فناوری ادغام پیکسل چیست و در دوربین گوشی‌های هوشمند چگونه عمل می‌کند؟

دنیای دوربین‌های موبایل 5 سال پیش بسیار متفاوت بود. اکثر گوشی‌ها سنسورهای 12 مگاپیکسلی داشتند. حالا اگرچه آیفون هنوز از دوربین‌های 12 مگاپیکسلی استفاده می‌کند، اما بسیاری از پرچمداران اندرویدی به سراغ مگاپیکسل‌های بالا رفته‌اند، ولی هنوز هم عکسی با این رزولوشن در خروجی ارائه می‌کنند. چون شرکت‌ها در پردازش داده‌ها از روشی به نام «ادغام پیکسل» (Pixel Binning) استفاده می‌کنند. در ادامه با این روش آشنا می‌شویم.

پدیده ادغام پیکسل فرآیندی به منظور کنار هم قرار دادن پیکسل‌ها و تبدیل آن‌ها به گروه‌های پیکسلی است. در عکاسی دیجیتال، نقاطی که با هم ادغام می‌شوند، همان پیکسل‌های منفرد هستند. پیکسل‌ها بسته به رزولوشن سنسور دوربین، درون گروه‌های 4 یا 9 تایی قرار می‌گیرند. گلکسی S22 اولترا مثل چند نسل قبلی گوشی‌های سامسونگ خروجی سنسور 108 مگاپیکسلی خود را در گروه‌های 9 تایی ادغام می‌کند و تصاویر 12 مگاپیکسلی می‌سازد. در آن سو، پیکسل 6 و 6 پرو هر 4 پیکسل را با هم ادغام می‌کند و از سنسور 50 مگاپیکسلی خود تصویر 12.5 مگاپیکسلی به دست می‌آورد.

چرا به ادغام پیکسل نیاز داریم؟

علت استفاده از تکنیک ادغام پیکسل چیست؟ «جود هیپ»، معاون مدیریت محصول در بخش دوربین و بینش رایانه‌ای کوالکام می‌گوید پاسخ این سوال عمدتا به دو بحث محدود می‌شود: حساسیت نوری و محدودیت‌های فضا.

سنسورهای دوربین روی سطح خود هزاران هزار پیکسل دارند که نور را تشخیص می‌دهند. با افزایش رزولوشن دوربین، تعداد پیکسل‌ها هم بیشتر می‌شود. ولی در شرایطی که گنجاندن پیکسل‌های بیشتر ثبت جزئیات را افزایش می‌دهد، این کار عملکرد دوربین را در محیط‌های کم‌نور محدود می‌کند.

هیپ می‌گوید: «پیکسل‌های کوچک نمی‌توانند به اندازه کافی نور دریافت کنند. اصول پایه علم فیزیک این را به ما می‌گوید.» پیکسل‌های گوشی‌های مدرن کوچک‌اند و اندازه آن‌ها به حدود 1 میکرومتر رسیده است. اگر بخواهیم مقایسه‌ای داشته باشیم، می‌توانیم موی انسان را در نظر بگیریم که ضخامتش 80 میکرومتر است. اندازه پیکسل اهمیت دارد چون هرچه پیکسل‌ها کوچک‌تر باشند، فضای سطحی کمتری برای ثبت نور ورودی خواهند داشت. در نتیجه، سنسوری با اندازه پیکسل 0.8 میکرومتر نسبت به سنسوری با پیکسل 1.2 میکرومتر تصاویر تاریک‌تری ثبت می‌کند.

تولیدکنندگان برای حل این مشکل از چند روش استفاده می‌کنند. بسیاری از سازندگان دوربین‌های موبایل اطلاعات فریم‌های مختلف را با هم ترکیب کرده و با استفاده از نرم‌افزار یک تصویر می‌سازند که دربرگیرنده داده‌های حاصل از چند تصویر است. به‌علاوه، امکان استفاده از سنسورهای بزرگ‌تر هم وجود دارد تا فضای سطحی بیشتری برای گردآوری نور توسط پیکسل‌ها وجود داشته باشد.

گوگل برای سری پیکسل 6 از یک سنسور بزرگ 1/1.31 اینچی استفاده کرده که پیکسل‌های نسبتا بزرگ و مگاپیکسل بالایی دارد. ولی این رویکرد نیازمند تخصیص فضای داخلی بیشتر به سخت‌افزار دوربین است. در نتیجه، یا باید بخشی از قطعات داخلی، مثلا باتری، کوچک‌تر شود، یا ماژول‌های عجیب و غریبی مثل ماژول دوربین پیکسل 6 خلق شود.

ادغام پیکسل‌ها چگونه انجام می‌شود؟

روش ادغام پیکسل اما پیکسل‌های مجاور را با هم ترکیب می‌کند تا یک مجموعه مصنوعی بزرگ موسوم به «سوپرپیکسل» بسازد. این مجموعه در مقایسه با پیکسل‌های تشکیل‌دهنده‌اش در برابر نور حساس‌تر است. اکثر دوربین‌های دیجیتال در هر پیکسل از سنسور دوربین نور را فیلتر می‌کنند تا فقط طول موج خاصی از پرتوها گردآوری شود. در حالت کلی، 25 درصد پیکسل‌ها به نور قرمز، 25 درصد به نور آبی و 50 درصد به نور سبز تبدیل می‌شوند. سهم نور سبز بیشتر است چون چشم انسان نسبت به نور سبز حساسیت بیشتری دارد.

زمانی که یک گوشی پیکسل‌ها را ادغام می‌کند، پردازنده سیگنال تصویری (ISP) از 4 (یا 9) پیکسل هم‌رنگ مجاور میانگین می‌گیرد. هیپ می‌گوید نتیجه استفاده از این تکنیک یک نوع بده‌بستان است: «رزولوشن پایین می‌آید، [اما] حساسیت به نور بالا می‌رود.»

ولی نمی‌توان با ادغام پیکسل‌های کوچک عملکرد سنسورهایی را شبیه‌سازی کرد که پیکسل‌های بزرگ دارند. هیپ می‌گوید فاصله میان پیکسل‌ها ناچیز نیست، بنابراین ادغام پیکسل می‌تواند باعث به وجود آمدن آرتیفکت‌های اضافه شود. با این حال، فراموش نکنید که داریم از اجزایی به اندازه کسری از موی انسان صحبت می‌کنیم. بنابراین فاصله بین پیکسل‌ها هم میکروسکوپی است، و نرم‌افزار تا حد قابل قبولی می‌تواند این فواصل را با تکنیک‌هایی مثل ادغام پیکسل پر کند.

از آن‌جایی که شگرد ادغام پیکسل می‌تواند تا حد زیادی کمبودهای نوری سنسورهای دارای پیکسل‌های کوچک را جبران کند، قابلیت‌هایی که وابسته به مگاپیکسل‌های بالاست، به گوشی‌هایی که سنسور فیزیکی بزرگی دارند، محدود نمی‌شود. برای مثال، گلکسی S22 اولترا از فیلم‌برداری 8K پشتیبانی می‌کند که به لحاظ فیزیکی روی سنسورهای 12 مگاپیکسلی سنتی ممکن نیست.

تعداد بالای پیکسل‌ها همچنین اجازه می‌دهد که بدون نیاز به لنز اختصاصی تله‌فوتو امکان بزرگ‌نمایی داشته باشید. هیپ می‌گوید: «در شرایطی که نور کافی باشد، سنسورهای رزولوشن بالا می‌توانند به بزرگ‌نمایی دیجیتال با کیفیت بالا دست پیدا کنند.» ولی چون گلکسی S22 اولترا قادر است گروه‌های 9 تایی پیکسل‌ها را با هم ادغام کند و تصاویر 12 مگاپیکسلی بسازد، عملکرد آن در محیط‌های کم‌نور خیلی بهتر از دوربین‌های رزولوشن پایینی است که پیکسل‌های مشابه 0.8 میکرومتری دارند.

به‌طور خلاصه، فن ادغام پیکسل راهکاری خلاقانه برای دور زدن محدودیت‌های فیزیکی دوربین‌هایی است که روزبه‌روز بر عدد مگاپیکسل آن‌ها اضافه می‌شود. این روش به سرعت در حال تبدیل شدن به استانداردی در دنیای دوربین‌های موبایل است. چرا؟ چون به خلق تصاویر دقیق‌تری کمک می‌کند که تولید آن‌ها در غیر این صورت نیازمند ISO بالا یا نوردهی بالاست؛ اولی منجر به افزایش نویز و دومی منجر به تاری تصویر می‌شود. این تکنیک شاید معجزه‌آسا نباشد، اما آن‌قدر هوشمندانه است که همه شرکت‌ها را به سمت استفاده از خود متمایل کند.