Tại sao kích thước cảm biến camera trên smartphone lại quan trọng hơn số “chấm”?

Độ phân giải cao không phải là một yếu tố quan trọng trong việc quyết định tới chất lượng hình ảnh.

Chỉ trong vài năm trở lại đây, camera trên smartphone đã được cải thiện rất rất nhiều về chất lượng. Đây cũng là một trong những yếu tố được các nhà sản xuất smartphone đặc biệt chú trọng tới, nhất là trên những chiếc smartphone thuộc phân khúc cao cấp có giá lên tới hàng chục triệu đồng.

Ở thời điểm hiện tại, việc cạnh tranh về chất lượng camera trên smartphone đã mở ra một cuộc chạy đua về số Megapixel, hay còn gọi là số “chấm”. Các mẫu smartphone giờ đây hầu hết đều được trang bị camera độ phân giải cao 48MP, 64MMP hay thậm chí là 108MP trên Galaxy S20 Ultra. Tuy nhiên, trong khi cuộc chạy đua về số “chấm” có thể là một xu hướng phổ biến mà nhà sản xuất nào cũng tham gia vào, nhưng trên hết, kích cỡ cảm biến mới là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới chất lượng hình ảnh, chứ không phải là số lượng điểm ảnh trên một cảm biến.

Camera 108MP trên Galaxy S20 Ultra

Huawei là một trong những nhà sản xuất đầu tiên làm được điều này khi trang bị cho sản phẩm của mình, chiếc Huawei P40 một cảm biến có kích thước to hơn so với các đối thủ trên thị trường. Cả Samsung và Sony cũng đều nhấn mạnh về kích thước cảm biến trên flagship của mình khi giới thiệu tới người dùng. Thế nhưng tại sao lại vậy và tại sao kích thước cảm biến lại là một yếu tố quan trọng quyết định tới chất lượng hình ảnh?

Để hiểu được tại sao, chúng ta cần hiểu được cái nôi của nhiếp ảnh là gì. Đó chính là ánh sáng. Và chất lượng hình ảnh phụ thuộc rất rất nhiều vào ánh sáng mà một cảm biến thu nhận được. Chính vì thế, với kích thước to hơn, các cảm biến lớn hơn cũng sẽ thu nhận được nhiều ánh sáng hơn. Nhiều ánh sáng hơn thì tất nhiên, ảnh sẽ đẹp hơn, ít nhất về mặt lý thuyết là như vậy.

Cảm biến lớn hơn: Thu nhận ánh sáng tốt hơn, dải tương phản động lớn hơn và ảnh trong hơn

Về cơ bản, kích thước cảm biến sẽ xác định xem lượng ánh sáng cần có để có thể tạo nên một bức ảnh. Trong khi độ phân giải hình ảnh đóng một vai trò quan trọng trong việc tái tạo chi tiết của bwsfc ảnh, thì lượng ánh sáng mà cảm biến thu được sẽ quyết định tới các yếu tố khác như độ cân bằng sáng, dải tương phản động (Dynamic Range) và cả độ sắc nét của hình ảnh. Đây cũng là một phần lý do giải thích vì sao độ phân giải 16MP, 20MP hay 24MP của các thiết bị camera DSLR hay Mirrorless lại có thể cho ra được những bức ảnh chất lượng hơn nhiều so với camera 108MP của smartphone.

Ảnh RAW được chụp từ Pixel 4 và DSLR Nikon D3300 với cùng tốc độ màn trập 1/20s và ISO 800

Hầu hết smartphone hiện nay đều có kích thước cảm biến rơi vào khoảng 1/2.55 inch, tức là khoảng 1cm đường chéo. Mặc dù một số smartphone mới có cảm biến lớn hơn, khoảng 1/1.7 inch hoặc lớn hơn nữa, thế nhưng con số này vẫn không nhằm nhò gì so với cảm biến của một chiếc máy ảnh DSLR, thường có kích thước lớn hơn 1 inch, tức là gấp khoảng 4 tới 5 lần so với cảm biến “tí hon” trên smartphone, dù cho các nhà sản xuất vẫn đang cố gắng thu hẹp khoảng cách này lại bằng cách tăng kích thước cảm biến camera trên smartphone. Điển hình là Huawei với chiếc P40/P40 Pro và P40 Pro với kích thước cảm biến lên tới 1/1.28 inch, lớn nhất trên thị trường smartphone hiện nay.

Cảm biến camera trên Huawei P40 là cảm biến lớn nhất trên thế giới smartphone hiện nay

Với cùng một thông số về tốc độ màn trập, khẩu độ và ISO, cảm biến này có kích thước lớn hơn sẽ thu được nhiều ánh sáng hơn. Trong khi chúng ta có thể thay đổi các yếu tố như tốc độ màn trập để thu nhận được lượng ánh sáng tương đương thì điều này cũng gây nên một hệ quả là ảnh sẽ bị mờ và nhòe hơn do thời gian phơi sáng lâu, nhất là khi chụp các vật thể chuyển động. Điều tương tự xảy ra khi chúng ta mở khẩu độ của ống kính để thu nhận ánh sáng nhiều hơn, ảnh sẽ bị quang sai nhiều và độ sâu trường ảnh giảm khiến các vật thể có khả năng bị out nét nhiều hơn. Tất nhiên, tăng ISO còn tệ hơn nữa khi ảnh sẽ có chất lượng giảm rất nhiều do nhiễu hạt.

