CCD hay CMOS hơn?

CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor) và CCD (Charge Coupled Device) thuở ban đầu chỉ đóng vai trò như những thiết bị lưu trữ cơ động, giống như card CF hay SD bây giờ chứ không có liên quan gì tới ảnh số cả. Vào khoảng cuối những năm 60 đầu 70, các nhà khoa học bắt đầu phát hiện ra các chip này đều có khả năng hấp thụ ánh sáng. Do đó, ý tưởng về ứng dụng CCD và CMOS vào máy ảnh số đã ra đời.

Mặc dù hai người anh em này cùng bước chân vào thế giới ảnh số nhưng CCD đã tỏ ra có ưu thế hơn hẳn bởi khả năng nhạy sáng cao, có thể tái hiện những bức ảnh có độ phân giải lớn, thể hiện được các dải màu liên tục, trong khi CMOS độ nhạy sáng kém, ảnh thu được dễ bị rạn. Do vậy dù chi phí sản xuất CCD rất đắt so với sản xuất CMOS, CCD vẫn vượt mặt và đăng quang, trở thành thành phần chủ yếu trong các máy ảnh số từ đó về sau, trong khi người anh em hẩm hiu CMOS lại quay về với các chức năng cũ kỹ: lưu trữ, xử lý thông tin trong các thiết bị số khác.

Cuộc nổi dậy bắt đầu vào giữa năm 2000, khi hãng máy ảnh Canon tung ra máy số chuyên nghiệp EOS D30 với cảm biến CMOS 3,2 triệu điểm ảnh. Mặc dù không tiết lộ gì nhiều về công nghệ CMOS của mình nhưng quả thật D30 đã làm các đối thủ khác phải ghé mắt trông sang. Năm 2001, với một động thái khó hiểu, Canon giới thiệu thế hệ mới 1D mang trong mình chip CCD 4 triệu điểm. Tuy nhiên chỉ đến đầu năm sau (2002), phiên bản nâng cấp của D30 là EOS D60 ra đời với sự quay lại của chip CMOS 6 triệu điểm ảnh đã làm sửng sốt các nhà sản xuất khác. Ngôi vị độc tôn của CCD bị đe dọa do chip CMOS nếu đuổi kịp CCD về độ phân giải, độ mịn và độ nhạy sáng sẽ chiếm ưu thế vì khả năng tích hợp lớn (nhiều chức năng trên 1 con chip) và chi phí sản xuất rẻ.

Cuối năm 2002, CMOS có thể nói đã đạt tới đỉnh cao trong vai trò cảm biến ảnh với việc cả Canon và Kodak trong tháng 9 đồng loạt tung ra những đứa con cưng nhất của mình: Kodak DSC 14n tới 14 triệu điểm ảnh và Canon EOS 1Ds 11 triệu điểm với kích cỡ CMOS to như kích cỡ phim thường (36x24mm). Điều đáng nói ở đây là Kodak, hãng chế tạo chip CCD cho các hãng máy ảnh số (ví dụ như Olympus) lại thuê hãng khác (ở đây là FillFactory) chế tạo riêng con chip CMOS 14 triệu điểm ảnh cho chiếc máy "pro" của mình. Việc sử dụng chip CMOS thế hệ mới giúp cho máy ảnh số chuyên nghiệp giải được bài toán hóc búa về việc hài hòa giữa tính năng mạnh, độ phân giải cao, chất lượng ảnh tốt trong khi giá thành lại chấp nhận được. Điều này trước mắt đối với máy ảnh chuyên nghiệp sử dụng chip CCD vẫn còn là một vấn đề nan giải.

Thực sự CCD có bị thất thế? Liệu CMOS có thể thay thế CCD? Hãy cùng nhìn sâu hơn vào nguyên lý của CCD và CMOS để hiểu rõ hơn cuộc giằng co dai dẳng này.

Hai chip Canon: CCD cho máy S20 và CMOS cho EOS D30.

Trái tim của một máy ảnh kỹ thuật số nằm trên chip cảm biến ảnh (image sensor). Chip này có nhiệm vụ bắt ánh sáng và chuyển chúng thành các điện tử. Các điện tử này sau đó sẽ được chuyển thành điện áp (để có thể đo lường được) rồi chuyển sang dạng tín hiệu số. CCD và CMOS khác nhau chính bắt đầu từ khâu hấp thụ ánh sáng rồi chuyển sang dạng tín hiệu số như thế nào.

