بررسی نقش سنسورهای تصویر در کیفیت ویدیوها

در دنیای سنسورهای تصویری، معمولا اینگونه گفته می‌شود که سنسور هر چقدر بزرگتر باشد آنگاه کیفیت تصویر و تطبیق‌پذیری بهتر خواهد بود. اما همه‌ی کار به همین مورد ختم نمی‌شود و تعدادی از عوامل دیگر نیز روی کیفیت تصویر نقش دارند.

 در بسیاری از موارد، گزینه‌ی بزرگتر بهتر است

 نردبان بلندتر کمک می‌کند تا برای رسیدن به یک شاخه‌ی بلندتر مشکلی نداشته باشید. موتورهای بزرگ‌تر به پیروزی در مسابقات اتومبیل‌سواری کمک می‌کند. هلیکوپترهای بزرگ‌تر در مهمانی‌های پر زرق و برقی که در پشت بام‌ها برگزار می‌شود از حق دسترسی و ورود مناسب‌تری برخوردار هستند. طبیعتا شما با مثال‌هایی از این دست آشنایی دارید و موضوع صحبت ما هم این مثال‌ها نیستند. اما در دنیای دوربین‌‌ها و سنسورهای آنها، آیا همواره گزینه‌ی بزرگتر، بهتر است؟ در یک کلام باید پاسخ دهیم که بله. حال در ادامه به بررسی این موضوع می‌پردازیم.

 در آینده چه روی خواهد داد؟

همه‌ی ما احتمالا تا به حال حداقل یک بار با تصاویر تولید شده از دوربین‌های 4K روبرو شده‌ایم، این امر در واقع چیزی است که بسیاری از شرکت‌های تولیدکننده و علاقه‌مندان به این زمینه آن را به عنوان یک جهش اجتناب‌ناپذیر به شمار می‌آورند. در دوربین‌های جدید، نرم‌افزار، گردش کار و هزینه‌ها همگی مستلزم این هستند که به طور مداوم به دنبال یادگیری چیزهای جدیدتر و همچنین گرفتن تصمیم‌های آگاهانه و به کار بستن فناوری‌های جدید باشیم.

 به عنوان مثال، معرفی دوربین ۴۰۰۰ دلاری Blackmagic Production باعث شد تا واقعا ویدیوهای 4K با عملکرد بالا در دسترس استودیوهای کوچک، علاقه‌مندان و همچنین متخصصانی که با محدودیت بودجه مواجه‌ هستند، قرار گیرند. البته می‌دانیم که این دوربین هم خیلی ارزان نیست، اما زمانی که آن را با RED EPIC-M DRAGON باور نکردنی مقایسه کنیم، به نتیجه‌ی دیگری خواهیم رسید. این دوربین که همزمان با دوربین اولی معرفی شده بود دارای قیمت ۲۹ هزار دلار بود که با امکانات جانبی آن قیمتش تا ۵۰ هزار دلار نیز می‌رسد.

دوربین Blackmagic Design برای بسیاری از افراد به عنوان یک کمک‌کننده‌ی اصلی برای رسیدن به موفقیت تلقی می‌شود. اما یک لحظه صبر کنید! دوربین GoPro HERO3: Black Edition نیز می‌تواند تصاویر 4K را به خوبی ثبت کند. شاید نه در همان نرخ فریم که Blackmagic Production Camera 4K یا یک RED EPIC ثبت می‌کند، اما اندازه‌ی فریم‌های ثبت شده توسط این دوربین‌ها با هم یکسان خواهند بود. در واقع هنوز هم 4K تلقی می‌شود. اما پرسش این است که مزیت‌ها و تفاوت‌های آنها در چیست؟

 باید بگوییم که در چند مورد تفاوت‌هایی وجود داردند. اما اساسا هر کدام از دستگاه‌های یاد شده دارای یک سنسور با ظرفیت ثبت تصاویری با رزلوشن ۳۸۴۰ در ۲۱۶۰ پیکسل یا بیشتر از آن هستند. در حالی که سنسورها در حال انجام همان عملکرد در همان وضوح تصویر برای دوربین‌های مختلف هستند، ولی واقعیت این است که سنسورهای این دوربین‌ها و علاوه بر آن مجموعه‌ای از سخت‌افزار و نرم‌افزارهای پشتیبان در آنها دارای شرایط بسیار متفاوتی نسبت به همدیگر هستند.

