ترکیب‌کردن پیکسل‌‌ها (Pixel Binning) در دوربین گوشی‌های هوشمند چیست؟ – دیجیتال مارک

ترکیب‌کردن پیکسل‌ها بیش‌ازپیش در خبرهای تولید گوشی‌های هوشمند جدید دیده می‌شود. سازندگان ادعا می‌کنند این فناوری کیفیت عکس‌ها را بهبود می‌بخشد.

در چند سال اخیر، سرعت پیشرفت دوربین گوشی‌های هوشمند کاهش یافته است. با وجود اینکه پیشرفت‌هایی در بخش دیافراگم و کیفیت کلی تصاویر حاصل شده، مانع بزرگ بعدی که بر سر راه پیشرفت مثال‌زدنی در دنیای عکاسی گوشی‌های هوشمند قرار دارد، «حسگرهای دوربین» هستند. دوربین‌های پرچم‌دار نیز، همگی در رزولوشن ۱۲ مگاپیکسل باقی مانده‌اند. البته، هواوی P20 پرو از حسگری بزرگ‌تر و با عمق بیشتر استفاده کرد؛ اما آن دوربین در بین گوشی‌های هوشمند استثنا محسوب می‌شود.

در بحث کیفیت کلی دوربین گوشی‌های هوشمند، تفاوت‌های جزئی وجود دارد که آن‌هم به‌لطف نرم‌افزارها حاصل می‌شود. درواقع، برای بیشترشدن تفاوت‌ها باید تغییراتی در سخت‌افزار ایجاد شود. افزون‌براین، اکثر شرکت‌ها به استفاده از حسگرهای فرمت بزرگ‌تر تمایلی ندارند. درنهایت، ترکیب‌کردن پیکسل‌ (Pixel Binning) به‌عنوان راهکاری پیشنهاد می‌شود که محدودیت‌های کنونی سخت‌افزار دوربین‌ها را تاحدودی پشت‌سر می‌گذارد.

درک عملکرد حسگر

آنچه با نگاه‌کردن به عکس‌ها از مفهوم پیکسل متوجه می‌شویم، با تعریف اصلی آن در حسگرها تفاوت دارد. پیکسل‌های حسگر پوشش‌های قرمز یا سبز یا آبی روی خود دارند. این پیکسل‌ها فقط نوری را ثبت می‌کنند که از آن فیلترهای ویژه عبور کند. پیکسل‌های فیلترشده در الگوهایی جانمایی می‌شوند که در هر خط افقی یا عمودی آن، پیکسل‌های سبز دوبرابر آبی و قرمز خواهند بود.

ترکیب پیکسل‌های آبی و قرمز و سبز مجاور حسگر، یک پیکسل RGB تولید می‌کند. فرایند تولید پیکسل جدید با نام Demosaicing شناخته می‌شود. فرایند ترکیب پیکسل‌ها در خلال مرحله‌ی مذکور و پیش از تشکیل JPG نهایی انجام می‌شود.

تعریف فرایند ترکیب‌کردن پیکسل (Pixel Binning)

روش ترکیب پیکسل‌ها فرایندی است که در سطح پردازش سیگنال تصاویر انجام می‌شود. این فرایند در جریان Demosaicing پیکسل‌ها، اطلاعات ۴ پیکسل را به یک پیکسل تبدیل می‌کند. در تعریف ساد‌ه‌تر، ترکیبی ۲ در ۲ از پیکسل‌ها در فرایند ترکیب به یک پیکسل تبدیل می‌شود. اطلاعاتی که هریک از پیکسل‌ها جمع‌آوری می‌کنند، پس از ترکیب، در پیکسلی بزرگ (Super Pixel) تجمیع می‌شود. یکی از نتایج اولیه‌ی ترکیب پیکسل‌ها آن است که رزولوشن اصلی عکس‌ها یک‌چهارم رزولوشن حسگر می‌شود. 

پس از ترکیب پیکسل‌ها، رزولوشن تصویر یک‌چهارم حسگر می‌شود

تا اینجا متوجه شدیم ترکیب اطلاعات ۴ پیکسل و تبدیل آن‌ها به یک پیکسل، با نام ترکیب‌کردن پیکسل شناخته می‌شود. این فرایند به تولیدکنندگان گوشی‌های هوشمند امکان می‌دهد نهایت کارایی را از طراحی کنونی حسگرهای دوربین به‌دست آورند. تولیدکنندگان بسته به حسگری که استفاده می‌کنند، می‌توانند ترکیب ۴ پیکسل در یک پیکسل یا ترکیب سری‌های ۱ در ۲ (پیکسل‌های افقی) یا ۲ در ۱ (پیکسل‌های عمودی) را اجرا کنند. البته، دو روش آخر در حسگرهای محصولات مخصوص مصرف‌کننده استفاده نمی‌شود.

