Tìm hiểu ISO kỹ thuật số

ISO số không đơn giản mang tính chất tuyến tính như ISO trên phim trước đây mà nó chứa đựng nhiều yếu tố phức tạp hơn người ta vẫn nghĩ.

Tony Lorentzen đã dùng máy ảnh Canon EOS 7D, để nắp che ống kính và ghi lại hình ảnh tại mọi ISO để xem mỗi chế độ sẽ tạo ra sự khác biệt về độ nhiễu hạt như thế nào (xem video). Cuộc thử nghiệm đã đem đến một kết quả khá ngạc nhiên: Độ nhiễu của hình ảnh không tăng theo tuyến tính khi ISO tăng cao, có nghĩa là, một bức ảnh với ISO 160 có thể ít nhiễu hơn ISO 100, hay một bức với ISO 640 có thể cũng chỉ nhiễu bằng ISO 100.

Vấn đề thực sự ở đây là gì?

Sự khác nhau về ISO xuất phát từ cách thức ghi lại hình ảnh của máy phim và máy số khác nhau.
Ảnh: Digitalphotopro.

Với phim, mọi chuyện có vẻ như rất đơn giản: Nếu bạn sử dụng một cuốn phim có ISO cao, hình ảnh sẽ bị nhiều hạt. Còn nếu khi bạn muốn chất lượng hình ảnh ở mức cao nhất, ít hạt nhất, hiển nhiên phải chọn phim có ISO thấp nhất.

Tuy nhiên, theo thử nghiệm của Lorentzen, ISO trên máy số không hoàn toàn như vậy. Sự khác nhau về ISO xuất phát từ cách thức ghi lại hình ảnh của máy phim và máy số khác nhau. Thêm vào đó, các thông tin ảnh trên máy ảnh số còn được xử lý trước khi định hình thành ảnh xuất ra ngoài.

Phim ISO cao dễ bị nhiễu hạt hơn do các hạt tinh thể bạc bắt sáng lớn hơn (để thu được nhiều ánh sáng). Còn với máy ảnh số, ISO cao được điều chỉnh bằng cách khuếch đại tín hiệu đầu ra của cảm biến, và khi ISO càng cao, nghĩa là càng bị khuếch đại, ảnh sẽ càng bị nhiễu hơn. Nghe có vẻ ISO trên ảnh số cũng có thuộc tính thay đổi giống như trên ảnh phim. Nhưng trong trường hợp ngược lại, với ảnh phim, khi lắp một cuộn phim với ISO thấp, ảnh sẽ trở nên mịn. Còn với ảnh số, ISO nếu bị điều chỉnh thấp hơn mức ISO nội tại, sẽ lại bị can thiệp bởi bộ xử lý hình ảnh và sẽ giảm thiểu chất lượng hình ảnh đi so với ISO cao hơn. Đó thực ra cũng mới chỉ là một phần nhỏ trong toàn bộ tổng thể các yếu tố có thể sinh nhiễu trên máy ảnh số.

Trong khi trên phim, hình ảnh thu được là kết quả của việc các hạt bạc thu nhận ánh sáng và qua quá trình tráng phim rọi ảnh, thì trên máy ảnh số, hình ảnh là kết quả của quá trình ánh sáng đi vào các đi-ốt cảm quang trên cảm biến, đặc tính và kích cỡ của các cảm quang, bộ lọc RGB và low-pass, mạch cảm biến, bộ chuyển đổi tương tự/số, bộ xử lý hình ảnh và thuật toán xử lý riêng của từng hãng sản xuất nữa.

ISO nội tại là gì?

ISO nội tại của cảm biến chính là mức thu nhận ánh sáng mà ở đó hình ảnh ít được máy ảnh xử lý nhất. Về lý thuyết, ở mức nội tại này, chất lượng hình ảnh sẽ ở mức tốt nhất.

Các hãng sản xuất máy ảnh không bao giờ công bố ISO nội tại của máy, nhưng thông thường nó sẽ rơi vào khoảng ISO 100 – 200. Họ chỉ đưa ra một câu chung chung kiểu như “dải ISO này cho phép người chụp có thể tùy chọn để có bức ảnh đẹp nhất, phù hợp với nhu cầu của người dùng nhất”.