 داشتن ذهنیتی در مورد چگونگی کاردکرد آنها

برای اینکه یک ایده‌ی بهتر و جامع‌تر درباره‌ی ماهیت سنسورهای تصویر گوناگون به دست آوریم، یک قدم به عقب باز می‌گردیم و سعی می‌کنیم نگاهی داشته باشیم به اینکه سنسورهای تصویر چه هستند و وظیفه‌ی آنها به طور دقیق چیست.

 به بیان ساده، سنسور تصویر برای یک دوربین دیجیتال همان جایگاهی را دارد که فیلم برای یک دوربین آنالوگ ایفا می‌کند. اصول بنیادی برای گرفتن عکس و در نتیجه فیلمبرداری به طور چشمگیری تغییر نکرده است. تنها تغییر پایه‌ای در واقع مربوط به فناوری مورد استفاده برای انجام این کار است.

در عکاسی دیجیتال لنز برای ایجاد تصویری از یک صحنه، به نور اجازه‌ی عبور می‌دهد. اما در سیستم‌های آنالوگ به جای اینکه نور با لنز برخورد کند، پرتوهای نور روی یک قطعه فیلم تاثیر می‌گذارند که آن نیز در مراحل بعدی تحت پردازش شیمیایی قرار می‌گیرد. حسگر تصویر نور را دریافت کرده و آن را به یک فرمت دیجیتال تبدیل کرده که دوربین دیجیتال نیز در ادامه این فرمت را به عکس تبدیل می‌کند.

روند چگونگی کارکرد سنسورها بر اساس نوع حسگر و بیت‌های محاسباتی دوربین شاید کمی متفاوت باشد. اما به تعبیر ساده می‌توانیم بپذیریم که در حالت کلی کار سنسور به این صورت خواهد بود که نور یا فوتون‌های رسیده را دریافت کرده و دیتاهای به دست آمده از نور را به یک فایل تصویری تبدیل کند که حاوی اطلاعاتی در مورد رنگ، تن، سایه‌ها و هایلایت‌ها است. دیتای نوری موجود در این فایل در بر دارنده‌ی مشخصات روشنایی و رنگ برای هر پیکسلی از یک تصویر است. این پیکسل‌ها هنگامی که توسط پردازنده‌های سیگنال و دیگر محصولات صنعتی هوشمند در دوربین تفسیر شدند، در ادامه به منظور ایجاد یک تصویر دیجیتال با هم ترکیب می‌شوند. همه‌ی توضیحات فوق ما را به این نتیجه می‌رساند که نوع سنسورها و اندازه‌ی آنها مسلما با کیفیت تصویر ارتباط دارد.

 مسایلی پیرامون اندازه

سنسورها هم برای دوربین‌های عکاسی و هم برای دوربین‌های فیلمبرداری در اندازه‌های متنوعی ارائه می‌شوند. برخی از اندازه‌های محبوب در میان آنها سوپر ۳۵ (Super 35) که برای مثال در (Sony NEX-FS100) به کار رفته؛ فول‌فریم (Full-frame) که در مدل‌هایی همانند (Canon EOS 5D Mark III, Nikon D800) دیده می‌شود؛ APS-C در مدل‌هایی از قبیل (Canon EOS Rebel T5i, Nikon D7100) و سنسور میکرو چهار سوم (Micro Four Thirds) است. سنسورهای تصویر برای دوربین‌های کامپکت کوچک‌تر ساخته می‌شوند و برای استفاده در دوربین‌های گوشی‌های هوشمند و سایر دوربین‌های کوچک باز هم نسبت به حالت قبل کوچک‌تر می‌شوند. اکنون پرسشی که مطرح می‌شود این است که چه عاملی باعث می‌شود تا بزرگ‌تر بودن سنسور دلیلی برای بهتر بودنش نیز تلقی شود؟

