Pixel Binning چیست و چه تاثیری در عملکرد دوربین گوشی های هوشمند دارد

اهمیت حضور پیکسل ها
برای پی بردن به مفهوم قابلیت Pixel Binning و نحوه عملکرد آن، باید بدانیم که پیکسل ها چه هستند و در عمل چه کاری انجام می دهند. پیکسل ها یک سری المان فیزیکی در حسگر دوربین های عکاسی هستند که در هنگام ثبت تصاویر و ویدیوها، نور را در خود ذخیره می کنند. ابعاد پیکسل ها معمولاً در واحد میکرون (یک میلیونیوم متر) گزارش می شود. به عنوان مثال دوربین گوشی های آیفون XS Max، گوگل پیکسل 3 و گلکسی اس 10، همگی پیکسل هایی بزرگ و در ابعاد 1.4 میکرون را در اختیار دارند.

شاید در وهله اول به نظر برسد هرچه ابعاد پیکسل ها بزرگ تر باشد، دوربین ظرفیت بهتری برای ذخیره سازی نور دارد و می تواند در موقعیت های تاریک عملکرد بهتری را از خود نشان دهد. اما باید گفت  بزرگ‌تر کردن ابعاد پیکسل‌ها موجب افزایش ابعاد حسگرهای دوربین شده و فرآیند طراحی دستگاهی که بتوان ماژول دوربین و سنسور را در آن جای داد سخت‌تر و یا غیر ممکن خواهد کرد.

به همین دلیل، تا جای ممکن این حسگرها را کوچک طراحی می کنند؛ تا امکان قرار دادن آن ها در فریم کوچک این دستگاه ها امکان پذیر باشد. این کار همچنین سبب می شود که از ایجاد برآمدگی در سطح دوربین گوشی های هوشمند نیز جلوگیری شود.

به این ترتیب باید گفت که انتخاب ابعاد کوچک برای پیکسل ها، به در اختیار داشتن یک حسگر دوربین کوچک و جمع و جور مبدل خواهد شد؛ مگر اینکه به جای کاهش ابعاد، در حسگرها از تعداد پیکسل های کمتری استفاده شود. این موضوع نیز سبب می شود که وضوح این حسگرها کاهش پیدا کند و امکان دریافت خروجی مناسب از آن ها امکان پذیر نباشد.

شرکت های تولید کننده حسگرهای دوربین در دنیا، همیشه علاقه مند هستند تعداد پیکسل های موجود در محصولات خود را افزایش دهند تا آن ها دارای وضوح بهتری باشند. از سوی دیگر افزایش تعداد پیکسل ها نیز می تواند با اهمیت باشد؛ چرا که سبب می شود میزان نورگیری این سنسورها افزایش پیدا کند و در نتیجه در موقعیت های تاریک با عملکرد بهتری از آن ها روبرو شویم.

به نظر می رسد تنها چالش بر سر راه دست یابی همزمان به وضوح و میزان نورگیری بالا، فراهم کردن یک فضای مناسب برای قرارگیری این سنسورها و همچنین سازگاری گوشی های هوشمند با برآمدگی احتمالی حاصل از آن ها است.

اگرچه با تقسیم کردن پیکسل ها، به منظور افزایش تعداد آن ها، نیز می توان عملکرد دوربین گوشی های هوشمند در موقعیت های تاریک را بهبود بخشید، اما Pixel Binning می تواند در این بخش به عنوان یک راهکار جدید و ارزشمند معرفی شود.

راهکار Pixel Binning
اگر حیاط یک خانه را به منزله یک سنسور دوربین در نظر بگیرم، می توان پیکسل ها را به عنوان سطل هایی معرفی کرد که برای جمع آوری قطرات آب در هنگام بارندگی مورد استفاده قرار می گیرند. در این مثال، قطرات آب به عنوان پرتوهای نور در نظر گرفته شده اند. می توان به منظور جمع آوری این قطرات، به جای قراردادن انبوهی از سطل های کوچک، از سطل های بزرگ تری بهره گرفت که اگرچه به دلیل محدودیت فضا، تعداد کمتری دارند اما قادر هستند با بازدهی بیشتری کار جمع آوری را صورت دهند؛ چرا که در این حالت می توانند فضای بیشتری از حیاط را بپوشانند.

