Cảm biến ảnh thiên văn và xử lý màu sắc trong ảnh thiên văn

FastEhome.com- Đăng kí mở Shop bán hàng miễn phí Tính tới thời điểm hiện tại, câu hỏi mà tôi được “chất vấn” nhiều nhất trên các trang mạng đó là, tại sao ảnh gốc thu trực tiếp từ gần như mọi kính thiên văn lại ra có màu đen trắng? Trong khi đó, ảnh mọi đối tượng trên bầu trời sau khi được xử lý lại có màu sắc xanh đỏ vô cùng lộng lẫy và tạo cảm giác gần như “siêu thực”!?

Khi ngắm nhìn những hình ảnh như vậy, nhiều bạn đã không ngần ngại chốt thẳng những câu nói không hay, cho rằng màu sắc đạt được do quá trình bôi trát “bừa bãi” hay “chỉnh sửa tung tóe” bằng phần mềm đồ họa mà ra! Tôi có thể cam đoan rằng, những phán đoán đó là hoàn toàn không chính xác và mọi hình ảnh mà các bạn đang xem của tôi, của NASA hay của bất kỳ người chơi ảnh thiên văn nghiệp dư nào, chúng đều có ý nghĩa nào đó về mặt thực tiễn quan sát và mang giá trị khoa học nhất định. Chúng ta sẽ cùng xem xét kĩ hơn ở phần dưới đây.

1. Tại sao lại là ảnh gốc đen trắng?


Hình ảnh minh họa cấu trúc của một cảm biến thu ảnh có màu trên camera dân dụng. Ảnh: wikipedia.

Trước tiên, chúng ta sẽ tìm hiểu cấu trúc của loại cảm biến thu hình có màu (color) đang được sử dụng rộng rãi hiện nay trên camera điện thoại, webcam, máy ảnh số compact, mirroless và DSLR…

Về bản chất, loại cảm biến này có hàng triệu các ô thu sáng nằm sát cạnh nhau gọi là các photodiode, thể hiện bằng khu vực màu xám trên ảnh. Mỗi photodiode được phủ một kính lọc sắc ở phía trên. Bốn photodiode nằm cạnh nhau phủ bốn kính lọc, đa phần có cách sắp xếp như sau: một kính lọc đỏ (red) so le với hai kính lọc lục (green) và một kính lọc lam (blue). Hãy lưu ý rằng, trong một khu vực bốn photodiode nằm cạnh nhau, số kính lọc lục phủ lên bao giờ cũng gấp đôi số kính lọc đỏ hoặc lam do đặc tính sinh lý của mắt người nhạy cảm với màu lục hơn là đỏ và lam. Một khu vực gồm photodiode, kính lọc sắc và hệ thống mạch điện phụ trợ xung quanh nhằm biểu thị màu như vậy gọi là một điểm ảnh hay một pixel.

Dưới tác dụng của kính lọc sắc, một pixel tự bản thân nó chỉ cho phép thu trực tiếp một màu trong ba màu gốc. Một thuật toán xử lý ảnh đặc biệt gọi là Demosaicing sẽ được áp dụng để nội suy hai màu còn lại trên pixel dựa vào thông tin của các pixel lân cận nó. Khi có đủ ba màu gốc để kết hợp lại với nhau, pixel đó có khả năng thể hiện toàn bộ các màu sắc khác theo mô hình màu RGB. Do một cảm biến bé xíu có tới hàng triệu pixel, mỗi pixel thể hiện một màu sắc nhất định nên khi gộp chung lại, chúng ta sẽ có bức ảnh tổng thể về đối tượng cần thu hình. Mạng lưới khổng lồ các kính lọc nằm phủ lên phía trên bề mặt thu sáng của cảm biến với cách sắp xếp như trên gọi là ma trận Bayer (Bayer matrix).


Sự khác biệt ở cảm biến monochrome và cảm biến color. Ảnh: Hi Speed Cameras
Khác với các cảm biến có màu (color) đang khá phổ biến trên thị trường thì cảm biến đơn sắc (monochrome) chỉ được sử dụng tương đối hạn chế trong một số ứng dụng chuyên ngành. Đối với cảm biến đơn sắc, không có sự xuất hiện của ma trận Bayer và thuật toán Demosaicing. Trong nhiếp ảnh thiên văn, loại cảm biến đơn sắc được sử dụng rất rộng rãi do những ưu điểm vượt trội sau:

• Ma trận Bayer chứa một lớp kính lọc sắc. Tất nhiên, ánh sáng khi truyền qua một lớp kính với nhiều thành phần nhỏ xíu như vậy thì chắc chắn sẽ bị tiêu hao do nhiều nguyên nhân như phản xạ trên bề mặt, hấp thụ, khúc xạ không đều trong lòng kính lọc hay truyền lẫn sang nhau... Vì vậy, cảm biến đơn sắc không có Bayer matrix nên cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành tín hiệu điện cao hơn so với cảm biến color.

