Trong thế giới nhiếp ảnh truyền thống, việc lựa chọn góc chụp và điểm lấy nét luôn là những bài toán đau đầu đối với các nhiếp ảnh gia, bởi các ống kính thông thường chỉ có khả năng bắt nét rõ ràng tại một mặt phẳng duy nhất vào một thời điểm. Mặc dù việc điều chỉnh khẩu độ có thể giúp giảm thiểu phần nào hạn chế này, nhưng hiệu quả mang lại thường không cao và đi kèm nhiều đánh đổi. Tuy nhiên, một nhóm các nhà nghiên cứu tin rằng họ đã tìm ra chìa khóa để giải quyết nhược điểm lâu đời này thông qua công nghệ “ống kính tính toán” (computational lensing), một kỹ thuật đột phá có khả năng biến toàn bộ khung cảnh trở nên sắc nét hoàn hảo bất kể khoảng cách.
Nguyên lý hoạt động của ống kính tính toán và thấu kính Split-Lohmann
Các nhà nghiên cứu đến từ Trường Kỹ thuật thuộc Đại học Carnegie Mellon đã đề xuất một phương pháp nhiếp ảnh hoàn toàn mới, giúp loại bỏ hoàn toàn sự đắn đo khi phải lựa chọn giữa việc lấy nét vào tiền cảnh, trung cảnh hay hậu cảnh. Bằng cách kết hợp các công nghệ đã được khám phá trước đây, nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công một loại “ống kính tính toán”. Khả năng đặc biệt của nó là có thể lấy nét chọn lọc vào các vật thể nằm ở những khoảng cách khác nhau ngay trong cùng một bức ảnh.
Về cơ bản, các bức ảnh chụp thông thường sẽ bị mờ ở bên ngoài khu vực lấy nét trung tâm. Nguyên nhân là do các thấu kính quang học truyền thống chỉ có thể ghi lại rõ nét một mặt phẳng tiêu cự tại một thời điểm nhất định. Chính giới hạn vật lý này là lý do tại sao khoảng cách và góc máy luôn là những yếu tố sống còn trong nhiếp ảnh. Mặc dù người chụp có thể khép nhỏ khẩu độ để mở rộng độ sâu trường ảnh (DOF), nhưng thao tác này lại làm giảm lượng ánh sáng đi vào cảm biến và có thể dẫn đến những đánh đổi khác làm suy giảm chất lượng hình ảnh tổng thể.
Ống kính tính toán giải quyết hạn chế hóc búa này bằng cách xây dựng dựa trên một khái niệm được gọi là thấu kính Lohmann. Loại thấu kính này điều chỉnh tiêu cự bằng cách dịch chuyển hai thấu kính khối lập phương cong tương đối với nhau. Các nhà nghiên cứu đã kết hợp thấu kính Lohmann với một bộ điều biến ánh sáng không gian chỉ pha (phase-only spatial light modulator). Thiết bị này có khả năng bẻ cong ánh sáng theo những cách khác nhau tại mỗi điểm ảnh (pixel), cho phép các vùng khác nhau của một cảnh vật được lấy nét ở các độ sâu khác nhau tùy ý. Kết quả của sự kết hợp này được gọi là thấu kính Split-Lohmann, một ý tưởng được lấy cảm hứng từ các nghiên cứu trước đây về màn hình hiển thị trong kính thực tế ảo.
Để đạt được điều này, hệ thống trước tiên sử dụng tính năng tự động lấy nét theo độ tương phản để chia hình ảnh thành các vùng được gọi là “siêu điểm ảnh” (superpixels). Mỗi siêu điểm ảnh này sẽ xác định độc lập độ sâu lấy nét để tạo ra độ sắc nét tối đa cho riêng nó. Sau đó, hệ thống áp dụng tính năng tự động lấy nét theo pha (PDAF), sử dụng cảm biến điểm ảnh kép để xác định vật thể nào đang được lấy nét và hướng cần điều chỉnh tiêu cự. Một trong những nhà nghiên cứu đã ví von phương pháp tiếp cận này giống như việc cung cấp cho mỗi điểm ảnh một ống kính riêng biệt của chính nó vậy.
Ứng dụng thực tế trong nhiếp ảnh và nghiên cứu khoa học
Đại học Carnegie Mellon báo cáo rằng công nghệ PDAF cũng làm cho thấu kính tính toán trở nên khả thi trong việc ghi lại các chủ thể đang chuyển động, chứ không chỉ giới hạn ở ảnh tĩnh. Sử dụng kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu đã có thể ghi lại những hình ảnh được lấy nét hoàn hảo ở tốc độ lên tới 21 khung hình mỗi giây. Đây là một con số ấn tượng, mở ra tiềm năng ứng dụng trong việc quay video hoặc chụp ảnh thể thao, hành động.
Nhiếp ảnh với độ sâu trường ảnh tự do (freeform depth-of-field) là ứng dụng rõ ràng và thực tế nhất của công nghệ ống kính tính toán. Công nghệ này không chỉ có khả năng hiển thị toàn bộ khung cảnh ở độ nét cao nhất mà còn có thể làm mờ chọn lọc các vùng cụ thể để che khuất các vật thể không mong muốn hoặc mô phỏng hiệu ứng tilt-shift nghệ thuật mà không cần phải nghiêng các thấu kính quang học một cách vật lý.
Vượt xa khỏi lĩnh vực nhiếp ảnh nghệ thuật hay thương mại, công nghệ này còn hứa hẹn những bước tiến lớn trong khoa học. Các kính hiển vi có thể sử dụng phương pháp tiếp cận này để lấy nét vào nhiều lớp của một mẫu vật cùng một lúc, giúp các nhà khoa học quan sát cấu trúc ba chiều của mẫu vật dễ dàng hơn mà không cần phải điều chỉnh tiêu cự liên tục. Bên cạnh đó, các hệ thống camera tự động, ví dụ như trên xe tự lái hay robot, cũng có thể được hưởng lợi từ chất lượng hình ảnh tổng thể được cải thiện, giúp chúng nhận diện môi trường xung quanh chính xác hơn.