مزایای ترکیب پیکسل‌ها

ترکیب‌کردن پیکسل‌ها با روندی که توضیح دادیم، یکی از مشکلات اصلی دوربین گوشی‌های هوشمند، یعنی عکس‌برداری در نور کم را برطرف می‌کند. در عکس‌برداری نور کم، حساسیت حسگر باید افزایش پیدا کند تا در تاریکی سوژه را به‌خوبی مشاهده کند. درنتیجه، به‌دلیل نویز ایجادشده کیفیت سیگنال‌ها کاهش می‌یابد. به‌علاوه، محدوده‌ی دینامیکی و کیفیت بازسازی رنگ‌ها نیز کاهش می‌یابد. برخی اوقات، نوردهی نیز تحت‌تأثیر این تغییر حسگر قرار می‌گیرد.

اولین خروجی تأثیرگذار ترکیب‌کردن داده‌های خام ۴ پیکسل در یک سوپرپیکسل «نور دریافتی بیشتر» است. به‌علاوه، نویز ایجادشده نیز کاهش می‌یابد. این روند با افزایش مصنوعی سیگنال‌ها در حسگر تفاوت دارد؛ فرایندی که عموما با افزایش ISO در دوربین‌ها انجام می‌شود. پس از ترکیب پیکسل‌ها، تصویر نتیجه به‌دلیل همان فرایند ساده‌ی یکی‌کردن اطلاعات ۴ پیکسل روشن‌تر خواهد بود.

در تعریف ساده‌ی برتری فرایند ترکیب پیکسل‌ها، می‌توان گفت با انجام فرایند مذکور، به افزایش مصنوعی ISO دوربین برای دستیابی به تصاویر روشن‌تر نیازی نیست. درکنار آن، نویز حاصل از تصویربرداری در نور پایین نیز کاهش می‌یابد. به‌علاوه، ترکیب‌کردن پیکسل‌ها در عکاسی با نور مناسب نیز نتایج مثبت خود را نشان می‌دهد. در حسگرهایی با این قابلیت، محدوده‌ی دینامیکی عکس‌ها و ترکیب رنگ‌ها بهتر خواهد بود. البته، نتیجه‌ی حاصل آن‌چنان هم تفاوت عمده‌ای ایجاد نمی‌کند و درنتیجه، کاهش رزولوشن ایجادشده را جبران نمی‌کند.

در تصاویر زیر، نمونه‌هایی از نتایج استفاده از روش ترکیب‌کردن پیکسل را در دوربین گوشی‌های هوشمند مشاهده می‌کنید. تمامی این تصاویر با دوربین گوشی LG G7+ThinQ ثبت شده‌اند. تنظیمات دیگر عکس‌ها، یعنی خاموش‌بودن حالت HDR و تنظیمات خودکار بخش‌های دیگر و ترکیب‌کردن پیکسل خاموش یا روشن در حالت دستی بوده است. با نگاهی به تصاویر متوجه می‌شویم ترکیب پیکسل‌ها راهکاری هوشمندانه برای بهره‌برداری هرچه‌بیشتر از حسگرهای عکاسی است. البته، این روش محدودیت‌های خاص خود را نیز دارد.

محدودیت‌های ترکیب‌کردن پیکسل‌

با فعال‌کردن حالت ترکیب‌کردن پیکسل، رزولوشن عکس حاصل یک‌چهارم حسگر می‌شود. درنتیجه برای بهره‌برداری هرچه‌بهتر از آن قابلیت، رزولوشن حسگر اصلی باید باید بسیار زیاد باشد. هواوی در گوشی پی ۲۰ پرو با استفاده از حسگر ۴۰ مگاپیکسلی، عکس‌هایی با کیفیت ۱۰ مگاپیکسل تولید کرد که استاندارد جدیدی به صنعت معرفی کردند. درمقابل، برای حسگرهایی با رزولوشن پایین‌تر مانند دوربین گوشی ال‌جی  G7+ThinQ که رزولوشن ۱۶ مگاپیکسلی دارد، عکس‌های حاصل از ترکیب پیکسل‌ها رزولوشن ۴ مگاپیکسلی پیدا می‌کنند که جزئیات کمتری نشان می‌دهند.