• Đối với cảm biến monochrome, quá trình tái tạo ảnh không cần sử dụng tới thuật toán nội suy Demosaicing. Do đó, cùng tổng số lượng điểm ảnh, cảm biến monochrome luôn cho độ sắc nét tốt hơn một chút "người anh em" có màu của mình.

Mô phỏng một hệ thống thu ảnh thiên văn cơ bản bao gồm: kính thiên văn tạo ảnh, đĩa xoay chứa kính lọc và cảm biến đơn sắc thu ảnh. Ảnh: Đài quan sát Nam Hà Nội.

• Một trong những nguyên nhân quan trọng nhất khiến cho cảm biến đơn sắc được sử dụng nhiều trong nhiếp ảnh thiên văn, đặc biệt trong lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu là vì: loại cảm biến này có thể kết hợp với rất nhiều kính lọc quang phổ bên ngoài mà không bị giới hạn như cảm biến color.

Những loại kính lọc này không chỉ có những loại thể hiện bước sóng nhìn thấy của mắt người với 3 màu đỏ, lục, lam mà còn vượt xa hơn thế, đôi khi còn được sử dụng ở cả phổ hồng ngoại và tử ngoại. Thậm chí ngay cả trong phổ nhìn thấy của mắt người, một số loại kính lọc nguyên tố được chế tạo đặc biệt có thể cho truyền qua vài nanomet bước sóng cực kỳ hẹp và loại bỏ gần như 99% ánh sáng ô nhiễm tới từ môi trường. Do đó, loại kính lọc này khi đi với cảm biến monochrome thì rất được dân chơi ảnh thiên văn ưa chuộng, đặc biệt là những người đang sống trong các thành phố lớn hay các khu vực gần sây bay, khu công nghiệp với mật độ ô nhiễm ánh sáng cao.

• Một số loại cảm biến đắt tiền được đặc chế cho nghiên cứu thiên văn học có thể được nhà sản xuất tối ưu nhiều thông số có lợi cho lĩnh vực nghiên cứu đó. Đôi khi, những đặc tính của cảm biến đơn sắc dùng trong thiên văn học khác xa cảm biến color trên máy ảnh dân dụng. Một khi đã là lĩnh vực chuyên sâu thì những khái niệm thông thường như “đua độ phân giải”, “quay phim 4K, 8K” hay “đọ tốc chụp nhanh”… không còn nhiều ý nghĩa.

Một hệ thống thu ảnh gồm 2 kính thiên văn, 2 camera thu và hệ thống phụ trợ như thế này có giá hàng trăm triệu đồng tại Việt Nam. Ảnh: Đài quan sát Nam Hà Nội.

Vậy nhược điểm của cảm biến monochrome là gì? Chúng ta có thể kể ra một vài ý chính như sau:

• Ảnh xuất ra là ảnh đen trắng hoàn toàn! Để tạo ra một bức ảnh màu giống như những gì mà cảm biến color thể hiện được, chúng ta cần thu hình thông qua 3 kính lọc đỏ, lục, lam rồi kết hợp chúng lại với nhau giống như vai trò của ma trận Bayer. Mỗi một lần, cảm biến monochrome chỉ thu được hình từ một loại kính lọc nhất định. Do đó, đối với 3 loại kính lọc đã nêu trên, chúng ta cần thu 3 lần liền mạch và gộp màu bằng phần mềm đồ họa. Nói chung, quá trình này tốn khá nhiều thời gian và chúng ta chỉ có thể biết được màu sắc cuối cùng sau khi kết hợp xử lý trên máy tính, không có chuyện “chụp xong xem luôn” như máy ảnh dân dụng.

• Cảm biến monochrome không được sản xuất rộng rãi nên có giá thành đắt đỏ, đặc biệt có những chiếc camera dành cho nghiên cứu thiên văn thậm chí đắt ngang chiếc xế hộp hạng sang.

