دوربین چیست؟

دوربین چیست؟ دوربین به مفهوم کلی، تنها تکنولوژی است که تا به امروز توسط بشر برای ثبت عکس های ثابت و متحرک اختراع شده است. این تکنولوژی در دوران آنالوگ اختراع شد و اولین دوربین های عکاسی بیش از صد و پنجاه سال قدمت دارند. اما تکنولوژی دیجیتال هم وارد این حوزه شده و امروزه عملا تمام دوربین ها از انواع مختلف، دیجیتال هستند.

به لطف ورود تکنولوژی عکاسی دیجیتال تقریبا تمام گوشی های هوشمند و بیشتر گوشی های قدیمی تر هم دارای دوربین عکاسی هستند. امروزه گوشی های هوشمند دیگر تنها به یک دوربین اکتفا نمی کنند و بلکه چندین دوربین دارند! علت استفاده از این دوربین های چندگانه را کمی بعد توضیح خواهیم داد اما بهتر است ابتدا نگاه کلی به ساختار دوربین و ثبت عکس داشته باشیم تا مفهوم دوربین گوشی را بهتر درک کنیم.

دوربین چگونه کار می کند؟

دوربین ها به زبان ساده از طریق ثبت نور، عکس یا فیلم می گیرند. در گذشته که سیستم عکاسی هنوز آنالوگ بود، از فیلم های سلولوئیدی برای ثبت عکس استفاده می شد. دوربین های عکاسی آنالوگ در واقع چیزی جز یک اتاق تاریک نبودند که نور را از طریق لنز وارد کرده و سپس روی نوار سلولوئیدی قرار گرفته در پشت لنز ثبت می کردند.

فیلم های آنالوگ چندین لایه مواد شیمیایی حساس به نور (فوتون ها نوری) داشتند که به آنها سلولوئید می گفتند. با برخورد فوتون های نوری به فیلم، این ماده شیمیایی بسته به میزان نوری که در هر نقطه دریافت می کرد می سوخت و تصویر جلوی لنز را ثبت می کرد. سپس با پردازش کردن این فیلم خام که به اصطلاح به آن نگاتیو می گفتند، یک پزتیو به دست می آمد که همان عکسی بود که می توانستید ببینید.

اما ورود تکنولوژی دیجیتال به این حوزه قواعد را کمی تغییر داد. تکنولوژی دیجیتال نیاز به فیلم های سلولوئیدی را کم‌کم حذف کرد و به جای آن استفاده از سنسور حساس به نور را پیشنهاد داد. سنسورها که هنوز هم از نوع CCD یا CMOS هستند، در واقع یک صفحه الکترونیکی حساس به نور هستند، که از هزاران پیکسل تشکیل شده اند.

زمانی که این سنسور روشن باشد، یعنی به انرژی برق متصل باشد، وقتی فوتون های نوری از رهگذر لنز به آن برخورد می کنند، هرکدام از این پیکسل ها بسته به میزان نوری که دریافت کرده عملا روشن و خاموش می شود و یک بیت (0 یا1) اطلاعات برای پردازنده ارسال می نماید.

پردازنده سپس این اطلاعات را پروسس کرده و بر اساس اطلاعات به دست آمده از سنسور تصویر دیجیتال را نمایان می سازد. این ساختار کلی ثبت عکس در دوربین ها به صورت کلی و به زبان بسیار ساده است.

دوربین گوشی

گوشی های دوربین دار گوشی هایی هستند که می توانند عکس بگیرند یا ویدئو ضبط کنند. این عکس ها کلیپ های ویدئویی دریافت شده از دوربین می توانند به یک پردازشگر کامپیوتری منتقل شده و در آن ذخیره شوند و با دیگر گوشی های تلفن همراه و دستگاه های دیجیتال به اشتراک گذاشته شوند.

