Công nghệ máy ảnh trên di động

Chụp ảnh – quay phim đã trở thành tính năng không thể thiếu của smartphone và các thiết bị di động. Song song với nó, cuộc đua công nghệ lớn đang dần chậm lại để tập trung nhiều hơn vào chất lượng hình ảnh.

Module máy ảnh trên di động
Module máy ảnh trên thiết bị di động là một tổ hợp nhiều thành phần cốt lõi có quan hệ chặt chẽ và quyết định chất lượng ảnh của thiết bị.
Module cơ bản bao gồm cảm biến hình ảnh (CMOS hoặc CCD), hệ thống thấu kính và bộ lọc hồng ngoại cho màu sắc chính xác. Các module cao cấp hơn sẽ được tích hợp thêm hệ thống ổn định hình ảnh quang học (chống rung) và động cơ hỗ trợ lấy nét VCM hoặc MEMS.
Có 3 điểm mang tính then chốt trên một module máy ảnh di động, gồm bộ cảm biến hình ảnh, hệ thống ống kính và khả năng đóng gói.
Cảm biến hình ảnh là các thiết bị sử dụng cho việc chuyển đổi một hình ảnh thành tín hiệu điện. Công nghệ cảm biến hình ảnh được sử dụng trong máy ảnh, máy quay, và tất cả các loại thiết bị hình ảnh.

Mô hình xử lý ảnh trên smartphone

Cảm biến hình ảnh với công nghệ số như CCD và CMOS đang được ứng dụng lên các thiết bị di động nói riêng và các thiết bị hình ảnh số nói chung. Cảm biến CMOS có lợi thế về tốc độ khung hình và khả năng thực hiện xử lý điện tử trên vi xử lý. Nhưng so với CCD, thì CMOS có xu hướng tạo ra hình ảnh chất lượng thấp hơn với độ nhiễu cao, đặc biệt là trong các tình huống ánh sáng yếu.
Hiện tại, thị trường máy ảnh trên điện thoại di động hoàn toàn sử dụng cảm biến CMOS với hai công nghệ: FSI (front-side illumination) và BSI (back-side illumination).
Trong công nghệ FSI, ánh sáng đi qua ống kính, bộ lọc màu và hệ thống dẫn trước khi nó vào diode tách sóng quang. Bóng bán dẫn sẽ làm giảm lượng ánh sáng thu vào và ảnh hưởng tới độ nhạy sáng.
Trong công nghệ BSI, ánh sáng đi qua mà không có sự phản xạ từ dây kim loại của bóng bán dẫn trong các điểm ảnh. Kết quả là cảm biến hình ảnh BSI thu thập nhiều ánh sáng hơn FSI và do đó có độ nhạy sáng tốt hơn.
 

Cảm biến CMOS với hai công nghệ: FSI (front-side illumination) và BSI (back-side illumination).

Cảm biến BSI đang phổ biến trên hầu hết điện thoại thông minh, được bắt đầu bởi IPhone 4- cảm biến BSI 1,75-mm-pixel và HTC EVO 4G là 1,4-mm-pixel. Các bộ cảm biến này đều được sản xuất bởi OmniVision. Module máy ảnh IMX1451,5 mm-pixel của Sony có thể tìm thấy trong iPhone 4s và iPhone 5.
Ngoài việc phát triển công nghệ ra thì các hãng còn tăng cường chất lượng các thành phần của module máy ảnh như  tăng kích thước và chất lượng ống kính. Một ống kính có kích thước lớn có thể tạo ra hình ảnh tốt hơn. Tiêu biểu cho sự thay đổi này là Nokia trang bị ống kính Carl Zeiss cho hầu hết các điện thoại thông minh của mình. LG Optimus G cũng có một ống kính máy ảnh lớn hơn để cải thiện chất lượng hình ảnh.
Trong thực tế, thị trường được cho là đang bước vào một giai đoạn tăng trưởng mới nhờ nhu cầu tăng cao của điện thoại thông minh ở các nước đang phát triển. Ngoài ra, tính năng chụp ảnh đang dần trở thành một vũ khí quan trọng của các hãng di động trong việc chiếm lĩnh thị trường.
Các nhà phân tích dự báo module máy ảnh trong phân khúc thiết bị di động có tốc độ tăng trưởng hàn CAGR là 13,2% trong giai đoạn 2013-2018. Module máy ảnh dành cho thị trường thiết bị di động cũng đã có tốc độ phát triển rất nhanh trong thời qua. Tuy nhiên, chi phí sản xuất cao có thể là một thách thức đối với sự phát triển của thiết bị này. Các nhà cung cấp chính trên thị trường bao gồm OmniVision, Samsung Electronics, Sony ngoài ra một số gương mặt đáng chú ý khác bao gồm Aptina Image, EM Microelectronic, Melexis, ON Semiconductor.

