فراتر از مگاپیسکل‌ها: بررسی وضعیت فعلی دوربین تلفن‌های هوشمند، جدیدترین تکنولوژی‌های مرتبط با آنها و

[IT GALAXY]

دوربین گوشی‌های هوشمند راه درازی را طی کرده تا به کم و کیف فعلی برسند. حالا عموم کاربران می‌توانند عکس‌هایی با کیفیت نسبتاً قابل قبولی را با تلفن خود بگیرند و به راحتی با دیگران به اشتراک بگذارند. اما جالب است که رفته رفته روند افزایش رزولوشن دوربین‌ها متوقف می‌شود و سازندگان بزرگ ایده‌های خلاقانه‌ای برای افزایش کیفیت عکاسی گوشی‌های هوشمند پیشنهاد می‌کنند. دیگر داشتن مگاپیکسل بالاتر تنها ملاک نیست و مشتری تدریجاً این حقیقت را درک کرده است. در این مقاله می‌خواهیم به آینده‌ی دوربین گوشی‌های هوشمند و جدیدترین پیشرفت‌ها و تکنولوژی‌های مرتبط به آن نگاهی بیاندازیم. در ادامه مطلب با زومیت ما باشید.





دوربینی با سنسور بزرگ‌تر، در نتیجه پیکسل‌هایی با کیفیت بالاتر

در سال‌های گذشته سازندگان گوشی‌ها همیشه به فکر افزایش مگاپیکسل بودند اما بالاخره این روند را کنار گذاشته و کاربران هم متوجه شده‌اند که مگاپیکسل بالاتر به معنی کیفیت بیشتر عکس‌ نیست.
نکته‌ی مهم این است هر چه تعداد پیکسل‌های یک سنسور با اندازه‌ی مشخص، بیشتر باشد، پیکسل‌ها کوچک‌تر می‌شوند. پیکسل‌های کوچک‌تر نویز بیشتری نسبت به پیکسل‌های بزرگ‌تر دارند، در واقع تعداد فوتون‌های دریافت شده در مدت زمان مشخص در مورد پیکسل‌های کوچک‌تر، کمتر است. بنابراین یک فوتون یا الکترون انحرافی نویز بیشتری را موجب می‌شود. مشکل دیگر پیکسل‌های ریز این است که به حد تفرق سیستم آپتیکی دوربین نزدیک‌تر هستند، مخصوصاً سیستم آپتیکی ارزان‌قیمتی که در گوشی‌های رده پایین به کار می‌رود.
در مجموع افزایش تعداد پیکسل‌ها نتیجه‌ی چندان جالبی نخواهد داشت. به عنوان مثال در برخی دوربین‌های رزولوشن بالا، اگر رزولوشن 50 درصد افزایش یابد، رزولوشن موثر تنها 10 درصد افزایش می‌یابد.
اچ‌تی‌سی با معرفی دوربین 4 مگاپیکسلی اولتراپیکسل خود پرچم‌دار نوآوری در زمینه‌ی بهبود عملکرد دوربین گوشی‌های هوشمند است. سنسور این دوربین سطحی 3 برابر بزرگ‌تر از سنسور دوربین‌های 13 مگاپیکسلی که در دیگر گوشی‌ها به کار می‌رود، دارد. در واقع مساحت هر پیکسل این سنسور 4 میکرومتر مربع است و به عبارت دیگر طول و عرض آن 2 میکرومتر می باشد، و این در حالیست که رقبا از پیکسل هایی با مساحت 1.3 میکرومتر مربع استفاده می‌کنند.

نوکیا هم این روند را دنبال کرده و به جای استفاده از دوربین 41 مگاپیکسلی در گوشی لومیا 808، سراغ دوربین 8.7 مگاپیکسلی رفته و در پرچم‌دار خود یعنی لومیا 920 از چنین دوربینی استفاده می‌کند.