بیشتر گوشی های امروزی به دوربین هایی با کیفیت های مختلف مجهز هستند. برخی از دوربین گوشی ها هستند که آنقدر ویژگی های مختلفی دارند که حتی می توانند با دوربین های حرفه ای هم رقابت کنند. ویزگی هایی از قبیل:

• حداقل 8 تا 12 مگاپیکسل روزولوشن
• فلاش های قدرتمند
• تشخیص چهره
• فوکوس خودکار
• و غیره

انواع دوربین گوشی

روزهایی که گوشی های تلفن همراه تنها یک دوربین در پشت و یکی هم در قسمت جلو داشتند گذشته اند. امروزه اکثر گوشی های هوشمند مدعی و پرچمدار که بهترین قدرت ثبت تصویر را دارند از دوربین های چندگانه استفاده می کنند. اما علت استفاده از این دوربین های چندگانه چیست؟

بیایید روی یک دوربین دیجیتال حرفه ای، یک لنز پرایم یا ثابت را در نظر بگیریم. فرض کنید که فقط یک لنز واید 18 دارید و می خواهید تصاویر زیبایی با دوربین خود بگیرید. قطعا در زمان گرفتن عکس های منظره با هیچ مشکلی مواجه نخواهید شد اما زمانی که بخواهید از فواصل دورتر عکاسی کنید یا عکس پرتره بگیرید، با تنها یک لنز واید دچار مشکل می شوید. پس یا باید یک لنز تله فوتو هم همراه خود داشته باشید، یا از یک لنز زوم استفاده کنید.

لنزهای زوم در میان عامه مردم که عکاس حرفه ای نیستند اما مایلند عکس های متنوع خوبی بگیرند رایج تر هستند و دوربین گوشی هم یک دوربین عمومی برای عامه مردم است. اما لنز زوم برای دوربین های حرفه ای هم لنز هایی هستند که چندین عدسی گردان دارند و طول و قطرشان زیاد است.

پس طبیعتا نمی توان روی فضای محدود گوشی ها از لنزهای طویل و چند عدسی زوم استفاده کرد. زمانی که گوشی ها فقط می توانستند فقط یک دوربین داشته باشند اغلب از یک لنز ثابت واید استفاده می کردند که از یک عدسی ساده تشکیل شده بود و عمق میدان ثابتی داشت. اما کم‌کم با امکان جلو و عقب بردن لنز نسبت به سنسور گرچه مشکل عمق میدان تا حدی حل شد، اما بار تنوع زاویه تصویر همچنان بر گردن زوم های دیجیتالی بود که کیفیت را در هنگام زوم شدن به شدت دچار افت می کردند.

از آنجایی که هنوز هم استفاده از لنز زوم روی گوشی ها ممکن نیست، تولید کنندگان تصمیم گرفتند به جای یک دوربین با لنز ثابت و کم حجم، از چندین دوربین در کنار هم استفاده کنند تا کاربر بتواند عکس های مختلف را با کیفیت بسیار بالا ثبت کند. به صورت کلی گوشی هایی که دوربین چندگانه دارند، از این دوربین ها در قسمت جلوی خود استفاده می کنند:

• دوربین واید (به عنوان دوربین اصلی)
• دوربین الترا واید
• دوربین تله فوتو
• دوربین ماکرو
• سنسور تشخیص عمق

فاصله کانونی

پیش از پرداختن به انواع دوربین های گوشی، بهتر است با واحدی به نام فاصله کانونی آشنایی داشته باشید، چراکه در بخش توضیح دوربین ها زیاد از آن استفاده خواهیم کرد.

فاصله کانونی در هر دوربین که با واحد میلیمتر نشان داده می شود، نشانگر فاصله مرکز عدسی لنز با سنسور یا صفحه حساس دوربین است. هرچقدر این فاصله نزدیک تر باشد، فاصله کانونی کمتر خواهد بود و طبیعتا هرچقدر زیادتر باشد، فاصله کانونی بیشتر خواهد بود.

 فاصله کانونی نشان دهنده زاویه دید و بزرگنمایی دوربین است. زاویه دید یعنی چه حجمی از صحنه پیش رو قرار است در تصویر ثبت شود. بزرگنمایی هم یعنی هرکدام از عناصر تصویر قرار است چقدر بزرگ باشند. هرچقدر فاصله کانونی زیادتر باشد زاویه دید بسته تر خواهد شد و بزرگنمایی هم زیادتر می شود و بالعکس هرچقدر فاصله کانونی کوتاه تر باشد زاویه دید بازتر خواهد بود و بزرگنمایی کمتر می شود. به همین خاطر مثلا یک لنز با فاصله کانونی 200 زاویه دید بسیار بسته تری از یک لنز با فاصله کانونی 25 دارد.

این ساده ترین تعریف از فاصله کانونی است. در ادامه به توضیح هر کدام از دوربین هایی که در گوشی ها به کار می روند می پردازیم.

دوربین واید

دوربین های واید یا زاویه-باز رایجترین نوع دوربین به کار رفته در گوشی های هوشمند هستند. زمانی که گوشی ها تک دوربینه بودند، اغلب همگی از دوربین واید استفاده می کردند که بیشتر نیازهای کاربر زمان خود را پاسخ می داد. امروزه در گوشی های چند دوربینه، هنوز هم دوربین واید یا زاویه باز، بهترین دوربین در بین مجموعه دوربین های گوشی است. حتی دوربین جلو گوشی ها (دوربین سلفی) هم از جنس دوربین واید هستند.

فاصله کانونی دوربین واید روی گوشی های تلفن همراه معمولا بین 22 میلیمتر تا 30 میلیمتر است. این فاصله کانونی کوتاه است که باعث می شود دوربین بتواند زاویه دید بازی داشته باشد. دوربین واید بیشتر برای گرفتن عکس و فیلم از مناظر طبیعی، عکس های گروهی یا هر نوع دیگر از عکس یا فیلم استفاده می شود، که کاربر می خواهد فضای زیادی را در آن پوشش دهد.

دوربین اولترا واید

همانطور که از نامش هم پیداست، دوربین اولترا واید از زاویه دید بازتری –حتی نسبت به دوربین واید استاندارد- برخوردار است. گرچه این نوع دوربین به اندازه دوربین های واید رایج نیستند، مخصوصا در گوشی های تک دوربینه.

برخی از گوشی ها هستند که در جلو خود از دو دوربین استفاده می کنند و این دو دوربین یکی واید استاندارد است و دوربین دوم نیز دوربین اولترا واید است. این کار به کاربر اجازه می دهد تا بتواند در هنگام گرفتن عکس سلفی افراد بیشتری را قاب تصویر جای دهد. فاصله کانونی یک دوربین الترا واید معمولا بین 12 تا 18 میلیمتر است و این فاصله کانونی به شما کمک می کند تا زاویه دید 120 درجه ای داشته باشید.

مشکل دوربین های الترا اوید این است که هرچقدر زاویه دید بازتر باشد، تصویر در گوشه ها بیشتر دیستورت می شود. این اختلال تصویری به واسطه اعوجاج حاصل از خاصیتی به نام "چشم ماهی" است. برخی از گوشی های هوشمند پیشرفته می توانند در مرحله پردازش، این اعوجاج ناخوشایند دور تصویر را برطرف کرده و یک نتیجه معقول تر به شما ارائه دهند.

دوربین تله فوتو

دوربین های تله فوتو در گوشی های هوشمند فاصله کانونی زیادتری از دوربین های واید دارند. در بیشتر موارد  فاصله کانونی این دوربین ها دو تا سه برابر دوربین های واید است و به واسطه وجود این دوربین است که گوشی های هوشمند چند دوربینه می توانند بدون افت کیفیت قابلیت زوم 2 برابری و 3 برابری را در قالب زوم اپتیکال (و نه دیجیتال) به شما ارائه دهند. از این دوربین درون گوشی ها بیشتر در مواردی استفاده می شود که کاربر قصد زوم کردن تصویر را دارد.

دوربین تله فوتو روی گوشی های هوشمند فاصله کانونی بین 50 تا 85 میلیمتر دارند. بنابراین به عنوان مثال اگر دوربین اصلی گوشی فاصله کانونی 26 میلیمتری داشته باشد، دوربین تله فوتو به کار رفته حداقل 52 میلیمتر فاصله کانونی خواهد داشت تا کاربر بتواند حداقل تا 2برابر بدون افت کیفیت تصویر را زوم کند.

از آنجاییکه دوربین های تله فوتو فاصله کانونی زیاد تر و زاویه دید بسته تری دارند، بزرگنمایی تصاویر آنها نیز بیشتر است، و به همین خاطر ایده‌آل ترین دوربین برای گرفتن عکس های پرتره و عکس از سوژه های دورتر به شمار می روند.

