Nghệ thuật mới: Dùng tàu điện làm máy quét phẳng 200 triệu pixel

Một kỹ sư đam mê nhiếp ảnh đã tạo ra một hệ thống camera đặc biệt, biến chuyến tàu điện thành một máy quét khổng lồ. Thay vì chụp một bức ảnh tĩnh, camera này liên tục ghi lại một dòng pixel mỏng từ cửa sổ, rồi ghép hàng nghìn dòng đó lại thành một bức ảnh toàn cảnh có chi tiết đến kinh ngạc. Dự án đặt ra nhiều thử thách về kỹ thuật phần cứng, đồng bộ dữ liệu và xử lý ảnh, đồng thời mở ra một hướng sáng tạo mới trong nhiếp ảnh kỹ thuật số.

Ý tưởng táo bạo: Từ máy quét phim đến camera tàu điện

Vào những năm 1990, cảm biến máy ảnh kỹ thuật số chưa đạt độ phân giải và kích thước tương đương phim cỡ lớn (large format), nên các nhà sản xuất đã phát triển scanning back — một thiết bị quét một dòng pixel (hoặc ba dòng cho màu) ngang qua khung hình để tạo ảnh độ phân giải cao. Cách tiếp cận này vẫn rẻ hơn nhiều so với việc chế tạo một cảm biến khổng lồ.

Tác giả của dự án đã suy nghĩ: "Nếu toàn bộ máy ảnh di chuyển còn chủ thể đứng yên thì sao?" Thay vì quét chủ thể, ông đặt camera trên một phương tiện đang di chuyển — đó chính là tàu điện. Khi tàu chạy, camera liên tục chụp một dòng pixel dọc (slit) từ khung cảnh bên ngoài. Mỗi dòng pixel tương ứng với một vị trí khác nhau của tàu trên đường ray, ghép chúng lại theo thứ tự thời gian sẽ tạo ra một bức ảnh hoàn chỉnh.

Kết quả ban đầu khá tệ: ảnh bị nén, méo mó vì tốc độ tàu không đều và thiếu dữ liệu chuyển động. Nhưng tác giả không bỏ cuộc.

Phần cứng: Camera công nghiệp cũ + cảm biến gia tốc

Để có đủ số dòng pixel mỗi giây, tác giả đã tìm đến một chiếc camera công nghiệp Basler ruL2048-19gm, vốn được thiết kế để quét băng chuyền tốc độ cao. Camera này có thể đọc cảm biến 1x2048 pixel gần 19.000 lần mỗi giây. Giá mới khoảng 700 USD, nhưng tác giả may mắn mua được trên eBay chỉ bằng 1/10 giá đó.

Vì chụp nhanh, camera cần rất nhiều ánh sáng — chỉ có thể hoạt động vào ban ngày và ở những nơi sáng như nhà ga hoặc đường ray ngoài trời. Tác giả cũng phải tự in 3D một vỏ máy để gắn camera lên tripod, kèm theo một cảm biến gia tốc (accelerometer) để đo tốc độ di chuyển của tàu.

"Tôi mua các linh kiện từ McMaster-Carr và cảm thấy mình như một kỹ sư thực thụ."

Hệ thống kết nối qua Ethernet gigabit với laptop, và giao diện xem trước được viết riêng bằng thư viện Dear ImGUI — thay thế cho công cụ Pylon của hãng vốn rất khó sử dụng trên tàu.

Hậu kỳ: Cực hình với tốc độ, gia tốc và thị sai

Đây là phần khó nhất. Camera ghi khoảng 4.000 dòng mỗi giây, nhưng tác giả cần chọn đúng dòng để ghép lại thành ảnh đẹp. Dữ liệu từ cảm biến gia tốc không đo trực tiếp tốc độ, mà phải tích phân (integral) để ra vận tốc. Sai số tích lũy khiến ảnh bị kéo giãn hoặc nén sai chỗ.

Một vấn đề khác là thị sai (parallax): vật gần camera chuyển động nhanh hơn vật ở xa. Tác giả phải tự chọn thông số "khoảng cách mỗi pixel" cho từng đoạn ảnh, rồi ghép các đoạn lại trong GNU IMP để ra bức ảnh cuối cùng — nhiều khi quá lớn so với định dạng JPEG (tối đa 65.535×65.535 pixel) nên phải dùng TIFF.

Chương trình xử lý ảnh có tên grindstone, được viết lại nhờ sự giúp đỡ của người bạn Maddie — người đã biến nó thành một pipeline "hơi overengineered" với NumPy giúp thao tác dễ dàng hơn nhiều.

Camera màu: Thêm sắc màu, thêm thử thách

Sau khi hoàn thiện bản đen trắng, tác giả mua thêm một camera màu cùng thế hệ (Basler ruL2098-10gc). Camera này có ba dòng pixel riêng cho đỏ, lục, lam (RGB) — mỗi dòng nhìn thấy sự vật ở thời điểm hơi khác nhau, gây ra viền màu (color fringing) ở vật thể chuyển động nhanh hoặc ở xa.

Một vấn đề bất ngờ: cảm biến nhạy với ánh sáng hồng ngoại (IR) trên cả ba kênh, khiến lá cây trở nên trắng sáng bất thường. Giải pháp là dùng bộ lọc cắt UV/IR chỉ cho ánh sáng 400–700 nm đi qua, giúp màu sắc trở nên tự nhiên. Nhưng cũng chính vì nhạy IR, tác giả có thể thử nghiệm chụp ảnh hồng ngoại kỳ ảo — hứa hẹn nhiều tác phẩm độc đáo trong tương lai.

Nhìn lại và tương lai

Dự án này cho thấy sự kết hợp giữa phần cứng công nghiệp giá rẻ, khả năng lập trình và sáng tạo nghệ thuật có thể tạo ra những tác phẩm hoàn toàn mới. Mặc dù gặp không ít rắc rối như bị nhân viên an ninh ở ga Montréal hỏi "đang quay hay chụp ảnh?" (một câu hỏi triết học khó trả lời bằng tiếng Pháp), tác giả vẫn kiên trì mang camera đi khắp nơi.

Trong tương lai, tác giả hy vọng sẽ làm cho camera không phụ thuộc vào laptop, cải thiện việc đo tốc độ bằng bộ lọc Kálmán với dữ liệu GPS, và thử nghiệm nhiều hơn với ảnh hồng ngoại phong cách Aerochrome. Toàn bộ mã nguồn phần mềm đều được công khai trên GitHub cho cộng đồng tham khảo và phát triển tiếp.

Với người Việt, dự án này là một nguồn cảm hứng thú vị: tận dụng thiết bị cũ, sáng tạo trong cách nhìn thế giới, và không ngại thử thách kỹ thuật. Biết đâu, một ngày nào đó chúng ta lại thấy ai đó chụp ảnh từ tàu Cát Linh – Hà Đông hay metro Bến Thành theo cách này?

Ảnh minh họa camera gắn trên tàu

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của camera khe

Một tác phẩm từ dự án