Công nghệ camera tích hợp trong smartphone

Câu chuyện về cảm biến

Sau nhiều năm chạy đua về số lượng megapixel, các nhà sản xuất máy ảnh cho điện thoại đã nhận ra rằng chất lượng không nằm ở con số “mấy chấm”. Số lượng điểm ảnh trên cảm biến càng lớn nghĩa là kích thước điểm ảnh sẽ nhỏ hơn, dẫn đến độ nhiễu hình ảnh sẽ nhiều hơn, từ đó khả năng nắm bắt ánh sáng trong khoảng thời gian nhất định sẽ ít đi. Vì vậy, việc tăng độ phân giải không mang lại hiệu quả tốt nhất cho máy ảnh di dộng. Trong một số máy ảnh có độ phân giải cao, độ phân giải điểm ảnh tăng 50% nhưng hiệu quả mang lại chỉ khoảng 10%.

HTC đi đầu trong nỗ lực tăng chất lượng hình ảnh với công nghệ Ultrapixel, tập trung tăng kích thước điểm ảnh thay vì tăng số lượng. Máy ảnh 4MP của HTC có kích thước điểm ảnh lớn gấp 3 lần  so với máy 13 megapixel hiện nay. Sự thay đổi này mang lại nhiều đột phá nhưng chất lượng ảnh trên HTC vẫn cần cải thiện khá nhiều so với các đối thủ.

Nokia chính thức chuyển từ sản phẩm 41MP Lumia 808 sang một camera mới “đủ tốt” với 8,7 MP trên Lumia 920. Tuy nhiên, đây không phải là sự đột phá về công nghệ của Nokia, mà là sự kết hợp của bộ cảm biến back-illuminated và ống kính Zeiss có khẩu lớn f/2. Năm 2013, Nokia lại trở về với điện thoại thông minh Lumia 1020 có camera độ phân giải lên đến 41-megapixel. Đây là nỗ lực mới của hãng điện thoại Phần Lan nhằm nâng cao vị thế của mình khi thế hệ máy của họ cùng WindowsPhone 8 được đánh giá không nằm trong Top 1 lựa  của người dùng.

Cảm biến trên Lumia 1020 lớn hơn so với những cảm biến có trong điện thoại thông minh khác, nhưng vẫn nhỏ hơn so với máy ảnh compact. Ngoài con số 41-megapixel, còn là sự kết hợp của hàng loạt công nghệ hình ảnh ấn tượng như ổn định hình ảnh, cảm biến hình ảnh ngược sáng… 

Câu hỏi đặt ra là có phải những công nghệ hình ảnh này sẽ dẫn đến một cuộc đua mới về megapixel hay không? Nhiều chuyên gia nhận định rằng, việc tăng độ phân giải trên máy ảnh di động sẽ có xu hướng giảm đi.

Công nghệ UltraPixel

Người dùng di động chủ yếu tải hình ảnh lên các trang mạng xã hội và bạn bè, người thân cũng xem chúng trên những thiết bị di động có màn hình nhỏ. Thậm chí việc in ấn phần lớn dừng lại ở những bức ảnh kích thức 8 x 10 in. 

Để tải lên hình ảnh qua Wi-Fi và mạng di động, ảnh cần có một kích thước vừa phải. Ngoài ra, hạn chế về bộ nhớ trên smartphone, nơi các ứng dụng, video chiếm phần lớn cũng ảnh hưởng nhiều đến hình ảnh có độ phân giải cao.

Trong các thế hệ camera smartphone thì iPhone là chiếc máy được đánh giá là phục vụ lợi ích người dùng tốt nhất.

Bộ vi xử lý Snapdragon 800 của Qualcomm đang được tích hợp trên các mẫu điện thoại cao cấp như Samsung Galaxy S4, Sony Xperia Z Ultra, LG G series. Bộ xử lý này tích hợp hai bộ vi xử lý tín hiệu hình ảnh (ISP) vào chipset. Điều đó có nghĩa các điện thoại thông minh sử dụng bộ vi xử lý trên lý thuyết có thể hỗ trợ hình ảnh lên đến 55 megapixel.

Khả năng xử lý

Còn rất nhiều lĩnh vực mà máy ảnh trên smartphone cần cải thiện, ví dụ như tăng hiệu suất xử lý trong điều kiện ánh sáng yếu, tăng phạm vi dải tần nhạy sáng (dynamic range) để có thể xử lý chi tiết ở vùng sáng và tối tốt hơn. Ngoài ra, một số phần cứng khác như đèn flash và ống kính cũng cần nhiều thay đổi hơn.

Khả năng tự động lấy nét trên smartphone được cải thiện khá nhiều, tuy chưa thể so sáng với các dòng máy ảnh compact nhưng cũng đã đạt được nhiều thành quả. Chip xử lý hình ảnh HTC ImageChip 2 là một ví dụ, loại chip này có khả năng tự động lấy nét liên tục trong phạm vi 200ms. 

