نگاهی به سنسور دوربین های موبایل؛ چرا مگاپیکسل اهمیتی ندارد؟
ديجياتو/ اگر تا امروز موبايل يا دوربين خريده باشيد، واژه ي «مگاپيکسل» را هم شنيده ايد که يک عدد احتمالاً دو رقمي هم همراهش مي آيد. شرکت هاي سازنده در تبليغ محصولاتشان روي اين عدد خيلي مانور مي دهند و در چنين شرايطي حتماً شما هم وسوسه مي شويد دوربيني با رزولوشن بالاتر بخريد، اما آيا رزولوشن بيشتر به معناي کيفيت بهتر است؟ روزهاي اوليه عکاسي ديجيتال اگر خيلي خوش شانس بوديد يک دوربين 1.2 مگاپيکسلي به دستتان مي رسيد، چيزي در حد وبکم لپ تاپ هاي امروزي. الان دوربين هاي کامپکت حدود 15 تا 20 مگاپيکسلي و دوربين هاي DSLR سطح متوسط هم 20 تا 25 مگاپيکسلي هستند، اما از طرفي بعضي گوشي ها را مي بينيم که رزولوشن خيلي بالايي دارند؛ مثل لوميا 1020 با حسگر 41 مگاپيکسلي، يا پرچمداران اخير هواوي با حسگر 40 مگاپيکسلي. طبيعتاً انتظار نداريد که اين گوشي ها بهتر از يک دوربين DSLR عکس بگيرند، بنابراين به سادگي مي توان دريافت که رزولوشن به تنهايي کافي نيست. در ادامه اين موضوع را بيشتر بررسي مي کنيم. سنسور دوربين چيست؟ سنسور دوربين يا همان حسگر تصوير، يک وسيله الکترونيکي است که اطلاعات نور را پس از عبور از ميان دريچه لنز (که به روزنه يا اپرچر معروف است) جمع آوري مي کند. اين اطلاعات مي تواند مواردي نظير رنگ و شدت نور را در بر بگيرد. مدت زمان جذب نور توسط سنسور هم اهميت زيادي دارد که از طريق سرعت شاتر تعيين مي شود. يکي ديگر از پارامترهاي مهم سنسورهاي دوربين، توانايي تقويت اطلاعات نور دريافتي در زمان انتقال به دنياي ديجيتال و ذخيره سازي به عنوان فايل است که با مقدار ISO تعريف مي شود. البته اين تقويت سيگنال هميشه به بهاي افزايش نويز تصوير تمام مي شود، در نتيجه بهتر است تا جاي ممکن نور ورودي را افزايش دهيم. حسگرهاي تصوير به دو دسته اصلي تقسيم مي شوند؛ حسگرهاي CMOS (نيم رساناي اکسيد فلزي مکمل) و حسگرهاي CCD (دستگاه بار جفت شده). در اين مطلب نيازي به بيان تفاوت هاي دو نوع حسگر نيست و فقط کافيست بدانيد به دليل عملکرد بهتر و هزينه کمتر، تقريباً تمام دوربين هاي ديجيتال کنوني (از جمله دوربين هاي موبايل) به حسگرهاي CMOS مجهز هستند. حسگرهاي CMOS را مي توان بر اساس ابعاد فيزيکي (سطح دريافت کننده اطلاعات نور که بر حسب اينچ بيان مي شود) و تعداد پيکسل هاي موجود در سطح (همان مگاپيکسل) دسته بندي نمود. پيکسل چيست؟ همان طور که گفتيم، سنسور دوربين يک صفحه مستطيلي است که از ميليون ها پيکسل مربعي کوچک تشکيل شده. پيکسل ها وظيفه جمع آوري اطلاعات نور را بر عهده دارند. هر پيکسل فقط يک بخش کوچک از تصوير، يعني فقط يک رنگ را ثبت مي کند و نه بيشتر از آن. نهايتاً ترکيب ميليون ها پيکسل، تصويري که مي بينيم را تشکيل مي دهد. براي اينکه کارکرد پيکسل ها را بهتر درک کنيد، تصوير زير را که با گلکسي اس 9 پلاس ثبت شده است ببينيد: همان طور که مي بينيد با بزرگنمايي کافي مشخص مي شود که هر پيکسل فقط يک رنگ خاص را به ثبت رسانده است و هيچ اطلاعات ديگري را ارائه نمي دهد. اگر تمام پارامترهاي عکاسي مانند سرعت شاتر، ايزو و اپرچر به درستي تنظيم شده باشند، هر پيکسل دقيقاً همان رنگي را ثبت مي کند که عکاس با چشمانش مي بيند. مگاپيکسل که به يک واحد سنجش استاندارد در دنياي تکنولوژي تبديل شده، به معناي يک ميليون پيکسل است. به عنوان مثال دوربين اصلي گلکسي اس 9 پلاس که حسگر 12 مگاپيکسلي دارد، عکس هايي با رزولوشن 3024×4032 پيکسل ثبت مي کند. با ضرب اين دو عدد به رقم 12,192,768 يا همان 12 مگاپيکسل مي رسيم. براي اندازه گيري و نمايش ابعاد پيکسل ها از واحد ميکرومتر يا همان ميکرون استفاده مي کنند. اندازه پيکسل ها از حدود 1 ميکرون در گوشي هاي موبايل تا حدود 8.4 ميکرون در حسگرهاي فول فريم متغير است. چرا رزولوشن ديگر اهميتي ندارد؟ واقعيت اين است که تمام دوربين هاي موبايل، رزولوشن کافي و حتي بيش از اندازه دارند. شما تصاوير و ويديوهاي ضبط شده را روي مانيتورهاي فول اچ دي يا نهايتاً تلويزيون هاي 4K تماشا مي کنيد، که به ترتيب رزولوشن 2.1 و 8.3 مگاپيکسل دارند، يعني به مراتب کمتر از رزولوشن دورقمي دوربين موبايل. بنابراين در حالت عادي نمي توان تفاوت رزولوشن يک عکس 12 مگاپيکسلي و يک عکس 40 مگاپيکسلي را تشخيص داد. مثلاً تصوير بالا دو عکس با رزولوشن 12 مگاپيکسل (سمت چپ) و 6 مگاپيکسل (سمت راست) را روي نمايشگر تمام اچ دي نشان مي دهد. رزولوشن بالاتر از 8 مگاپيکسل فقط به درد کراپ کردن و بزرگنمايي مي خورد. اگر يک گوشي با دوربين 12 مگاپيکسلي داشته باشيد، مي توانيد تصوير خروجي را تا 50 درصد بزرگ کنيد و باز هم افت کيفيت محسوسي را روي تلويزيون ها يا نمايشگرهاي 4K احساس نکنيد. مثلاً عکس فوق با دوربين 12 مگاپيکسلي گلکسي اس 9 پلاس ثبت شده؛ سمت چپ عکس با سايز اصلي و سمت راست عکس کراپ شده با بزرگنمايي 50 درصدي را مي بينيد که تفاوت محسوسي با هم ندارند. بنابراين بايد به دنبال فاکتورهاي ديگري باشيم که تفاوت کيفيت در عکس دوربين هاي موبايل را رقم مي زنند. پس چه چيزي اهميت دارد؟ همان طور که گفتيم، رزولوشن بالا به تنهايي دليلي بر افزايش کيفيت تصوير نيست و حتي مي تواند تأثير منفي داشته باشد. دو پارامتر مهمي که بايد به آنها توجه کنيم، اندازه حسگر و اندازه پيکسل ها هستند. البته هر سه ويژگي فوق يعني اندازه حسگر، اندازه پيکسل و رزولوشن با يکديگر ارتباط دارند و هنر سازندگان موبايل (و دوربين) اين است که بتوانند ترکيب ايده آلي از اين سه را در محصولشان به کار بگيرند. هدف اصلي اين است که پيکسل ها را بزرگ تر کنيم، چون پيکسل بزرگ تر به معناي توانايي بيشتر براي جذب اطلاعات نور است و نويز کمتر و کارآيي بهتري را در نور کم به همراه خواهد داشت. البته نمي توانيم پيکسل ها را بيش از حد بزرگ کنيم، چون در اين صورت رزولوشن نهايي عکس ها خيلي پايين مي آيد. از طرفي اگر رزولوشن را بيش از حد افزايش دهيم، اندازه پيکسل ها کوچک و کوچک تر خواهد شد و توانايي جذب نور آنها تا حدي کاهش خواهد يافت که فقط زير نور آفتاب مي توان عکس مناسبي را ثبت کرد. اگر بخواهيم هم رزولوشن و هم اندازه پيکسل ها را افزايش دهيم، تنها يک راه پيش رو داريم: حسگر بزرگ تري را به کار بگيريم، يعني همان کاري که نوکيا در مدل هاي 808 PureView و لوميا 1020 انجام داد. کافيست به تصوير زير نگاه کنيد تا ابعاد حسگرهاي غول پيکر اين دو گوشي در مقايسه با حسگرهاي معمول آيفون ها و گلکسي ها دستتان بيايد. هواوي هم در پرچمداران جديدش يعني پي 20 پرو و ميت 20 پرو از همين راهکار استفاده کرده و حسگر 1/1.7 اينچي با رزولوشن 40 مگاپيکسل را به کار گرفته تا بتواند در صدر جدول DxOMark جا خوش کند. در زير تصوير سه دوربين اصلي پي 20 پرو را مي بينيد. حسگر اصلي 1/1.7 