Lytro camera hay cuộc cách mạng trong công nghệ số?
Gần đây, trên Internet đưa tin công ty Lytro mới giới thiệu một loại máy ảnh công nghệ mới, máy ảnh Light field cho phép người sử dụng chụp ảnh trước rồi focus sau, một số tờ báo như New York Times đánh giá đây là một cải tiến quan trọng nhất kể từ khi máy ảnh chuyển từ phim sang số. Người sáng lập ra công ty Lytro cũng như người phát minh ra chiếc máy ảnh Lytro này là Tiến sĩ Ren Ng. từ Đại học Standford. Chiếc máy ảnh Lytro đã thu hút được sự quan tâm của giới đầu tư, một số vốn 50 triệu đô đã được rót vào công ty với hy vọng tạo ra được sự đột phá trong công nghệ nhiếp ảnh. Vậy thực chất máy ảnh Lytro là như thế nào?
Một số tờ báo và diễn đàn ảnh đã đưa tin nhưng chưa giải thích rõ về nguyên lý cũng như điểm khác biệt của loại máy ảnh này. Cinvea xin có bài viết giới thiệu về công nghệ để các bạn có thể hiểu rõ thêm.
Máy ảnh Light field hay còn gọi là máy ảnh Plenoptic Camera đã được nghiên cứu tiên phong bởi Lippman và Ives từ những năm 1908, sau này là các nghiên cứu về máy ảnh 3D trong suốt thế kỷ 20, có thể nói đây là một công nghệ không mới.
Chiếc máy ảnh thô sơ và sơ khai nhất là chiếc máy ảnh lỗ kim, theo nguyên lý nhiếp ảnh, chỉ cần một buồng tối, một tấm phim nhạy sáng và một lỗ kim là ta có được một chiếc máy ảnh như sau:

Chuỗi ánh sáng phản xạ ra từ vật tể được chụp, đi qua lỗ kim tạo ảnh đảo ngược, hình ảnh này rơi trên mặt phẳng tấm phim nhạy sáng và tạo ra ảnh.
Thực tế, ánh sáng phản xạ ta thu được từ chiếc máy ảnh lỗ kim chỉ là một phần rất nhỏ ánh sáng phản xạ ra từ vật thể như ở hình vẽ sau:

Chuỗi ánh sáng phản xạ ra từ vật thể là một tập hợp các hình nón, đó là một series các hình ảnh của vật thể ta có thể thu được bằng máy ảnh lỗ kim ở các vị trí khác nhau.

Hình vẽ trên sẽ cho ta thấy được sự khác biệt khi ứng dụng nguyên lý trên vào các loại máy ảnh khác nhau:
a. Máy ảnh lỗ kim với một hình ảnh 2D thu được duy nhất.
b. Nếu ta dùng hai máy ảnh lỗ kim đặt cách nhau một khoảng sau cho có góc nhìn có độ lệch thị sai tương ứng với khoảng cách tương ứng của hai mắt người, ta sẽ có loại máy ảnh 3D.

Bộ phim 3D nổi tiếng Avatar thực chất cũng chỉ là cách áp dụng nguyên lý nói trên.
c. Hình ảnh thứ 3 là cách nếu ta áp dụng một chuỗi máy ảnh liên tục để chụp chuyển động ở các góc khác nhau ta sẽ thu được một chuỗi hình ảnh ở các góc nhìn khác nhau. Đấy chính là công nghệ khiến cho bộ phim Matrix nổi tiếng với cảnh quanh thời gian viên đạn bay.

d. Máy ảnh Plenoptic là máy ảnh ứng dụng một loại lens cho phép ta thu được các góc nhìn liên tục, ở mảyanh thông thường các hình ảnh này được trung bình hóa trên một mặt phẳng phim.
Chúng ta sẽ tìm hiểu sâu thêm về nguyên lý của máy ảnh Plenoptic ở hình vẽ sau:

Khi chúng ta chụp ảnh chúng ta đều thấy hiện tượng khi chúng ta chỉnh focus của máy, nếu focus sai hình ảnh sẽ mờ đi, focus đúng hình ảnh sẽ rõ. Nguyên lý của lens máy ảnh thông thường như trên hình vẽ trên. Nếu ta áp dụng ống kính với các lá khẩu thông thường:
a. Khi vật rơi đúng vào điểm hội tụ của ống kính hình ảnh sẽ rơi trên mặt phẳng phim và cho ta hình ảnh rõ nét.
b. Các vật ở trước điểm hội tụ sẽ cho ta hình ảnh rơi vào sau mặt phẳng phim nên hình ảnh hiện lên trên phim sẽ bị mờ.
c. Các vật ở sau điểm hội tụ sẽ cho ta hình ảnh rơi vào trước mặt phẳng phim nên hình ảnh sẽ bị mờ.
Như vậy ở máy ảnh thông thường, các vật ở trước hay sau điểm hội tụ của thấu kính sẽ có hình ảnh bị mờ. Nếu ta sử dụng thấu kính với lá khẩu lệch tâm thì sẽ có kết quả như sau:
d. Vật thể tại điểm hội tụ vẫn cho ảnh rõ nét.
e. Vật thể trước điểm hội tụ sẽ cho ảnh rõ nét lệch sang bên phải
f. Vật thể sau điểm hội tụ sẽ cho ảnh rõ nét lệch sang bên phải.
Như vậy nếu ta có một loại máy ảnh với một loại thấu kính đặc biệt ghi nhận lại tất cả các hình ảnh đấy sẽ cho phép ta ghi lại mọi hình ảnh rõ nét của các vật đằng trước thấu kính mà không kể chúng gần hay xa.
Chúng ta thử tưởng tượng, nếu ở mặt phẳng phim hay Censor của máy ảnh, thay bởi vì các điểm bắt sáng ta thay bằng một chuỗi các máy ảnh lỗ kim nhỏ tí hon để có thể ghi lại các hình ảnh phản chiếu ra từ vật thể.