CCD bao gồm một mạng lưới như bàn cờ các điểm bắt sáng (điểm ảnh, pixel). Các điểm này lại được phủ các lớp lọc màu (thường là 1 trong 3 màu cơ bản: đỏ, xanh lam và xanh dương (Red, Green, Blue) để mỗi điểm chỉ bắt một màu nhất định. Do các điểm ảnh được phủ các lớp lọc màu khác nhau và được đặt xen kẽ nhau nên màu nguyên thủy tại một điểm của hình ảnh thật sẽ được tái hiện bằng màu từ một điểm ảnh chính kết hợp với các màu bù được bổ sung từ các điểm xung quanh bằng phương pháp nội suy.

Khi chụp ảnh, cửa trập mở ra, ánh sáng qua ống kính sẽ được lưu lại lại bề mặt chip thông qua các điểm ảnh. Thông tin về số lượng ánh sáng lưu lại của mỗi điểm (thể hiện bằng độ khác nhau về điện áp) sẽ được chuyển lần lượt theo từng hàng ra ngoài bộ phận đọc giá trị (để đọc các giá trị khác nhau của mỗi điểm ảnh). Sau đó các giá trị này sẽ đi qua bộ khuyếch đại tín hiệu, rồi đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (A/D converter), rồi tới bộ xử lý để tái hiện lại hình ảnh đã chụp được.

Minh hoạ sự lọc màu tại một điểm bắt sáng ở chip CCD.

Để dễ tưởng tượng quy trình xử lý ảnh của CCD, bạn hãy hình dung mỗi một điểm ảnh là một người cầm một xô nước. Khi ánh sáng tràn vào cũng giống như cơn mưa xuống, và mỗi người tùy theo độ dày đặc của cơn mưa (ánh sáng mạnh yếu thể hiện nên bức ảnh) sẽ hứng được một lượng nước khác nhau ở xô của mình. Sau khi số lượng nước của mỗi người đã được ghi nhớ, hàng ngoài cùng (hàng 1) sẽ đổ nước vào một cái rãnh (bộ đọc giá trị). Rãnh này sẽ ghi nhớ số lượng từng xô nước của hàng 1. Số lượng nước của hàng 2 được truyền đến cho hàng 1 rồi lại đổ vào rãnh, rãnh lại ghi nhớ số lượng nước của hàng 2. Rồi hàng 3 đổ vào hàng 2, hàng 4 đổ vào hàng 3, cứ thế truyền tay cho đến hết hàng cuối cùng là coi như thông tin về toàn bộ bức ảnh (màu sắc, đậm nhạt, sáng tối…) đã được truyền xong, tất cả mọi người lại sẵn sàng cho một cơn mưa khác tới (một kiểu ảnh mới).

Nhưng chính việc phải đọc thông tin theo từng hàng lần lượt một này khiếp cho chip CCD có bất lợi đó là tốc độ xử lý hoàn thiện một bức ảnh khá chậm, ảnh ở một số vùng hoặc dễ bị thừa sáng (do nước từ xô người này bị bắn sang xô người khác), thiếu sáng (do xô người này truyền sang xô người kia không hết)… Để xử lý vấn đề này, một bộ đọc ảnh có kích cỡ bằng mạng lưới các hạt sáng được bổ sung xen kẽ (cạnh hàng người nào cũng có rãnh để đổ nước) để làm tăng tốc độ xử lý ảnh mà không bị suy giảm chất lượng, do đó quá trình đọc ảnh chỉ qua một lần đổ dữ liệu. Nhưng sự cải thiện này đòi hỏi phải có thêm không gian trên chip. Mà để sản xuất chip CCD cần có những thiết bị, phòng lab chuyên dụng, khiến cho giá thành CCD đã đắt lại càng thêm đắt.

CMOS thì khác, cạnh mỗi một điểm bắt sáng trên chip đều có một mạch bổ trợ, do đó người ta có thể tích hợp các quy trình xử lý ảnh như bộ chuyển đổi analog/digital, cân bằng trắng… vào mạch bổ trợ này, giúp cho quá trình xử lý bức ảnh được thực hiện rất nhanh nhờ được thực hiện ngay tại từng điểm ảnh đơn lẻ. Các điểm ảnh đa chức năng này (vì thế ở CMOS thế hệ mới còn được gọi là các điểm ảnh chủ động APS - active pixel sensor) đều có khả năng tự làm việc. Cũng do khả năng này mà người ta có thể chỉ tương tác với một vùng pixel nhất định của chip cảm biến (ví dụ như zoom số, phóng to chỉ một phần của ảnh), điều không thể làm được đối với CCD vì CCD đã đọc là đọc hết toàn bộ bức ảnh. Do khả năng tích hợp cao, bảng mạch chính sẽ không bị mất thêm không gian (vì tất cả đã ở trên chip), không đòi hỏi thêm các chip bổ trợ. CMOS lại tiêu thụ rất ít điện năng, việc sản xuất dễ dàng vì quy trình giống như quy trình sản xuất chip máy tính hay các chip trong các thiết bị điều khiển khác, không cần phải đầu tư thêm phòng lab mới. Giá thành sản xuất theo đó sẽ được giảm đáng kể.