لومیا 920 در نور کم عکس‌های فوق‌العاده‌ای می‌گیرد و فعلاً از نظر کیفیت دوربین عکاسی در کنار اچ‌تی‌سی وان در زمره‌ی بهترین گوشی‌ها، قرار می‌گیرد.

سیستم‌های ارزان‌تر برای فوکوس بهتر و سریع‌تر

فوکوس خودکار همواره یکی از مشکلات اساسی دوربین‌های point-and-shoot یا ببین و بگیر یا دوربین‌های جیبی کوچک بوده است. همین مشکل در دوربین ارزان‌قیمتی که در گوشی‌ها به کار می‌روند هم وجود دارد و معمولاً سرعت کافی برای عکاسی از سوژه‌هایی که با سرعت بالایی حرکت می‌کنند، را ندارند. سرعت فوکوس خودکار یکی از نقاط قوت دوربین‌های DSLR یا حرفه‌ای است که موجب شده بازار این نوع دوربین‌ها، رونق سابق را حفظ کند.
سازندگان گوشی‌های هوشمند هم به فکر حل مشکل هستند و باز هم اچ‌تی‌سی یکی از بهترین سازندگان در این زمینه به شمار می‌رود. به عنوان مثال ImageChip 2 را در نظر بگیرید، این تراشه برای فوکوس خودکار در حالت فول‌رنج تنها 200 میلی‌ثانیه تأخیر دارد، سرعتی به مراتب بیشتر از گوشی‌های قدیمی که کسری از ثانیه و حتی بیش از 1 ثانیه تأخیر داشتند.
قبلاً ماژول فوکوس خودکار دوربین گوشی‌ها بر اساس محرکی به نام VCM ساخته می‌شد. وی‌سی‌ام درست شبیه چیزی است که در بلندگوها به کار می‌رود. با عبور جریان از سیم‌پیچ، میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. آهنربای کوچکی هم در کنار سیم‌پیچ قرار دارد و حاصل برهم‌کنش دو میدان مغناطیسی، حرکت سیم‌پیچ است. لنز هم توسط سیم‌پیچ حرکت می‌کند، فنری که به لنز متصل شده، آن را به موقعیت اولیه برمی‌گرداند.
با به کارگیری وی‌سی‌ام، لنز دوربین کمی جابجا می‌شود و برای تنظیم دقیق فوکوس، این عمل می‌بایست به کرات تکرار شود. برای تنظیم دقیق فوکوس، باید بیش از 10 و حتی 20 بار این فرآیند تکرار شود. به همین علت است که فوکوس خودکار در دوربین‌های قدیمی بسیار کند صورت می‌گیرد از مشکلات وی‌سی‌ام می‌توان به تولید گرمای زیاد، نویز و صدا و همچنین نداشتن دقت کافی اشاره کرد.
امروزه دنیای حسگرها و محرک‌ها بسیار پیشرفته‌تر از گذشته شده است و سیستم‌های الکترومکانیکی بسیار کوچکی با استفاده از تکنولوژی مایکروالکترومِکَنیکال یا به اختصار MEMS ظهور کرده‌اند و در همه‌ی ابعاد موثر واقع شده‌اند. یکی از کاربردهای این محرک‌های کوچک در طراحی سیستم فوکوس خودکار است.
در روش جدید از بارالکتریکی برای ایجاد دافعه و جاذبه بین سطوح شانه‌‌ای شکل استفاده می‌شود، درست مثل این است که نمونه‌ی جامد محرک‌های وی‌سی‌ام را با تکنولوژی امروزی ساخته باشیم.

