Tại sao cảm biến máy ảnh của bạn chụp được nguồn sáng bị méo

💡 Hiểu về cảm biến máy ảnh

Ở trung tâm của mọi máy ảnh kỹ thuật số là cảm biến hình ảnh, một thành phần chịu trách nhiệm chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện mà máy ảnh có thể xử lý và lưu trữ dưới dạng hình ảnh. Có hai loại cảm biến hình ảnh chính: CCD (Thiết bị ghép điện tích) và CMOS (Kim loại-Ôxít-Bán dẫn bổ sung). Mỗi loại có phương pháp riêng để thu ánh sáng và chuyển đổi thành dữ liệu kỹ thuật số. Cách thức hoạt động của các cảm biến này ảnh hưởng đáng kể đến cách ghi lại các nguồn sáng chuyển động.

Cảm biến CCD thường chụp ảnh bằng màn trập toàn cục. Điều này có nghĩa là toàn bộ cảm biến được tiếp xúc với ánh sáng cùng một lúc. Tất cả các điểm ảnh được tiếp xúc và đọc cùng một lúc. Phương pháp này tránh được hiện tượng méo hình của các vật thể chuyển động nhanh. Mặt khác, cảm biến CMOS thường sử dụng màn trập lăn, có thể tạo ra hiệu ứng hình ảnh thú vị khi chụp ánh sáng.

🎞️ Hiệu ứng màn trập lăn

Màn trập lăn là phương pháp chụp ảnh mà cảm biến không phơi sáng toàn bộ cùng một lúc. Thay vào đó, nó quét toàn bộ cảnh, thường là từ trên xuống dưới. Mỗi dòng pixel được phơi sáng tuần tự. Phơi sáng tuần tự này có thể gây biến dạng khi chụp các vật thể chuyển động hoặc nguồn sáng.

Hãy tưởng tượng một chiếc xe đang di chuyển theo chiều ngang qua trường nhìn của bạn. Khi camera quét từ trên xuống dưới, chiếc xe di chuyển nhẹ giữa độ phơi sáng của từng dòng pixel. Khi phần dưới của cảm biến được phơi sáng, chiếc xe đã dịch chuyển vị trí. Điều này khiến chiếc xe xuất hiện bị lệch hoặc méo mó trong hình ảnh cuối cùng. Hiệu ứng này đặc biệt dễ nhận thấy với các vật thể chuyển động nhanh hoặc nguồn sáng thay đổi nhanh. Vật thể di chuyển càng nhanh so với tốc độ quét của cảm biến, thì độ méo mó sẽ càng rõ rệt.

Hiệu ứng màn trập lăn phổ biến hơn ở cảm biến CMOS do kiến ​​trúc của chúng, cho phép tốc độ đọc nhanh hơn. Mặc dù cảm biến CMOS màn trập toàn cục tồn tại, nhưng chúng thường đắt hơn và được tìm thấy ở các máy ảnh cao cấp hơn. Hầu hết điện thoại thông minh và nhiều máy ảnh tiêu dùng đều sử dụng cảm biến CMOS màn trập lăn.

⏱️ Tốc độ quét và độ méo

Tốc độ quét hoặc tốc độ đọc của cảm biến máy ảnh là thời gian cần thiết để cảm biến quét và ghi lại toàn bộ khung hình. Tốc độ quét chậm hơn có nghĩa là có độ trễ dài hơn giữa thời điểm phơi sáng của phần trên và phần dưới của cảm biến. Độ trễ tăng này làm trầm trọng thêm hiệu ứng màn trập lăn. Ngược lại, tốc độ quét nhanh hơn làm giảm độ trễ và giảm thiểu độ méo.

Máy ảnh cao cấp thường tự hào về tốc độ đọc cảm biến nhanh hơn đặc biệt để chống lại hiệu ứng màn trập lăn. Tốc độ nhanh hơn này cho phép máy ảnh chụp các vật thể chuyển động với độ chính xác cao hơn. Tuy nhiên, sự đánh đổi có thể là tăng nhiễu hoặc giảm dải động, tùy thuộc vào thiết kế cảm biến.

Hãy xem xét một tình huống mà bạn đang quay một cánh quạt đang quay. Với tốc độ quét chậm, các cánh quạt có thể bị cong hoặc vênh vì chúng đã di chuyển đáng kể trong thời gian quét của cảm biến. Tốc độ quét nhanh hơn sẽ chụp được các cánh quạt với độ méo ít hơn, cung cấp hình ảnh chính xác hơn về hình dạng thực tế của chúng.

✨ Đặc điểm của nguồn sáng

Bản thân đặc điểm của nguồn sáng cũng đóng vai trò trong sự biến dạng nhận thức. Các nguồn sáng mạnh, sáng, chẳng hạn như đèn pha hoặc biển báo LED, có nhiều khả năng thể hiện sự biến dạng đáng chú ý do năng lượng tập trung của chúng. Chu kỳ bật-tắt nhanh của một số nguồn sáng, đặc biệt là những nguồn sử dụng PWM (Điều chế độ rộng xung), có thể khuếch đại thêm hiệu ứng.

PWM là một kỹ thuật được sử dụng để kiểm soát độ sáng của đèn LED bằng cách bật và tắt chúng nhanh chóng. Nếu tần số chuyển đổi này gần với tốc độ quét của máy ảnh, nó có thể tạo ra các hiện tượng nhiễu dải hoặc nhấp nháy trong hình ảnh. Điều này là do một số đường của cảm biến có thể bị lộ khi đèn LED bật, trong khi những đường khác bị lộ khi đèn LED tắt, dẫn đến độ sáng không đồng đều trên toàn bộ hình ảnh.

