Foveon của Sigma: cảm biến đo đủ ba màu trong một điểm ảnh, cũ mà hay

← BlogCũ mà hay · 7 phút đọc

Có cách nào máy khỏi phải đoán màu không

Bài Cảm biến và bài RAW và JPEG có nhắc một chuyện hơi lạ với người mới: mỗi điểm ảnh trên cảm biến thật ra chỉ thấy một màu. Hồi mới biết, mình cũng khựng lại một chút. Vậy tấm ảnh màu đầy đủ mình đang xem là ở đâu ra? Là máy đoán. Đoán rất khéo, nhưng vẫn là đoán.

Câu hỏi tự nhiên tiếp theo: có cảm biến nào không phải đoán không? Có. Nó tên là Foveon, đi cùng hãng Sigma suốt nhiều năm, ít người để ý, mà chuyện của nó thì hay, vì nó đi ngược với mọi cảm biến còn lại.

Nhắc lại: ô lọc màu và bước đoán

Hầu hết cảm biến hiện nay phủ lên mỗi điểm ảnh một ô lọc màu, gọi chung là Color Filter Array (mảng lọc màu): ô đỏ, ô xanh lá hoặc ô xanh dương. Điểm ảnh nằm dưới ô đỏ chỉ đo được lượng ánh sáng đỏ rơi vào chỗ đó. Xanh lá và xanh dương tại đúng chỗ đó thì nó không biết.

Để ra ảnh màu đầy đủ, máy làm thêm bước demosaicing (khử khảm): mượn màu từ các điểm bên cạnh để điền vào chỗ thiếu. Bayer xếp ô lọc theo một kiểu, X-Trans xếp theo kiểu khác, nhưng đều phải qua bước này. Đoán giỏi thì ảnh đẹp, đoán hụt ở chỗ hoa văn dày thì ra màu giả, ra moiré.

1997: silicon tự lọc màu theo chiều sâu

Năm 1997, Carver Mead, giáo sư ở Caltech, lập ra công ty Foveon. Cùng với kỹ sư Dick Merrill, họ để ý một tính chất của chính miếng silicon làm nên cảm biến: ánh sáng màu khác nhau thì chui vào silicon sâu khác nhau. Xanh dương bị hấp thụ ngay gần bề mặt. Xanh lá đi sâu hơn. Đỏ đi sâu hơn cả.

Foveon X3: ánh sáng đi vào silicon, xanh dương tắt ngay gần bề mặt, xanh lá tắt ở giữa, đỏ xuống sâu hơn cả; ba lớp photodiode chồng nhau nên mỗi điểm ảnh đo đủ ba màu, không cần lọc màu, không cần đoán (demosaicing). Bayer bên phải: mỗi ô chỉ biết một màu, hai màu còn lại phải suy từ ô kề. Sơ đồ vẽ theo số liệu thật.

Nói cách khác, bản thân silicon đã “lọc” màu theo chiều sâu rồi, không cần dán ô lọc nào lên trên. Việc còn lại là tìm cách đo xem ở mỗi độ sâu có bao nhiêu ánh sáng bị giữ lại.

Foveon X3: ba lớp photodiode chồng nhau

Cách đo đó là xếp chồng ba lớp photodiode (phần tử cảm quang, chỗ biến ánh sáng thành điện) trong cùng một điểm ảnh. Lớp trên bắt xanh dương, lớp giữa bắt xanh lá, lớp dưới bắt đỏ. Giống ba lớp phim màu chồng lên nhau, mỗi lớp nhạy một màu.

Kết quả là mỗi điểm ảnh có đủ ba số đo đỏ, xanh lá, xanh dương ngay tại vị trí của nó. Không cần Color Filter Array, không cần demosaicing. Cảm biến này được gọi là Foveon X3, chữ X3 chính là ba lớp.

2002: Sigma SD9 và chuyện đếm điểm ảnh

Năm 2002, Sigma SD9 là máy đầu tiên dùng Foveon X3. Cảm biến có khoảng 3,5 triệu vị trí, mỗi vị trí ba lớp, nên hãng ghi 10,2 triệu điểm ảnh.

Con số đó gây tranh cãi khá lâu. Bên ủng hộ nói: mỗi vị trí đo ba giá trị thật, cộng lại là đúng. Bên kia nói: ảnh ra chỉ có 3,5 triệu vị trí, so với máy Bayer thì phải tính 3,5 triệu. Mình thấy cả hai đều có lý, vì hai loại cảm biến đang đếm hai thứ khác nhau: một bên đếm vị trí, một bên đếm số đo.