OmmiVision là một trong nhưng nhà sản xuất module camera hàng đầu.

Chất lượng hình ảnh đã được cải thiện thông qua các cảm biến có khả năng xử lý nhanh hơn nhưng hệ thống ống kính quang học vẫn rất quan trọng. Việc các nhà thiết kế di động đang cố gắng thu nhỏ sản phẩm của mình đã dẫn đến những khó khăn trong việc đóng gói các module máy ảnh.
Giới quan sát cho rằng kích thước nhỏ gọn là bước cản trở lớn nhất trong sự phát triển của máy ảnh trên thiết bị di động. Một giới hạn khác của module máy ảnh trên thiết bị di động là chi phí, chỉ giao động từ 5-15USD. Vật liệu sử dụng trong các thấu kính cũng chịu ảnh hưởng từ giá thành. Ngoại trừ Nokia đang sử dụng thấu kính thủy tinh, một bộ phận lớn các nhà sản xuất đang sử dụng vật liệu nhựa tổng hợp PMMA và Polystyrene – 2 vật liệu không thực sự hoàn hảo với hệ thống hình ảnh.

Công nghệ xử lý ảnh
Kính quang học và cảm biến hình ảnh đóng một vai trò rất lớn nhưng những hạn chế của chúng  cần không ít thời gian mới có thể giải quyết được. Vì vậy, các nhà sản xuất phải tìm đến những phương án can thiệp trực tiếp để xử lý chất lượng ảnh.
Bắt đầu từ việc tăng chất lượng điểm ảnh pixel thông qua bộ xử lý tín hiệu hình ảnh ISP (Image Signal Processor). Điểm ảnh pixel là thành phần cơ bản nhất để tạo ra bức ảnh số. Càng nhiều điểm ảnh thì càng cho độ chính xác và sắc nét. Độ nhạy sáng của mỗi pixel tương ứng với nhiều dải bước sóng ánh sáng và về bản chất thì chúng ta không xác định được mỗi điểm ảnh sẽ mang màu gì.
Để chuẩn hóa, mỗi điểm ảnh được quy ước một màu duy nhất, được chỉ định như một tỉ lệ nhất định của 3 màu cơ bản Đỏ, Lục và Lam. Và bộ xử lý ISP sử dụng thuật toán demosaicing để gộp và tái tạo lại màu sắc. Bộ xử lý hình ảnh còn đảm nhiệm các tính năng khác như lấy nét tự động, kiểm soát độ phơi sáng và cân bằng trắng. ISP còn có khả năng xử lý bóng do lỗi thiết bị, giảm nhiễu, HDR và tính năng nhận diện khuôn mặt, ghi nhớ khung hình…

Bộ vi xử lý Snapdragon 801 đã xuất hiện trên Sony Xperia Z2, Xperia Z2 Tablet cũng như Samsung Galaxy S5 phiên bản bán ở Mỹ. 810 tích hợp hai bộ xử lý tín hiệu hình ảnh (ISP) 14-bit vào chipset. Có nghĩa là mỗi điện thoại thông minh sử dụng bộ vi xử lý này có khả năng hỗ trợ hình ảnh lên đến 55 megapixel. Qualcomm cho biết bộ xử lý này có tốc độ lên đến 1.2GPixels /s và ISP có hiệu suất cao hơn 20% so với Snapdragon 805.
Bộ vi xử lý Snapdragon 801có khả năng hỗ trợ hình ảnh lên đến 55 megapixel Những năm trở lại đây đã diễn ra cuộc đua pixle trên điện thoại thông minh và đỉnh điểm là Nokia 1020 đạt tới 41Mp. Đến cuối năm 2012, người dùng cũng như các nhà sản xuất đã rút ra được một điều rằng, số lượng pixel cao không đại điện cho chất lượng hình ảnh. Độ phân giải điểm ảnh tăng 50% nhưng hiệu quả mang lại chỉ khoảng 10% nên đã dẫn đến hàng loạt thay đổi trong công nghệ xử lý hình ảnh. Một số công nghệ tiêu biểu như PureView và bộ ổn định hình ảnh OIS của Nokia, UltraPixel của HTC, Time Shift của BlackBerry Z10… đã ra đời.