موسسه‌ی دیجیتال آپتیکس (یا به اختصار DOC) یک سیستم فوکوس خودکار بر اساس محرک‌های MEMS تولید کرده که در آن فقط یکی از اجزای لنز متحرک است، برعکس وی‌سی‌ام‌ها که تمام مجموعه‌ی سیستم فوکوس خودکار جابجا می‌شد. یک مزیت دیگر محرک‌های MEMS کوچکی آنهاست، به این ترتیب می‌توان دوربین‌های جمع‌وجورتری برای گوشی‌های باریک طراحی کرد.
موسسه‌ی دیجیتال آپتیکس مدعی است که سیستم فوکوسی که بر اساس MEMS تولید کرده، مانع از کج شدن لنز و در نتیجه اعوجاج تصویر و همچنین ایجاد سایه‌روشن در آن می‌شود.
قرار است دیجیتال آپتیکس (DigitalOptics Corporation) یک ماژول کوچک دوربین با ارتفاع 5.1 میلی‌متر و رزولوشن 8 مگاپیکسل که بر اساس محرک‌های MEMS طراحی شده را به گوشی‌سازان چینی بفروشد. نام این دوربین memslcam است و البته تکنولوژی پیشرفته‌ی آن، قیمت بالایی هم دارد. قیمت دوربین به همراه پردازنده‌ی سیگنال تصویر آن در مقیاس 10000 عدد، 25 دلار تمام می‌شود.
دیجیتال آپتیکس مدعی است که عملکرد این دوربین در حد دوربین‌های پیشرفته‌ای نظیر آنچه در گوشی اچ‌تی‌سی وان به کار رفته، می‌باشد، آن هم با توان مصرفی در حد 1 میلی‌وات!
مزیت دیگر فوکوس خودکار سریع این است که برخی قابلیت‌های پس‌پردازشی جالب هم قابل استفاده است. دیجیتال آپتیکس برای نمایش یکی از این قابلیت‌ها، با دوربین خود 6 تصویر پشت سر هم از یک صحنه را با فوکوس‌های متفاوت گرفته و بدین‌ترتیب می‌توان بعد از تصویر برداری، عکسی که فوکوس مناسب را دارد انتخاب کرد. چیزی شبیه به دوربین Lytro که می‌توان روی هر نقطه از تصاویر آن فوکوس کرد. شاید در مواردی که حرکت سوژه سریع است، امکان تصویربرداری با فوکوس‌های مختلف وجود نداشته باشد اما حداقل در مواردی که حرکت کم است، می‌توان از توانایی دوربین کوچک و جالب دیجیتال آپتیکس بهره‌مند شد.
اما از گوشی‌های گران‌قیمت که بگذریم، به محصولات ارزان می‌رسیم که به منظور کاهش هزینه‌ای در حد چند دلار، حتی از وی‌سی‌ام‌های (VCM) قدیمی که در موردشان صحبت کردیم، هم استفاده نمی‌کنند. شرکت لِنزوِکتور برای حل مشکل دوربین گوشی‌های ارزان کار خود را با طراحی یک قطعه‌ی جالب به نام کریستال مایع یا به اختصار (LC) آغاز کرده است. در این روش مولکول‌های کریستال مایع با اعمال ولتاژ کنترلی، ضریب انکسار نواحی مختلف لنز را تغییر می‌دهند و لذا فوکوس دوربین تغییر می‌کند. مزیت روش استفاده از کریستال مایع نسبت به سیم‌پیچ در ارزان بودن و بی‌صدا بودن آن است.

