مطالعه نقش سنسورهاي تصوير در كيفيت ويديوها

در دنياي سنسورهاي تصويري، معمولا اينگونه گفته مي‌شود كه سنسور هر چقدر بزرگتر باشد آنگاه كيفيت تصوير و تطبيق‌پذيري بهتر خواهد بود. اما همه‌ي كار به همين مورد ختم نمي‌شود و تعدادي از عوامل ديگر نيز روي كيفيت تصوير نقش دارند.

 نردبان بلندتر كمك مي‌كند تا براي رسيدن به يك شاخه‌ي بلندتر اشكالي نداشته باشيد. موتورهاي بزرگ‌تر به پيروزي در مسابقات اتومبيل‌سواري كمك مي‌كند. هليكوپترهاي بزرگ‌تر در مهماني‌هاي پر زرق و برقي كه در پشت بام‌ها برگزار مي‌شود از حق دسترسي و ورود مناسب‌تري برخوردار هستند. طبيعتا شما با مثال‌هايي از اين دست آشنايي داريد و موضوع صحبت ما هم اين مثال‌ها نيستند. اما در دنياي دوربين‌‌ها و سنسورهاي آنها، آيا همواره گزينه‌ي بزرگتر، بهتر است؟ در يك كلام بايد پاسخ دهيم كه بله. حال در ادامه به مطالعه اين موضوع مي‌پردازيم.

همه‌ي ما احتمالا تا به حال حداقل يك بار با تصاوير توليد شده از دوربين‌هاي 4K روبرو شده‌ايم، اين امر در واقع چيزي است كه بسياري از شركت‌هاي توليدكننده و علاقه‌مندان به اين زمينه آن را به عنوان يك جهش اجتناب‌ناپذير به شمار مي‌آورند. در دوربين‌هاي جديد، نرم‌افزار، گردش كار و هزينه‌ها همگي مستلزم اين هستند كه به طور مداوم به دنبال يادگيري چيزهاي جديدتر و همچنين گرفتن تصميم‌هاي آگاهانه و به كار بستن فناوري‌هاي جديد باشيم.

 به عنوان مثال، معرفي دوربين ۴۰۰۰ دلاري Blackmagic Production باعث شد تا واقعا ويديوهاي 4K با عملكرد بالا در دسترس استوديوهاي كوچك، علاقه‌مندان و همچنين متخصصاني كه با محدوديت بودجه مواجه‌ هستند، قرار گيرند. البته مي‌دانيم كه اين دوربين هم خيلي ارزان نيست، اما زماني كه آن را با RED EPIC-M DRAGON باور نكردني مقايسه كنيم، به نتيجه‌ي ديگري خواهيم رسيد. اين دوربين كه همزمان با دوربين اولي معرفي شده بود داراي ارزش ۲۹ هزار دلار بود كه با امكانات جانبي آن ارزشش تا ۵۰ هزار دلار نيز مي‌رسد.

دوربين Blackmagic Design براي بسياري از افراد به عنوان يك كمك‌كننده‌ي اصلي براي رسيدن به موفقيت تلقي مي‌شود. اما يك لحظه صبر كنيد! دوربين GoPro HERO3: Black Edition نيز مي‌تواند تصاوير 4K را به خوبي ثبت كند. شايد نه در همان نرخ فريم كه Blackmagic Production Camera 4K يا يك RED EPIC ثبت مي‌كند، اما اندازه‌ي فريم‌هاي ثبت شده توسط اين دوربين‌ها با هم يكسان خواهند بود. در واقع هنوز هم 4K تلقي مي‌شود. اما پرسش اين است كه مزيت‌ها و تفاوت‌هاي آنها در چيست؟

 بايد بگوييم كه در چند مورد تفاوت‌هايي وجود داردند. اما اساسا هر كدام از دستگاه‌هاي ياد شده داراي يك سنسور با ظرفيت ثبت تصاويري با رزلوشن ۳۸۴۰ در ۲۱۶۰ پيكسل يا بيشتر از آن هستند. در حالي كه سنسورها در حال انجام همان عملكرد در همان وضوح تصوير براي دوربين‌هاي مختلف هستند، ولي واقعيت اين است كه سنسورهاي اين دوربين‌ها و علاوه بر آن مجموعه‌اي از سخت‌افزار و نرم‌افزارهاي همراه در آنها داراي شرايط بسيار متفاوتي نسبت به همديگر هستند.