Mô-đun lấy nét tự động sử dụng động cơ cuộn dây di động (voice coil motor - VCM) vận hành các thấu kính để lấy nét. Động cơ lấy nét từng thời điểm, lưu giữ hình ảnh và lựa chọn chất lượng tốt nhất so với một máy ảnh điển hình sẽ mất 10 hoặc 20 bước để để tính toán lấy nét vùng xa vùng gần. Tuy nhiên VCM gây ồn, tỏa nhiệt và thiếu chính xác, không thực sự hiệu quả.

Công nghệ vi cơ điện tử- Microelectromechanical (MEMS) hứa hẹn cung cấp giải pháp cải thiện tốc độ AF, nhưng vẫn đảm bảo được kích thước nhỏ gọn và tiết kiệm điện năng. MEMS có thể dò tìm chuyển động hay những thay đổi trong môi trường xung quanh. 

Công ty công nghệ hình ảnh điện tử - DigitalOptics Corporation (DOC) đã tạo ra một hệ thống AF MEMS dựa và khả năng di chuyển từng thấu kính (thay vì di chuyển toàn ống kính như hệ thống VCM). MEMS của DOC cho phép tạo ra các mô-đun máy ảnh mỏng hơn, giảm kích thước cho smartphone. DOC cho biết hệ thống MEMS của họ làm giảm độ nghiêng trong ống kính khi lấy nét tự động, do đó sẽ làm giảm biến dạng hình ảnh.

Trong phân khúc giá rẻ, máy ảnh trên smartphone không quan tâm tới hệ thống tự động lấy nét, loại bỏ những công nghệ đắt tiền như VCM hay MEMS. Công ty Startup LensVector với giải pháp Liquid Crystal chi phí thấp dành cho hệ thống AF mang lại hiệu quả tương đối ấn tượng. Với việc có thể tái sắp xếp định hướng các phân tử tinh thể lỏng tron một gradien, khả năng lấy nét tự động của LC có thể thay đổi chỉ số khúc xạ từng khu vực khác nhau của thấu kính, tăng hiệu quả lấy nét.

Lytro camera và công nghệ Nvidia Chimera 

Hệ thống thấu kính của Nokia 1020

Lytro là chiếc máy ảnh số cho phép chụp trước lấy nét sau là một bước tiến mới trong ngành công nghiệp hình ảnh. Nó khá gọn nhẹ và có thể dễ dàng tích hợp vào smartphone, đơn giản chỉ là sự kết hợp của bộ vi xử lý hiệu suất cao với phần mềm chụp ảnh có thể tính toán để đạt được hình ảnh chuẩn mực.

Một nhóm nghiên cứu tại MIT đã khởi động dự án hình ảnh Pelican nhằm phát triển thế hệ máy ảnh mới cho điện thoại có khả năng chụp ảnh trước rồi lấy nét sau, với công nghệ tương tự như Lytro. Theo công bố của Pelican Imaging, phần cứng của các mô-đun máy ảnh có tên gọi Bug Eye có thể mỏng hơn tới 50%  và tiên tiến hơn về công nghệ. Người dùng sẽ sớm tiếp cận thế hệ máy này trên các dòng sản phẩm của Nexus, LG, Toshita, Samsung, HTC và Apple.

Nvidia đã có bước đi táo bạo bằng cách phát triển một bộ kiến trúc mới cho nhiếp ảnh số - kiến trúc Chimera, cho phép các bộ cảm biến, ISP, CPU và GPU xử lý cùng lúc trên một khung hình.

Bộ nhớ truy cập được chia sẻ tốt hơn, GPU được khai tác tối đa và ứng dụng mở cho phép tạo ra khả năng tối ưu camera trên smartphone. 

Nhờ vào công suất hoạt động của GPU trong khi chụp ảnh (Nvidia tuyên bố có thể lên đến 100 tỷ phép tính mỗi giây), các tính năng trước đây chỉ được tìm thấy trên máy ảnh cao cấp và khả năng theo dõi đối tượng theo thời gian thực sẽ xuất trên điện thoại thông minh.

Công nghệ hình ảnh Chimera trên Tegra 4i được Nvidia có tính năng quan trọng là Always on HDR (luôn bật HDR khi chụp hình/quay phim), Tap to Track (theo dõi vật thể để lấy nét) và HDR Pano (chụp panorama với chế độ HDR). 

Các nhà sản xuất điện thoại đang nỗ lực để đưa các tính năng tốt nhất của máy ảnh compact vào smartphone. Nhưng các nhà sản xuất máy ảnh truyền thống đã làm tốt hơn khi tích hợp tính năng kết nối và hệ sinh thái ứng dụng vào các thiết bị của họ. Samsung, Nikon, Polaroid  đã phát triển máy ảnh chạy hệ điều hành Android của Google, tuy nhiên lợi thế của smarphone lại nhỏ gọn, đa chức năng và tiện lợi hơn.

Nếu camera smartphone là tương lai của các nhà nhiếp ảnh nghiệp dư thì hiện tại mọi nền tảng đã sẵn sàng từ công nghệ cảm biến cho đến hệ thống kết nối.

Nhưng, hình ảnh đơn thuần là nội dung truyền tải các khoảnh khắc mà người chụp ghi nhận được, và cảm biến, độ phân giải hay công nghệ không giúp bạn giải quyết những điều quan trọng như vậy!