• Quá trình sử dụng rất phức tạp, cần có phần mềm thu hình cũng như xử lý chuyên sâu, không dành cho đại đa số người dùng.

Hiện nay, có một số người dùng trên youtube và vài cửa hàng nhỏ trên thế giới đã thực hiện thành công việc “bóc” lớp ma trận Bayer trên sensor máy ảnh nhằm biến chúng thành loại đơn sắc. Đây có thể coi là một giải pháp khá hiệu quả, tuy nhiên vẫn tiềm ẩn nguy cơ thất bại với những người không chuyên và tất nhiên, loại cảm biến mod này chắc chắn vẫn không thể nào mạnh mẽ bằng những chiếc sensor monochrome “chính thống” dành cho ảnh thiên văn.
2. Cơ chế xử lý màu sắc trên ảnh thiên văn


Cơ chế tạo ảnh màu thật của thiên hà Mũ Vành Rộng từ ba kính lọc cơ bản: đỏ, lục và lam. Ảnh: Đài quan sát Nam Hà Nội.
Sau thu ảnh bằng camera đơn sắc thông qua bộ kính lọc đỏ, lục và lam, chúng ta sẽ có ba ảnh trắng – đen thể hiện cường độ tín hiệu của từng dải phổ. Ba ảnh này sau đó sẽ được trải qua công đoạn “phủ” hay “gán” với kênh màu tương ứng, rồi gộp chung lại với nhau để tạo ra bức ảnh RGB hoàn chỉnh bằng phần mềm xử lý ảnh. Bức ảnh cuối cùng nhìn chung sẽ bao phủ toàn bộ phần quang phổ ánh sáng mà mắt người có thể cảm nhận được. Do đó, những ảnh này được coi là đem lại trải nghiệm “tương đối” giống với những gì mà chúng ta nhận thức được về màu sắc của thế giới xung quanh.



Cơ chế tạo nên ảnh của tinh vân Helix thông qua ba kính lọc nguyên tố là Hidrogen-alpha, Sulfur-II và Oxygen-III. Ảnh màu cuối cùng được tạo ra nhưng không trùng khớp với cảm nhận của mắt người nên được coi là ảnh màu giả. Ảnh: Đài quan sát Nam Hà Nội.
Tuy nhiên, khác với mắt người, camera đơn sắc còn rất nhạy cảm với các loại bức xạ nằm ngoài vùng khả kiến như tia hồng ngoại và tử ngoại. Vì không thể “nhìn” thấy được chúng nên coi như con người không hề có khái niệm về màu sắc đối với vùng quang phổ này. Để tiện cho việc minh họa trên sách báo cũng như nghiên cứu chuyên sâu sau này, đôi khi những hình ảnh trắng – đen thu tại bước sóng hồng ngoại, tử ngoại cũng được “gán tạm” một màu sắc mà mắt người có thể nhận biết được. Hình ảnh tổng hợp lại tất nhiên vẫn có màu sắc rất lung linh nhưng không hề phản ánh đúng những gì mà chúng ta nhìn được trực tiếp về vật thể. Do đó, màu sắc trên những bức hình kiểu này đôi khi được gọi theo kiểu nghiệp dư là màu giả (false color). Quá trình tạo nên ảnh màu giả thậm chí không chỉ dừng lại ở phổ hồng ngoại và tử ngoại mà còn mở rộng ra các loại bước sóng khác như radio, tia X, tia gamma… thu bằng các loại kính thiên văn chuyên biệt khác.



Ảnh chụp thiên hà Chong Chóng qua các bước sóng (từ trái qua phải): hồng ngoại, khả kiến và tia X. Nguồn: NASA.

Ảnh narrowband (ảnh băng hẹp) cũng là một dạng ảnh màu giả do các ảnh thành phần được thu thông qua bộ kính lọc nguyên tố và được gán một số màu sắc tượng trưng trong quá trình xử lý trên máy tính.
Ảnh màu giả bắt buộc phải được tạo nên từ ít nhất hai ảnh thành phần chụp tại hai bước sóng khác nhau. Nếu chỉ có một kênh màu thì không đủ dữ liệu để tạo nên một bức ảnh màu đầy đủ.

