by 
Từ tháng 3 năm 2012 trên thị trường xuất hiện máy ảnh cầm tay rất đặc biệt của hãng Lytro với tên gọi đầy đủ là ảnh trường ánh sáng Lytro (Lytro Light Field Camera), người tiêu dùng gọi dân dã là máy ảnh chụp trước lấy nét sau. Đây là chiếc máy ảnh số dạng đặc biệt như cái hộp vuông dài (hình 1) giá chỉ 399 USD mở đầu cho một kỷ nguyên máy ảnh dân dụng mới với những tính năng đặc biệt vượt khỏi các nguyên lý chụp ảnh lâu nay.
Hình 1. Máy ảnh Lytro trường ánh sáng
Chúng ta hãy cùng tìm hiểu loại máy ảnh mới này.
l. Lấy nét khi chụp ảnh
Khi chụp ảnh, ta hướng ống kính máy ảnh về phía cần chụp và gọi chung phong cảnh, đồ vật, người v.v... trước ống kính là cảnh vật. Toàn bộ cảnh vật trước ống kính xa gần khác nhau nên không thể hiện rõ trên một bức ảnh chụp được. Tùy theo mục đích, chỉ có thể chọn phần nào đấy của cảnh vật thí dụ người, chậu hoa, cành lá V.V.. để lấy nét bằng cách điều chỉnh ống kính tới lui cho đến khi ảnh của phần đó hiện rõ nét trên màn hình, đồng thời cũng là hiện rõ nét trên cảm biến ảnh. Về mặt quang học, lúc đó tất cả các tia sáng đi ra từ một điểm của cảnh vật qua ống kính sẽ tiêu tụ lại tại một điếm trên mặt cảm biến ảnh. Theo công thức 1/p+1/p'= 1/f với f là tiêu cự của ống kính, p là khoảng cách từ điểm của cảnh vật đến ống kính và p' là khoảng cách từ điểm của ánh trên cảm biến đến ống kính. Cảm biến ảnh là tấm phẳng mọi điểm ảnh trên đó là cùng p' nên mọi điếm của cảnh vật có ảnh rõ trên cảm biến ảnh phải cùng p tức là phải trên mặt phắng cách ống kính p.
Những điểm của cảnh vật ở xa phần cảnh vật mà ta lấy nét, nghĩa là cách ống kính những khoảng lớn hơn hoặc nhỏ hơn p đều cho ảnh nhòa trên cảm biến ảnh, càng xa càng nhòa.
Nói như vậy để thấy rằng lâu nay khi chụp ảnh trước hết phải điều chỉnh ống kính chọn phần cảnh vật cần lấy nét, một khi đã bấm máy chỉ có phần đó là cho ảnh rõ nét, các phần khác đều cho ảnh nhòa. Khi đã chụp xong không thể nào làm cho phần cảnh vật có ảnh bị nhòa trở thành rõ nét được. Vì vậy phải lấy nét trước, chụp ảnh sau.
Thế nhưng với máy ảnh Lytro trường ánh sáng, có khả năng chụp ảnh trước lấy nét sau. Tại sao vậy?
2. Trường ánh sáng và chụp ảnh trường ánh sáng.
Do được chiếu sáng hoặc tự mình phát sáng, các điểm của cảnh quan trước ống kính tỏa ánh sáng đi ra xung quanh. Có thế hình dung là từ cảnh quan trước ống kính có rất nhiều tia sáng đi theo chiều hướng khác nhau. Người ta gọi đó là trường ánh sáng (light field). Các tia của trường ánh sáng đó lọt qua ống kính tạo ra trường ánh sáng sau ống kính, trường ánh sáng đó mang thông tin về ảnh của tất cả các điểm của cảnh vật. Nếu có cách ghi lại trường ánh sáng này nghĩa là ghi lại được vị trí, hướng đi, cường độ, màu sắc... của các tia sáng rồi căn cứ vào đấy để tính toán ngược lại, về nguyên tắc có thể có lại được các tia sáng đi từ các điểm của cảnh vật, tức là thấy lại được toàn bộ cảnh vật.
