại

Bảng so sánh khẩu độ của máy ảnh trên điện thoại qua từng năm. Số càng nhỏ tức là khẩu độ càng to.

Vậy là máy ảnh trên điện thoại cũng đã có một chặng đường dài phát triển, tuy nhiên các định luật vật lý vẫn còn đó và chúng ta không thể nào vượt qua được. Mặc dù Nokia đã cho ra đời cảm biến có độ phân giải cao và kích thước điểm ảnh nhỏ, các hãng sản xuất khác vẫn trung thành với quyết định giới hạn độ phân giải của cảm biến để hạn chế hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng nhiều nhất có thể.

Từ bảng số liệu này, sau 5 năm nghiên cứu và phát triển công nghệ cảm biển hình ảnh, ta có thể thấy Pixel của Google đã hạn chế được tiêu cực của nhiễu xạ ánh sáng tốt hơn Lumia 1020 của Nokia.

Trong vòng 10 năm, kích thước cảm biến ảnh, chất lượng ống kính, các phần mềm được hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo đã có những bước tiến mạnh mẽ chưa từng thấy, tuy nhiên chúng ta chỉ có thể né tránh nhiễu xạ ánh sáng đến mức có thể mà thôi. Và các máy ảnh trên điện thoại hiện nay đang thực hiện điều này tốt hơn bằng nhiều cách khác nhau.

Nokia đã chọn cách sử dụng thuật toán lấy mẫu để có thể hạn chế đi những yếu kém trên máy ảnh điện thoại của mình thay vì kích động một "cuộc chiến tranh" chạy đua sản xuất cảm biến tốn kém và nhiêu khê hơn.

Trong tương lai, các điện thoại có máy ảnh độ phân giải từ 12MP tới 16MP vẫn sẽ chiếm số đông. Hiệu suất của máy ảnh cũng sẽ được nâng cao thông qua việc tối ưu hóa phần cứng cũng như phần mềm, thay vì các cảm biến ảnh có độ phân giải siêu cao.

Theo AndroidAuthority