Các điểm nhạy sáng, hay còn gọi là photosite, có nhiệm vụ chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện tử, được sắp xếp tùy theo cách bố trí của cảm biến, tuy nhiên thông thường thì sẽ là một photosite trên mỗi pixel. Càng nhiều ánh sáng mà các điểm này thu nhận lại, thì dải tương phản động của ảnh càng tốt (khoảng cách giữa các vùng sáng và tối).

Cảm biến RGGB thông thường và cảm biến RYYB trên Huawei P40

Kích thước của các điểm photosite cũng phụ thuojc vào độ phân giải của ảnh cũng như kích thước cảm biến. Với kích thước cảm biến không đổi, nhưng số lượng điểm ảnh lại nhiều hơn, thì các photosite sẽ buộc phải co lại để có thể “nhét” đủ số lượng điểm ảnh lớn.

Điều này đặc biệt quan trọng bởi một khi các photosite bị thu nhỏ lại, khoảng cách giữa chúng cũng sẽ giảm tương ứng, từ đó lượng ánh sáng của một photosite thu nhận được có thể bị rò rỉ sang photosite kế bên cạnh. Đây là nguyên nhân của hiện tượng nhiễu hạt cảm biến và thường có thể thấy rõ với ảnh chụp trong điều kiện môi trường thiếu sáng hoặc bầu trời xanh. Cảm biến nhỏ hơn và các photosite nhỏ hơn làm tăng hiện tượng nhiễu hạt cũng như làm giảm dải tương phải động của ảnh.

Hiện tượng nhiễu hạt cảm biến

Tại sao kích thước cảm biến lại quan trọng tới vậy?

Giờ đây cảm biến trên smartphone đã đạt tới độ phân giải cực lớn (hơn 100MP), những cảm biến này có thể chụp ra được những bức ảnh có độ chi tiết cực kỳ khủng trong môi trường đủ sáng. Vì vậy việc giữ cho kích thước điểm ảnh có kích thước phù hợp để tối ưu hóa tiềm năng của độ phân giải lớn 48, 64 hay 108MP là một điều cần thiết. Và kích thước cảm biến chính là câu trả lời cho bài toán này.

Một trong những xu hướng mới trên những smartphone có camera độ phân giải cao hiện nay là công nghệ gộp điểm ảnh (pixel-binning), cho phép camera của máy có thể gộp 4 hoặc 9 điểm ảnh lại với nhau để cho ra bức ảnh cuối chất lượng nhất, ít nhiễu hạt nhất kể cả trong điều kiện thiếu sáng.

Công nghệ Pixel-binning cho phép camera trên smartphone có thể gộp 4 hoặc 9 điểm ảnh lại thành 1 điểm ảnh

Cảm biến lớn hơn cũng là một trong những yếu tố giúp ảnh chụp ra trông đẹp hơn với phông nền được xóa tự nhiên hơn (hiệu ứng bokeh), cho phép chủ thể trở nên tách biệt so với hậu cảnh. Đây là một khả năng mà chỉ có các thiết bị máy ảnh DSLR mới có thể làm được, và nhờ kích thước cảm biến lớn mà smartphone có thể thu hẹp khoảng cách này lại.

Để so sánh và có cái nhìn rõ hơn thì dưới đây là bảng so sánh kích thước cảm biến trên các mẫu smartphone phổ biến hiện nay.

Cảm biến lớn là một tiền đề để cải thiện khả năng chụp thiếu sáng trên smartphone

Phải tới tận năm 2020 này thì người dùng chúng ta mới được trải nghiệm những mẫu smartphone có kích thước cảm biến camera lớn hơn 1/1.5 inch, đây là kích thước đã từng xuất hiện trên chiếc Nokia Lumia 1020 vào năm 2013, một trong những tượng đài lịch sử về nhiếp ảnh di động. Cảm biến lớn không phải là một ý tưởng mới, tuy nhiên do nó không mang lại được hiệu ứng marketing đủ lớn để thu hút người dùng như số “chấm” nên các nhà sản xuất mới không chú trọng cải thiện. Tuy nhiên, tới khi cuộc chạy đua về độ phân giải trở nên bão hòa thì có lẽ chúng ta sẽ được chứng kiến những nâng cấp đáng chú ý hơn về kích thước cảm biến, và các nhà sản xuất cũng đã sẵn sàng cho điều đó.

Tất nhiên, chúng ta cũng cần phải lưu ý rằng trong bảng xếp hạng phía trên, Pixel 4 và iPhone 11 Pro Max nằm ở cuối bảng, nhưng vẫn được đánh giá là 2 trong số những chiếc smartphone chụp ảnh đẹp và tốt nhất hiện tại. Rõ ràng, kích thước cảm biến mới chỉ là một yếu tố quan trọng khi xét về lĩnh vực phần cứng, yếu tố phần mềm và các thuật toán xử lý ảnh cũng sẽ tiếp tục là một yếu tố quyết định tới chất lượng ảnh chụp.

Hiểu được giới hạn phần cứng của smartphone, đó cũng chính là tiền đề để nhiếp ảnh điện toán được phát triển mạnh mẽ. Nhiếp ảnh điện toán sử dụng phần mềm, thuật toán cũng như tận dụng sức mạnh của trí tuệ nhân tạo để xử lý bức ảnh gốc được chụp ra bởi smartphone. Sắp tới đây, bên cạnh kích thước cảm biến, cuộc chạy đua về nhiếp ảnh điện toán cũng sẽ là một xu hướng mới trên smartphone giúp người dùng có thể cho ra được những bức ảnh đẹp không khác gì các máy ảnh chuyên dụng.