دوربین ماکرو

دوربین های ماکرو برای گرفتن عکس های بسیار نزدیک و بسته بسیار مناسب هستند. یعنی زمانی که می خواهید جزئیات بسیار ریزی را در تصویر ثبت کنید. تفاوت دوربین های ماکرو در گوشی های هوشمند با دوربین های تله فوتو در این است که روی سوژه های دورتر زوم نمی کند، بلکه مانند یک ذره بین بزرگ سوژه هایی که بسیار به دوربین نزدیک هستند را با عمق میدان فوکوس مناسب، بزرگنمایی می کند.

گرچه شمار علاقه مندان به گرفتن عکس های ماکرو کم نیست، اما اکثر گوشی ها، مخصوصا گوشی های پرچمدار از این دوربین در گوشی خود استفاده نمی کنند. دوربین های ماکرو روی گوشی های هوشمند اغلب در دستگاه های میانرده و گوشی های محبوب در بازار آسیایی پیدا می شوند.

مشخصات و قابلیت های دوربین های ماکرو روی گوشی های هوشمند به اندازه دیگر دوربین ها چشمگیر نیست. در حقیقت امروزه کمتر می توانید گوشی را پیدا کنید که دوربین ماکرو آن بیشتر از 5 مگاپیکسل رزولوشن داشته باشد. این باعث شده تا خیلی ها فکر کنند که دوربین های ماکرو روی گوشی های هوشمند بی فایده هستند.

چراکه می توان با زوم دیجیتال و تغییر عمق میدان دوربین های تله فوتو یا حتی واید هم از اشیاع نزدیک دوربین با فوکوس واضح عکس گرفت. اما این نظر کاملا درست نیست. چراکه دوربین های ماکرو به چندین هزار مگاپیکسل برای گرفتن یک عکس باکیفیت نیاز ندارند.

دوربین مونوکروم

در گوشی های هوشمند دوربین ها برای گرفتن عکس های رنگی از یک فیلتر رنگی RGB(قرمز/سبز/آبی)  به نام CFA در جلوی سنسور ثبت تصویر استفاده می کنند. بدون این فیلتر دوربین تصاویر را سیاه و سفید ثبت می کند، چراکه سنسور ثبت تصویر تنها به نور حساس است، نه به رنگ.

مشکل این فیلتر رنگی در این است که تنها امواج نوری را جذب می کند که با رنگ های فیلتر همخوانی دارند، و بقیه را بازتاب می دهد. به عنوان مثال یک فیلتر قرمز تنها نور قرمز را جذب می کند و بقیه نورهای رنگی را بازتاب می دهد. و فیلترهای سبز و آبی هم همینطور هستند. این یعنی نورهای زیادی توسط فیلتر رنگی بارتاب داده شده و عملا هدر می روند.

برخی از گوشی های هوشمند از سنسورهای مونوکروم بدون فیلتر CFA استفاده می کنند تا بتوانند تا حد امکان نورها را ثبت کنند. به خصوص در محیط های با نور کم این دوربین ها می‌توانند تصاویر بهتری ثبت کنند. حاصل این کار به دست آمدن تصویری شارپ با کنتراست بالا است. بیشتر گوشی های هوشمندی که دوربین یا سنسور مونوکروم دارند از چیزی به نام عکاسی کامپیوتری استفاده می کنند تا تصاویر را با اطلاعات سنسورهای دیگری که فیلتر CFA دارند ترکیب کرده و ظاهر کلی آنها را بهبود ببخشند.

بسته به گوشی، شما می توانید با استفاده از دوربین های مونوکروم، برخلاف دوربین های دیگر که فیلتر سیاه و سفید دارند، عکس های سیاه و سفید خالص بگرید. گرچه برخی از دوربین ها هستند که به شما اجازه نمی دهند مستقیما با دوربین مونوکرم عکس بگیرید و تنها می توانید از اطلاعات ثبت شده با آن جهت اصلاح نور تصاویر گرفته شده با دوربین های دیگر استفاده کنید.