اينچي در وسط، حسگر مونوکروم 1/2.7 اينچي در سمت چپ و حسگر تله فوتوي 1/4 اينچي در سمت راست قرار گرفته است. اما نکته مهم اينجاست که حتي چنين حسگر بزرگي هم براي رزولوشن 40 مگاپيکسل کافي نيست و پيکسل هاي سنسور 1/1.7 اينچي هواوي هم به خاطر ابعاد کوچک، به تنهايي در جذب نور موفق نيستند. هواوي براي جبران اين موضوع از فناوري Quad Bayer و روش «پيکسل بينينگ» استفاده کرده که معايب و مزاياي خودش را دارد و در موقعيت مناسب به آن خواهيم پرداخت. گفتنيست سوني هم به تازگي اولين سنسور 48 مگاپيکسلي دنياي موبايل را معرفي کرده است. اين سنسور 1/2 اينچي با پيکسل هاي 0.8 ميکروني از فناوري Quad Bayer و پيکسل بينينگ استفاده مي کند ولي براي ارزيابي کيفيت آن در شرايط نوري مختلف بايد منتظر بمانيم. آيا افزايش اندازه حسگر ضرورت دارد؟ طراحي و ساخت موبايل همين حالا هم با مشکلات و چالش هاي متعدد فني و مهندسي روبروست؛ حالا اگر بخواهيم سنسور دوربين ها را هم بزرگ تر کنيم، اوضاع سخت تر خواهد شد. ظاهراً سازندگان برتر دنياي موبايل يعني سامسونگ، اپل و گوگل هنوز چنين نيازي را احساس نکرده اند، چون اگر نگاهي به مشخصات دوربين جديدترين محصولات آنها يعني گلکسي اس 9 و اس 9 پلاس، گلکسي نوت 9، آيفون XS و پيکسل 3 بيندازيم، مي بينيم همگي به حسگر 1/2.5 اينچي 12 مگاپيکسلي مجهزند. با اين ترکيب، اندازه هر پيکسل به 1.4 ميکرون مي رسد که در حال حاضر رقم ايده آل براي گوشي هاي موبايل است. جالب اينجاست که اکثر محصولات رده بالاي فهرست DxOMark (مواردي که گفتيم به علاوه اچ تي سي +U12، شيائومي مي ميکس 3 و مي 8) هم از سنسوري با همين مشخصات استفاده مي کنند. در نتيجه بيشتر شرکت ها تلاش خودشان را روي بخش نرم افزاري معطوف کرده اند تا بتوانند از همين حسگر معمول بهترين نتيجه را بگيرند. در واقع اهميت الگوريتم هاي پردازش تصوير براي توليد عکس نهايي اگر بيشتر از ويژگي هاي سخت افزاري نباشد، کمتر نيست. مثلاً سوني در پرچمداران چند سال اخيرش از حسگر بزرگ 1/2.3 اينچي Exmor RS با رزولوشن 19 مگاپيکسل استفاده کرده ولي اثري از نام محصولاتش در ليست DxOMark به چشم نمي خورد. در مقابل گوگل بدون افزايش تعداد دوربين ها هميشه رده هاي بالاي جدول مورد بحث را به خود اختصاص مي دهد. جمع بندي همان طور که گفتيم رزولوشن به تنهايي عدد نامفهومي است و فقط در کنار ديگر مشخصات سخت افزاري دوربين معنا پيدا مي کند. بنابراين اولين و مهم ترين عدد در مشخصات دوربين موبايل، اندازه پيکسل است که طبق قانون «هرچه بزرگ تر، بهتر» جواب مي دهد، هرچند شرکت هاي سازنده معمولاً آن را به وضوح اعلام نمي کنند. پس از آن بايد توجه ويژه اي به گشودگي ديافراگم داشته باشيم چون هرچه اپرچر بازتر باشد، نور دريافتي حسگر و کيفيت عکس خروجي (به ويژه در نور کم) بهتر خواهد بود. قابليت تغيير اپرچر امکانات زيادي را در اختيار شما قرار مي دهد اما فعلاً فقط پرچمداران اخير سامسونگ يعني گلکسي اس 9، گلکسي اس 9 پلاس و گلکسي نوت 9 به اين ويژگي مجهز هستند. در اين مطلب به شکل ويژه به قابليت تغيير گشودگي ديافراگم در گلکسي اس 9 پرداخته ايم. نهايتاً بايد مواردي نظير قابليت بزرگنمايي اپتيکال، توانايي ذخيره عکس با فرمت خام (RAW) و تنظيمات دستي کامل را در نظر گرفت که البته در اکثر پرچمدار کنوني بازار حضور دارند و نمي توان آنها را به تنهايي، مزيتي رقابتي به شمار آورد.