Đi-ốt cảm quang của một cảm biến có một độ nhạy nhất định với ánh sáng, từ đó hình thành nên một mức độ nhạy sáng định trước cho một cảm biến (ISO nội tại). Tuy nhiên, một mình đi-ốt cảm quang không làm nên hình ảnh. Đóng góp vào cả quá trình này còn có bộ chuyển đổi tương tự/số trong máy, bộ xử lý hình ảnh và thuật toán xử lý… Chính vì thế, ở máy số, tốc độ ISO là dành để nói về toàn bộ khả năng bắt sáng của máy ảnh chứ không chỉ về mỗi cảm biến như đối với máy phim.

Mỗi hãng sản xuất lại có phương thức bí mật đặc trưng riêng trong việc căn chỉnh các mức ISO khác nhau. Dưới đây là một ví dụ để người dùng dễ hình dung tại sao ảnh ở ISO thấp có thể còn có chất lượng tệ hại hơn là với ISO cao.

Ví dụ, một máy ảnh DSLR có ISO nội tại là 160. Để tăng ISO lên cao, bộ xử lý sẽ khuếch đại tín hiệu, kéo theo nhiễu hình ảnh cũng tăng do cũng bị khuếch đại theo. Để giảm ISO thấp hơn, bộ xử lý lại “nhào nặn” tín hiệu xuống, cũng kéo theo sự suy giảm chất lượng hình ảnh. Chẳng hạn, khi cần đẩy ISO lên 320, dữ liệu thu được từ ISO 160 nội tại sẽ được khuếch đại lên gấp đôi. Nhưng để đạt được ISO 250, bộ xử lý hình ảnh lại lấy tín hiệu đã được khuếch đại ở ISO 320 và điều chỉnh xuống ISO 250. Vì thế mà chất lượng ở ISO 250 còn tệ hơn so với tín hiệu tại ISO 320. Về đại thể, mỗi cấp ISO cách nhau một giá trị gấp đôi, nên nếu một ISO nội tại của máy ảnh là 160 thì mức đặt ISO tối ưu sẽ là 160, 320, 640… Các mức 100/200/400/800… sẽ là bước “lỡ cỡ” vì thế sẽ bị xử lý nhiều hơn, chất lượng sẽ suy giảm hơn.

ISO số là gì?

Thử nghiệm ISO trên máy ảnh Pentax K-5. Ảnh: Digitalphotopro.

Mức ISO được đặt ra trên cơ sở các tiêu chí chuẩn hóa từ Tổ chức tiêu chuẩn thế giới (International Organization for Standardization_ISO). Tổ chức này đặt ra chuẩn chung cho hầu hết mọi vấn đề.

Như đã đề cập, ISO số đề chỉ mức độ bắt sáng chung cho toàn bộ máy ảnh chứ không chỉ riêng cho cảm biến, bởi lẽ hình ảnh số là tổng hợp các quá trình xử lý liên hoàn giữa cảm biến, bộ xử lý hình ảnh, bộ chuyển đổi tín hiệu… Mục tiêu của việc chuẩn hóa thông số ISO cho cả máy phim và máy số là: nếu người dùng đặt thông số phơi sáng là ISO 100, lắp phim 100, chụp với tốc độ 1/100 và độ mở f/16, thì hình ảnh thu được phải có độ sáng tương đương như khi chụp bằng máy kỹ thuật số với ISO đặt ở 100, tốc độ đặt ở 1/100 và độ mở ở f/16. Tuy nhiên, độ nhiễu trên máy phim và máy số sẽ khác nhau, bởi trong khi nhiễu của máy phim chỉ phụ thuộc vào mật độ các hạt bạc trên phim (ISO của phim) thì nhiễu trên máy số có thể sinh ra từ rất nhiều nguồn do hình ảnh từ lúc vào cảm biến đến lúc định hình phải trải qua rất nhiều quá trình xử lý khác nhau.