Pixel Binning نیز قادر است با عملکردی مشابه، در صورت نیاز این سطل های کوچک را با یکدیگر ترکیب کند تا پس از ایجاد سطل های بزرگ تر، کار جمع آوری قطرات آب با بازدهی بهتری صورت بگیرد. به بیان دیگر Pixel Binning قابلیتی است که می تواند در صورت نیاز به جمع آوری نور بیشتر از محیط، چند پیکسل کوچک را برای ایجاد یک پیکسل بزرگ  با یکدیگر ترکیب کند.

 افزایش کیفیت تصویر و جزئیات با فرآیند تجمیع پیکسل‌ها 

این قابلیت در حال حاضر معمولاً برای ترکیب چهار پیکسل با یکدیگر مورد استفاده قرار می گیرد؛ به این معنی که اگر از پیکسل های در ابعاد 0.9 میکرون در حسگر دوربین ها استفاده شود، پس از پیاده سازی این قابلیت، شاهد دسترسی به پیکسل های 1.8 میکرونی خواهیم بود که با عملکرد بهتری می تواند به جمع آوری نور محیط بپردازد.

مهم ترین نقص این قابلیت، کاهش قابل توجه وضوح (رزولوشن) حسگرهای عکس برداری است. با توجه به اینکه پس از پیاده سازی این قابلیت تعداد پیکسل ها به یک  چهارم کاهش پیدا می کند، طبق انتظار به همین میزان از وضوح حسگر نیز کاسته می شود. به عنوان مثال، پس از فعال شدن Pixel Binning، وضوح یک سنسور 48 مگاپیکسلی به 12 مگاپیکسل تقلیل پیدا می کند؛ یا یک حسگر 16 مگاپیکسلی در هنگام استفاده از این قابلیت، تنها قادر خواهد بود تصاویر را با وضوح 4 مگاپیکسل به ثبت برساند.

تصویر بالا با استفاده از گوشی Honor View 20 به ثبت رسیده است که از یک حسگر 48 مگاپیکسلی بهره می برد. فعال بودن قابلیت Pixel Binning در هنگام ثبت این تصویر موجب شده است که وضوح آن در خروجی، 12 مگاپیکسل باشد.

اما چگونه گوشی های هوشمند و سنسورهای دوربین قادر هستند نسبت به ترکیب پیکسل ها، برای دست یابی به یک پیکسل بزرگ تر اقدام کنند. قابلیت Pixel Binning به لطف استفاده از یک فیلتر چهارگانهِ Bayer در سنسورهای دوربین قابل اجرا است.

Bayer، یک فیلتر رنگی است که در همه سنسورهای دوربین دیجیتال به کار گرفته می شود. این فیلتر بر روی پیکسل ها سوار می شود و اجازه می دهد که تصاویر بتوانند در رنگ های قرمز، سبز و آبی به ثبت برسند. نیمی از یک فیلترِ Bayer استاندارد از فیلترهای سبز رنگ تشکیل شده است  و 50 درصد باقیمانده نیز به طور مساوی توسط فیلترهای قرمز و آبی پوشانده می شود.

در این ساختار که به صورت قرارداد مورد پذیرش شرکت های تولید کننده این فیلتر قرار گرفته، به این دلیل میزان استفاده از فیلترهای سبز رنگ بیشتر است که چشم انسان عموماً حساسیت بیشتری به آن دارد و نسبت به دیگر رنگ ها، آن را بیشتر حس می کند. هنگامی که با استفاده از این فیلتر تصاویر به ثبت می رسند، به گونه ای پردازش می شوند تا یک تصویر رنگی کامل را به نمایش بگذارند.