فعال کردن HDR قبل از ثبت عکس


دوربین‌های به کار رفته در گوشی‌ها از نظر اندازه بسیار کوچک هستند و لذا در مقایسه با دوربین‌های رده‌اول کلاس ببین و بگیر و یا دوربین‌های پیشرفته‌ی DSLR، از نظر محدوده‌ی تغییرات به مراتب ضعیف‌تر می‌باشند. این موضوع در مورد اولتراپیکسلی که در اچ‌تی‌سی وان دیده‌ایم هم صادق است. یکی از آثار محدوده تغییرات کم، در عکس‌هایی که نور زیادی پشت سوژه وجود دارد و یا عکس‌هایی که ترکیبی از نور شدید خورشید و تاریکی بخش‌های سیاه را شامل می‌شوند، مشهود است. کنتراست موجود در چنین شرایطی باعث می‌شود که عکس به نظر طبیعی نرسد، اگر به چنین عکس‌هایی دقت کنید، متوجه می‌شوید که یا نقاط تاریک جزئیات خود را از دست داده‌اند و یا نقاط روشن به کلی سفید شده و جزئیاتی ندارند.
HDR مخفف High Dynamic Range به معنی محدوده تغییرات بالاست و حلال این مشکل بزرگ است، به این صورت که دو یا چند تصویر با نورگیری متفاوت را طی فرایندی به نام تُن مَپینگ ترکیب می‌کند. نتیجه‌ی کار تصویری است که بیشترین جزئیات را دارد و واقعی‌تر به نظر می‌رسد.
در گذشته برای استفاده از HDR می‌بایست ابتدا عکس‌ها را تهیه می‌کردیم و سپس از طریق یک نرم‌افزار کامپیوتری مشغول ویرایش و ترکیب آنها می‌شدیم. اپل برای اولین بار در گوشی آیفون 4اس خود از HDR استفاده کرد. این شروع کار بود و پیشرفت‌ها ادامه پیدا کرد تا جایی که این روزها در گوشی‌های هوشمند علاوه بر HDR می‌توان امکانات پس‌پردازشی دیگری را هم مشاهده کرد. از همه مهم‌تر HDR همیشه فعال است به این معنی که حتی می‌توان فیلمی با فعال بودن HDR از محیط تاریک و روشن اطراف تهیه نمود.
مشکل HDR همیشه فعال، این است که سازنده می‌بایست کدهای خاصی برای آن بنویسد و چیپ پردازنده‌ی سیگنال تصویری مسئول اجرای پردازش سنگین آن است. سرعت کم پردازش هم مشکل بزرگی به حساب می‌آید و کیفیت فیلم و عکس را کاهش می‌دهد.
این بار انویدیا ابتکار عمل به خرج داده و با معماری جدید خود یعنی چیمِرا (Chemira) مشکل را به کلی حل کرده است. چیمرا به همراه تراشه‌ی تگرا 4 معرفی شده و به احتمال قریب به یقین در نسخه‌های بعدی تگرا هم پشتیبانی می‌شود. در مورد چیمرا مفصلاً صحبت خواهیم کرد.
بیشتر مردم تنها چیزی که در مورد عکاسی محاسباتی می‌دانند این است که محاسبات را وارد عکاسی می‌کند و به کاربران دوربین لیترو این امکان را می‌دهد که پس از عکاسی روی بخش‌های مختلف عکس‌های گرفته شده مجدداً فوکوس کنند. اما فوکوس پس از عکاسی تنها یکی از قابلیت‌های ساد‌ه‌ای است که با کنار هم قرار گرفتن یک پردازنده‌ قدرتمند و نرم‌افزار عکاسی محاسباتی و البته اطلاعات لازم در مورد عکس، می‌توان به آن دست یافت.
چیمرای انویدیا، چشم‌اندازی جدید در دنیای دوربین‌ها