براي اينكه يك ايده‌ي بهتر و جامع‌تر درباره‌ي ماهيت سنسورهاي تصوير گوناگون به دست آوريم، يك قدم به عقب باز مي‌گرديم و سعي مي‌كنيم نگاهي داشته باشيم به اينكه سنسورهاي تصوير چه هستند و وظيفه‌ي آنها به طور دقيق چيست.

 به بيان ساده، سنسور تصوير براي يك دوربين ديجيتال همان جايگاهي را دارد كه فيلم براي يك دوربين آنالوگ ايفا مي‌كند. اصول بنيادي براي گرفتن عكس و در نتيجه فيلمبرداري به طور چشمگيري تغيير نكرده است. تنها تغيير پايه‌اي در واقع مربوط به فناوري مورد استفاده براي انجام اين كار است.

در عكاسي ديجيتال لنز براي ايجاد تصويري از يك صحنه، به نور اجازه‌ي عبور مي‌دهد. اما در سيستم‌هاي آنالوگ به جاي اينكه نور با لنز برخورد كند، پرتوهاي نور روي يك قطعه فيلم تاثير مي‌گذارند كه آن نيز در مراحل بعدي تحت پردازش شيميايي قرار مي‌گيرد. حسگر تصوير نور را دريافت كرده و آن را به يك فرمت ديجيتال تبديل كرده كه دوربين ديجيتال نيز در ادامه اين فرمت را به عكس تبديل مي‌كند.

روند چگونگي كاركرد سنسورها بر اساس نوع حسگر و بيت‌هاي محاسباتي دوربين شايد كمي متفاوت باشد. اما به تعبير ساده مي‌توانيم بپذيريم كه در حالت كلي كار سنسور به اين صورت خواهد بود كه نور يا فوتون‌هاي رسيده را دريافت كرده و ديتاهاي به دست آمده از نور را به يك فايل تصويري تبديل كند كه حاوي اطلاعاتي در مورد رنگ، تن، سايه‌ها و هايلايت‌ها است. ديتاي نوري موجود در اين فايل در بر دارنده‌ي مشخصات روشنايي و رنگ براي هر پيكسلي از يك تصوير است. اين پيكسل‌ها هنگامي كه توسط پردازنده‌هاي سيگنال و ديگر محصولات صنعتي هوشمند در دوربين تفسير شدند، در ادامه به منظور ايجاد يك تصوير ديجيتال با هم تركيب مي‌شوند. همه‌ي توضيحات فوق ما را به اين نتيجه مي‌رساند كه نوع سنسورها و اندازه‌ي آنها مسلما با كيفيت تصوير ارتباط دارد.

سنسورها هم براي دوربين‌هاي عكاسي و هم براي دوربين‌هاي فيلمبرداري در اندازه‌هاي متنوعي ارائه مي‌شوند. برخي از اندازه‌هاي محبوب در ميان آنها سوپر ۳۵ (Super 35) كه براي مثال در (Sony NEX-FS100) به كار رفته؛ فول‌فريم (Full-frame) كه در مدل‌هايي همانند (Canon EOS 5D Mark III, Nikon D800) ديده مي‌شود؛ APS-C در مدل‌هايي از قبيل (Canon EOS Rebel T5i, Nikon D7100) و سنسور ميكرو چهار سوم (Micro Four Thirds) است. سنسورهاي تصوير براي دوربين‌هاي كامپكت كوچك‌تر ساخته مي‌شوند و براي استفاده در دوربين‌هاي موبايل‌هاي هوشمند و ساير دوربين‌هاي كوچك باز هم نسبت به حالت قبل كوچك‌تر مي‌شوند. اكنون پرسشي كه مطرح مي‌شود اين است كه چه عاملي باعث مي‌شود تا بزرگ‌تر بودن سنسور دليلي براي بهتر بودنش نيز تلقي شود؟

در حالي كه شايد يك دوربين كامپكت ۱۸ مگاپيكسلي داراي همان تعداد پيكسلي باشد كه به عنوان مثال يك دوربين ۱۸ مگاپيكسلي DSLR داراست، اما بايد توجه داشته باشيم كه DSLR داراي اندازه‌ي سنسور بسيار بزرگ‌تري است. به عنوان يك نتيجه مي‌توان گفت، ۱۸ ميليون پيكسل روي تراشه‌‌ي دوربين DSLR به طور قابل ملاحظه‌اي بزرگ‌تر خواهند بود. اين موضوع را با تعبيري به نام تراكم پيكسلي مي‌شناسند و گفته مي‌شود كه دوربين فوق داراي تراكم پيكسلي پايين‌تر است؛ يعني اينكه تعداد پيكسل‌هاي مساوي در يك دوربين نسبت به دوربين ديگر داراي مساحت بيشتري براي قرارگيري روي يك سنسور تصوير هستند. اين بدان معني است كه هر پيكسل قادر به گرفتن اطلاعات نوري بيشتري است؛ به اين معني كه عمق رنگ بهتري براي دقت رنگ تصوير گرفته شده به دست خواهد آمد؛ رنج دايناميك بيشتر شده و همچنين مقدار شدت نور هم افزايش خواهد يافت و در نتيجه تعريف بهتر و دقيق‌تري در مناطق روشن و تاريك از يك تصوير در دست داشته و يك تصوير بسيار شفاف‌تر خواهيم داشت. هنگامي كه در مورد عملكرد نوري پايين در دوربين‌ها صحبت مي‌شود، سنسور وسيله‌اي است كه باعث مي‌شود تا عملكرد نوري خوب براي يك دوربين ممكن شود. نور اضافي گرفته شده توسط پيكسل‌ها در حسگر تصوير با سطح مساحت بيشتر به عملكرد بهتر در حالات نور كم مي‌انجامد و در نتيجه نويزهاي ديجيتالي كمتر خواهند شد.

در اين قسمت به يك مفهوم جالب مي‌پردازيم؛ نسبت سيگنال به نويز در يك سنسور. همه‌ي ما نويزهاي ديجيتالي موجود در يك ويديو را ديده‌ايم. اين نويزها به صورت ظاهري با دانه‌هاي ريز خود را نشان مي‌دهند و هنگامي كه تنظيمات ISO دوربين خود را بالاتر ببريم تا شاهد جزييات بيشتري از يك تصوير در شرايط نور كم باشيم، به چشم خواهند آمد.

 نسبت سيگنال به نويز به توانايي يك سنسور براي دريافت نور بيشتر و ارايه‌ي جلوه‌ي بيشتري از تصوير واقعي اشاره دارد. يك سنسور بزرگ‌تر مي‌تواند نسبت سيگنال به نويز بيشتري را فراهم كند. هر اندازه كه حسگر كوچكتر مي‌شود، نسبت سيگنال به نويز نيز كاهش مي‌يابد.

با وجود اندازه‌هاي مختلف براي سنسورها، بسيار مهم است كه عاملي به نام ضريب برش يا كراپ را هم در مطالعه و انتخاب دوربين‌ها داشته باشيم. ضريب برش به ميدان ديد حاصل از يك تصوير در هنگام مقايسه‌ي سنسورهاي كوچك با سنسورهاي فول‌فريم اطلاق مي‌شود. براي داشتن يك تعريف و درك بهتر از آن بايد اشاره كنيم كه يك سنسور استاندارد APS-C داراي اندازه‌ي ۲۴ در ۱۶ ميلي‌متر است و ميدان ديد آن نيز كمتر از ميدان ديد حاصل از سنسور بزرگ‌تر با اندازه‌ي ۳۶ در ۲۴ در يك دوربين فول فريم خواهد بود.

 محاسبه‌ي واقعي براي پي بردن به ضريب شكل، با مقدار مساحت سطح سنسور ارتباط دارد. اگر بخواهيم به سادگي بيان كنيم، مي‌توانيم اندازه‌ي قطري يك سنسور فول‌فريم ۳۵ ميلي‌متري را با اندازه‌ي يك سنسور تصوير ديگر قياس كنيم. به عنوان مثال، سنسور تصوير APS-C موجود در يك دوربين Canon EOS 60D به صورت ۲۲.۳ در ۱۴.۹ ميلي‌متر است؛ در حالي كه سنسور تصوير فول‌فريم در دوربين EOS 5D Mark III به صورت ۳۶ در ۲۴ ميلي‌متر است كه به طور تقريبي اگر بخواهيم بگوييم، حدود ۱.۶ برابر مساحت سطح سنسور60D  است. بنابراين گفته مي‌شود كه ضريب برش سنسور 60D برابر ۱.۶ است.

