- Bắt đầu từ nguyên lý ghi lại ánh sáng, bài viết trực quan hóa theo từng bước quá trình cảm biến, ống kính và khẩu độ của máy ảnh kỹ thuật số hình thành nên hình ảnh
- Giải thích cách cảm biến hình ảnh chuyển photon thành tín hiệu điện, rồi khôi phục màu sắc thông qua bộ lọc Bayer và demosaicing
- Xuất phát từ máy ảnh lỗ kim, bài viết giới thiệu các khái niệm khúc xạ, thấu kính, tiêu cự để cấu thành nên hệ quang học của máy ảnh thực tế
- Phân tích về mặt toán học và trực quan mối quan hệ giữa khẩu độ (f-number), độ sâu trường ảnh (depth of field) và bokeh
- Đề cập đến những giới hạn của ống kính thực tế như quang sai (aberration) và quang sai sắc, đồng thời nhấn mạnh rằng thiết kế quang học là công nghệ điều khiển đường đi của ánh sáng
Ghi lại ánh sáng và cảm biến kỹ thuật số
- Nhiếp ảnh thời kỳ đầu dùng phim bạc halogenua, nhưng máy ảnh hiện đại đã thay thế bằng cảm biến hình ảnh
- Cảm biến được cấu thành từ một mảng photodetector, chuyển photon thành dòng điện
- Tùy theo thời gian thu nhận (tốc độ màn trập), lượng phơi sáng sẽ thay đổi
- Vì cảm biến không thể trực tiếp nhận biết màu sắc, nên sử dụng mảng bộ lọc màu (Color Filter Array)
- Bộ lọc Bayer gồm 2 bộ lọc xanh lục, 1 đỏ và 1 xanh lam
- Lý do số lượng xanh lục gấp đôi là vì con người nhạy nhất với độ sáng ở vùng xanh lục
- Trong quá trình demosaicing, các giá trị RGB được nội suy để khôi phục toàn bộ ảnh màu
- Tốc độ màn trập quyết định thời gian thu nhận photon; quá nhiều sẽ gây phơi sáng quá mức, quá ít sẽ dẫn đến thiếu sáng
Nguyên lý của máy ảnh lỗ kim
- Nếu để cảm biến ở trạng thái phơi mở, ánh sáng từ mọi hướng sẽ đi vào và tạo thành hình ảnh vô nghĩa
- Để giải quyết điều này, người ta dùng một chiếc hộp có lỗ nhỏ (pinhole camera)
- Ánh sáng đi qua lỗ sẽ giao nhau và tạo thành hình ảnh bị đảo ngược trên dưới trái phải
- Điều chỉnh khoảng cách giữa lỗ và cảm biến sẽ làm thay đổi góc nhìn (field of view)
- Lỗ càng nhỏ thì hình ảnh càng sắc nét, nhưng lượng ánh sáng đi vào giảm nên độ sáng giảm
- Nếu quá nhỏ, ảnh lại bị mờ do nhiễu xạ (diffraction)
- Máy ảnh lỗ kim tuy đơn giản nhưng hiệu suất ánh sáng thấp và không thể điều khiển lấy nét
Kính và khúc xạ
- Lý do ánh sáng đổi hướng khi đi qua kính là do sự khác biệt về chiết suất (index of refraction)
- Chiết suất n = c / vₚ (tỷ lệ tốc độ của ánh sáng)
- Không khí 1.0003, nước 1.33, kính 1.53, kim cương 2.43
- Định luật Snell (Snell’s law): n₁·sinθ₁ = n₂·sinθ₂
- Khi ánh sáng đi vào môi trường có chiết suất cao hơn, nó sẽ bẻ cong về phía pháp tuyến
- Ở một số góc nhất định sẽ xảy ra phản xạ toàn phần (total internal reflection)
- Hiện tượng này là nguyên lý tạo nên hiệu ứng lấp lánh của kim cương
Thấu kính và tiêu điểm
- Tấm kính phẳng song song không làm thay đổi hướng ánh sáng, nhưng kính cong (thấu kính) sẽ làm ánh sáng hội tụ hoặc phân kỳ
- Thấu kính lồi (convex lens) hội tụ chùm sáng song song vào một điểm
- Tiêu cự (focal length) là khoảng cách từ tâm thấu kính đến tiêu điểm
- Phương trình thấu kính mỏng: 1/sₒ + 1/sᵢ = 1/f
- Mối quan hệ giữa khoảng cách vật (sₒ), khoảng cách ảnh (sᵢ) và tiêu cự (f)
- Có thể lấy nét (focus) bằng cách điều chỉnh khoảng cách giữa ống kính và cảm biến
- Khi điểm lấy nét dịch chuyển, sẽ xuất hiện thay đổi góc nhìn (focus breathing)
- Ống kính zoom thay đổi chính tiêu cự bằng cách di chuyển nhiều phần tử kính khác nhau
Khẩu độ và độ sâu trường ảnh
- Khẩu độ (aperture) kiểm soát lượng ánh sáng đi qua ống kính và góc của các tia sáng
- Khẩu độ nhỏ → độ sâu trường ảnh (depth of field) lớn
- Khẩu độ lớn → độ sâu trường ảnh nông và hiệu ứng bokeh
- f-number (N = f / D) là tỷ lệ giữa tiêu cự và đường kính đồng tử vào
- f/2 khi f=50mm, D=25mm
- f-number càng nhỏ thì ống kính càng sáng, có thể dùng tốc độ màn trập nhanh hơn
- f-number tăng theo bội số của 1.4; tăng một stop thì lượng ánh sáng giảm một nửa
- Khẩu độ càng nhỏ thì độ phân giải càng suy giảm do nhiễu xạ
Quang sai và quang sai sắc
- Ống kính thực tế không hoàn hảo nên phát sinh quang sai (aberration)