اما در فیلترهای چهارگانه Bayer، این رنگ ها به صورت مجموعه  هایی چهارتایی در کنار یکدیگر قرار می گیرند؛ سپس از یک نرم افزار برای انجام پردازش های لازم و تبدیل آرایه ها استفاده می شود تا قابلیت Pixel Binning بر روی تصاویر پیاده سازی شود. استفاده از این چیدمان سبب می شود که اطلاعات بیشتری از نور محیط، در هنگام تبدیل آرایه ها در دسترس قرار بگیرد و تصاویر خروجی در قیاس با حالتی که آن ها به سادگی به وضوح های بالاتر انتقال پیدا کرده اند، طبیعی تر و بهتر باشد.

در تصویر بالا می توان با ساز و کار فیلترهای چهارگانه Bayer آشنایی پیدا کرد. همچنین در این تصویر تفاوت رنگ بندی و ترکیب رنگ ها میان این نوع از فلیترها و فیلترهای چهارگانه Bayer می تواند جالب باشد. با استفاده همزمان از فیلترهای چهارگانه Bayer و همچنین قابلیت Pixel Binning، می توان در طول روز عکس های با وضوح عالی را در اختیار داشت و در هنگام شب نیز در خروجی، تصاویر با رزولوشن کمتر اما با نوردهی بسیار بهتر را مشاهده کرد. قابلیت Pixel Binning سبب می شود که عکس های به ثبت رسیده از موقعیت های تاریک و یا در هنگام شب، روشن تر باشند و همچنین نسبت به تصاویر با وضوح بالا، نویز کمتری به خود بگیرند.

چه دستگاه‌هایی از قابلیت Pixel Binning استفاده می کنند؟
معمولاً اکثر گوشی های هوشمند موجود در بازار که دارای دوربین های در وضوح 32، 40 یا 48 مگاپیکسلی هستند، این قابلیت را در اختیار کاربران خود قرار می دهند. هم اکنون می توان گوشی های هوشمندی نظیر شیائومی Redmi Note 7، شیائومی Mi 9، Honor View 20، هواوی Nova 4، Vivo V15 Pro و ZTE Blade V10 را به عنوان مهم ترین محصولات موجود در بازار معرفی کرد که این قابلیت را در خود جای داده اند.

در طی یکسال اخیر ال جی نیز سعی کرده است قابلیت Pixel Binning را توسط گوشی های هوشمند خود که اتفاقاً  دارای دوربین با وضوح بالایی نیستند نیز در دسترس کاربران قرار دهد. در حال حاضر می توان این قابلیت را در گوشی های G7 ThinQ و V30s ThinQ این شرکت یافت. این گوشی های هوشمند در دوربین های 16 مگاپیکسلی خود دارای یک مد کاری با عنوان Super Bright هستند که همانطور که از نامش پیداست، ثبت تصاویر روشن و با نوردهی عالی را ممکن می کند.

باید توجه داشت که به دلیل استفاده از قابلیت Pixel Binning، وضوح این تصاویر به 4 مگاپیکسل کاهش پیدا می کند. چندی پیش بود که شیائومی نیز اعلام کرد که این قابلیت را در دوربین های 16 و 20 مگاپیکسلی گوشی های Redmi S2 و Mi A2، در دسترس کاربران خود قرار داده است.

بدون شک دوربین های با وضوح بالا به منظور پیاده سازی این قابلیت مناسب تر هستند (به ویژه بر روی دوربین اصلی آن ها)؛ چرا که در خروجی تصاویر با وضوح بالاتری را در اختیار خواهیم داشت. این روزها خبرهایی به گوش می رسد که نشان می دهد در نسل بعدی از گوشی های هوشمند شاهد حضور دوربین های با وضوح 64 و حتی بیش از 100 مگاپیکسلی خواهیم بود. مطمئناً قابلیت Pixel Binning در این دوربین های با وضوح عالی، عملکرد بسیار بهتری را از خود به نمایش خواهد گذاشت.