انویدیا پا را فراتر از چیزی که در دوربین انقلابی لیترو دیده بودیم، گذاشته و یک معماری کامل برای عکاسی محاسباتی طراحی کرده است که نام آن چیمراست. درواقع چیمرا همزمان با معرفی تراشه‌ی تگرا 4، ظهور کرده است. به کمک معماری چیمرا، اجزایی مثل سنسور، پردازنده‌ی سیگنال تصویری یا ISP، پردازنده‌ی اصلی و پردازنده‌ی گرافیکی همه در کنار هم مشغول کار می‌شوند تا مراحل پردازش تصویر روی فریم‌های کپچر شده، با سرعتی بالا و در واقع به صورت آنی صورت بگیرد. از مزایای این روش دسترسی بهتر به حافظه‌ی مشترک، استفاده از توان هسته‌های پردازنده‌ی گرافیکی و واسط باز نرم‌افزاری است که در مجموع خبر از قابلیت‌های جدید دوربین‌های آینده می‌دهد.
اولین کاربرد چیمرا این است که می‌توان HDR را هم در حالت عکاسی و هم در حالت فیلم‌برداری به صورت مداوم فعال کرد. این قابلیت با معرفی خانواده‌ی تگرا 4 توسط انویدیا معرفی شده است. HDR همیشه فعال برای افزایش کیفیت دوربین‌های ارزانی که در گوشی‌ها به کار می‌روند، کاربرد زیادی دارد چرا که این دوربین‌ها معمولاً لنز کم‌کیفیتی دارند و اثر درخشش نور لنز منجر به کاهش کیفیت عکس‌ها می‌شود.
به کمک چیمرا مشکل دیگری هم حل می‌شود، مشکلی که به خاطر سرعت کم دوربین گوشی‌های هوشمند فعلی پیش می‌آید. منظورمان همان کندی پردازش است که قبلاً به آن اشاره کردیم. این مشکل باعث می‌شود که عکس‌هایی که به سرعت از یک منظره گرفته شده و قرار است ترکیب شوند، فاصله‌ی زمانی نسبتاً زیادی داشته و لذا نتیجه‌ی استفاده از HDR تصویری مات یا به دلایل مختلف، نامطلوب باشد. سرعت بالای تصویربرداری به کمک چیمرا و انجام مراحل پردازش تصویر در پایین‌ترین سطوح، نتیجه‌ی بهتری به دنبال خواهد داشت.

چیمرا از پتانسیل فوق‌العاده‌ای که در هسته‌های پردازنده‌ی گرافیکی نهفته است، برای عکاسی استفاده می‌کند. انویدیا می‌گوید در حال حاضر هنگام عکاسی ممکن است تا 100 بیلیون دستور در یک ثانیه اجرا شوند. به کمک چیمرا می‌توان قابلیت‌هایی که در حال حاضر فقط در دوربین‌های رده اول دیده می‌شود را در دوربین گوشی‌های هوشمند هم استفاده کرد. یکی از این قابلیت‌ها دنبال کردن سوژه به صورت آنی است. پانورامای آنی هم به کمک چیمرا به راحتی قابل استفاده خواهد بود. تنها کافی است گوشی را در یک جهت بچرخانید، چیمرا سریعاً محاسبات لازم را انجام داده و پانورامای موردنظر شما خلق می‌شود. انتخاب بهترین تصویر بین چند تصویر گرفته شده هم یکی از قابلیت‌های معمولی چیمرا است.
توجه کنید که این امکانات و قابلیت‌ها در دیگر تراشه‌ها و دوربین‌ها هم یافت می‌شوند اما وجه تمایز چیمرا با دیگر رقبا در داشتن واسط نرم‌افزاری باز آن است. به کمک همین واسط باز، سایر سازندگان هم می‌توانند پلاگین‌هایی بنویسند که به اطلاعات سطح پایینی مثل آنچه از سنسور دریافت می‌شود، دسترسی یابند. با این تراشه استفاده‌ی آسان از توان پردازشی پردازنده‌ی سیگنال تصویر، پردازنده‌ی اصلی و گرافیکی هم ساده می‌شود.
معلوم نیست که گوگل و مایکروسافت در مورد این واسط برنامه‌نویسی چه تصمیمی می‌گیرند و آیا اجازه می‌دهند که اندروید خام و ویندوز RT به آن فرصت درخشش بدهند یا خیر، اما به صورت قطعی می‌توان گفت که در رام‌های سفارشی راه برای ایجاد نرم‌افزارهای پیشرفته‌ی عکاسی و کار با دوربین تلفن باز شده است.
در نهایت دوربین گوشی‌های هوشمند چه شکلی خواهند بود؟