دوربین ToF

آخرین نوع دوربینی که روی گوشی های هوشمند پیدا می شود نام های زیادی دارد. دوربین ToF (Time of Light -زمان نور) که همچنین با نام سنسور عمق هم شناخته می شود، دوربینی نیست که برای گرفتن عکس از آن استفاده شود. در عوض از این دوربین برای جمع آوری داده هایی که در پردازش عکس مورد استفاده قرار می گیرند استفاده می شود. به همین خاطر هم این دوربین رزولوشن بسیار پایینی دارد (2 مگاپیکسل یا پایین تر).

هدف اصلی دوربین ToF این است که از صحنه عکاسی یک نقشه سه بعدی یا نقشه عمقی تهیه کند. و این کار را هم از طریق ارسال اشعه لیزر و محاسبه زمانی که طول می کشد تا اشعه به یک سطح برخورد کند و به دوربین بازگردد انجام می دهد. سپس از این اطلاعات برای تحلیل اینکه چه چیزی به دوربین نزدیک است و چه چیزی در پس زمینه قرار دارد استفاده می شود.

زمانی که می خواهید عکس پرتره بگیرید، اطلاعاتی که از بکگراند و فورگراند توسط سنسور عمق جمع آوری می شود می تواند جهت ایجاد افکت های مصنوعی مانند محوتر کردن پس زمینه به شما کمک کند تا با استفاده از آن جدا کردن سوژه از پس زمینه دقیق تر انجام شود.  این دوربین همچنین اطلاعات لازم برای نرم افزارهای واقعیت افزوده (AR) را نیز فراهم می آورد.

دوربین / سنسور تشخیص عمق چیست؟ دوربین تشخیص عمق همان دوربین ToF است.

ISP چیست؟

برای تبدیل کردن فایل خام ثبت شده توسط سنسور به یک تصویر با کیفیت، به پردازش های خاصی نیاز است. اینجاست که ISP یا پردازشگر سیگنال تصویر به کار می آید. پردازنده سیگنال تصویر یک پردازنده اختصاصی است که اطلاعات خام را از سنسور دوربین گوشی دریافت کرده و آن را به تصویری تبدیل می کند که می توان روی آن کار کرد. ISP کارهای زیادی انجام می دهد تا بتواند یک تصویر باکیفیت از اطلاعات سنسور دوربین بسازد.

کاربرد ISP چیست؟

کارهایی که پردازشگر سیگنال تصویر (ISP) انجام می دهد، به طور خلاصه عبارتند از:

• کاهش نویز
• اصلاح وایت بالانس (میزان کردن سفیدی تصویر)
• اصلاح رنگ
• تحلیل رنگ
• اصلاح سایه لنز
• اصلاح نقص های پیکسلی
• اصلاح گاما
• نوردهی خودکار
• فوکوس خودکار
• اصلاح قرمزی چشم

همه این فرآیندها در دوربین گوشی توسط پردازشگر سیگنال تصویر یا ISP صورت می گیرند.

لزرشگیری اپتیکال چیست؟

لرزش همیشه می تواند عکس را خراب کند. اصولا استفاده از سه پایه مخصوصا برای عکاسی، جهت ممانعت از این لرزش ها است. لرزش دست در هنگام عکاسی باعث می شود تا عکس های شما تار بیفتند. و تار شدن عکس به خاطر زمانی است که طول می کشد تا فرآیند ثبت نور انجام شود.

به صورت کلی شاتر دوربین تعیین کننده زمان ثبت عکس است. در شرایطی که عدد شاتر بالا باشد، ثبت عکس در زمان کوتاهی اتفاق می افتد و اصولا لرزش های دست ثبت نمی شوند. اما همه تصاویر را نمی توان با شاتر بالا ثبت کرد. مخصوصا در شرایطی که نور محیط کم باشد. به همین خاطر در این موقعیت ها معمولا لرزش دست کشنده خواهد بود و می تواند عکس را خراب کند.

عکاسان حرفه ای که دوست دارند عکس هایی با شاتر باز بگیرند معمولا از سه پایه استفاده می کنند. اما مردم عادی که با دوربین های خانگی یا دوربین گوشی خود عکس می گیرند نمی توانند همیشه یک سه پایه همراه خود داشته باشند. و از این رو است که تکولوژی لرزشگیری اختراع شده است.