نقص ها و کاستی ها
چندی پیش بود که یکی از مدیران ارشد کوالکام اعلام کرد که تراشه های جدید این شرکت قادر هستند از دوربین های با وضوح عالی 64 یا حتی بیش از 100 مگاپیکسلی نیز پشتیبانی کنند و در آینده شرکت های تولید کننده گوشی های هوشمند چنین محصولاتی را روانه بازار خواهند کرد. این موضوع سبب می شود که بتوان بر روی این دوربین ها، حتی پس از فعال سازی قابلیت Pixel Binning نیز وضوح حداقل 16 یا 25 مگاپیکسلی را در اختیار داشت که برای ثبت تصاویر با کیفیت، کافی به نظر می رسد.

اگرچه حضور این تعداد از پیکسل ها در سنسورهای دوربین خبر بسیار خوبی است و نوید ثبت تصاویر با کیفیت بالاتر را می دهد، اما باید توجه داشت تا زمانی که ابعاد پیکسل های موجود در این دوربین ها افزایش پیدا نکند، هیچکدام از این اتفاقات رخ نمی دهد. در حال حاضر سنسور های 64 مگاپیکسلی، دارای پیکسل های در ابعاد 0.5 میکرون هستند. به این معنی که اگر قابلیت Pixel Binning را در آن ها فعال کنیم، در نهایت به یک دوربین 16 مگاپیکسلی می رسیم که ابعاد پیکسل آن در حدود 1 میکرون است.

به این ترتیب، اگرچه دوربین های 64 مگاپیکسلی، با استفاده از فناوری های جدید توانسته اند این تراکم از پیکسل ها را در خود جای دهند، اما در نهایت عملکرد آن ها مشابه با دوربین سلفی گوشی وان پلاس 6T و دوربین اصلی گوشی ال جی G7 خواهد بود. این موضوع نشان می دهد که خرید گوشی های گوگل پیکسل یا گلکسی اس 10 که دارای دوربین 12 مگاپیکسلی هستند، حتی پس از عرضه عمومی این حسگرهای جدید نیز ایده مطرودی نیست.

نتیجه‌گیری
به نظر می رسد تولیدکنندگان گوشی های هوشمند به منظور غلبه کردن بر محدودیت های این سنسورهای جدید در هنگام ثبت تصاویر از موقعیت های تاریک، باید فناوری های جدیدتری را به کار بگیرند؛ که در آن واحد امکان ترکیب کردن تعداد بیشتری از پیکسل ها را با یکدیگر فراهم می کند. به این ترتیب، اگرچه در این حالت وضوح تصاویر کاهش پیدا می کند، اما عملکرد دوربین ها در ثبت تصویر از موقعیت های تاریک را به میزان قابل توجهی بهبود می بخشد.

به عنوان مثال گوشی نوکیا 808 PureView از قابلیتی با عنوان Oversampling بهره می برد که قادر است با استفاده از آن، اطلاعات جمع آوری شده از 14 پیکسل مختلف را با یکدیگر ترکیب کند و در پایان یک عکس با وضوح سه مگاپیکسلی را به نمایش بگذارد. اگر این وضوح برای شما کافی نیست می توانید با استفاده از این قابلیت، اطلاعات مربوط به هشت پیکسل را با یکدیگر ترکیب کنید تا در پایان یک تصویر با وضوح پنج مگاپیکسلی را در اختیار داشته باشید. به همین ترتیب، امکان ترکیب اطلاعات حاصل از پنج پیکسل برای دسترسی به یک عکس هشت مگاپیکسلی نیز وجود در این گوشی در دسترس بوده است.

حتی اگر دوربین های با وضوح عالی 64 یا 100 مگاپیکسلی نتوانند راه خود را برای حضور در گوشی های هوشمند باز کنند، بازهم استفاده از قابلیت Pixel Binning در سنسورهای 40 یا 48 مگاپیکسلی امروزی، نتایج درخشانی را به دنبال خواهد داشت. با رشد امکاناتی نظیر Night Mode، بزرگ نمایی اپتیکی و قابلیت های مبتنی بر هوش مصنوعی، در حال حاضر گوشی های هوشمند برای ثبت تصاویر بهتر و با کیفیت تر، پتانسیل کافی را دارند.

منبع : شهر سخت افزار