Một máy ảnh kỹ thuật số sử dụng một mảng cảm biến của hàng triệu điểm ảnh nhỏ để tạo ra hình ảnh cuối cùng. Khi bạn bấm nút chụp ảnh và ánh sáng tiếp xúc với ma trận, mỗi điểm ảnh là một “photosite” có nhiệm vụ thu thập và lưu trữ các photon trong một khoang. Sau khi kết thúc, máy ảnh đóng cửa từng photosites, và sau đó đánh giá số photon rơi vào từng khoang. Số lượng tương đối của photon trong mỗi khoang sau đó được sắp xếp thành các cấp độ khác nhau, có độ chính xác được xác định bởi độ sâu bit (0-255 cho một hình ảnh 8-bit, …).
http://img.handheld.vn/images/quynh/capture1.png
Mỗi khoang không thể phân biệt được bao nhiêu màu đã rơi vào khoang, do đó, các hình ảnh thu được trên đây chỉ sẽ có thể tạo ra hình ảnh màu xám. Để chụp ảnh màu, mỗi khoang phải có một bộ lọc đặt trên nó mà chỉ cho phép một màu sắc đặc biệt của ánh sáng được xâm nhập vào. Hầu như tất cả các máy ảnh kỹ thuật số hiện tại chỉ có thể nắm bắt một trong ba màu cơ bản trong mỗi khoang, và để họ loại bỏ khoảng 2 / 3 của ánh sáng đến. Kết quả là, máy ảnh này có tới gần hai màu gốc khác để có thông tin về tất cả ba màu ở mỗi pixel. Loại phổ biến nhất của mảng lọc màu được gọi là “mảng Bayer”, hiển thị dưới đây.
http://img.handheld.vn/images/quynh/capture2.png
Một mảng Bayer bao gồm các hàng xen kẽ các bộ lọc màu đỏ-xanh lá cây và xanh lá cây - xanh dương. Chú ý mảng Bayer chứa cảm biến màu xanh lá cây nhiều gấp đôi màu đỏ hoặc xanh dương. Vì mắt người có nhạy cảm với ánh sáng màu xanh lá cây hơn là cả hai màu đỏ và màu xanh dương. Nhiều điểm ảnh màu xanh lá cây sẽ cho ra một hình ảnh xuất hiện ít nhiễu (noise) và có chi tiết mịn hơn so với mảng được chia đều số cảm biến cho 3 màu. Điều này cũng giải thích tại sao nhiễu trong các kênh màu xanh lá cây là ít hơn nhiều so với hai màu gốc còn lại (xem thêm bài “Tìm hiểu về độ nhiễu ảnh”).
http://img.handheld.vn/images/quynh/capture3.png
Lưu ý: Không phải tất cả máy ảnh kỹ thuật số sử dụng một mảng Bayer, tuy nhiên điều này đến nay là thiết lập phổ biến nhất. Các bộ cảm biến Foveon được sử dụng trong SD9 Sigma SD10 và bắt tất cả ba màu ở mỗi vị trí pixel. Máy ảnh Sony chụp đến bốn màu sắc trong một mảng tương tự: đỏ, xanh lá cây, xanh dương và xanh ngọc lục bảo.
Bayer demosaicing
“Bayer demosaicing” là quá trình chuyển mảng màu Bayer cơ bản thành hình ảnh cuối cùng chứa đầy đủ các thông tin màu sắc tại mỗi điểm ảnh. Làm thế nào nếu máy ảnh không thể trực tiếp đo đầy đủ màu sắc? Có một cách là thay vì suy nghĩ của từng mảng 2x2 của màu đỏ, xanh lá cây và màu xanh như là một khoang màu sắc đầy đủ.
