حسگرهای تا حدی انباشته؛ پیشرفتی بی‌سروصدا اما هوشمندانه‌تر از انتظار

داده‌های مربوط به محدوده دینامیکی دوربین Sony a7 V به‌روشنی نشان می‌دهد که مزیت حسگرهای CMOS نیمه‌انباشته (Partially Stacked CMOS) تنها به افزایش سرعت خوانش محدود نمی‌شود؛ بلکه این فناوری توانسته محدوده دینامیکی بالاتری نیز ارائه دهد.
بیل کلاف (Bill Claff) به‌تازگی ارقام جدید «Dynamic Range Photography» خود را برای سونی a7 V منتشر کرده است؛ داده‌هایی که تصویری دقیق و قابل‌توجه از آنچه در پشت صحنه توسعه سنسورهای جدید سونی و همچنین Panasonic Lumix S1II رخ می‌دهد، ارائه می‌دهند.

سنسورهای نیمه‌انباشته در اصل همان حسگرهای BSI هستند، اما با مدارهای خوانش پیشرفته‌تر که در اطراف لبه سنسور قرار گرفته‌اند. در این ساختار، خود سنسور به‌صورت کامل انباشته نشده، اما طراحی هوشمندانه مدارهای جانبی باعث بهبود چشمگیر عملکرد می‌شود. پیش‌تر، نیکون Z6III نشان داده بود که این معماری می‌تواند مزیت قابل‌توجهی در سرعت نسبت به سنسورهای BSI رایج ایجاد کند؛ اما اکنون پاناسونیک S1II و سونی a7 V ثابت کرده‌اند که این فناوری ظرفیت‌های بسیار فراتری دارد.

برخلاف حسگرهای رایج با Dual Conversion Gain که به‌صورت مجزا از حالت بهره پایین (ظرفیت نوری بالا برای ISOهای پایین) و حالت بهره بالا (نویز کمتر اما ظرفیت محدودتر برای ISOهای بالا) استفاده می‌کنند، حسگرهای نیمه‌انباشته جدید قادرند هر دو حالت بهره را به‌طور هم‌زمان به کار بگیرند.

در عمل، این یعنی سنسور می‌تواند از ظرفیت کامل حالت بهره پایین برای ثبت اطلاعات هایلایت استفاده کند و هم‌زمان داده‌های تمیزتر سایه‌ها را از حالت بهره بالا استخراج و با آن ترکیب کند. نتیجه این فرآیند، افزایش محسوس محدوده دینامیکی واقعی، به‌ویژه در صحنه‌های پرکنتراست است؛ جایی که جزئیات سایه و روشن به‌طور هم‌زمان اهمیت حیاتی دارند.

در مجموع، عملکرد Sony a7 V نشان می‌دهد که حسگرهای نیمه‌انباشته صرفاً یک راهکار برای افزایش سرعت نیستند، بلکه گامی هوشمندانه در بهبود کیفیت تصویر، مدیریت نویز و گسترش دامنه دینامیکی محسوب می‌شوند؛ پیشرفتی آرام اما عمیق که تأثیر آن در استفاده عملی، کاملاً ملموس است.

سال‌هاست که در صنعت تصویربرداری شاهد نوعی ایستایی و ناامیدی از پیشرفت فناوری حسگرها هستیم؛ پیشرفت‌هایی که اغلب به افزایش اعداد روی کاغذ محدود شده‌اند و الزاماً به بهبود واقعی بهره هوشی سیستم‌های تصویربرداری منجر نشده‌اند. اما آنچه اکنون در نسل جدید حسگرهای نیمه‌انباشته دیده می‌شود، دقیقاً همان گام رو به جلوی معناداری است که مدت‌ها انتظارش را می‌کشیدیم؛ پیشرفتی که نه صرفاً نمایشی، بلکه در تجربه عملی عکاسی و فیلم‌برداری کاملاً قابل لمس است.

این فرآیند—که به‌احتمال زیاد شامل قابلیت Sample & Hold در مدارهای پیچیده‌تر بازخوانی سنسور است—نسبت به خواندن یک حالت منفرد، زمان بیشتری نیاز دارد. به همین دلیل، این روش عملاً تنها در حالت شاتر مکانیکی قابل اجراست؛ جایی که شاتر فیزیکی با جلوگیری از ادامه تجمع نور روی سنسور، زمان کافی برای خواندن کامل داده‌ها را فراهم می‌کند.

انتشار داده‌های مربوط به شاتر الکترونیکی سونی این موضوع را به‌وضوح نشان می‌دهد. در حالت شاتر الکترونیکی، الگوی آشنای حسگرهای دارای Dual Conversion Gain دیده می‌شود؛ اما در حالت شاتر مکانیکی، محدوده دینامیکی در ایزوهای پایین به‌طور محسوسی افزایش می‌یابد. به‌عبارت دیگر، مزیت ثبت سایه‌های تمیزتر در حالت بهره بالا، عملاً به محدوده ایزو پایین نیز گسترش داده می‌شود. Panasonic Lumix S1II نیز رفتاری مشابه را از خود نشان می‌دهد.