Công nghệ PureView
Thiết bị đầu tiên của PureView là Nokia 808 với máy ảnh 41 MP, cho độ phân giải 7728x5368. Và ngay tiếp sau đó là Nokia 920. Smartphone này được trang bị 2 công nghệ là PureView bộ ổn định hình ảnh OIS (Optical Image Stabilization).

Nokia 808 với máy ảnh 41 MP,Công nghệ PureView này cho khả năng zoom kỹ thuật số 3x mà không ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh. Công nghệ đưa ra thuật toán mới trong xử lý hình ảnh là oversampling. Thuật toán này cho khả năng kết hợp giữa vô số các điểm ảnh lân cận từ cảm biến, tạo nên các siêu pixel, ngoài ra còn có thể giảm nhiễu, tăng độ chính xác của các điểm ảnh. Đây là một trong những lý do tại sao máy ảnh Nokia Lumia 920 được coi là thiết bị di động chụp ảnh tốt nhất vào thời điểm 2013. Và khá nhiều chiến dịch quảng cáo Lumia đã bám vào điểm trọng yếu này để thu hút người dùng.

Ổn định hình ảnh quang học - OIS
Đây không phải là công nghệ của Nokia nhưng lại gắn liền với hãng này bởi Nokia 920 là smartphone đầu tiên trang bị bộ ổn định hình ảnh quang học. Tiếp theo đó là HTC One cũng hỗ trợ OIS và hiện nay nó đã xuất hiện hầu hết trên dòng điện thoại cao cấp.
Như đã nói ở phần đầu, module máy ảnh trên smarphone cao cấp này được trang bị thêm các công nghệ như OIS, động cơ hỗ trợ MEMS.
Các con quay hồi chuyển MEMS là yếu tố định hướng trong điện thoại thông minh. Việc trang bị MEMS giúp smartphone có thể cảm nhận được lực hấp dẫn và các góc độ khi cầm trên tay. Đây cũng là công nghệ ẩn phía sau của tính năng tự động xoay màn hình (auto-rotation) trên điện thoại thông minh.

Với động cơ MEMS thì smartphone có thể nhận diện độ rung và tự động điều chỉnh ống kính trong quá trình lấy nét.
Một cách khác để ổn định hình ảnh là sử dụng phần mềm, hay còn gọi là phương pháp ổn định hình ảnh kỹ thuật số (DIS). Ổn định hình ảnh số cũng sử dụng con quay hồi chuyển, nhưng thay vì di chuyển ống kính, nó điều chỉnh các dữ liệu được xử lý bởi các điểm ảnh của cảm biến để có được một hình ảnh sắc nét hơn.

Công nghệ UltraPixel
Công nghệ UltraPixel hiện đã được trang bị trên smartphone HTC One và các thế hệ máy sau này.

HTC One với công nghệ UltraPixel

Máy ảnh trên smartphone HTC có độ phân giải chỉ khoảng 4 megapixel nhưng các điểm ảnh lớn hơn nhiều so với bình thường trên các máy khác. Kích thước điểm ảnh của iPhone 5 là 1,4 micron và điểm ảnh HTC One lớn hơn với 2 micron. Các UltraPixels có khả năng nhận nhiều ánh sáng hơn qua từng điểm ảnh, khả năng giảm nhiễu và nhạy sáng tăng lên khá nhiều. Tương tự như PureView, công nghệ này sử dụng thuật toán để tạo thành các siêu điểm ảnh giúp cải thiện ảnh trong điều kiện sáng yếu còn HTC đã tự tạo ra các điểm ảnh đủ lớn để có hiệu quả tối ưu.

iSight Camera của Apple
Module máy ảnh trên iPhone 5 hay còn gọi là iSight camera đã được Apple nâng cấp toàn diện với chất lượng vượt trội hơn thế hệ cũ IMX1451của Sony.

iSight camera

Apple tăng chất lượng của cảm biến hình ảnh, kích cỡ điểm ảnh, ống kính, đèn flash và các ứng dụng. Đây cũng chính là xu hướng hiện tại khi mà cuộc đua pixel đã hạ nhiệt. iPhone 5 sử dụng tốc độ màn trập nhanh hơn 40% so với iPhone 4S, và điều này đã cải thiện chất lượng hình ảnh của nó rất nhiều. Để bảo vệ ống kính máy ảnh, Apple sử dụng kính saphire có khả năng chống trầy xước cao (xem bài “Kính Sapphire – tương lai của thiết bị di động” trong số này).