CMOS và CCD

Ở thời kỳ đầu của công nghệ hình ảnh, cảm biến CCD có chất lượng hình ảnh tốt hơn hẳn cảm biến CMOS vốn bị nhiễu nhiều hơn và độ cảm quang thấp hơn, khó có thể đặt được các mức ISO cao. Tuy nhiên, hầu hết DSLR ngày nay, kể cả những phiên bản cao cấp nhất có những mức ISO siêu cao cũng đã sử dụng cảm biến CMOS do những thế mạnh riêng của công nghệ này. Cảm biến CCD giờ vẫn tiếp tục được sử dụng trong các máy ảnh medium-format và các thân số (digital-back) dùng để gắn trên các máy phim. Có thể nói, với công nghệ hiện nay, cả hai loại cảm biến này đều cho phép máy ảnh chụp hình ảnh với chất lượng rất cao.

Chuẩn ISO 12232:1998 đã được sửa đổi năm 2006 và được đặt lại thành ISO 12232:2006. Chuẩn năm 2006 thêm vào hai phương pháp mới được Hiệp hội CIPA (Nhật Bản) đưa ra. Gần đây lại có thêm hai phương pháp điều chỉnh ISO khác là REI và SOS đang được phần lớn các máy ảnh số mới hơn áp dụng.

Về cơ bản, phương pháp SOS (Standard Output Specification) dùng cách đo lượng ánh sáng thuần túy của cả hệ thống hình ảnh (gồm cảm biến, bộ xử lý…), gần giống như cách xác định ISO trên máy phim. Còn phương pháp REI (Recommended Exposure Index) lại dựa trên kết quả hình ảnh đầu ra mà các nhà sản xuất cho là có chất lượng tối ưu nhất. Lưu ý, phương pháp SOS không áp dụng cho ảnh RAW và cả hai phương pháp SOS lẫn REI cũng chỉ áp dụng cho các ảnh với hệ màu sRGB. Vì thế, nếu người dùng chụp ảnh định dạng RAW với hệ màu Adobe RGB 1998 thì mức ISO hoàn toàn chỉ mang tính tham khảo (các máy ảnh gần đây của Canon, Nikon và Sony dùng chuẩn REI trong khi Olympus, Pentax và Samsung dùng chuẩn SOS. Còn Sigma thì không tiết lộ phương pháp của mình bởi hãng dùng cảm biến 3 lớp đặc trưng Foveon).

Thay đổi ISO

Các mức ISO.
Ảnh: Digitalphotopro.

Khi người dùng muốn thay đổi ISO với máy phim, họ hoặc phải đổi phim có mức ISO tương ứng, hoặc dùng các kỹ thuật gia giảm (push/pull-process) trong quá trình tráng phim để kích hay bù sáng. Còn đối với máy số, khi thay đổi ISO người dùng chỉ cần chỉnh đến đúng mức mình cần bằng menu hoặc nút điều chỉnh. Vì thế, lợi thế máy số so với máy phim là người dùng có thể chụp một ảnh ở tất cả các mức ISO mình muốn.

Khi người dùng đổi một cuốn phim từ mức ISO này sang ISO khác, ví dụ đổi từ ISO 100 lên ISO 400, họ sẽ có một mức ISO mới với độ nhạy sáng gấp 4 lần ISO cũ, có thể chụp một hình ảnh với độ sáng tương đương nhưng tốc độ nhanh hơn 2 lần hoặc độ mở hẹp xuống hai khẩu. Còn nếu xử lý hậu kỳ lúc tráng phim bằng kỹ thuật gia giảm, đẩy phim ISO 100 lên độ sáng tương đương như ISO 400, thực tế là họ không làm tăng thêm độ nhạy vật lý của phim mà chỉ là khuếch đại ánh sáng thu được thông qua các phản ứng hóa học để có một hình ảnh tốt hơn.

Đối với máy số, khi người dùng đổi từ mức ISO này sang ISO khác, thao tác này sẽ tương tự như việc xử lý bằng kỹ thuật gia giảm trong khi tráng phim chứ không giống như khi thay phim. Như đã đề cập ở trên, cảm biến hình ảnh có một độ nhạy nội tại định trước với ánh sáng, do đó, các mức ISO điều chỉnh cao hơn hay thấp hơn độ nhạy nội tại này đều là các mức có được do khuếch đại hoặc điều chỉnh tín hiệu từ độ nhạy gốc, từ đó dẫn tới chất lượng hình ảnh cũng bị giảm đi, nhiễu tăng lên, giải tương phản thấp hơn và chất lượng màu sắc kém đi. Thậm chí kể cả hình ảnh được chụp với mức ISO nội tại của máy cũng đều đã qua xử lý, bởi lẽ thông tin trên cảm biến đơn thuần chỉ là thông tin cho đến khi các bộ xử lý hình ảnh xử lý và chuyển thành hình ảnh có thể xem được.