Hơn nữa, nhiệt độ màu và phân bố quang phổ của nguồn sáng có thể ảnh hưởng đến cách cảm biến diễn giải và ghi lại ánh sáng. Một số màu nhất định có thể dễ bị biến dạng hoặc hiện tượng nhiễu hơn tùy thuộc vào độ nhạy và thuật toán xử lý của cảm biến.

⚙️ Cài đặt máy ảnh và kỹ thuật giảm thiểu

Trong khi hiệu ứng màn trập lăn vốn có ở một số công nghệ cảm biến nhất định, có một số cài đặt và kỹ thuật máy ảnh có thể giúp giảm thiểu hiện tượng méo hình của nguồn sáng.

• Tốc độ màn trập: Sử dụng tốc độ màn trập nhanh hơn sẽ giảm thời gian cảm biến tiếp xúc với ánh sáng, giảm thiểu hiệu ứng chuyển động trong quá trình phơi sáng. Điều này có thể giúp đóng băng chuyển động của nguồn sáng và giảm độ méo.
• Tốc độ khung hình: Tăng tốc độ khung hình (để quay video) cũng có thể giúp ích, vì nó làm tăng hiệu quả tốc độ quét của cảm biến. Tốc độ khung hình cao hơn có nghĩa là mỗi khung hình được chụp nhanh hơn, giảm thời gian xảy ra hiện tượng méo hình.
• Đồng bộ hóa: Trong môi trường được kiểm soát, việc đồng bộ hóa màn trập của máy ảnh với tần số của nguồn sáng có thể loại bỏ hiện tượng nhấp nháy hoặc nhiễu do PWM gây ra.
• Sửa lỗi phần mềm: Một số máy ảnh và phần mềm hậu kỳ cung cấp các công cụ tích hợp để sửa lỗi méo màn trập lăn. Các công cụ này phân tích hình ảnh và cố gắng bù cho độ lệch hoặc cong vênh do phơi sáng tuần tự gây ra.

Thử nghiệm với nhiều cài đặt máy ảnh và kỹ thuật hậu xử lý khác nhau có thể cải thiện đáng kể chất lượng hình ảnh chụp bằng cảm biến màn trập lăn, đặc biệt là khi xử lý các nguồn sáng chuyển động.

📸 Máy ảnh Global Shutter

Đối với các ứng dụng không chấp nhận được sự biến dạng, máy ảnh có cảm biến màn trập toàn cục cung cấp một giải pháp. Như đã đề cập trước đó, cảm biến màn trập toàn cục phơi sáng toàn bộ cảm biến cùng lúc, loại bỏ hiệu ứng màn trập lăn. Điều này dẫn đến việc thể hiện chính xác hơn các vật thể chuyển động và nguồn sáng.

Máy ảnh màn trập toàn cục thường được sử dụng trong các ứng dụng như thị giác máy, tự động hóa công nghiệp và nhiếp ảnh tốc độ cao, nơi mà thời gian chính xác và độ méo tối thiểu là rất quan trọng. Tuy nhiên, chúng thường đắt hơn và có thể có những hạn chế về độ nhạy hoặc dải động so với cảm biến màn trập lăn.

Sự lựa chọn giữa camera màn trập lăn và camera màn trập toàn cục phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và sự đánh đổi giữa chi phí, hiệu suất và chất lượng hình ảnh.

🧪 Những tiến bộ trong công nghệ cảm biến

Những tiến bộ liên tục trong công nghệ cảm biến đang không ngừng cải thiện hiệu suất của cả cảm biến màn trập lăn và màn trập toàn cục. Các nhà sản xuất đang phát triển các thiết kế cảm biến và thuật toán xử lý mới để giảm thiểu độ méo, tăng độ nhạy và nâng cao chất lượng hình ảnh.

Đối với cảm biến màn trập lăn, các kỹ thuật như HDR (Dải động cao) từng dòng và tốc độ đọc được cải thiện đang giúp giảm hiệu ứng màn trập lăn và cải thiện dải động. Đối với cảm biến màn trập toàn cục, các vật liệu và kiến ​​trúc mới đang được khám phá để tăng độ nhạy và giảm nhiễu.

Khi công nghệ cảm biến tiếp tục phát triển, chúng ta có thể mong đợi thấy những cải tiến hơn nữa về độ chính xác và độ trung thực của hình ảnh kỹ thuật số, ngay cả khi chụp các cảnh khó với các vật thể chuyển động nhanh hoặc nguồn sáng thay đổi nhanh.

💡 Kết luận

Sự biến dạng của các nguồn sáng trong hình ảnh máy ảnh chủ yếu là do hiệu ứng màn trập lăn, hậu quả của phương pháp phơi sáng tuần tự được sử dụng trong nhiều cảm biến CMOS. Hiểu được cơ chế của công nghệ cảm biến, tốc độ quét và đặc điểm của các nguồn sáng có thể giúp các nhiếp ảnh gia giảm thiểu hiệu ứng này và chụp được những bức ảnh chính xác hơn. Trong khi máy ảnh màn trập toàn cục cung cấp giải pháp cho các ứng dụng mà sự biến dạng là không thể chấp nhận được, thì những tiến bộ trong công nghệ cảm biến liên tục cải thiện hiệu suất của cảm biến màn trập lăn. Bằng cách hiểu được những hạn chế và khả năng của cảm biến máy ảnh, các nhiếp ảnh gia có thể đưa ra quyết định sáng suốt và chụp được những bức ảnh tuyệt đẹp trong nhiều tình huống khó khăn.

❓ FAQ – Câu hỏi thường gặp