Tìm hiểu về cảm biến Camera màu (Color) và đơn sắc (Monochrome)

Cảm biến camera đơn sắc có khả năng chi tiết và độ nhạy cao hơn so với cảm biến màu. Tuy nhiên, để hiểu tại sao cần có cái nhìn sâu hơn về công nghệ cảm biến. Bài viết này cung cấp thông tin tổng quan về những điểm khác biệt chính giữa từng loại cảm biến, cùng với mức độ ảnh hưởng của những điểm này đến hình ảnh thu được.

Giới thiệu về Photosite

Hầu như mọi cảm biến kỹ thuật số đều hoạt động bằng cách thu ánh sáng trong một loạt các vị trí ảnh, tương tự như cách một lưới lưu trữ mưa rơi. Khi quá trình phơi sáng bắt đầu, mỗi vùng ảnh sẽ được mở ra để thu ánh sáng tới. Khi quá trình phơi sáng kết thúc, mức độ chiếm chỗ của mỗi photosite được đọc dưới dạng tín hiệu điện, sau đó được định lượng và lưu trữ dưới dạng giá trị số trong tệp hình ảnh.

Tuy nhiên, các photosite trên chỉ đo lượng ánh sáng. Để đạt được màu sắc, photosite cũng cần có cách phân biệt và ghi lại các giá trị riêng biệt cho từng màu.

Color sensors

Cảm biến màu hoạt động bằng cách chỉ chụp một trong một số màu cơ bản tại mỗi photosite theo kiểu xen kẽ, sử dụng thứ gọi là "mảng lọc màu" (CFA). CFA phổ biến và thành công nhất là mô hình Bayer, sử dụng các hàng bộ lọc màu red-green và green-blue xen kẽ

Một tác dụng phụ cần thiết nhưng không mong muốn của CFA là mỗi pixel chỉ thu được hiệu quả 1/3 ánh sáng tới, vì bất kỳ màu nào không khớp với mẫu sẽ bị lọc ra. Ví dụ: bất kỳ ánh sáng đỏ hoặc xanh nào chạm vào pixel màu xanh lá cây sẽ không được ghi lại.

CFA cũng có nghĩa là tại bất kỳ vị trí photosite nhất định nào, một màu sẽ được đo trực tiếp và hai màu còn lại sẽ phải được suy ra. Quá trình kết hợp các trang ảnh một cách thông minh để tạo ra các pixel đầy đủ màu sắc này được gọi là "demosaicing" (hoặc "debayer" trong REDCINE-X PRO®) và xảy ra trong quá trình phát triển RAW.

Ví dụ về giá trị màu đỏ và màu xanh lá cây được suy ra, với màu xanh lam được đo trực tiếp.

Lưu ý: sơ đồ trên là một ví dụ đơn giản về demosaicing. Các thuật toán thực tế thường phức tạp hơn và có thể điều chỉnh tùy theo cạnh, kết cấu hoặc nội dung hình ảnh khác.

Tuy nhiên, demosaicing ít gây bất lợi hơn so với sơ đồ trên và có thể khiến người ta tin tưởng. Chi tiết thực sự có thể được trích xuất rất hiệu quả, một phần vì mảng Bayer là một tiêu chuẩn được nghiên cứu kỹ lưỡng trong hơn một thập kỷ. Trong thực tế, việc không yêu cầu khử màu sẽ cải thiện độ phân giải khoảng 20% - chắc chắn là đáng chú ý, nhưng đó không phải là sự cải thiện mà người ta có thể mong đợi ban đầu.

Monochrome sensors

Không giống như cảm biến màu, cảm biến đơn sắc thu được tất cả ánh sáng tới ở mỗi pixel bất kể màu sắc. Do đó, mỗi pixel nhận được nhiều ánh sáng hơn tới 3 lần vì màu đỏ, xanh lục và xanh lam đều được hấp thụ

Điều này có nghĩa là độ nhạy sáng được cải thiện từ 1 đến 1,5 điểm dừng. Điều này cũng có thể cải thiện hiện tượng nhiễu khi chụp dưới ánh sáng nhân tạo hoặc nhiệt độ màu khác biệt đáng kể so với ánh sáng ban ngày.

Không giống như cảm biến màu, cảm biến đơn sắc không yêu cầu khử màu để tạo ra hình ảnh cuối cùng. Các giá trị được ghi lại ở mỗi photosite thực tế sẽ trở thành giá trị ở mỗi pixel. Kết quả là cảm biến đơn sắc có thể đạt được độ phân giải cao hơn.

Một lợi ích khác là cảm biến đơn sắc thường có khả năng cắt vùng sáng dễ dự đoán hơn. Với màu sắc, việc cắt có thể chỉ xảy ra ở kênh màu đỏ, lục hoặc lam, trong khi với đơn sắc, việc cắt là một quá trình dễ dàng hơn. Trong thực tế, điều này có thể có nghĩa là hình ảnh sẽ có dải động khả dụng cao hơn một chút, đặc biệt khi xem xét rằng nhiễu bóng đơn sắc thường ít gây khó chịu hơn so với ảnh màu.

So sánh cảm biến màu (Color) và đơn sắc (Monochrome)

Về ưu điểm của cảm biến đơn sắc rất giống với phim đơn sắc truyền thống: nhiễu ảnh thấp hơn ở tốc độ ISO tương đương và độ phân giải cao hơn. Những cải thiện về chất lượng hình ảnh như vậy có thể rất quan trọng khi quay video mà sau này có thể được sử dụng cho ảnh tĩnh trong quảng cáo in.

Tuy nhiên, không phải mọi lợi ích đều có thể thực hiện được, tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Ví dụ: những người quen với chụp ảnh đen trắng truyền thống có thể muốn sử dụng các bộ lọc màu gắn trên ống kính để kiểm soát độ tương phản của cảnh. Điều này có thể gồm việc sử dụng bộ lọc màu đỏ với phong cảnh, vì những bộ lọc này bình thường hóa độ tương phản rõ rệt giữa bầu trời xanh và tán lá xanh, đồng thời cũng tăng cường độ tương phản cục bộ trong từng khu vực. Mặt khác, bộ lọc màu cũng làm giảm lượng ánh sáng có sẵn tới 2/3, do đó bù lại bất kỳ độ nhạy nào tăng được từ chế độ đơn sắc.

Người ta cũng nên xem xét liệu chất lượng của cảm biến đơn sắc có vượt trội hơn tính linh hoạt của cảm biến màu hay không. Ví dụ, người ta luôn có thể chuyển đổi màu thành đơn sắc sau đó. Hơn nữa, với tính năng chụp màu, bất kỳ bộ lọc màu tùy ý nào cũng có thể được áp dụng trong quá trình hậu kỳ để tùy chỉnh chuyển đổi đơn sắc, trong khi với tính năng chụp đơn sắc, các hiệu ứng của bộ lọc màu gắn trên ống kính là không thể đảo ngược. Tuy nhiên, nhìn chung, khi không cần tính linh hoạt của đầu ra, việc chụp ảnh đơn sắc thích hợp sẽ luôn mang lại kết quả vượt trội.