Ta thấy nếu ta áp dụng như trên ánh sáng chiếu ra từ vật đi qua thấu kính máy ảnh tạo hình ảnh trên một chuỗi các thấu kính tí hon của các máy ảnh lỗ kim nhỏ tí hon và các hình ảnh đó được lưu lại.

Như vậy ta đã có thể hiểu cấu tạo của máy ảnh Light field hay máy ảnh Plenoptic là như thế nào.
Về nguyên lý thì loại máy ảnh này không phải là mới nhưng các nghiên cứu trước kia gặp phải một số vấn đề kỹ thuật như sau:
- Cồng kềnh, hệ thống nói trên khó có thể áp dụng vào các loại máy ảnh cầm tay thông dụng.
- Tốc độ xử lý ảnh: do có rất nhiều hình ảnh được ghi lại nên đòi hỏi phải có một dung lượng bộ nhớ lớn cũng như tốc độ xử lý hình ảnh rất cao mà các hệ thống dân dụng ngày xưa không đáp ứng nổi.
Bước tiến về công nghệ của công ty Lytro đã được áp dụng ở đây khi nghiên cứu chế tạo được một hệ thống gọn nhẹ lắp đặt được trên các máy ảnh cầm tay thông dụng. Chiếc máy ảnh thử nghiệm được chọn lựa là một cái máy ảnh số Medium Format.
Hình ảnh dưới đây là hệ thống chuỗi microlens Lytro đã gắn vào cảm biến số của máy Medium Format và gắn trên máy ảnh số Medium Format của Contax.


Với công nghệ này chúng ta có thể biến bất kỳ chiếc máy ảnh thông thường nào thành máy ảnh Plenoptic, cho phép chúng ta có thể chụp thoải mái và chọn điểm lấy nét sau.
Trong chiếc máy thử nghiệm của mình và các cộng sự năm 2005, Tiến sĩ Reng Ng. sử dụng hệ thống micro lens sản xuất bởi hãng Adaptive Optic Associates có hình vuông bao gồm 296 x 2196 micro lens. Mỗi micro lens có hình vuông với kích thước bằng 125 micron. Tiêu cự của mỗi lens là 500 micron, do đó độ mở của mỗi micro lens sẽ bằng f/4.

Kết quả ở trên cho thấy so sánh độ nét cho thấy dùng máy ảnh f/4 refocus sẽ cho độ nét tương đương với máy ảnh thông thường tại F/22.
Ứng dụng của máy ảnh light field ra sao, sau đây là một số ví dụ:

Ứng dụng refocus vào một tấm ảnh chụp một lần duy nhất, người sử dụng dễ dàng thay đổi điểm lấy nét.

So sánh hai ảnh chụp có cùng điểm lấy nét, ảnh bên trái là ảnh refocus từ máy ảnh light field, ảnh bên phải là ảnh từ máy ảnh thông thường lấy nét cùng điểm. Kết quả cho thấy ảnh bên trái có độ nét hơn.

Ứng dụng trong trường hợp chụp ảnh thiếu sáng, hệ thống tự động lấy nét trên máy ảnh thường lấy nét sai (bên trái), và máy ảnh light field được refocus (bên phải).

Ứng dụng trong việc chụp macro, thay đổi độ sâu của ảnh trên máy ảnh light field.

ứng dụng thay đổi góc nhìn người chụp, bằng một lần bấm máy duy nhất, máy ảnh light field sẽ cho ta thay đổi góc nhìn người chụp theo hàng ngang (hàng trên), theo hàng dọc (hàng dưới).
Theo kết quả nghiên cứu của Tiến sĩ Ng. công nghệ này sẽ cho phép chúng ta giảm bớt Noise, tăng độ nét, giảm bớt vignnete,… của hình ảnh thông qua việc refocus.
Như vậy chúng ta đã thấy Lytro có một cuộc cách mạng khi có thể cung cấp giải pháp tiện lợi áp dụng được vào các máy ảnh thông thường. Kể từ nghiên cứu của mình tiến sĩ Ng. đã tiến một bước dài khi quyết định mang kết quả thí nghiệm ra thành một sản phẩm thực tế.
Kết quả của nó như thế nào, sẽ là một cuộc cách mạng hay không thì sẽ được thời gian trả lời.
Bài viết có sử dụng hình ảnh từ các công trình nghiên cứu của :
Edward và Alderson (1992)
Ren Ng. and et la (2005).