http://img.handheld.vn/images/quynh/capture4.png
Tuy nhiên hầu hết các máy ảnh thực hiện thêm các bước bổ sung để trích xuất thông tin hình ảnh nhiều hơn từ mảng màu sắc này. Nếu máy ảnh được xử lý tất cả các màu sắc trong từng mảng 2x2, thì nó sẽ chỉ có thể đạt được một nửa độ phân giải trong cả hai hướng ngang và dọc. Cũng bằng cách đó, nếu một máy ảnh tính bằng cách sử dụng màu sắc chồng chéo các mảng 2x2, nên nhờ đó có thể đạt được một độ phân giải cao hơn so với một mảng 2x2. Sự kết hợp chồng chéo các mảng 2x2 có thể được dùng để trích xuất thông tin hình ảnh nhiều hơn nữa.
http://img.handheld.vn/images/quynh/capture5.png
Lưu ý làm thế nào chúng ta không tính toán thông tin hình ảnh ở các cạnh rất của mảng, vì chúng ta giả định hình ảnh vẫn tiếp tục trên mỗi hướng. Tại rìa của các mảng khoang, tính toán điểm ảnh ở đây sẽ ít chính xác hơn, vì thiếu những điểm ảnh bên cạnh. Điều này không có vấn đề gì, vì thông tin ở các cạnh của một hình ảnh rất dễ dàng được loại bỏ vì máy ảnh có tới hàng triệu điểm ảnh.
Các thuật toán demosaicing khác tồn tại mà có thể trích xuất độ phân giải nhiều hơn, tạo hình ảnh ít nhiễu, hoặc thích ứng với hình ảnh tương ứng tại mỗi địa điểm.
Lỗi demosaicing
Hình ảnh có độ phân giải nhỏ gần với giới hạn độ phân giải của cảm biến kỹ thuật số đôi khi có thể lừa được kết quả thuật toán demosaicing - kết quả là một hình ảnh không được chân thực. Ta gọi định nghĩa này là moire (phát âm là “more-ay”), hình ảnh đó có thể là các mẫu lặp đi lặp lại, hoặc điểm ảnh màu sắp xếp trong một mô hình mê cung không thực tế:
http://img.handheld.vn/images/quynh/capture6.png
Hai ảnh riêng biệt được hiển thị bằng một độ phóng đại khác nhau. Lưu ý sự xuất hiện của moire trong tất cả bốn ô vuông dưới cùng, và hình vuông thứ ba của bức ảnh đầu tiên. Cả hai hình ảnh giống như mê cung và lỗi có thể được nhìn thấy trong hình vuông thứ ba của phiên bản cỡ nhỏ. Các kết quả này phụ thuộc vào kiểu kết cấu và phần mềm trong máy ảnh để ghi lại file RAW.
Mảng thấu kính cực nhỏ (Microlens)
Bạn có thể tự hỏi tại sao các sơ đồ đầu tiên trong hướng dẫn này đã không diễn ra mỗi khoang trực tiếp cạnh nhau. Cảm biến máy ảnh thực ra không có photosites bao phủ toàn bộ bề mặt cảm biến. Trong thực tế, nó thường chỉ phủ một nửa tổng diện tích, phần còn lại để chứa thiết bị điện tử khác. Mỗi khoang được ngăn cách bằng những đỉnh nhỏ để dẫn các photon tới một khoang này hay khoang khác. Máy ảnh kỹ thuật số còn có “microlense s” ở trên mỗi photosite để tăng cường khả năng thu thập ánh sáng. Những thấu kính này là như con kênh, cho phép trực tiếp lượng tử ánh sáng vào photosite và ngăn chặn các photon khác không được sử dụng.
http://img.handheld.vn/images/quynh/capture7.png
Microlenses được thiết kế tốt có thể cải thiện tín hiệu photon tại mỗi photosite, và sau đó tạo ra hình ảnh ít nhiễu hơn trong cùng một thời gian tiếp nhận hình ảnh. Các nhà sản xuất Camera có thể cải tiến trong thiết kế microlens để làm giảm nhiễu trong máy ảnh mới có độ phân giải cao nhất, mặc dù có photosites nhỏ do ép nhiều megapixels hơn vào một diện tích cảm biến giống nhau.