Dải ISO thường và ISO mở rộng

Trước khi được xử lý, hình ảnh số chỉ là những dữ liệu điện tử. Kể cả hình ảnh được chụp với ISO nội tại cũng phải qua quá trình xử lý mới có thể hiện hình được. Vì thế,hình ảnh chụp tại các mức ISO khác so với ISO nội tại còn bị xử lý nhiều hơn.

Trong máy ảnh, dải ISO thông thường là dải mà các nhà sản xuất đưa ra với ý nghĩa dù được xử lý nhưng chất lượng hình ảnh vẫn trong khoảng được coi là đẹp. Nhiều máy ảnh hiện nay cho phép mở rộng dải ISO cao hơn hoặc thấp hơn dải thông thường (chẳng hạn ISO 80 – 12.800 so với thông thường ISO 100 – 6.400). Chất lượng trên các mức ISO mở rộng rõ ràng sẽ còn bị suy giảm nghiêm trọng hơn bởi chúng được xử lý nhiều hơn. Nhưng không phải là không có mặt tích cực. Khi bạn cần ảnh hơn chất lượng, bạn có thể chụp với mức ISO lên tới 102.400 trên Nikon D3S hay Canon EOS-1D Mark IV. Rõ ràng bạn sẽ thấy ngay nhiễu rất nhiều, nhưng với tiêu chí có ảnh còn hơn không thì số nhiễu này rõ ràng vẫn còn quá hợp lý so với một mức ISO “khủng” như vậy.

Vậy ISO nào là tốt nhất?

Trong khi các nhà sản xuất vẫn “ém nhẹm” thông tin về ISO nội tại, tốt nhất người dùng tự thử nghiệm mức ISO nào là lý tưởng (gần với ISO nội tại nhất) trên máy của mình. Tất nhiên,cũng đừng vì thế mà ham chụp đúng ISO nội tại trong những điều kiện thiếu sáng để kết quả là một hình ảnh mịn nhưng lại mờ do tốc độ quá thấp.

Nếu mốn thử xem độ nhiễu trên các mức ISO của máy mình ra sao, có thể dùng cách chụp ảnh với nhiều mức ISO khác nhau nhưng không mở nắp ống kính. Hình ảnh thu được, mặc dù đều tối đen nhưng khi bạn mở trong Photoshop, tăng tỷ lệ phóng đại lên 100%, sử dụng tính năng Auto Contrast, bạn sẽ hình dung được nhiễu xuất hiện như thế nào trên từng hình ảnh khi so sánh những kết quả này.

Nếu DSLR của bạn có cả chức năng quay video, hãy thử nghiệm cả với tính năng này nữa bởi lẽ mức ISO lý tưởng cho video có thể không giống mức lý tưởng cho ảnh.

Nhưng đây cũng không phải là thử nghiệm duy nhất. Một khi đã biết được mức ISO tối ưu cho máy ảnh của mình xét về mức độ sinh nhiễu, bạn phải chụp cảnh thật cũng với nhiều mức ISO khác nhau để so sánh với kết quả chụp trong phòng, bởi lẽ ở cảnh thật độ nhiễu khó nhận biết hơn nhiều.

Tất nhiên là để có một bức ảnh đẹp, luôn phải tính đến điều kiện sáng tương quan kèm với ISO thôgn qua tốc độ, độ mở nữa. Đôi khi do hoàn cảnh, để có được một bức ảnh dùng được, bạn vẫn phải chụp với mức ISO thấp hoặc cao hơn ISO lý tưởng. Mức ISO của máy ảnh và của một bức ảnh được coi là tối ưu hay không, thực ra đều tùy thuộc vào con mắt đánh giá của chính người chụp nó.

Theo Số Hóa