Ghi lại được các tia sáng như nói ở trên gọi là chụp ảnh trường ánh sáng. Trong cách chụp ảnh đã có lâu nay ta chỉ ghi được rõ cường độ sáng cũng như màu sắc ở các điểm trên cảm biến ứng với các tia sáng đi ra từ các điểm của phần cảnh quan được chọn để lấy nét, do đó hình ảnh rõ nét có được rất hạn chế.
Vậy làm thế nào để chụp ảnh trường ánh sáng? Ta xét cụ thể một máy chụp ảnh Lytro trường ánh sáng loại chế tạo từ đầu (hình 2). Phía trước là ống kính gồm nhiều thấu kính sắp xếp một cách phức tạp và chính xác nhằm cho lọt qua các tia sáng của trường sáng, về nguyên tắc, ống kính này giống như ống kính của máy ảnh thường nhưng tinh vi hơn là nhằm cho hai tia sáng có hướng hơi khác nhau, qua ống kính tách nhau ra xa hơn.
Hình 2. Cấu tạo máy ảnh Lytro
Đặc biệt nhất ở đây là bộ phận ghi các tia sáng gồm tấm các vi thấu kính và tấm cảm biến ảnh nằm song song nhau (hình 3)
Hình 3. Các tia sáng của trường ánh sáng qua vi thâu kính tách ra, chiếu đến các phần tử của cảm biến ảnh
Tấm các vi thấu kính có tất cả 90.000 vi thấu kính nằm ngay thẳng kề sát nhau theo hàng theo dãy. Tấm cảm biến ảnh có 16.000.000 phần tử (16 megapixel) cùng năm ngang hàng thẳng lối. Vậy là ứng với 1 vi thấu kính có 175 phần tử để ghi ảnh của cảm biến ảnh. Xét các tia sáng của trường ánh sáng đi qua thấu kính đến chiếu vào tâm các vi thâu kính. Hướng đi cùa các tia sáng này nghiêng qua nghiêng lại đối với nhau mỗi tia có cường độ màu sắc ứng vời tia đó. Mỗi vi thâu kính có một cụm tia như vậy chiếu đến, qua vi thấu kính góc giữa hướng các tia lại tách ra xa nhau thêm một ít rồi chiếu đến các phần tử của cảm biến ảnh. Xem mỗi phần tử của cảm biến ảnh là có một tia sáng chiều đến, theo cách ghi thông thường ở cảm biến ảnh có thể ghi được cường độ và màu sắc của tia sáng.
Căn cứ vào vị trí của phần tử ở cảm biến ảnh và vị trí của vi thấu kính có thể bết được vị trí, hướng đi của tia sáng, số liệu mà bộ nhớ ở máy ảnh ghi được mỗi lần chụp ảnh là số liệu về vị tri, hướng đi, cường độ, màu sắc, của 16 triệu tia sáng của trường sáng do cảnh vật tạo ra. Với chương trình tính toán, cài đặt sẵn ở máy ảnh, có thể từ các số liệu trên dựng ra ảnh rõ nét của một phần của cảnh vật ở một mặt tùy chọn. Vậy là chụp ảnh trước lấy nét sau. (hình 4)
Tuy dùng cảm biến ảnh 16 megapixels ghi được 16 triệu tia sáng (16 megarays) nhưng ảnh dựng ra được chỉ có 90 ngàn pixel (90 KP) bằng số lượng các vi thấu kính.
Máy ảnh Lytro trường ánh sáng ngày nay có nhiều cải tiến nhưng những nguyên lý cơ bản và cấu tạo của máy giống như là máy mô tả tỉ mỉ ở trên.
