نگاهی به سنسور دوربین های موبایل؛ چرا مگاپیکسل اهمیتی ندارد؟

اگر تا امروز موبایل یا دوربین خریده باشید، واژه ی «مگاپیکسل» را هم شنیده اید که یک عدد احتمالاً دو رقمی هم همراهش می آید. شرکت های سازنده در تبلیغ محصولاتشان روی این عدد خیلی مانور می دهند و در چنین شرایطی حتماً شما هم وسوسه می شوید دوربینی با رزولوشن بالاتر بخرید، اما آیا رزولوشن بیشتر به معنای کیفیت بهتر است؟

روزهای اولیه عکاسی دیجیتال اگر خیلی خوش شانس بودید یک دوربین 1.2 مگاپیکسلی به دستتان می رسید، چیزی در حد وبکم لپ تاپ های امروزی. الان دوربین های کامپکت حدود 15 تا 20 مگاپیکسلی و دوربین های DSLR سطح متوسط هم 20 تا 25 مگاپیکسلی هستند، اما از طرفی بعضی گوشی ها را می بینیم که رزولوشن خیلی بالایی دارند؛ مثل لومیا 1020 با حسگر 41 مگاپیکسلی، یا پرچمداران اخیر هواوی با حسگر 40 مگاپیکسلی. طبیعتاً انتظار ندارید که این گوشی ها بهتر از یک دوربین DSLR عکس بگیرند، بنابراین به سادگی می توان دریافت که رزولوشن به تنهایی کافی نیست. در ادامه این موضوع را بیشتر بررسی می کنیم.

سنسور دوربین چیست؟

سنسور دوربین یا همان حسگر تصویر، یک وسیله الکترونیکی است که اطلاعات نور را پس از عبور از میان دریچه لنز (که به روزنه یا اپرچر معروف است) جمع آوری می کند. این اطلاعات می تواند مواردی نظیر رنگ و شدت نور را در بر بگیرد. مدت زمان جذب نور توسط سنسور هم اهمیت زیادی دارد که از طریق سرعت شاتر تعیین می شود.

یکی دیگر از پارامترهای مهم سنسورهای دوربین، توانایی تقویت اطلاعات نور دریافتی در زمان انتقال به دنیای دیجیتال و ذخیره سازی به عنوان فایل است که با مقدار ISO تعریف می شود. البته این تقویت سیگنال همیشه به بهای افزایش نویز تصویر تمام می شود، در نتیجه بهتر است تا جای ممکن نور ورودی را افزایش دهیم.

حسگرهای تصویر به دو دسته اصلی تقسیم می شوند؛ حسگرهای CMOS (نیم رسانای اکسید فلزی مکمل) و حسگرهای CCD (دستگاه بار جفت شده). در این مطلب نیازی به بیان تفاوت های دو نوع حسگر نیست و فقط کافیست بدانید به دلیل عملکرد بهتر و هزینه کمتر، تقریباً تمام دوربین های دیجیتال کنونی (از جمله دوربین های موبایل) به حسگرهای CMOS مجهز هستند.

حسگرهای CMOS را می توان بر اساس ابعاد فیزیکی (سطح دریافت کننده اطلاعات نور که بر حسب اینچ بیان می شود) و تعداد پیکسل های موجود در سطح (همان مگاپیکسل) دسته بندی نمود.

پیکسل چیست؟

همان طور که گفتیم، سنسور دوربین یک صفحه مستطیلی است که از میلیون ها پیکسل مربعی کوچک تشکیل شده. پیکسل ها وظیفه جمع آوری اطلاعات نور را بر عهده دارند. هر پیکسل فقط یک بخش کوچک از تصویر، یعنی فقط یک رنگ را ثبت می کند و نه بیشتر از آن. نهایتاً ترکیب میلیون ها پیکسل، تصویری که می بینیم را تشکیل می دهد. برای اینکه کارکرد پیکسل ها را بهتر درک کنید، تصویر زیر را که با گلکسی اس 9 پلاس ثبت شده است ببینید:

همان طور که می بینید با بزرگنمایی کافی مشخص می شود که هر پیکسل فقط یک رنگ خاص را به ثبت رسانده است و هیچ اطلاعات دیگری را ارائه نمی دهد. اگر تمام پارامترهای عکاسی مانند سرعت شاتر، ایزو و اپرچر به درستی تنظیم شده باشند، هر پیکسل دقیقاً همان رنگی را ثبت می کند که عکاس با چشمانش می بیند.

مگاپیکسل که به یک واحد سنجش استاندارد در دنیای تکنولوژی تبدیل شده، به معنای یک میلیون پیکسل است. به عنوان مثال دوربین اصلی گلکسی اس 9 پلاس که حسگر 12 مگاپیکسلی دارد، عکس هایی با رزولوشن 3024×4032 پیکسل ثبت می کند. با ضرب این دو عدد به رقم 12,192,768 یا همان 12 مگاپیکسل می رسیم. برای اندازه گیری و نمایش ابعاد پیکسل ها از واحد میکرومتر یا همان میکرون استفاده می کنند. اندازه پیکسل ها از حدود 1 میکرون در گوشی های موبایل تا حدود 8.4 میکرون در حسگرهای فول فریم متغیر است.

چرا رزولوشن دیگر اهمیتی ندارد؟

واقعیت این است که تمام دوربین های موبایل، رزولوشن کافی و حتی بیش از اندازه دارند. شما تصاویر و ویدیوهای ضبط شده را روی مانیتورهای فول اچ دی یا نهایتاً تلویزیون های 4K تماشا می کنید، که به ترتیب رزولوشن 2.1 و 8.3 مگاپیکسل دارند، یعنی به مراتب کمتر از رزولوشن دورقمی دوربین موبایل. بنابراین در حالت عادی نمی توان تفاوت رزولوشن یک عکس 12 مگاپیکسلی و یک عکس 40 مگاپیکسلی را تشخیص داد. مثلاً تصویر بالا دو عکس با رزولوشن 12 مگاپیکسل (سمت چپ) و 6 مگاپیکسل (سمت راست) را روی نمایشگر تمام اچ دی نشان می دهد.

رزولوشن بالاتر از 8 مگاپیکسل فقط به درد کراپ کردن و بزرگنمایی می خورد. اگر یک گوشی با دوربین 12 مگاپیکسلی داشته باشید، می توانید تصویر خروجی را تا 50 درصد بزرگ کنید و باز هم افت کیفیت محسوسی را روی تلویزیون ها یا نمایشگرهای 4K احساس نکنید. مثلاً عکس فوق با دوربین 12 مگاپیکسلی گلکسی اس 9 پلاس ثبت شده؛ سمت چپ عکس با سایز اصلی و سمت راست عکس کراپ شده با بزرگنمایی 50 درصدی را می بینید که تفاوت محسوسی با هم ندارند. بنابراین باید به دنبال فاکتورهای دیگری باشیم که تفاوت کیفیت در عکس دوربین های موبایل را رقم می زنند.

پس چه چیزی اهمیت دارد؟

همان طور که گفتیم، رزولوشن بالا به تنهایی دلیلی بر افزایش کیفیت تصویر نیست و حتی می تواند تأثیر منفی داشته باشد. دو پارامتر مهمی که باید به آنها توجه کنیم، اندازه حسگر و اندازه پیکسل ها هستند. البته هر سه ویژگی فوق یعنی اندازه حسگر، اندازه پیکسل و رزولوشن با یکدیگر ارتباط دارند و هنر سازندگان موبایل (و دوربین) این است که بتوانند ترکیب ایده آلی از این سه را در محصولشان به کار بگیرند.

هدف اصلی این است که پیکسل ها را بزرگ تر کنیم، چون پیکسل بزرگ تر به معنای توانایی بیشتر برای جذب اطلاعات نور است و نویز کمتر و کارآیی بهتری را در نور کم به همراه خواهد داشت. البته نمی توانیم پیکسل ها را بیش از حد بزرگ کنیم، چون در این صورت رزولوشن نهایی عکس ها خیلی پایین می آید. از طرفی اگر رزولوشن را بیش از حد افزایش دهیم، اندازه پیکسل ها کوچک و کوچک تر خواهد شد و توانایی جذب نور آنها تا حدی کاهش خواهد یافت که فقط زیر نور آفتاب می توان عکس مناسبی را ثبت کرد.

اگر بخواهیم هم رزولوشن و هم اندازه پیکسل ها را افزایش دهیم، تنها یک راه پیش رو داریم: حسگر بزرگ تری را به کار بگیریم، یعنی همان کاری که نوکیا در مدل های 808 PureView و لومیا 1020 انجام داد. کافیست به تصویر زیر نگاه کنید تا ابعاد حسگرهای غول پیکر این دو گوشی در مقایسه با حسگرهای معمول آیفون ها و گلکسی ها دستتان بیاید.

هواوی هم در پرچمداران جدیدش یعنی پی 20 پرو و میت 20 پرو از همین راهکار استفاده کرده و حسگر 1/1.7 اینچی با رزولوشن 40 مگاپیکسل را به کار گرفته تا بتواند در صدر جدول DxOMark جا خوش کند. در زیر تصویر سه دوربین اصلی پی 20 پرو را می بینید. حسگر اصلی 1/1.7 اینچی در وسط، حسگر مونوکروم 1/2.7 اینچی در سمت چپ و حسگر تله فوتوی 1/4 اینچی در سمت راست قرار گرفته است.

اما نکته مهم اینجاست که حتی چنین حسگر بزرگی هم برای رزولوشن 40 مگاپیکسل کافی نیست و پیکسل های سنسور 1/1.7 اینچی هواوی هم به خاطر ابعاد کوچک، به تنهایی در جذب نور موفق نیستند. هواوی برای جبران این موضوع از فناوری Quad Bayer و روش «پیکسل بینینگ» استفاده کرده که معایب و مزایای خودش را دارد و در موقعیت مناسب به آن خواهیم پرداخت.

گفتنیست سونی هم به تازگی اولین سنسور 48 مگاپیکسلی دنیای موبایل را معرفی کرده است. این سنسور 1/2 اینچی با پیکسل های 0.8 میکرونی از فناوری Quad Bayer و پیکسل بینینگ استفاده می کند ولی برای ارزیابی کیفیت آن در شرایط نوری مختلف باید منتظر بمانیم.

آیا افزایش اندازه حسگر ضرورت دارد؟

طراحی و ساخت موبایل همین حالا هم با مشکلات و چالش های متعدد فنی و مهندسی روبروست؛ حالا اگر بخواهیم سنسور دوربین ها را هم بزرگ تر کنیم، اوضاع سخت تر خواهد شد. ظاهراً سازندگان برتر دنیای موبایل یعنی سامسونگ، اپل و گوگل هنوز چنین نیازی را احساس نکرده اند، چون اگر نگاهی به مشخصات دوربین جدیدترین محصولات آنها یعنی گلکسی اس 9 و اس 9 پلاس، گلکسی نوت 9، آیفون XS و پیکسل 3 بیندازیم، می بینیم همگی به حسگر 1/2.5 اینچی 12 مگاپیکسلی مجهزند.

با این ترکیب، اندازه هر پیکسل به 1.4 میکرون می رسد که در حال حاضر رقم ایده آل برای گوشی های موبایل است. جالب اینجاست که اکثر محصولات رده بالای فهرست DxOMark (مواردی که گفتیم به علاوه اچ تی سی +U12، شیائومی می میکس 3 و می 8) هم از سنسوری با همین مشخصات استفاده می کنند.

در نتیجه بیشتر شرکت ها تلاش خودشان را روی بخش نرم افزاری معطوف کرده اند تا بتوانند از همین حسگر معمول بهترین نتیجه را بگیرند. در واقع اهمیت الگوریتم های پردازش تصویر برای تولید عکس نهایی اگر بیشتر از ویژگی های سخت افزاری نباشد، کمتر نیست. مثلاً سونی در پرچمداران چند سال اخیرش از حسگر بزرگ 1/2.3 اینچی Exmor RS با رزولوشن 19 مگاپیکسل استفاده کرده ولی اثری از نام محصولاتش در لیست DxOMark به چشم نمی خورد. در مقابل گوگل بدون افزایش تعداد دوربین ها همیشه رده های بالای جدول مورد بحث را به خود اختصاص می دهد.

جمع بندی

همان طور که گفتیم رزولوشن به تنهایی عدد نامفهومی است و فقط در کنار دیگر مشخصات سخت افزاری دوربین معنا پیدا می کند. بنابراین اولین و مهم ترین عدد در مشخصات دوربین موبایل، اندازه پیکسل است که طبق قانون «هرچه بزرگ تر، بهتر» جواب می دهد، هرچند شرکت های سازنده معمولاً آن را به وضوح اعلام نمی کنند.

پس از آن باید توجه ویژه ای به گشودگی دیافراگم داشته باشیم چون هرچه اپرچر بازتر باشد، نور دریافتی حسگر و کیفیت عکس خروجی (به ویژه در نور کم) بهتر خواهد بود. قابلیت تغییر اپرچر امکانات زیادی را در اختیار شما قرار می دهد اما فعلاً فقط پرچمداران اخیر سامسونگ یعنی گلکسی اس 9، گلکسی اس 9 پلاس و گلکسی نوت 9 به این ویژگی مجهز هستند. در این مطلب به شکل ویژه به قابلیت تغییر گشودگی دیافراگم در گلکسی اس 9 پرداخته ایم.

نهایتاً باید مواردی نظیر قابلیت بزرگنمایی اپتیکال، توانایی ذخیره عکس با فرمت خام (RAW) و تنظیمات دستی کامل را در نظر گرفت که البته در اکثر پرچمدار کنونی بازار حضور دارند و نمی توان آنها را به تنهایی، مزیتی رقابتی به شمار آورد.