Không dừng tại đó iPhone 5S - thế hệ smartphone mới nhất của Apple đã tăng kích thước pixel trên máy ảnh lên 1,5 micron, so với 1,4 micron của iPhone 5 trong khi vẫn giữ nguyên số lượng điểm ảnh là 8Mp. Kích thước cảm biến của iPhone 5s đã được tăng nhẹ khoảng 15% so với iPhone 5, từ 1/3.2 inch lên 1/3 inch tương đương với HTC One. Ngoài ra iPhone 5s có ống kính 5 thấu kính khẩu độ f2.2, lớn hơn một chút so với f/2.4 của thế hệ đàn anh.
Không dừng tại đó, Apple còn giới thiệu công nghệ đèn flash mới được mô tả là có thể tái tạo lại tông màu chuẩn gần với thực tế nhất. Hai đèn LED flash trên iPhone 5s có nhiệt độ màu khác nhau, sự pha trộn của 2 nguồn sáng này sẽ giúp ảnh có tông màu tự nhiên hơn.

BlackBerry Z10 Camera
Smartphone BlackBerry Z10 là nỗ lực lớn nhất gần đây của RIM. Sản phẩm đã có nhiều cải thiện để hòa nhập với xu hướng di động hiện tại. Z10 trang bị camera 8 megapixel phân giải 3264 x 2448 pixel, sử dụng công nghệ hình ảnh có tên gọi là Time Shift, hỗ trợ tự động lấy nét, đèn flash LED và nhận diện khuôn mặt.
Với Time Shift thì dây là phương pháp xử lý khá đơn giản, trong đó máy ảnh ghi lại đoạn video ngắn thay vì một hình ảnh, và sau đó nó cho phép người dùng chỉnh sửa khung hình bên trong để chọn ra được những tấm ảnh tốt nhất. Camera Time-Shift còn hỗ trợ tinh chỉnh cho nhiều chủ thể khác nhau trong cùng một khung cảnh nên rất tiện lợi.

Exmor RS - cảm biến máy ảnh của Sony
Thế hệ cảm biến này được trình làng vào hồi năm 2012, Exmor RS là tên của một công nghệ cảm biến dạng "xếp chồng" có khả năng cho chất lượng hình ảnh cao trong môi trường ánh ánh yếu. Các module máy ảnh Exmor RS cũng được đóng gọi nhỏ gọn hơn nhiều so với các thế hệ trước.

Camera trên Sony Xperia Z1

Exmor RS mở rộng dải tần sáng (dynamic range) tuy nhiên lại dễ mất chi tiết hình ảnh tại các vùng ánh sáng mạnh. Kích thước cảm biến có thể được giữ lại trong khi tăng diện tích thu thập ánh sáng, và qua đó độ nhạy sáng và giảm nhiễu được nâng cao. Những module máy ảnh thế hệ đầu tiên như Exmor RS IUS014F-Z được trang bị cảm biến hình ảnh Sony ISX014 kích thước 1/4inch , độ phân giải 8M.

PixelMaster của Asus
Đây là công nghệ hình ảnh mới nhất được giới thiệu của hãng Asus. PixelMaster cải thiện hiệu suất chụp hình đáng kể trong các điều kiện thiếu sáng. Bằng cách liên kết các điểm ảnh lân cận, camera tăng độ nhạy sáng lên đến 400% và độ tương phản tăng thêm 200% để cho ra những tấm hình sáng và rõ nét mà không cần đèn flash. Hệ thống cân bằng hình ảnh điện tử (EIS) tăng cường hiệu suất ánh sáng để đảm bảo các hình ảnh thu về nét hơn và không bị nhòe mờ. PixelMaster sẽ tự động đề xuất trình chụp ở chế độ thiếu sáng khi cần thiết nên các bức hình chụp trong điều kiện bình thường sẽ được chụp với độ phân giải hoàn chỉnh. Chế độ thiếu sáng cũng được sử dụng khi quay video.

PC World VN, 06/2014