Nhưng lợi thế lại trở thành nhược điểm. Do mỗi một điểm bắt ảnh trên CMOS lại có một mạch riêng nên khó có thể đảm bảo tính đồng nhất của mỗi mạch khi khuyếch đại. Điều này làm cho bức ảnh xuất ra luôn có một độ nhiễu nhất định (không mịn). Nếu như ở CCD, mỗi một điểm ảnh là một mặt bắt sáng khiến cho độ nhạy sáng của CCD cao hơn, dải màu thể hiện được nhiều hơn, độ phân giải cao hơn, thì mỗi một điểm ảnh của CMOS (bao gồm hạt bắt sáng và mạch khuyếch đại) khi bắt sáng sẽ có những phần ánh sáng rơi vào vị trí của mạch vì thế sẽ không được tái hiện. Điều này làm cho ảnh bị mất thông tin tại những vùng này dẫn đến độ phân giải của CMOS không cao.

Với công nghệ chế tạo chip cảm biến CMOS mới, các vấn đề trên đã được khắc phục. Để giải quyết vấn đề các mạch khuyếch đại luôn tạo ra một độ nhiễu nhất định trên ảnh, Canon tuyên bố đã khắc phục bằng cách đọc ảnh trên chip hai lần, mỗi lần chỉ trong vòng khoảng 10/1.000 giây. Lần một đọc toàn bộ các giá trị bắt sáng của chip, lần 2 chỉ đọc các giá trị của các mạch bổ trợ tại mỗi chip (giá trị gây nhiễu, hạt). Lấy giá trị lần 1 trừ đi giá trị lần 2 sẽ được bức ảnh chất lượng cao, loại bỏ gần như hoàn toàn độ nhiễu. Để không bị mất phần thông tin ánh sáng rơi vào vị trí của mạch, người ta đã thêm vào bên trên của mạch một lớp chắn sáng, một vi thấu kính sẽ được phủ lên toàn bộ bề mặt của hạt bắt sáng và của mạch, lái ánh sáng tại mọi vị trí của điểm ảnh rơi vào vị trí của hạt bắt sáng. CMOS giờ đây lại có thể ngẩng cao đầu trước người anh em của mình khi độ phân giải cũng như độ nhạy sáng, nhờ cách giải quyết này, đã được gia tăng đáng kể.

Canon 1D Mark II.

Tuy nhiên cuộc chạy đua marathon vẫn chưa đến hồi ngã ngũ. Không ai có thể nói trước được phần thắng sẽ thuộc về CCD hay CMOS. Thời điểm hiện tại đang đánh dấu sự bứt phá của CMOS bằng một loạt sự kiện: Canon tung ra máy ảnh chuyên nghiệp cao cấp nhất hiện nay của mình, EOS 1Ds Mark II với chip CMOS thế hệ mới 16 triệu điểm ảnh (độ phân giải cao nhất trong dòng máy số hiện nay, kể cả so với CCD) với độ nhạy sáng lên tới ISO 3200.

Nikon, vốn trung thành sử dụng CCD trong các dòng máy ảnh chuyên nghiệp của mình thì bắt đầu từ D2X, để đạt độ phân giải cao và giá thành hạ, hãng đã sử dụng CMOS 12,8 triệu điểm ảnh của Sony. Và giờ đây thế hệ mới D2Hs, người kế nhiệm và là sự kết hợp của D2H và D2X đã cải tiến con chip riêng tương tự như công nghệ CMOS của hãng là JFET (Junction Field Effect Transitor), nhưng theo bản hãng, tốc độ xử lý được cải tiến nhanh hơn.

Sony và Kodak, những người khổng lồ trong công nghiệp sản xuất chip CCD cũng đều bắt đầu cho ra lò những nghiên cứu và sản phẩm chip cảm biến CMOS độ phân giải cao của mình. CCD, không vì thế mà không được các máy ảnh chuyên nghiệp cưng chiều. Bằng chứng là HasselBlad, một trong các hãng máy ảnh dành cho dân chuyên nghiệp sành điệu đến từ Thụy Điển đã có phiên bản máy chụp ảnh digital khổ lớn H1D với CCD (được Kodak sản xuất) phân giải lên tới 22 triệu điểm, tất nhiên với cái giá cắt cổ 19.000 euro. Nhưng biết đâu trong tương lai khi CCD được đưa vào sản xuất đại trà như CMOS cách đây 25 năm, những máy ảnh CCD có độ phân giải rất cao lại có mức giá dễ chịu hơn.

Nguyễn Hà tổng hợp