با در کنار هم قرار دادن نوآوری‌های معرفی شده در سال‌های آتی، می‌توان سنسور میدان نوری که در دوربین لیترو استفاده شده را با قدرت بالای معماری چیمرا ترکیب کرد و در نتیجه استفاده از افکت‌های جالب عکاسی و انجام مراحل پس‌پردازش به صورت آنی امکان‌پذیر می‌شود.
تیم کَمِرا کالچِر (Camera Culture team) دانشگاه اِم‌آی‌تی به همراه چندین استارت‌‌آپ مختلف مثل پِلیکان، هِپتاگُن و ربِلییِن همگی روی اجزای سنسور میدان نور (light field sensor) کار می‌کنند، انتظار می‌رود اپل، اچ‌تی‌سی و دیگر تولیدکنندگان مطرح تلفن‌های هوشمند هم وارد گود شوند. پلیکان چندی پیش در کنگره‌ی جهانی موبایل پیش‌نمایشی از after-the-fact خود که سیستم جدیدی برای فوکوس مجدد پس از عکاسی است، ارائه نمود. این مهم به کمک پردازنده‌ی قدرتمند S800 کوآلکام انجام شده بود. بالاخره پس از 4 سال مشخص است که پلیکان آماده‌ی رونمایی از محصول یا شاید محصولاتی جالبی است و به نوعی می‌خواهد اعلام کند که سنسوری که بر اساس سنسور میدان نور ساخته، چه قدر باریک است و چطور پس از عکاسی فوکوس را تغییر ‌می‌دهد. معمولاً سنسور میدان نور را پلِناپتیک (Plenoptic) می‌گویند.
در تصویر زیر نمونه‌ی اولیه‌ی پلناپتیک، محصولی از اِستَنفورد نشان داده شده است:

قطعاً گوگل هم نمی‌خواهد از غافله عقب بیافتد. به همین علت افرادی مثل مشاور پلیکان، مخترع SynthCam و همچنین پروفسور مارک لیوی از دانشگاه استنفورد را استخدام کرده تا روی معماری عکاسی محاسباتی کار کنند و این تنها یکی از نشانه‌های تمایل گوگل به پیشرفت در این عرصه است.
ویک گاندُوترا، یکی از نائب روئسای گوگل می‌گوید:

ما می‌خواهیم گوشی‌های نکسوس، دوربین‌های فوق‌العاده‌ای باشند. فقط صبر کنید و ببینید چه خواهیم کرد.
​

معماری سنسورها هم در حال پیشرفت است. با سنسورهای دسته‌ای راه برای اختراعاتی روی تراشه‌ای باز شده است. منتظر متداول شدن شاترهای بدون تأخیر که باعث می‌شوند، تمام فریم در یک لحظه ذخیره شود، باشید. چیزی که اثر حرکت دوربین را کاهش داده و عیوب کمتری در عکس ایجاد می‌کند.
فقط به فوکوس خودکار اکتفا نکنیم، به زودی بزرگنمایی واقعی هم به دوربین گوشی‌های هوشمند اضافه می‌شود. لنزهای اضافی هم امکانات بیشتری در اختیار کاربران می‌گذارند، امکاناتی مثل زاویه‌ی عکاسی واقعاً باز و یا عکاسی از فواصل زیاد. شایعاتی در مورد دوربین گوشی نکسوس 5 مطرح شده که محصول مشترکی با همکاری نیکون است و کیفیت بالایی دارد.
تنها سوالی که در نهایت باقی مانده این است که با تحقق این نوآوری‌ها، آیا همچنان به دوربین‌های جمع‌و‌جور کلاس ببین و بگیر (Point-and-Shoot) همچنان نیاز خواهیم داشت یا خیر؟ نظر شما چیست؟ شما از چه دوربینی برای عکاسی استفاده می‌کنید و نظرتان در مورد کیفیت آن چیست؟ با خواندن این مقاله چقدر به اطلاعات شما در رابطه با دوربین تلفن‌های هوشمند افزوده شد؟

منبعExtremeTech لینک مطلب