Merrill và Quattro: hai đời sau

Năm 2008, Sigma mua lại Foveon. Năm 2012, dòng cảm biến mới mang tên Merrill, để tưởng nhớ Dick Merrill, người góp công lớn làm ra Foveon. Mỗi lớp khoảng 15 triệu điểm ảnh, ba lớp đều nhau như đời đầu.

Năm 2014 có thế hệ Quattro, chia theo tỉ lệ 1:1:4. Lớp trên cùng có số điểm ảnh gấp bốn lần, lo phần chi tiết sáng tối và màu xanh dương. Hai lớp dưới thưa hơn, chỉ lo màu. Làm vậy để bớt khối dữ liệu phải xử lý, mà độ nét vẫn giữ được, vì phần nét của ảnh nằm chủ yếu ở lớp sáng tối phía trên.

Thế hệ	Năm	Cách xếp lớp
Foveon X3	2002, Sigma SD9	Ba lớp đều, khoảng 3,5 triệu vị trí, hãng ghi 10,2 triệu điểm ảnh
Merrill	2012	Ba lớp đều, mỗi lớp khoảng 15 triệu điểm ảnh
Quattro	2014	Tỉ lệ 1:1:4, lớp trên dày gấp bốn, hai lớp dưới chỉ lo màu

Được gì, mất gì: Foveon look

Điểm mạnh dễ thấy: ở ISO thấp, chi tiết rất mịn, màu không bị màu giả kiểu moiré, vì không có bước đoán nào chen vào giữa. Nhiều người gọi đó là Foveon look, và có người mê tới mức giữ máy chỉ để chụp phong cảnh, tĩnh vật ban ngày.

Đổi lại, ba lớp silicon không tách màu gọn gàng như ô lọc. Màu này vẫn lọt một phần sang lớp của màu kia, phần chồng lấn đó phải tính toán nặng để gỡ ra. Bài ISO đã nói tăng ISO là khuếch đại cả tín hiệu lẫn nhiễu; ở đây nhiễu còn đi qua thêm bước gỡ màu, nên lên ISO cao nhiễu tăng nhanh. Xử lý cũng chậm và tốn điện hơn.

Một ý tưởng đẹp, và cái giá của nó rơi đúng vào chỗ người chụp hằng ngày hay cần: thiếu sáng và chụp nhanh. Không có đúng sai, chỉ có hợp với bạn hay không.

Bây giờ Foveon ở đâu

Chính Sigma cũng dùng Bayer trên máy fp, nên đừng nghĩ Foveon là thứ hãng gắn lên mọi máy. Còn Foveon full-frame thì đã được làm nhiều năm. Tại CP+ 2026, tổng giám đốc Kazuto Yamaki cho biết dự án vẫn tiến triển, có thể bước sang giai đoạn sản xuất cảm biến kích thước thật trong năm nay, nhưng chưa nêu ngày ra mắt.

Mình thấy đó là cách nói thật: còn làm, chưa xong, không hứa. Một ý tưởng từ 1997 mà tới giờ vẫn có người kiên trì theo, với mình là chuyện đáng kể.

Ghi nhớ nhanh

• Bayer, X-Trans: mỗi điểm ảnh một màu, hai màu còn lại đoán bằng demosaicing.
• Foveon X3: ba lớp photodiode chồng nhau, nhờ silicon hấp thụ xanh dương nông, đỏ sâu; đo đủ ba màu, không cần ô lọc.
• Sigma SD9 năm 2002 là máy đầu dùng Foveon; Merrill 2012 ba lớp đều; Quattro 2014 chia 1:1:4.
• Được: ISO thấp chi tiết mịn, không màu giả. Mất: ISO cao nhiễu tăng nhanh, xử lý chậm, tốn điện hơn.
• Foveon full-frame vẫn đang làm, chưa có ngày ra mắt.

Vậy là trọn bộ cảm biến: CCD, CMOS, X-Trans và Foveon. Nếu một ngày Foveon full-frame ra thật, bạn có muốn mượn chụp thử một buổi phong cảnh ISO thấp không, hay với bạn chụp thiếu sáng mới là chuyện quan trọng? Kể mình nghe bạn nghiêng về bên nào.