 اگر بخواهيم ساده‌تر بيان كنيم، يك لنز پرايم 50mm روي سنسور 60D، در واقع معادل با طول فاصله‌ي كانوني حاصل از لنزي با ميزان ۱.۶ طول فاصله‌ي كانوني اوليه است و به همين ترتيب معادل با يك لنز ۸۰ ميلي‌متري از دوربين فول‌فريم خواهد بود. بنابراين تصوير شما طوري به انديشه متخصصين خواهد رسيد كه گويي روي آن به مقدار ۱.۶ برابر بيشتر از آن مقداري اخبار تخصصي شده است كه اگر شما از همان لنز روي دوربيني با سنسور فول‌فريم استفاده مي‌كرديد، اعمال مي‌شد.

قابل ذكر است كه ظهور فيلمبرداري DSLR مفهومي به نام عمق ميدان را به پيش‌زمينه‌ي ذهني علاقه‌مندان به ويديو اضافه كرد. عمق ميدان به مقدار كم يا زياد بودن پس‌زمينه‌ي يك تصوير در فوكوس اطلاق مي‌شود. عكس‌هايي كه در آن پيش‌زمينه و پس‌زمينه تحت فوكوس باشند، به عنوان مواردي به حساب مي‌آيند كه داراي عمق ميدان بيشتري هستند. از سويي تصاويري با سوژه‌ي روشن‌تر و پس‌زمينه‌ي كمي نامشخص داراي عمق ميدان كمتري هستند.

 بخش زيادي از اين اثر به خاطر فاصله‌ي كانوني طولاني‌تر يك شات ايجاد مي‌شود. در حالي كه شايد به انديشه متخصصين نرسد كه اين امر مربوط به اندازه‌ي حسگر تصوير است، چرا كه يك سنسور كوچكتر داراي ضريب برش بيشتري است و فاصله‌ي كانوني اعمال شده بايد بسيار كوتاه‌تر شود تا بتواند همان ظاهري را در تصوير ايجاد كند كه با سنسور بزرگ‌تر به دست خواهد آمد. در حالي كه دو دوربين با سنسورهاي مختلف و لنزهاي يكسان، داراي همان عمق ميدان در همان فاصله از سوژه‌ي خود خواهند بود، اما فاصله‌ي كانوني موثر براي حسگر كوچكتر، مقدار بيشتري دارد.

اين امر در واقع بخشي از موضوع را براي ما روشن مي‌كند. وجود چنين سازوكاري متخصص را مجبور مي‌كند تا براي رسيدن به همين ميدان يكسان، دوربين را از سوژه دورتر كند. دورتر شدن از سوژه باعث افزايش عمق ميدان مي‌شود؛ به اين معني كه هر چقدر سنسور كوچكتر باشد، به همان اندازه نيز احتمالا به دست آورودن عميق ميدان كم‌عمق براي عكاس دشوارتر خواهد بود.

 علاوه بر اين، سنسورهاي تصوير كوچك‌تر براي دوربين هاي كوچك‌تر، سبك‌تر و ارزان‌تر مي‌توانند مورد استفاده قرار گيرند، اما وارد شدن ضريب برش در اين روند باعث مي‌شود تا استفاده‌ي مطلوب از لنزهايي با زاويه‌ي باز دشوار شود.

احتمالا هر كسي كه در بخش دوربين‌هاي يك فروشگاه بزرگ لوازم الكترونيكي و تصويري اندكي چرخي زده باشد، دستگاه‌هايي نيز با اصطلاحات متخصص خاصي همچون Full HD، 3CCD و Progressive 3MOS به چشمش خورده است. واقعيت اين است كه همه‌ي ما با معني HD آشنا هستيم. اما آيا همه‌ي ما با CCD و CMOS نيز آشنايي داريم؟

 عبارت CCD مخفف عبارت Charge-coupled device است كه مي‌توانيم آن را به صورت دستگاه بارجفت‌شده معني كنيم. CCD در واقع يك تكنولوژي سنسور توسعه يافته براي استفاده در تلفن‌هاي ويديويي است كه توسط لابراتوار بل (Bell Labs) در اواخر دهه‌ي ۱۹۶۰ ميلادي توسعه يافت. اين در حالي است كه CMOS مخفف (complementary metal-oxide-semiconductor) به معني مكمل اكسيد فلزي نيمه هادي است. CMOS نيز فناوري است كه زمان آغاز پيدايش أن تقريبا همزمان با CCD بوده است.

