بررسی وضعیت فعلی دوربین تلفن‌های هوشمند،

[ناهید]

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

دوربین گوشی های هوشمند راه درازی را طی کرده تا به کم و کیف فعلی برسند. حالا عموم کاربران می توانند عکس هایی 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 دوربین ها متوقف می شود و سازندگان بزرگ ایده های خلاقانه ای برای افزایش کیفیت عکاسی گوشی های هوشمند پیشنهاد می کنند. دیگر داشتن مگاپیکسل بالاتر تنها ملاک نیست و مشتری تدریجاً این حقیقت را درک کرده است. در این مقاله می خواهیم به آینده ی دوربین گوشی های هوشمند و جدیدترین پیشرفت ها و تکنولوژی های مرتبط به آن نگاهی بیاندازیم.


دوربینی با سنسور بزرگ تر، در نتیجه پیسکل هایی با کیفیت بالاتر

در سال های گذشته سازندگان گوشی ها همیشه به فکر افزایش مگاپیکسل بودند اما بالاخره این روند را کنار گذاشته و کاربران هم متوجه شده اند که مگاپیکسل بالاتر به معنی کیفیت بیشتر عکس نیست.
نکته ی مهم این است هر چه تعداد پیکسل های یک سنسور با اندازه ی مشخص، بیشتر باشد، پیکسل ها کوچک تر می شوند. پیکسل های کوچک تر نویز بیشتری نسبت به پیکسل های بزرگ تر دارند، در واقع تعداد فوتون های دریافت شده در مدت زمان مشخص در مورد پیکسل های کوچک تر، کمتر است. بنابراین یک فوتون یا الکترون انحرافی نویز بیشتری را موجب می شود. مشکل دیگر پیکسل های ریز این است که به حد تفرق سیستم آپتیکی دوربین نزدیک تر هستند، مخصوصاً سیستم آپتیکی ارزان قیمتی که در گوشی های رده پایین به کار می رود.
در مجموع افزایش تعداد پیکسل ها نتیجه ی چندان جالبی نخواهد داشت. به عنوان مثال در برخی دوربین های رزولوشن بالا، اگر رزولوشن 50 درصد افزایش یابد، رزولوشن موثر تنها 10 درصد افزایش می یابد.
اچ تی سی با معرفی دوربین 4 مگاپیکسلی اولتراپیکسل خود پرچم دار نوآوری در زمینه ی بهبود عملکرد دوربین گوشی های هوشمند است. سنسور این دوربین سطحی 3 برابر بزرگ تر از سنسور دوربین های 13 مگاپیکسلی که در دیگر گوشی ها به کار می رود، دارد. در واقع مساحت این سنسور 4 میکرومتر مربع است در حالیکه رقبا از سنسوری با مساحت 1.3 میکرومتر مربع استفاده می کنند.

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 پرچم دار خود یعنی لومیا 920 از چنین دوربینی استفاده می کند. لومیا 920 در نور کم عکس های فوق العاده ای می گیرد و فعلاً از نظر کیفیت دوربین عکاسی در کنار اچ تی سی وان در زمره ی بهترین گوشی ها، قرار می گیرد.
سیستم های ارزان تر برای فوکوس بهتر و سریع تر

فوکوس خودکار همواره یکی از مشکلات اساسی دوربین های point-and-shoot یا ببین و بگیر یا دوربین های جیبی کوچک بوده است. همین مشکل در دوربین ارزان قیمتی که در گوشی ها به کار می روند هم وجود دارد و معمولاً سرعت کافی برای عکاسی از سوژه هایی که با سرعت بالایی حرکت می کنند، را ندارند. سرعت فوکوس خودکار یکی از نقاط قوت دوربین های DSLR یا حرفه ای است که موجب شده بازار این نوع دوربین ها، رونق سابق را حفظ کند.
سازندگان گوشی های هوشمند هم به فکر حل مشکل هستند و باز هم اچ تی سی یکی از بهترین سازندگان در این زمینه به شمار می رود. به عنوان مثال ImageChip 2 را در نظر بگیرید، این تراشه برای فوکوس خودکار در حالت فول رنج تنها 200 میلی ثانیه تأخیر دارد، سرعتی به مراتب بیشتر از گوشی های قدیمی که کسری از ثانیه و حتی بیش از 1 ثانیه تأخیر داشتند.
قبلاً ماژول فوکوس خودکار دوربین گوشی ها بر اساس محرکی به نام VCM ساخته می شد. وی سی ام درست شبیه چیزی است که در بلندگوها به کار می رود. با عبور جریان از سیم پیچ، میدان مغناطیسی ایجاد می شود. آهنربای کوچکی هم در کنار سیم پیچ قرار دارد و حاصل برهم کنش دو میدان مغناطیسی، حرکت سیم پیچ است. لنز هم توسط سیم پیچ حرکت می کند، فنری که به لنز متصل شده، آن را به موقعیت اولیه برمی گرداند.
با به کارگیری وی سی ام، لنز دوربین کمی جابجا می شود و برای تنظیم دقیق فوکوس، این عمل می بایست 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 دوربین های قدیمی بسیار کند صورت می گیرد از مشکلات وی سی ام می توان به تولید گرمای زیاد، نویز و صدا و همچنین نداشتن دقت کافی اشاره کرد.
امروزه دنیای حسگرها و محرک ها بسیار پیشرفته تر از گذشته شده است و سیستم های الکترومکانیکی بسیار کوچکی با استفاده از تکنولوژی مایکروالکترومِکَنیکال یا به اختصار MEMS ظهور کرده اند و در همه ی ابعاد موثر واقع شده اند. یکی از کاربردهای این محرک های کوچک در طراحی سیستم فوکوس خودکار است.
در روش جدید از بارالکتریکی برای ایجاد دافعه و جاذبه بین سطوح شانه ای شکل استفاده می شود، درست مثل این است که نمونه ی جامد محرک های وی سی ام را با تکنولوژی امروزی ساخته باشیم.

موسسه ی دیجیتال آپتیکس (یا به اختصار DOC) یک سیستم فوکوس خودکار بر اساس محرک های MEMS تولید کرده که در آن فقط یکی از اجزای لنز متحرک است، برعکس وی سی ام ها که تمام مجموعه ی سیستم فوکوس خودکار جابجا می شد. یک مزیت دیگر محرک های MEMS کوچکی آنهاست، به این ترتیب می توان دوربین های جمع وجورتری برای گوشی های باریک طراحی کرد.
موسسه ی 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 سایه روشن در آن می شود.
قرار است دیجیتال آپتیکس (DigitalOptics Corporation) یک ماژول کوچک دوربین با ارتفاع 5.1 میلی متر و رزولوشن 8 مگاپیکسل که بر اساس محرک های MEMS طراحی شده را به گوشی سازان چینی بفروشد. نام این دوربین memslcam است و البته تکنولوژی پیشرفته ی آن، قیمت بالایی هم دارد. قیمت دوربین به همراه پردازنده ی سیگنال تصویر آن در مقیاس 10000 عدد، 25 دلار تمام می شود.
دیجیتال آپتیکس مدعی است که عملکرد این دوربین در حد دوربین های پیشرفته ای نظیر آنچه در گوشی اچ تی سی وان به کار رفته، می باشد، آن هم با توان مصرفی در حد 1 میلی وات!
مزیت دیگر فوکوس خودکار سریع این است که برخی قابلیت های پس پردازشی جالب هم قابل استفاده است. دیجیتال آپتیکس برای نمایش یکی از این قابلیت ها، با دوربین خود 6 تصویر پشت سر هم از یک صحنه را با فوکوس های متفاوت گرفته و بدین ترتیب می توان بعد از تصویر برداری، عکسی که فوکوس مناسب را دارد انتخاب کرد. چیزی شبیه به دوربین Lytro که می توان روی هر نقطه از تصاویر آن فوکوس کرد. شاید در مواردی که حرکت سوژه سریع است، امکان تصویربرداری با فوکوس های مختلف وجود نداشته باشد اما حداقل در مواردی که حرکت کم است، می توان از توانایی دوربین کوچک و جالب دیجیتال آپتیکس بهره مند شد.
اما از گوشی های گران قیمت که بگذریم، به محصولات ارزان می رسیم که به منظور کاهش هزینه ای در حد چند دلار، حتی از وی سی ام های (VCM) قدیمی که در موردشان صحبت کردیم، هم استفاده نمی کنند. شرکت لِنزوِکتور برای حل مشکل دوربین گوشی های ارزان کار خود را با طراحی یک قطعه ی جالب به نام کریستال مایع یا به اختصار (LC) آغاز کرده است. در این روش مولکول های کریستال مایع با اعمال ولتاژ کنترلی، ضریب انکسار نواحی مختلف لنز را تغییر می دهند و لذا فوکوس دوربین تغییر می کند. مزیت روش استفاده از کریستال مایع نسبت به سیم پیچ در ارزان بودن و بی صدا بودن آن است.