3. Phát triển kỹ thuật chụp ảnh trường ánh sáng
Hãng Lytro chuyên sản xuất máy ảnh Lytro trường ánh sáng là kết quả triển khai ra sản xuất của luận án tiến sĩ của Ren Ng ở Đại học Stanford (Mỹ)
Sau khi luận án tiến sĩ về máy ánh trường ánh sáng thuộc ngành khoa học tính toán (Computer Science) được trình bày và được đánh giá là xuất sắc, trường Đại học Stanford vào năm 2006 cho lập một hãng khởi tạo (startup company) để sản xuất máy ảnh trường ánh sáng do Ren Ng làm giám đốc kinh doanh. Đó chính là hãng Lytro. Năm 2011 hãng này đã tung ra thị trường máy ảnh Lytro 8GB giá 399USD và năm 2012 tung ra máy ánh Lytro 16GB giá 499 USD.
Không phải là chỉ có hãng Lytro sản xuất ra máy ảnh trường ánh sáng. Còn nhiều hãng khác phát triển kỹ thuật chụp ảnh trường ánh sáng nhưng chủ yếu là để sử dụng trong các lĩnh vực khoa học, đặc biệt là kính hiển vi trường ánh sáng.
Hiện nay kỹ thuật chụp ảnh trường ánh sáng mới cho phép chụp ảnh rõ nét mặt phẳng (ảnh 2D) nhưng dễ dàng chọn mặt lấy nét sau khi chụp. Không lâu nữa với các số liệu của trường ánh sáng thu thập được sẽ có các chương trình tính toán để tạo ra ảnh 3D (ảnh nổi, có cả ba chiều ngang, rộng, sâu) cũng như chương trình để nhanh chóng có ảnh 3D theo thời gian tức là phim ảnh nổi 4D. Ở đây có sự kết hợp rất chặt chẽ các phương pháp vật lý và phương pháp tính toán.
Hình 4. Sau khi chụp, lấy nét ảnh mèo ở xa (trái), lấy nét ảnh mèo ở gần (phải)
Tuy dùng cảm biến ảnh 16 megapixels ghi được 16 triệu tia sáng (16 megarays) nhưng ảnh dựng ra được chỉ có 90 ngàn pixel (90 KP) bằng số lượng các vi thấu kính.
Máy ảnh Lytro trường ánh sáng ngày nay có nhiều cải tiến nhưng những nguyên lý cơ bản và cấu tạo của máy giống như là máy mô tả tỉ mỉ ở trên.
3. Phát triển kỹ thuật chụp ảnh trường ánh sáng
Hãng Lytro chuyên sản xuất máy ảnh Lytro trường ánh sáng là kết quả triển khai ra sản xuất của luận án tiến sĩ của Ren Ng ở Đại học Stanford (Mỹ)
Sau khi luận án tiến sĩ về máy ánh trường ánh sáng thuộc ngành khoa học tính toán (Computer Science) được trình bày và được đánh giá là xuất sắc, trường Đại học Stanford vào năm 2006 cho lập một hãng khởi tạo (startup company) để sản xuất máy ảnh trường ánh sáng do Ren Ng làm giám đốc kinh doanh. Đó chính là hãng Lytro. Năm 2011 hãng này đã tung ra thị trường máy ảnh Lytro 8GB giá 399USD và năm 2012 tung ra máy ánh Lytro 16GB giá 499 USD.
Không phải là chỉ có hãng Lytro sản xuất ra máy ảnh trường ánh sáng. Còn nhiều hãng khác phát triển kỹ thuật chụp ảnh trường ánh sáng nhưng chủ yếu là để sử dụng trong các lĩnh vực khoa học, đặc biệt là kính hiển vi trường ánh sáng.
Hiện nay kỹ thuật chụp ảnh trường ánh sáng mới cho phép chụp ảnh rõ nét mặt phẳng (ảnh 2D) nhưng dễ dàng chọn mặt lấy nét sau khi chụp. Không lâu nữa với các số liệu của trường ánh sáng thu thập được sẽ có các chương trình tính toán để tạo ra ảnh 3D (ảnh nổi, có cả ba chiều ngang, rộng, sâu) cũng như chương trình để nhanh chóng có ảnh 3D theo thời gian tức là phim ảnh nổi 4D. Ở đây có sự kết hợp rất chặt chẽ các phương pháp vật lý và phương pháp tính toán.
Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh
0 comments: