هر آنچه که می‌بایست در رابطه با سنسورهای کوآد بیر بدانید

در مدت‌زمان کوتاهی شاهد معرفی گوشی‌هایی با دوربین‌های 48 مگاپیکسلی بودیم، اولین مدل از این گوشی‌ها در سال 2018 روانه بازار شد. نکته جالب این‌جاست که بیشتر این گوشی‌ها میان‌رده هستند و گوشی‌های پرچمدار همچنان از سنسورهای 12 مگاپیکسلی استفاده می‌کنند.
از آن‌جا که احساس می‌کنیم بخش‌های بازاریابی اغلب نتوانسته‌اند کارایی این سنسورها را به‌درستی درک کنند، برآن شدیم که در این مطلب به بررسی سنسورهای کوآد بیر بپردازیم.

فیلتر بیر چیست ؟

بیایید از ابتدا شروع کنیم. فیلتر بیر یک موزاییک رنگارنگ از فیلترهای قرمز، سبز و آبی است که به یک سنسور دیجیتال اجازه می‌دهد تا عکس‌های رنگی بگیرد. پیکسل‌های نیمه‌رسانا رنگ را نمی‌بینند بلکه تنها میزان نوری را که به آن‌ها برخورد می‌کند، جذب می‌کنند؛ بنابراین بدون یک فیلتر، شما تنها یک عکس سیاه و سفید دریافت خواهید کرد. فیلتر بیر اطمینان حاصل می‌کند که نوری که به هر پیکسل می‌رسد، یکی از سه رنگ اصلی باشد.

روش کار به این صورت است که یک سنسور 12 مگاپیکسلی، به‌عنوان مثال، دارای 6 میلیون پیکسل برای دیدن رنگ سبز و 3 میلیون پیکسل برای دیدن هر یک از رنگ‌های قرمز و آبی است. رنگ سبز بیشتر پیکسل‌ها را می‌گیرد، زیرا چشم انسان بیشتر به این رنگ حساس است. برای درون‌یابی یک تصویر با رزولوشن 12MP از الگوریتمی به‌نام Demosaicing استفاده می‌شود.

از آن‌جا ‌که فیلتر کوآد بیر (بیر چهارگانه) مشابه به فیلتر معمولی بیر است، نام‌گذاری این فیلتر (کوآد بیر) چندان صحیح نیست. چیزی که در حقیقت تغییر می‌کند سنسور پشت فیلتر است و نه خود سنسور. این سنسورهای جدید به‌جای قرار دادن یک پیکسل در پشت هر مربع رنگ، چهار پیکسل را پشت هر مربع رنگ قرار می‌دهند.

بنابراین، درواقع سنسورهای کوآد بیر با 48MP، نمی‌توانند جزئیات بیشتری نسبت به سنسور 12MP ارایه دهند. سازندگان سنسورها و تلفن‌های همراه به شما می‌گویند که الگوریتم هوشمندتر demosaicing می‌تواند جزئیات بیشتری را ثبت کند اما تجربیات ما نشان داده است که نتیجه نهایی چندان متفاوت و درخشان نیست.

فیلترهای کوآد بیر در کجا به کار رفته‌اند؟

اخیرا سنسورهای 48MP بسیار پرطرفدار شده‌اند و در گوشی‌های فراوانی وجود دارند. معرفی این سنسورها با سنسور 40MP هواوی در گوشی‌های  P20 Pro،  Mate 20 Proو Mate 20 X آغاز شد. سازندگان چینی حتی نسخه دوم این سنسورها را در گوشی‌های P30 و P30 Pro ارایه کردند که به‌جای RGGB به RYYB (قرمز، زرد، زرد، آبی) اما با قاعده یکسان، تغییر می‌کردند.

چندین گوشی مختلف مانند vivo V15 Pro و Samsung Galaxy A70 با دوربین‌ سلفی 32MP و فیلتر بیر چهارگانه وجود دارد. این گوشی‌ها سایز پیکسلی مشابهی (0.8µm) دارند، اما از لحاظ فیزیکی کوچک‌تر هستند و درنتیجه رزولوشن پایین‌تری دارند.