در حالی که شاید یک دوربین کامپکت ۱۸ مگاپیکسلی دارای همان تعداد پیکسلی باشد که به عنوان مثال یک دوربین ۱۸ مگاپیکسلی DSLR داراست، اما باید توجه داشته باشیم که DSLR دارای اندازه‌ی سنسور بسیار بزرگ‌تری است. به عنوان یک نتیجه می‌توان گفت، ۱۸ میلیون پیکسل روی تراشه‌‌ی دوربین DSLR به طور قابل ملاحظه‌ای بزرگ‌تر خواهند بود. این موضوع را با تعبیری به نام تراکم پیکسلی می‌شناسند و گفته می‌شود که دوربین فوق دارای تراکم پیکسلی پایین‌تر است؛ یعنی اینکه تعداد پیکسل‌های مساوی در یک دوربین نسبت به دوربین دیگر دارای مساحت بیشتری برای قرارگیری روی یک سنسور تصویر هستند. این بدان معنی است که هر پیکسل قادر به گرفتن اطلاعات نوری بیشتری است؛ به این معنی که عمق رنگ بهتری برای دقت رنگ تصویر گرفته شده به دست خواهد آمد؛ رنج داینامیک بیشتر شده و همچنین مقدار شدت نور هم افزایش خواهد یافت و در نتیجه تعریف بهتر و دقیق‌تری در مناطق روشن و تاریک از یک تصویر در دست داشته و یک تصویر بسیار شفاف‌تر خواهیم داشت. هنگامی که در مورد عملکرد نوری پایین در دوربین‌ها صحبت می‌شود، سنسور وسیله‌ای است که باعث می‌شود تا عملکرد نوری خوب برای یک دوربین ممکن شود. نور اضافی گرفته شده توسط پیکسل‌ها در حسگر تصویر با سطح مساحت بیشتر به عملکرد بهتر در حالات نور کم می‌انجامد و در نتیجه نویزهای دیجیتالی کمتر خواهند شد.

 بارگذاری بیش از حد سنسور

در این قسمت به یک مفهوم جالب می‌پردازیم؛ نسبت سیگنال به نویز در یک سنسور. همه‌ی ما نویزهای دیجیتالی موجود در یک ویدیو را دیده‌ایم. این نویزها به صورت ظاهری با دانه‌های ریز خود را نشان می‌دهند و هنگامی که تنظیمات ISO دوربین خود را بالاتر ببریم تا شاهد جزییات بیشتری از یک تصویر در شرایط نور کم باشیم، به چشم خواهند آمد.

 نسبت سیگنال به نویز به توانایی یک سنسور برای دریافت نور بیشتر و ارایه‌ی جلوه‌ی بیشتری از تصویر واقعی اشاره دارد. یک سنسور بزرگ‌تر می‌تواند نسبت سیگنال به نویز بیشتری را فراهم کند. هر اندازه که حسگر کوچکتر می‌شود، نسبت سیگنال به نویز نیز کاهش می‌یابد.

 ضریب برش

با وجود اندازه‌های مختلف برای سنسورها، بسیار مهم است که عاملی به نام ضریب برش یا کراپ را هم در بررسی و انتخاب دوربین‌ها داشته باشیم. ضریب برش به میدان دید حاصل از یک تصویر در هنگام مقایسه‌ی سنسورهای کوچک با سنسورهای فول‌فریم اطلاق می‌شود. برای داشتن یک تعریف و درک بهتر از آن باید اشاره کنیم که یک سنسور استاندارد APS-C دارای اندازه‌ی ۲۴ در ۱۶ میلی‌متر است و میدان دید آن نیز کمتر از میدان دید حاصل از سنسور بزرگ‌تر با اندازه‌ی ۳۶ در ۲۴ در یک دوربین فول فریم خواهد بود.

 محاسبه‌ی واقعی برای پی بردن به ضریب شکل، با مقدار مساحت سطح سنسور ارتباط دارد. اگر بخواهیم به سادگی بیان کنیم، می‌توانیم اندازه‌ی قطری یک سنسور فول‌فریم ۳۵ میلی‌متری را با اندازه‌ی یک سنسور تصویر دیگر قیاس کنیم. به عنوان مثال، سنسور تصویر APS-C موجود در یک دوربین Canon EOS 60D به صورت ۲۲.۳ در ۱۴.۹ میلی‌متر است؛ در حالی که سنسور تصویر فول‌فریم در دوربین EOS 5D Mark III به صورت ۳۶ در ۲۴ میلی‌متر است که به طور تقریبی اگر بخواهیم بگوییم، حدود ۱.۶ برابر مساحت سطح سنسور60D  است. بنابراین گفته می‌شود که ضریب برش سنسور 60Dبرابر ۱.۶ است.