 

[ناهید]

فعال کردن HDR قبل از ثبت عکس

دوربین های به کار رفته در گوشی ها از نظر اندازه بسیار کوچک هستند و لذا در مقایسه با دوربین های رده اول کلاس ببین و بگیر و یا دوربین های پیشرفته ی DSLR، از نظر محدوده ی تغییرات به مراتب ضعیف تر می باشند. این موضوع در مورد اولتراپیکسلی که در اچ تی سی وان دیده ایم هم صادق است. یکی از آثار محدوده تغییرات کم، در عکس هایی که نور زیادی پشت سوژه وجود دارد و یا عکس هایی که ترکیبی از نور شدید خورشید و تاریکی بخش های سیاه را شامل می شوند، مشهود است. کنتراست موجود در چنین شرایطی باعث می شود که عکس به نظر طبیعی نرسد، اگر به چنین عکس هایی دقت کنید، متوجه می شوید که یا نقاط تاریک جزئیات خود را از دست داده اند 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 می کند. نتیجه ی کار تصویری است که بیشترین جزئیات را دارد و واقعی تر به نظر می رسد.
در گذشته برای استفاده از HDR می بایست ابتدا عکس ها را تهیه می کردیم و سپس از طریق یک نرم افزار کامپیوتری مشغول ویرایش و ترکیب آنها می شدیم. اپل برای اولین بار در گوشی آیفون 4اس خود از HDR استفاده کرد. این شروع کار بود و پیشرفت ها ادامه پیدا کرد تا جایی که این روزها در گوشی های هوشمند علاوه بر HDR می توان امکانات پس پردازشی دیگری را هم مشاهده کرد. از همه مهم تر HDR همیشه فعال است به این معنی که حتی می توان فیلمی با فعال بودن HDR از محیط تاریک و روشن اطراف تهیه نمود.
مشکل HDR همیشه فعال، این است که سازنده می بایست کدهای خاصی برای آن بنویسد و چیپ پردازنده ی سیگنال تصویری مسئول اجرای پردازش سنگین آن است. سرعت کم پردازش هم مشکل بزرگی به حساب می آید و کیفیت فیلم و عکس را کاهش می دهد.
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 تراشه ی تگرا 4 معرفی شده و به احتمال قریب به یقین در نسخه های بعدی تگرا هم پشتیبانی می شود. در مورد چیمرا مفصلاً صحبت خواهیم کرد.
بیشتر مردم تنها چیزی که در مورد عکاسی محاسباتی می دانند این است که محاسبات را وارد عکاسی می کند و به کاربران دوربین لیترو این امکان را می دهد که پس از عکاسی روی بخش های مختلف عکس های گرفته شده مجدداً فوکوس کنند. اما فوکوس پس از عکاسی تنها یکی از قابلیت های ساد ه ای است که با کنار هم قرار گرفتن یک پردازنده قدرتمند و نرم افزار عکاسی محاسباتی و البته اطلاعات لازم در مورد عکس، می توان به آن دست یافت.
چیمرای انویدیا، چشم اندازی جدید در دنیای دوربین ها

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 تراشه ی تگرا 4، ظهور کرده است. به کمک معماری چیمرا، اجزایی مثل سنسور، پردازنده ی سیگنال تصویری یا ISP، پردازنده ی اصلی و پردازنده ی گرافیکی همه در کنار هم مشغول کار می شوند تا مراحل پردازش تصویر روی فریم های کپچر شده، با سرعتی بالا و در واقع به صورت آنی صورت بگیرد. از مزایای این روش دسترسی بهتر به حافظه ی مشترک، استفاده از توان هسته های پردازنده ی گرافیکی و واسط باز نرم افزاری است که در مجموع خبر از قابلیت های جدید دوربین های آینده می دهد.
اولین کاربرد چیمرا این است که می توان HDR را هم در حالت عکاسی و هم در حالت فیلم برداری به صورت مداوم فعال کرد. این قابلیت با معرفی خانواده ی تگرا 4 توسط انویدیا معرفی شده است. HDR همیشه فعال برای افزایش کیفیت دوربین های ارزانی که در گوشی ها به کار می روند، کاربرد زیادی دارد چرا که این دوربین ها معمولاً لنز کم کیفیتی دارند و اثر درخشش نور لنز منجر به کاهش کیفیت عکس ها می شود.
به کمک چیمرا مشکل دیگری هم حل می شود، مشکلی که به خاطر سرعت کم دوربین گوشی های هوشمند فعلی پیش می آید. منظورمان همان کندی پردازش است که قبلاً به آن اشاره کردیم. این مشکل باعث می شود که عکس هایی که به سرعت از یک منظره گرفته شده و قرار است ترکیب شوند، فاصله ی زمانی نسبتاً زیادی داشته و لذا نتیجه ی استفاده از HDR تصویری مات یا به دلایل مختلف، نامطلوب باشد. سرعت بالای تصویربرداری به کمک چیمرا و انجام مراحل پردازش تصویر در پایین ترین سطوح، نتیجه ی بهتری به دنبال خواهد داشت.