- Các loại tiêu biểu: quang sai cầu, coma, loạn thị, độ cong trường ảnh, méo hình
- Quang sai sắc (chromatic aberration) là hiện tượng màu bị tách ra do sự khác biệt chiết suất theo từng bước sóng
- Thấu kính achromatic (achromatic lens) hiệu chỉnh bằng cách kết hợp các loại kính có vật liệu khác nhau
- Ống kính cao cấp kết hợp nhiều phần tử quang học (optical elements) để
giảm thiểu quang sai, tối góc, flare
Kết luận
- Cốt lõi của máy ảnh và ống kính là công nghệ điều khiển đường đi của ánh sáng để hình thành hình ảnh
- Trong khoảnh khắc bấm màn trập, thiết kế quang học chính xác và cảm biến phối hợp với nhau để tạo nên
hành động ghi lại hiện thực bằng ánh sáng
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Blog của Bartosz Ciechanowski gợi lại niềm vui lướt web từ thời kỳ hoàng kim của Adobe Flash
Việc tương tác và khám phá rồi nhận được những phản hồi ngoài dự đoán thực sự rất thú vị
So sánh với các trang Flash giàu tính nghệ thuật ngày xưa có thể không hoàn toàn công bằng, nhưng nó gợi lại đúng cảm giác của thời đó
Nhưng việc lưu trữ những trang như thế này cho tương lai không hề dễ
PDF không thể chứa applet WebGL, còn xuất sang HTML thì có thể phát sinh lỗi tùy cấu trúc
50 năm nữa SWF có lẽ vẫn có thể chạy bằng trình giả lập, nhưng những trang như thế này có thể sẽ biến mất
Tò mò không biết có cách nào để bảo tồn các trang như vậy hay không
Thật sự đáng kinh ngạc
Hoàn toàn không có dấu vết của AI (vì là bài viết năm 2020 nên giờ cũng hiểu), và cảm giác như lâu lắm rồi mới được đọc một bài viết rõ ràng và thanh nhã như vậy
Hoạt ảnh đồng hồ cơ khí của Bartosz cũng rất đáng xem
Có thể xem tại trang Mechanical Watch
Tác phẩm của người này lúc nào cũng xuất sắc
Cảm ơn vì đã chia sẻ
Có một thread liên quan đã được đăng trước đây
Cameras and Lenses – liên kết Hacker News (tháng 12/2020, 213 bình luận)
Đúng như mọi khi, đây là một tác phẩm tuyệt vời
Tuy vậy, việc biểu diễn sóng điện từ như một dạng sóng uốn lượn như rắn trong không gian có thể khiến học sinh bị nhầm
Biên độ của điện trường và từ trường dao động trong không-thời gian, nhưng bản thân sóng truyền theo đường thẳng
Tất nhiên, tùy đặc tính của chùm tia mà vẫn có thể xuất hiện biến thiên cường độ theo hướng vuông góc với vector sóng
Tôi cũng không biết cách trực quan hóa nào tốt hơn, nhưng rất nhiều người hay hiểu sai chỗ này
Sóng sin mà bộ thu phát hiện tại một vị trí cụ thể là một ví dụ tốt, nhưng nếu muốn biểu diễn chính xác hơn thì nên thể hiện bằng sự thay đổi cường độ ánh sáng
Nếu biểu diễn tần số bằng cách cho ánh sáng bật tắt theo thời gian, thì sẽ trực quan hơn trong việc hiểu sự chuyển động của ánh sáng và phân bố năng lượng
Cuối cùng, điều cốt lõi là làm nổi bật được tính chuyển động của ánh sáng về mặt thị giác
Những người như Bartosz Ciechanowski và Andrey Karpathy thật sự đáng kinh ngạc
Có cảm giác như các side project mà người khác phải mất cả đời mới làm xong thì họ lại tung ra mỗi quý một cái
Phần lớn mọi người либо sáng tạo, либо năng suất, nhưng hiếm ai làm được cả hai cùng lúc ở mức này
Nhiếp ảnh và ống kính đã là sân chơi DIY suốt hơn 100 năm
Nhưng tôi tự hỏi đến bao giờ mới có ngày chúng ta có thể tự tay mày mò bên trong camera của các smartphone như iPhone, Samsung hay Pixel
(Có thể là đã làm được rồi, tôi chỉ đang hỏi thôi)
Mỗi lần thấy bài của Bartosz là tôi lại dừng hết việc đang làm để đọc
Mạch tư duy bắt đầu từ một thùng hứng photon đơn giản rồi phát triển thành pinhole và hệ thấu kính thật đáng kinh ngạc
Đặc biệt phần về vòng tròn nhòe (circle of confusion) rất ấn tượng
Việc tự tay kéo thanh trượt khẩu độ để thấy hình nón ánh sáng thu hẹp lại và độ nhòe giảm đi mang đến một sự thấu hiểu mà văn bản tĩnh không bao giờ đem lại được
Đây mới chính là thứ nên trở thành chuẩn mực cho giáo trình số
Một bài viết thực sự xuất sắc
Cũng mong có thêm những tài liệu tương tự nói về các hệ có từ 3 thành phần quang học trở lên hoặc thiết kế ống kính hiện đại