سال‌هاست که در صنعت تصویربرداری شاهد ابراز ناامیدی از این موضوع هستیم که پیشرفت فناوری حسگرها اغلب صرفاً به افزایش سرعت خوانش محدود شده و به بهبود واقعی ضریب هوشی سیستم منجر نمی‌شود. حتی این افزایش سرعت‌ها نیز معمولاً به‌اشتباه، فقط به‌عنوان مزیتی برای ویدیو معرفی می‌شدند. اما آنچه اکنون مشاهده می‌کنیم، یک گام رو به جلو در ضریب هوشی سنسورها است؛ پیشرفتی که در کنار افزایش سرعت در حالت خوانش تک‌بهره، تأثیر مستقیمی بر کیفیت تصویر نهایی دارد و همان چیزی است که مدت‌ها انتظارش را می‌کشیدیم.

البته این تنها مسیر دستیابی به چنین نتیجه‌ای نیست. کانن با فناوری موسوم به Dual Gain Output که در برخی دوربین‌های سری Cinema EOS به کار گرفته شده، رویکردی متفاوت اما هم‌راستا را دنبال می‌کند. همچنین، بنا بر اطلاعات منتشرشده، رویکردی مشابه—هرچند نه کاملاً یکسان—در جدیدترین دوربین‌های Micro Four Thirds پاناسونیک نیز مورد استفاده قرار گرفته است.

این برای Sony a7 V به چه معناست؟

نتیجه برای سونی این است که محدوده دینامیکی در عکاسی با شاتر مکانیکی بسیار عالی به نظر می‌رسد، اما زمانی که به هر یک از حالت‌های کاملاً شاتر الکترونیکی تغییر می‌دهید، باید از این افزایش DR صرف‌نظر کنید. بنابراین، اگرچه سونی در این حالت‌ها همچنان فایل‌های ۱۴ بیتی تولید می‌کند، ممکن است مزیت محدوده دینامیکی نسبت به خروجی ۱۲ بیتی Canon EOS R6 III—موضوعی که برخی مفسران (شاید کمی زودهنگام) به آن اشاره کرده بودند—در عمل وجود نداشته باشد.

خبر خوب این است که بیل کلاف در ابتدا داده‌های a7 V را به‌عنوان داده‌هایی با کاهش نویز اعمال‌شده علامت‌گذاری کرده بود، اما اکنون این برچسب را حذف کرده است؛ زیرا پردازش سیگنالی که او مشاهده می‌کرد، در واقع ترکیبی از دو حالت خوانش به نظر می‌رسد، نه اعمال نوعی پردازش مبهم یا مصنوعی در نواحی سایه.

آیا به این همه محدوده دینامیکی (DR) نیاز دارم؟

این فناوری بدون تردید یک گام رو به جلو برای صنعت تصویربرداری محسوب می‌شود و در عین حال، هزینه و پیچیدگی قابل‌توجه طراحی حسگرهای کاملاً انباشته را ندارد؛ بنابراین به‌احتمال زیاد در طیف گسترده‌تری از دوربین‌ها مورد استفاده قرار خواهد گرفت. می‌توان انتظار داشت رویکردی مشابه در نسل بعدی حسگرهای کاملاً انباشته نیز ظاهر شود، هرچند ممکن است همچنان به استفاده از شاتر مکانیکی وابسته باشد.

با این حال، لازم است موضوع را با نگاهی واقع‌بینانه بررسی کنیم. اعداد مربوط به DR به‌تنهایی بیانگر کیفیت کلی تصویر نیستند و شواهدی وجود ندارد که نشان دهد افزایش چشمگیری در بهره هوشی تصویر (IQ) در سراسر طیف رنگی ایجاد شده است. این بهبودها عمدتاً در نواحی سایه نمود پیدا می‌کنند و بیش از هر چیز، انعطاف‌پذیری در ویرایش را برای صحنه‌هایی مانند مناظر طلوع و غروب خورشید افزایش می‌دهند.

برای بسیاری از عکاسان، تفاوت‌های DR زمانی اهمیت داشت که برخی دوربین‌ها فایل‌های RAW تولید می‌کردند که فرصت چندانی برای بازیابی سایه‌ها فراتر از آنچه در JPEG وجود داشت، فراهم نمی‌کردند. اما زمانی که به آستانه‌ی «به‌اندازه‌کافی خوب» برای سبک عکاسی خود برسید، هر افزایش بیشتر در DR گرچه خوشایند است، اما نه لزوماً برای هر عکس؛ بلکه برای بخش محدودی از تصاویر خاص شما مزیت ایجاد می‌کند.

با این وجود، این پیشرفت قطعاً ارزشمند است. به‌ویژه اگر کاربران بیشتری شروع به استفاده از نمایشگرهای HDR کنند تا تصاویر خود را واقعی‌تر و چشمگیرتر نمایش دهند و بتوانند از DR ثبت‌شده به‌طور کامل‌تری بهره ببرند، اهمیت این دستاورد بیش از پیش آشکار خواهد شد.