چیمرا از پتانسیل فوق العاده ای که در هسته های پردازنده ی گرافیکی نهفته است، برای عکاسی استفاده می کند. انویدیا می گوید در حال حاضر هنگام عکاسی ممکن است تا 100 بیلیون دستور در یک ثانیه اجرا شوند. به کمک چیمرا می توان قابلیت هایی که در حال حاضر فقط در دوربین های رده اول دیده می شود را در دوربین گوشی های هوشمند هم استفاده کرد. یکی از این قابلیت ها 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 می شود. انتخاب بهترین تصویر بین چند تصویر گرفته شده هم یکی از قابلیت های معمولی چیمرا است.
توجه کنید که این امکانات و قابلیت ها در دیگر تراشه ها و دوربین ها هم یافت می شوند اما وجه تمایز چیمرا با دیگر رقبا در داشتن واسط نرم افزاری باز آن است. به کمک همین واسط باز، سایر سازندگان هم می توانند پلاگین هایی بنویسند که به اطلاعات سطح پایینی مثل آنچه از سنسور دریافت می شود، دسترسی یابند. با این تراشه استفاده ی آسان از توان پردازشی پردازنده ی سیگنال تصویر، پردازنده ی اصلی و گرافیکی هم ساده می شود.
معلوم نیست که گوگل و مایکروسافت در مورد این واسط برنامه نویسی چه تصمیمی می گیرند و آیا اجازه می دهند که اندروید خام و ویندوز RT به آن فرصت درخشش بدهند یا خیر، اما به صورت قطعی می توان گفت که در رام های سفارشی راه برای ایجاد نرم افزارهای پیشرفته ی عکاسی و کار با دوربین تلفن باز شده است.
در نهایت دوربین گوشی های هوشمند چه شکلی خواهند بود؟

با در کنار هم قرار دادن نوآوری های معرفی شده در سال های آتی، می توان سنسور میدان نوری که در دوربین لیترو استفاده شده را با قدرت بالای معماری چیمرا ترکیب کرد و در نتیجه استفاده از افکت های جالب عکاسی و انجام مراحل پس پردازش به صورت آنی امکان پذیر می شود.
تیم کَمِرا کالچِر (Camera Culture team) دانشگاه اِم آی تی به همراه چندین استارت آپ مختلف مثل پِلیکان، هِپتاگُن و ربِلییِن همگی روی اجزای سنسور میدان نور (light field sensor) کار می کنند، انتظار می رود اپل، اچ تی سی و دیگر تولیدکنندگان مطرح تلفن های هوشمند هم وارد گود شوند. پلیکان چندی پیش در کنگره ی جهانی موبایل پیش نمایشی از after-the-fact خود که سیستم جدیدی برای فوکوس مجدد پس از عکاسی است، ارائه نمود. این مهم به کمک پردازنده ی قدرتمند S800 کوآلکام انجام شده بود. بالاخره پس از 4 سال مشخص است که پلیکان آماده ی رونمایی از محصول یا شاید محصولاتی جالبی است و به نوعی می خواهد اعلام کند که سنسوری که بر اساس سنسور میدان نور ساخته، چه قدر باریک است و چطور پس از عکاسی فوکوس را تغییر می دهد. معمولاً سنسور میدان نور را پلِناپتیک (Plenoptic) می گویند.
در تصویر زیر نمونه ی اولیه ی پلناپتیک، محصولی از اِستَنفورد نشان داده شده است:

قطعاً گوگل هم نمی خواهد 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 نشانه های تمایل گوگل به پیشرفت در این عرصه است.
ویک گاندُوترا، یکی از نائب روئسای گوگل می گوید:

ما می خواهیم گوشی های نکسوس، دوربین های فوق العاده ای باشند. فقط صبر کنید و ببینید چه خواهیم کرد.
​

معماری سنسورها هم در حال پیشرفت است. با سنسورهای دسته ای راه برای اختراعاتی روی تراشه ای باز شده است. منتظر متداول شدن شاترهای بدون تأخیر که باعث می شوند، تمام فریم در یک لحظه ذخیره شود، باشید. چیزی که اثر حرکت دوربین را کاهش داده و عیوب کمتری در عکس ایجاد می کند.
فقط به فوکوس خودکار اکتفا نکنیم، به زودی بزرگنمایی واقعی هم به دوربین گوشی های هوشمند اضافه می شود. لنزهای اضافی هم امکانات بیشتری در اختیار کاربران می گذارند، امکاناتی مثل زاویه ی 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 نوآوری ها، آیا همچنان به دوربین های جمع و جور کلاس ببین و بگیر (Point-and-Shoot) همچنان نیاز خواهیم داشت یا خیر؟ نظر شما چیست؟ شما از چه دوربینی برای عکاسی استفاده می کنید و نظرتان در مورد کیفیت آن چیست؟ با خواندن این مقاله چقدر به اطلاعات شما در رابطه با دوربین تلفن های هوشمند افزوده شد؟