اصولا به دو صورت می توان لرزش دست در هنگام عکسبرداری را اصلاح کرد. در گوشی های میانرده که قیمت بالایی ندارند، برای لرزشگیری از تکنولوژی EIS (لرزشگر دیجیتال) استفاده می شود. در این فرآیند، پس از اینکه عکس ثبت می شود، پردازنده های کامپیوتری سعی می کنند تا جای ممکن لرزش های ثبت شده در آن را اصلاح کنند. این روش گرچه کارآمد است اما چندان کیفیت بالایی ندارد.

در عوض در گوشی های پرچمدار و گران قیمت تر از تکنولوژی لرزشگیری اپتیکال یا OIS استفاده می شود. در این تکنولوژی دوربین گوشی به یک سنسور حرکتی ژیروسکوپ مجهز است که می تواند حرکات جزئی (لرزش های دوربین) را شناسایی کند، و بر این اساس به لنز دوربین دستور دهد تا در جهت مخالف کمی جا به جا شود تا لرزش های دست در هنگام ثبت تصویر به حداقلی ترین حالت ممکن خود برسد.

لرزشگیری اپتیکال پیش از ثبت عکس اتفاق می افتد و به همین خاطر کیفیت عکس لرزشگیری شده افت نمی کند. گرچه برخی از گوشی ها علاوه بر لرزشگیری اپتیکال، از EIS یا لرزشگر دیجیتال هم استفاده می کنند تا تصویر نهایی را دوبار لرزشگیری کنند.

انواع فلاش گوشی

فلاش بخش مهمی از دوربین های عکاسی است. به همین خاطر هم تقریبا تمام گوشی های تلفن همراهی که دوربین دارند، حتما از یک فلاش هم بهره مند هستند. فلاش دوربین برای نوردهی سوژه ها در فضایی که نور محیط فوق العاده کم است استفاده می شود. همچنین در شرایط کم نور می تواند به روشن تر شدن سوژه نیز کمک کند.

برخی از گوشی ها نیز هستند که از نور فلاش برای تشخیص سوژه و تشخیص عمق استفاده می کنند. به صورت کلی فلاش های دوربین به سه گروه تقسیم می شوند:

فلاش های تک ال ای دی

فلاش های تک ال ای دی رایجترین نوع فلاش در گوشی های هوشمند هستند که مصرف برق بسیار کمی دارند و می توانند تا حد زیادی نیاز های کاربر برای عکاسی در نورهای کم را برآورده کنند.

فلاش های زنون

فلاش های زنونی بیشترین رواج را در دوربین های حرفه ای دارند. فلاش زنون در واقع یک تیوب شیشه ای است که با ماده شیمیایی زنون پر شده و در هنگام وارد شدن انرژی الکتریکی، این ماده نور بسیار زیادی از خودش ساطع می کند.

فلاش های زنون گرچه با کیفیت ترین نور را با برد بالا ارائه می دهند، اما هم مصرف باتری زیادی دارند، هم حجمشان زیاد است و هم نمی توانند دائما روشن باشند (برای استفاده به عنوان چراغ قوه). به همین خاطر استفاده از این فلاش در گوشی های هوشمند دیگر منسوخ شده است.

فلاش Dual LED

فلاش های Dual LED ساختاری مشابه فلاش های تک ال ای دی ساده دارند، اما دو منبع نور دارند و طبعا دو برابر فلاش های معمولی هم برق مصرف می کنند. اما شدت پرتاب نورشان به همان نسبت بالاتر است و می توانند به صورت مفید تا 1.4 متر را نوردهی کنند.

علت اصلی استفاده از این نوع فلاش در دوربین های پرچمدار و باکیفیت به خاطر آن است که هرکدام از چراغ های این نوع فلاش می توانند دمای رنگی (کلوین) متفاوتی از هم داشته باشند و ترکیب این دو دمای رنگی متفاوت باعث می شود تا عکس ثبت شده از نظر نوری، طبیعی تر باشد و با بکگراند طبیعی همخوانی بیشتری داشته باشد.

شرکت های مختلف برای تکنولوژی فلاش Dual LED خود نام های مختلفی را می گذارند. مانند شرکت اپل که از آیفون 5s به بعد از فلاش های True Tone خود استفاده می کند یا شرکت موتورولا که نام آن را CCT flash گذاشته است.

مقاله آموزش مرتبط: CDMA چیست؟