به‌هرحال، عکس‌های ثبت‌شده با استفاده از ترکیب پیکسل‌ها روشن‌تر هستند. البته باوجود روشن‌تربودن سوژه‌ی عکس، به‌دلیل کاهش رزولوشن جزئیات کمتری از آن مشاهده می‌کنیم.

ترکیب‌کردن پیکسل انتخابی مناسب برای عکس‌برداری در نور کم است

یکی دیگر از ضعف‌های روش ترکیب پیکسل‌ها، فقدان فرمت RAW برای تصاویر است. فرمت RAW به‌معنای تبدیل تمامی داده‌های خام حسگر است. درنتیجه، نمی‌توان با ترکیب پیکسل‌ها عکس RAW تولید کرد. به‌علاوه، اگر شرکت سازنده‌ی گوشی تلفن‌همراه الگوریتم‌هایی با فشار بالا برای کاهش حجم تصاویر به‌کار گیرد، تصاویر حاصل بازهم کیفیت پایین‌تری خواهند داشت تا اینکه حتی به نقاشی‌های رنگ روغن شبیه می‌شوند. البته، برخی از برندهای تلفن‌همراه قابلیت ذخیره‌ی عکس در دو فرمت RAW یا JPG با استفاده از فناوری ترکیب پیکسل‌ها را به کاربر می‌دهند.

چه گوشی‌هایی از ترکیب‌کردن پیکسل استفاده می‌کنند؟

برخی از گوشی‌های هوشمند کنونی بازار از فناوری ترکیب پیکسل‌ها در ساخت تصاویر استفاده می‌کنند. علاوه‌بر پی ۲۰ پرو و ال‌جی G7+ThinQ، گوشی‌های میان‌رده‌ای نیز وجود دارند که قابلیت ترکیب پیکسل‌ها را دراختیار کاربر قرار می‌دهند. از گوشی‌های میان‌رده و اقتصادی‌تر در این بخش می‌توان به شیائومی Redmi Y2 اشاره کرد که ترکیب پیکسل را برای دوربین ۱۶ مگاپیکسلی جلو ارائه می‌کند. به‌علاوه، Mi A2 از همان شرکت در هر دو دوربین جلو و پشت قابلیت ترکیب پیکسل دارد.

گوشی‌های هوشمند متعددی از قابلیت ترکیب پیکسل استفاده می‌کنند؛ اما برخی از تولیدکنندگان آن‌ها ترجیح می‌دهند مانور زیادی روی آن ندهند. سونی اخیرا حسگر قدرتمند جدیدش با نام IMX586 را با رزولوشن ۴۸ مگاپیکسلی رونمایی کرد که البته، تاکنون هیچ تولید‌کننده‌ی گوشی هوشمندی استفاده از آن را اعلام نکرده است. به‌هرحال، پیش‌بینی می‌شود گوشی‌های جدید به‌مرور با قابلیت ترکیب‌کردن پیکسل به بازار عرضه شوند.

درنهایت، باید خاطرنشان کنیم فناوری ترکیب پیکسل‌ها رزولوشن حسگر را کاهش می‌دهد؛ اما نوردهی عکس‌ها را بهتر می‌کند. این فناوری در عکس‌برداری در نور کم بسیار مفید خواهد بود. درنتیجه با استفاده از آن، با وجود آنکه رزولوشن عکس‌ها یک‌چهارم می‌شود، عکس‌هایی خواهید داشت که حداقل برای شبکه‌های اجتماعی بسیار باارزش هستند.

با وجود آنکه ترکیب پیکسل‌ها راهکاری مفید برای عکس‌‌برداری در نور کم است، هیچ‌گاه نمی‌تواند جایگزین مزیت حسگرهای بزرگ‌تر با رزولوشن بیشتر باشد. به‌عنوان مثال، اگر در گوشی هواوی پی ۲۰ پرو به‌جای حسگر ۴۰ مگاپیکسلی از رزولوشن ۱۶ یا ۲۰ مگاپیکسلی استفاده شده و ابعاد نیز همان ۱.۲ اینچ بود، شاید کیفیت و کارایی دوربین آن بهتر از نسخه‌ی کنونی نیز می‌شد. به‌هرحال، باتوجه‌به محدودیت ابعاد در گوشی‌های هوشمند، چنین روندی، یعنی استفاده از حسگرهای بزرگ‌تر، تقریبا محال به‌نظر می‌رسد.