 اگر بخواهیم ساده‌تر بیان کنیم، یک لنز پرایم 50mm روی سنسور 60D، در واقع معادل با طول فاصله‌ی کانونی حاصل از لنزی با میزان ۱.۶ طول فاصله‌ی کانونی اولیه است و به همین ترتیب معادل با یک لنز ۸۰ میلی‌متری از دوربین فول‌فریم خواهد بود. بنابراین تصویر شما طوری به نظر خواهد رسید که گویی روی آن به مقدار ۱.۶ برابر بیشتر از آن مقداری زوم شده است که اگر شما از همان لنز روی دوربینی با سنسور فول‌فریم استفاده می‌کردید، اعمال می‌شد.

 عمق دادن به تصویر

قابل ذکر است که ظهور فیلمبرداری DSLR مفهومی به نام عمق میدان را به پیش‌زمینه‌ی ذهنی علاقه‌مندان به ویدیو اضافه کرد. عمق میدان به مقدار کم یا زیاد بودن پس‌زمینه‌ی یک تصویر در فوکوس اطلاق می‌شود. عکس‌هایی که در آن پیش‌زمینه و پس‌زمینه تحت فوکوس باشند، به عنوان مواردی به حساب می‌آیند که دارای عمق میدان بیشتری هستند. از سویی تصاویری با سوژه‌ی روشن‌تر و پس‌زمینه‌ی کمی نامشخص دارای عمق میدان کمتری هستند.

 بخش زیادی از این اثر به خاطر فاصله‌ی کانونی طولانی‌تر یک شات ایجاد می‌شود. در حالی که شاید به نظر نرسد که این امر مربوط به اندازه‌ی حسگر تصویر است، چرا که یک سنسور کوچکتر دارای ضریب برش بیشتری است و فاصله‌ی کانونی اعمال شده باید بسیار کوتاه‌تر شود تا بتواند همان ظاهری را در تصویر ایجاد کند که با سنسور بزرگ‌تر به دست خواهد آمد. در حالی که دو دوربین با سنسورهای مختلف و لنزهای یکسان، دارای همان عمق میدان در همان فاصله از سوژه‌ی خود خواهند بود، اما فاصله‌ی کانونی موثر برای حسگر کوچکتر، مقدار بیشتری دارد.

این امر در واقع بخشی از موضوع را برای ما روشن می‌کند. وجود چنین سازوکاری کاربر را مجبور می‌کند تا برای رسیدن به همین میدان یکسان، دوربین را از سوژه دورتر کند. دورتر شدن از سوژه باعث افزایش عمق میدان می‌شود؛ به این معنی که هر چقدر سنسور کوچکتر باشد، به همان اندازه نیز احتمالا به دست آورودن عمیق میدان کم‌عمق برای عکاس دشوارتر خواهد بود.

 علاوه بر این، سنسورهای تصویر کوچک‌تر برای دوربین های کوچک‌تر، سبک‌تر و ارزان‌تر می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند، اما وارد شدن ضریب برش در این روند باعث می‌شود تا استفاده‌ی مطلوب از لنزهایی با زاویه‌ی باز دشوار شود.

 انواع سنسورها

احتمالا هر کسی که در بخش دوربین‌های یک فروشگاه بزرگ لوازم الکترونیکی و تصویری اندکی چرخی زده باشد، دستگاه‌هایی نیز با اصطلاحات فنی خاصی همچون Full HD، 3CCD و Progressive 3MOS به چشمش خورده است. واقعیت این است که همه‌ی ما با معنی HD آشنا هستیم. اما آیا همه‌ی ما با CCD و CMOS نیز آشنایی داریم؟

 عبارت CCD مخفف عبارت Charge-coupled device است که می‌توانیم آن را به صورت دستگاه بارجفت‌شده معنی کنیم. CCD در واقع یک تکنولوژی سنسور توسعه یافته برای استفاده در تلفن‌های ویدیویی است که توسط لابراتوار بل (Bell Labs) در اواخر دهه‌ی ۱۹۶۰ میلادی توسعه یافت. این در حالی است که CMOS مخفف (complementary metal-oxide-semiconductor) به معنی مکمل اکسید فلزی نیمه هادی است. CMOS نیز فناوری است که زمان آغاز پیدایش أن تقریبا همزمان با CCD بوده است.