3. Tại sao cần ảnh màu giả


Ảnh tinh vân Đại Bàng chụp trong phổ RGB bằng máy ảnh Canon 350D (trên) và trong phổ narrowband bằng máy thu chuyên dụng (dưới). Ảnh màu giả thu trong phổ narrowband cho độ chi tiết và tương phản cao hơn, cho biết các thành phần hóa học trong tinh vân biểu thị dưới dạng màu sắc: nâu đỏ là lưu huỳnh, vàng cam là hidrogen và xanh dương là oxygen. Ảnh: Đài quan sát Nam Hà Nội.

Ảnh màu giả được thu tại các bước sóng khác hoàn toàn với cảm nhận của mắt người. Tại các bước sóng này, đôi khi có thể đem lại nhiều thông tin về cần đối tượng ghi hình như nhiệt độ, tính chất vật lý – hóa học, thành phần cấu tạo, năng lượng bức xạ… mà ảnh thu tại phổ RGB không thể hiện được hết. Do đó, ảnh màu giả đóng vai trò như một dạng dữ liệu phục vụ khoa học. Ngoài ra, ảnh được chụp bằng kính lọc nguyên tố thường có độ tương phản cao hơn nhiều ảnh chụp tại phổ RGB, giúp thể hiện được các chi tiết mờ tối trong lòng các tinh vân phát xạ mà không cần thời gian phơi sáng quá dài cũng như không bị ảnh hưởng nhiều bởi ô nhiễm ánh sáng. Do vậy, ảnh màu giả có thể giúp đem lại cái nhìn “trực quan” và tổng thể nhất về các thiên thể trên bầu trời so với dải bước sóng khá hẹp của phổ khả kiến. Đối với những người không chuyên, đôi khi những hình ảnh quá lung linh, rực rỡ lại gây ra những nghi vấn không đáng có. Tuy nhiên, chúng ta cần thống nhất với nhau một vài điều về nhiếp ảnh thiên văn:

• Ảnh thiên văn được thực hiện bằng thiết bị chuyên dụng với thời gian phơi sáng rất dài, tổng cộng có thể lên tới hàng chục, hàng trăm giờ đồng hồ. Do đó, nếu xét riêng về mức độ tái hiện được các chi tiết tối cũng như khả năng nhạy cảm màu sắc với các đối tượng trên bầu trời thì ảnh thiên văn có thể vượt trội hơn mắt người tới hàng triệu lần.

• Máy ảnh thông dụng như DSLR, camera phone càng tốt thì càng tái hiện chính xác những gì mà mắt người cảm nhận được. Tuy nhiên, mắt người không phải là công cụ toàn năng giúp con người khám phá sâu trong vũ trụ. Mắt người không thể cảm nhận được sóng radio truyền đi từ chân trời sự kiện của hố đen, không thể “nhìn” thấy tia hồng ngoại xuyên qua các đám bụi khí của dải Ngân Hà… Thậm chí ngay trong cả dải sóng ánh sáng mà chúng ta vẫn cảm nhận được hằng ngày, đôi mắt vẫn có những “lỗ hổng” nhất định. Do đó, nhiếp ảnh thiên văn ra đời để giúp con người có cái nhìn tổng thể và đa chiều nhất về vũ trụ. Những thiết bị phục vụ nhiếp ảnh thiên văn có những đặc tính tốt phục vụ riêng chuyên ngành mà nó hướng đến chứ không phải tìm cách “bắt chước” giống với mắt người nhất có thể.

Thuật toán deconvolution được vận dụng hiệu quả trong ảnh thiên văn để khôi phục và cải thiện hình ảnh bị hư hại tới từ những rung động nhỏ của hệ thống quang học, nhiễu động khí quyển và một số loại tạp nhiễu đặc biệt. Ngoài ra, ảnh thiên văn có thể áp dụng hàng trăm thuật toán xử lý ảnh phức tạp khác. Ảnh: wikipedia.


Những bức ảnh thiên văn trước khi đến với công chúng đã trải qua hàng trăm khâu xử lý phức tạp bằng phần mềm chuyên dụng. Tuy nhiên, việc xử lý ở đây thông thường tuân theo các nguyên tắc chặt chẽ và được công nhận rộng rãi trong giới khoa học. Các thuật toán xử lý trong ảnh thiên văn cũng được kiểm chứng và áp dụng một cách có tính toán nhằm không làm ảnh hưởng tới kết quả khách quan thu được. Ảnh thiên văn không chấp nhận bất kỳ sự “tô vẽ” hay “thêm thắt” chi tiết lạ nào như một số thuyết âm mưu của các bạn thiếu kiến thức hay đồn đại.