 در حالي كه مزيت‌هاي نسبي در يك سنسور نسبت به نوع ديگري از سنسورها وجود دارد، اما هر دوي آنها يك كار مشترك را با راه‌هاي مختلف انجام مي‌دهند؛ هر دوي آنها در نهايت نور را به الكترون‌ها تبديل مي‌كنند. CCD ها اطلاعات نور يا بار الكتريكي را در سراسر تراشه منتقل كرده و آن را به يك مقدار ديجيتال تبديل مي‌كنند و سنسورهاي CMOS از چندين ترانزيستور به ازاي هر پيكسل براي انتقال بارهاي نوري استفاده مي‌كنند.

 از زماني كه اين فناوري‌ها پا به عرصه گذاشته‌اند، هر دو نوع اين سنسورها روي گستره‌ي وسيعي از دوربين‌ها به كار گرفته شده‌اند، اما به انديشه متخصصين مي‌رسد كه محبوبيت سنسورهاي CMOS‌ در حال بيشتر شدن است. سنسور جديد RED EPIC به نام DRAGON‌ شناخته مي‌شود. اين سنسور در واقع يك سنسور از نوع CMOS و ۱۹.۴ مگاپيكسلي است كه داراي توان ثبت تصاوير تا كيفيت 6K‌ است. دوربين 4K‌ توليد Blackmagic Production Camera از يك سنسور سوپر ۳۵ استفاده مي‌كند كه اين سنسور اندكي كوچك‌تر از يك سنسور فول‌فريم براي ثبت تصاوير 4K با كمترين مقدار ضريب برش است. در نهايت هم مي‌توانيم به محصول شركت GoPro، HERO3: Black Edition اشاره كنيم كه از يك سنسور 1/2.3-inch از نوع CMOS با توان ثبت ۳۸۴۰ در ۲۱۶۰ پيكسل اشاره كنيم!

براي خريد دوربين نبايد تنها روي اندازه‌ي تصاويري كه دوربين مي‌تواند ثبت كند تمركز كنيد. همچنين نيازي نيست كه به مدل‌هاي نسل بعدي تلويزيون‌هايي كه قرار است به بازار بيايند يا به عنوان نمونه به سليقه‌ي نيروي سادهدان و گرايش وي به يك دوربين خاص توجه كنيد. واقعيت اين است كه همه‌ي ما طرز و سبك‌هاي مختص خودمان را رشد مي‌دهيم و همين رشد در ادامه ما را به يك استايل منحصر به فرد براي توليد محتواي خودمان سوق مي‌دهد. اما از طرفي بايد در انديشه متخصصين داشته باشيم كه به منظور گرفتن بهترين تصميم و شكوفا كردن تجارت، هنر يا خدمات سرگرم‌كننده‌ي خودمان، بايد به خوبي بدانيم كه به چه چيزي نياز داريم تا به اين ترتيب بتوانيم روي خلاقيت خودمان تاثير مثبت بگذاريم.

 اندازه‌ي سنسور نقش بسيار مهمي را در چگونگي ارايه‌ي تصاوير از يك دوربين ايفا مي‌كند و در ادامه نيز اگر بخواهيم تصاوير بزرگ‌تري از دوربين به دست آوريم، عواملي از قبيل اندازه، تراكم پيكسل، ضريب برش و همينطور نسبت سيگنال به نويز را بايد به عنوان بخشي از فاكتورهاي مهم در انديشه متخصصين بگيريم.

براي مثال هنگام خريد يك خودروي فورد ماستنگ، نمي‌توان صرفا از روي تعداد سيلندر (۶ يا ۸) خودرو را انتخاب كرد. بايد در انديشه متخصصين داشت كه شش سيلندر سبك‌تر، ارزان‌تر و اقتصادي‌تر است، اما هشت سيلندر داراي توان بيشتري است و باعث مي‌شود تا تمام خودرو داراي عملكرد بهتري باشد. اين تفاوت در واقع همان نوعي از تفاوت است كه ما بايد در خريد دوربين‌ها و سنسورهاي مربوط به آنها در انديشه متخصصين داشته باشيم.

 هزينه، مطالعه، نام تجاري، گارانتي و قابليت‌ها همگي روي بخش‌هايي از تصميم ما براي انتخاب يك دوربين موثر هستند، اما اين اندازه‌ي سنسور است كه در نهايت بسياري از عوامل مهم در تصوير ما را تعيين خواهد كرد. عواملي كه هدف و اولويت نهايي همه‌ي آنها يكي است و آن «كيفيت تصوير» است.