سامسونگ اخیرا سنسور 64MP کوآد بیر را معرفی کرده است، که باز هم، اندازه سنسور در آن دست‌نخورده است اما ابعاد آن تغییر کرده است. این سنسور 33% بزرگتر از کراپ فعلی سنسور 48MP است.

سنسور کوآد بیر چه کاری می‌تواند انجام دهد؟

همان‌طور که گفتم قدرت حقیقی کوآد بیر در جای دیگریست. بیر چهارگانه می‌تواند با یک گروه از چهار پیکسل جوری عمل کند که یک مربع فیلتر رنگ را به‌عنوان یک حسگر و یا حسگرهای جداگانه به‌اشتراک بگذارند.
این سنسورها یکی از بزرگ‌ترین سنسورهایی هستند که تاکنون در گوشی‌های همراه استفاده شده‌اند. برای مثال سنسور پرطرفدار سونی IMX586 (اولین سنسور 48 مگاپیکسلی)، قطری به‌اندازه 8 میلی‌متر دارد.
اندازه قطر سنسور سونی IMX363 (در Pixel 3) و سامسونگ S5K2L4 (در گوشی‌های S10) برابر با 7.06mm است. این یعنی شاهد حدود 30% افزایش در مساحت سنسورها هستیم.

اندازه سنسورها به‌شدت متفاوت هستند؛ 0.8µm برای سنسورهای 48 مگاپیکسلی و 1.4µm برای سنسورهای سنتی. تبلیغات بازاریابی اغراق‌آمیز درمورد سنسورهای 48 مگاپیکسلی ادعا می‌کند که آن‌ها می‌توانند از پیکسل‌باینینگ به‌گونه‌ای استفاده کنند که کارایی مانند 1.6µm پیکسل داشته باشد.

همین یک تصویر 12MP خلق می‌کند. عدد “1.6µm” معمولا تکرار می‌شود، اما نباید همه اعتبار را به خاطر بهبود عملکرد ضعیف حسگر به دست آورد.
نویز یک فرآیند تصادفی است و اگر پیکسل بزرگ یک سنسور سنتی به‌جای سیگنال نویز ثبت کند، برای حل آن کار زیادی نمی‌‌توان انجام داد (منهای پوشاندن آن به‌وسیله درون‌یابی داده از پیکسل‌های مجاور).

اگر یکی از چهار پیکسل موجود در سنسور بیر چهارگانه، نویز ثبت کند، این موضوع به‌معنای از دست‌رفتن 25% از اطلاعات است – یک کاهش نویز 4x که میزان وضوح تصویر را کاهش نمی‌دهد.

درعوض، سنسور می‌تواند به دو سنسور منطقی تقسیم شود– که یک سنسور نوردهی‌های کوتاه و سنسور دیگر نوردهی‌های بلند را ثبت کند. از این حالت در نور روز برای ضبط بلادرنگ HDR استفاده می‌شود. شما می‌توانید با ثبت و ترکیب دو تصویر پشت‌سرهم با استفاده از یک سنسور غیر‌ از کوآد بیر به کاهش نویز و HDR بپردازید.

اما یک مشکل وجود دارد، اجسام متحرک، موقعیت بین نوردهی‌های متوالی را تغییر می‌دهند. یک فیلتر بیر چهارگانه در یک زمان دو عکس می‌گیرد، بنابراین نیازی به استفاده از AI برای اصلاح خطاهای تصویربرداری (آرتیفکت) ناشی از حرکت دادن اشیا نیست.
در تصویر زیر مشاهده می‌کنید که اگر اصلاح تصویر با شکست روبرو شود نتیجه نهایی به چه شکل خواهد بود:

آسان‌ترین راه برای بیان کارایی فیلتر بیر چهارگانه این است که بگوییم که این سنسور به نرم‌افزار دوربین اجازه می‌دهد تا هم‌زمان دو عکس بگیرد. این موضوع امکان پردازش تصویر (حالت HDR و شب) را فراهم می‌کند و باعث می‌شود که گوشی‌های هوشمند مدرن تصاویر را با کیفیت عالی ضبط کنند (سخت‌افزار علت تمام تفاوت‌ها نیست).