 در حالی که مزیت‌های نسبی در یک سنسور نسبت به نوع دیگری از سنسورها وجود دارد، اما هر دوی آنها یک کار مشترک را با راه‌های مختلف انجام می‌دهند؛ هر دوی آنها در نهایت نور را به الکترون‌ها تبدیل می‌کنند. CCD ها اطلاعات نور یا بار الکتریکی را در سراسر تراشه منتقل کرده و آن را به یک مقدار دیجیتال تبدیل می‌کنند و سنسورهای CMOS از چندین ترانزیستور به ازای هر پیکسل برای انتقال بارهای نوری استفاده می‌کنند.

 از زمانی که این فناوری‌ها پا به عرصه گذاشته‌اند، هر دو نوع این سنسورها روی گستره‌ی وسیعی از دوربین‌ها به کار گرفته شده‌اند، اما به نظر می‌رسد که محبوبیت سنسورهای CMOS‌ در حال بیشتر شدن است. سنسور جدید RED EPIC به نام DRAGON‌ شناخته می‌شود. این سنسور در واقع یک سنسور از نوع CMOS و ۱۹.۴ مگاپیکسلی است که دارای توان ثبت تصاویر تا کیفیت 6K‌ است. دوربین 4K‌ تولید Blackmagic Production Camera از یک سنسور سوپر ۳۵ استفاده می‌کند که این سنسور اندکی کوچک‌تر از یک سنسور فول‌فریم برای ثبت تصاویر 4K با کمترین مقدار ضریب برش است. در نهایت هم می‌توانیم به محصول شرکت GoPro، HERO3: Black Edition اشاره کنیم که از یک سنسور 1/2.3-inch از نوع CMOS با توان ثبت ۳۸۴۰ در ۲۱۶۰ پیکسل اشاره کنیم!

 یک نتیجه گیری با مفهوم متداول

برای خرید دوربین نباید تنها روی اندازه‌ی تصاویری که دوربین می‌تواند ثبت کند تمرکز کنید. همچنین نیازی نیست که به مدل‌های نسل بعدی تلویزیون‌هایی که قرار است به بازار بیایند یا به عنوان نمونه به سلیقه‌ی کارگردان و گرایش وی به یک دوربین خاص توجه کنید. واقعیت این است که همه‌ی ما طرز و سبک‌های مختص خودمان را رشد می‌دهیم و همین رشد در ادامه ما را به یک استایل منحصر به فرد برای تولید محتوای خودمان سوق می‌دهد. اما از طرفی باید در نظر داشته باشیم که به منظور گرفتن بهترین تصمیم و شکوفا کردن تجارت، هنر یا خدمات سرگرم‌کننده‌ی خودمان، باید به خوبی بدانیم که به چه چیزی نیاز داریم تا به این ترتیب بتوانیم روی خلاقیت خودمان تاثیر مثبت بگذاریم.

 اندازه‌ی سنسور نقش بسیار مهمی را در چگونگی ارایه‌ی تصاویر از یک دوربین ایفا می‌کند و در ادامه نیز اگر بخواهیم تصاویر بزرگ‌تری از دوربین به دست آوریم، عواملی از قبیل اندازه، تراکم پیکسل، ضریب برش و همینطور نسبت سیگنال به نویز را باید به عنوان بخشی از فاکتورهای مهم در نظر بگیریم.

برای مثال هنگام خرید یک خودروی فورد ماستنگ، نمی‌توان صرفا از روی تعداد سیلندر (۶ یا ۸) خودرو را انتخاب کرد. باید در نظر داشت که شش سیلندر سبک‌تر، ارزان‌تر و اقتصادی‌تر است، اما هشت سیلندر دارای توان بیشتری است و باعث می‌شود تا تمام خودرو دارای عملکرد بهتری باشد. این تفاوت در واقع همان نوعی از تفاوت است که ما باید در خرید دوربین‌ها و سنسورهای مربوط به آنها در نظر داشته باشیم.

 هزینه، بررسی، نام تجاری، گارانتی و قابلیت‌ها همگی روی بخش‌هایی از تصمیم ما برای انتخاب یک دوربین موثر هستند، اما این اندازه‌ی سنسور است که در نهایت بسیاری از عوامل مهم در تصویر ما را تعیین خواهد کرد. عواملی که هدف و اولویت نهایی همه‌ی آنها یکی است و آن «کیفیت تصویر» است.