سنسور کوآد بیر چه کاری نمی‌تواند انجام دهد؟

برخلاف LCD که برای هر پیکسل، زیرپیکسل‌های R ،G و B دارد، یک سنسور تصویر کلاسیک تنها یک زیر‌پیکسل برای هر پیکسل دارد. اما چون این پیکسل‌ها به‌هم نزدیک هستند، demosaicing عملکرد بسیار خوبی در بازسازی تصویر اورجینال انجام می‌دهد.

Samsung Galaxy A80: 12MP • 48MP

در یک فیلتر بیر چهارگانه پیکسل‌های رنگ‌های متفاوت از هم دور هستند پس برخلاف ادعای سازندگان، demosaicing تأثیر کمتری خواهد داشت. بنابراین شما قطعا به‌اندازه 12MP در حالت 48MP جزییات 4x دریافت نمی‌کنید. درحقیقت، از آن‌جایی که حالت پردازش تصویر در 48MP غیرفعال است، بعضا تصاویر 12MP جزئیات بهتر و حجم فایل کمتری دارند.

اجرای الگوریتم demosaicing بر روی داده‌های 48MP خام، به نتیجه نهایی واضح‌تری ختم می‌شود که بسته به مدل گوشی و صحنه، امکان تغییر این موضوع وجود دارد. اگر سطح جزئیات در یک شات از صحنه خاصی خوب نیست، بهتر است در هر دو حالت تصویربرداری نمایید و سپس تصویر بهتر را ذخیره کنید. در بیشتر اوقات بهتر است از حالت 12MP استفاده نمایید.

Oppo Reno 10x zoom: 12MP • 48MP

لازم‌به‌ذکر است که خواندن تصویر 48 مگاپیکسل نیز فراتر از قابلیت‌های برخی از سنسورها و چیپست‌های اولیه است؛ بنابراین آن‌ها فقط تصویر 12 مگاپیکسلی را دریافت کرده و کیفیت آن را افزایش می‌دهند که این کار بیشتر موجب‌ هدر دادن فضای ذخیره می‌شود.

یکی از مزایای سنسورهای کوآد بیر که مکررا به آن اشاره می‌شود، زوم فوق‌العاده است. در حالی‌که گوشی نوکیا  808 PureView زوم چشمگیری داشت، سنسورهای 41MP عظیم آن دارای فیلتر بیر کلاسیک بودند. همان‌طور که بحث شد، بیر چهارگانه تنها می‌تواند تا حدی از وضوح را ارایه دهد، بنابراین درواقع تفاوت چندانی با زوم دیجیتال در یک سنسور 12 مگاپیکسل وجود نخواهد داشت.

Asus Zenfone 6: 12MP • 48MP

سازمان‌های بازاریابی می‌خواهند به شما القا کنند که شما یک سنسور تصویر مانند Hasselblad خریداری می‌کنید، اما حقیقت این است که سنسور بیر چهارگانه تنها یک راه مؤثر و هوشمندانه برای گرفتن تصاویر 12MP با کیفیت بهتر است.

Huawei 20 Pro: 12MP • 48MP

سپس موضوع اپتیک مطرح است. ما نمی‌خواهیم وارد جزئیات شویم، اما این دوربین‌ها با وضوح بالا اغلب انکسارمحدود هستند، به این معنی که کوچکترین نقطه نور نمی‌تواند در یک ناحیه کوچکتر از پیکسل متمرکز شود. این محدودیتی است که توسط فیزیک به حداکثر رزولوشنی که اپتیک‌های کوچک و سنسورها می‌توانند داشته باشند، تحمیل شده است.