เทคโนโลยี Pixel Binning ในกล้องของสมาร์ทโฟนคืออะไร ?

เทคโนโลยี Pixel Binning ในกล้องของสมาร์ทโฟนคืออะไร ?

เทคโนโลยีของ กล้องบนสมาร์ทโฟน (Smartphone Camera) เป็นอะไรที่มีการแข่งขันกันสูงมาก สามารถสังเกตได้ง่าย ๆ ว่าเมื่อมีการเปิดตัวสมาร์ทโฟนรุ่นใหม่ หนึ่งในคุณสมบัติที่ทางผู้ผลิตจะต้องหยิบยกขึ้นมาโปรโมตทุกครั้งก็จะเป็นเรื่องความเทพของกล้องถ่ายรูป ว่ามันได้รับการอัปเกรดให้ดีขึ้นกว่าเดิมมากขนาดไหน

เราเห็นทาง Apple ใช้เซนเซอร์ขนาด 48 MP ในการสร้างภาพขนาด 12 MP เราเห็น Samsung โฆษณาการใช้ "Nona-binning" หรือ "Adaptive Pixel" โดยเคลมว่ามันช่วยให้การถ่ายภาพในที่สภาพแสงน้อยทำได้ดีขึ้น เทคนิคเหล่านี้เรียกว่าการทำ "Pixel Binning" แต่มันดีจริงหรือเปล่า ? หลักการเหล่านี้ทำงานอย่างไร ? มาศึกษากัน

ทำไม กล้องบนสมาร์ทโฟน ถึงต้องใช้ เทคโนโลยี Pixel Binning ?
(Why Smartphone Camera has to use Pixel Binning Technology ?)

ก่อนที่เราจะไปเรียนรู้ว่า Pixel Binning คืออะไร ? และทำงานอย่างไร ? เราควรมาทำความเข้าใจก่อนว่า ทำไมถึงต้องมีการพัฒนา Pixel Binning ขึ้นมา

หนึ่งในปัจจัยสำคัญของคุณภาพที่ได้จากกล้องดิจิทัลคือ ขนาดของเซนเซอร์รับภาพ ที่ภาพจากกล้องดิจิทัล จะมีคุณภาพสูงกว่าภาพจากกล้องของสมาร์ทโฟน ซึ่งหัวใจหลักของมันก็เพราะขนาดเซนเซอร์รับสัญญาณภาพนี่แหละ

ข้อมูลเพิ่มเติม : เซนเซอร์กล้องดิจิทัล กับ เซนเซอร์กล้องมือถือสมาร์ทโฟน ต่างกันอย่างไร ? และตัวเลขพิกเซลของกล้องมาจากไหน ?

บนเซนเซอร์กล้องจะประกอบไปด้วยพิกเซลจำนวนมากเรียงติดกันเป็นแผงจำนวนหลายล้านพิกเซล พิกเซลเหล่านี้จะทำหน้าที่ในการรับสัญญาณแสงเพื่อเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าไปประมวลผลออกมาเป็นรูปภาพ ตามทฤษฏีแล้ว ยิ่งมีจำนวนพิกเซลเยอะมากเท่าไหร่ ก็หมายความว่าเราจะเก็บสัญญาณแสงได้มากยิ่งขึ้นไปด้วย แต่ก็มีปัจจัยเรื่องของขนาดของจุดพิกเซลด้วย

ข้อมูลเพิ่มเติม : จำนวน Megapixel กับ ขนาดเซนเซอร์กล้อง บนสมาร์ทโฟน อะไรสำคัญกว่ากัน ?

เซนเซอร์ของกล้องบนสมาร์ทโฟนไม่สามารถทำให้มีขนาดใหญ่ได้เท่ากับกล้อง Digital Single-Lens Reflex (DSLR), Mirrorless ได้ เนื่องจากข้อจำกัดด้านการออกแบบ ที่เราไม่สามารถออกแบบให้เซนเซอร์มีขนาดใหญ่ได้ โดยที่สมาร์ทโฟนไม่มีความหนาเพิ่มขึ้น ซึ่งยุคนี้ก็คงไม่มีใครอยากใช้สมาร์ทโฟนที่หนาเป็นกระดูกหมาหรอกเนอะ

ยกตัวอย่างจากเซนเซอร์ของกล้อง iPhone 13 ตัวเซนเซอร์กล้องมีความละเอียด 12 MP ขนาดพิกเซล 1.9 µm (ไมโครมิเตอร์ - Micrometer) ในขณะที่ iPhone 14 Pro เซนเซอร์กล้องมีความละเอียด 48 MP ขนาดพิกเซล 1.22 µm และสุดท้าย Galaxy S22 Ultra เซนเซอร์กล้องมีความละเอียด 108 MP ขนาดพิกเซลเพียง 0.8 µm เท่านั้น เป็นขนาดที่เล็กที่สุดเท่าที่เคยเห็นมา

เปรียบเทียบขนาดของเซนเซอร์ระหว่างกล้องดิจิทัล กับกล้องบนสมาร์ทโฟน
ภาพจาก : https://silentpeakphoto.com/gear/cameras/camera-guides/the-real-reason-why-iphone-13-pro-has-3-cameras/

ซึ่งการที่จุดพิกเซลมีขนาดเล็กมาก ไม่ใช่เรื่องดีนะ แม้มันจะทำให้ภาพมีความละเอียดสูงขึ้นแต่ก็ทำให้ความสามารถในการรับแสงแย่ขึ้นด้วยเช่นกัน

เพื่อแก้ไขปัญหาข้อจำกัดดังกล่าว ผู้ผลิตเซนเซอร์จึงหาทางแก้ปัญหากัน และคำตอบที่ได้ก็คือการทำ Pixel Binning แม้เทคนิคนี้จะนิยมใช้งานกันในสมาร์ทโฟนระดับเรือธงในยุคปัจจุบัน แต่ในความเป็นจริงมีใช้กันมานานหลายสิบปีแล้วในหมู่นักดาราศาสตร์ มือถือกล้องเทพในตำนานอย่าง Nokia 808 PureView ที่เปิดตัวตั้งแต่ปี ค.ศ. 2012 (พ.ศ. 2555) ก็ใช้เทคนิค Pixel Binning ในการทำงานเช่นกัน

เทคโนโลยี Pixel Binning คืออะไร ? ทำงานอย่างไร ?
(What is Pixel Binning Technology ?, and How does it work ?)

Pixel Binning เป็นเทคนิคที่ใช้ในการประมวลผลภาพ โดยอาศัยการรวมพิกเซล (Pixel) จำนวน 4 พิกเซล หรือมากกว่าที่อยู่ติดกัน มาสร้างเป็น Superpixel (หรือที่ทาง Samsung เรียกว่า "Tetrapixel" หรือ "Nonapixel") เพื่อเก็บข้อมูลของสัญญาณแสงเพิ่มเติม

การรวมพิกเซลนี้ไม่ใช่การทำงานระดับฮาร์ดแวร์ แต่เป็นการใช้ซอฟต์แวร์ในการประมวลผลข้อมูลจาก Superpixel ที่ถูกจำลองขึ้นมาเพื่อเก็บข้อมูลแสงเสมือนว่ามันเป็นพิกเซลขนาดใหญ่

ตัวอย่างเช่น iPhone 14 Pro มีเซนเซอร์ความละเอียด 48 MP แต่เมื่อทำการ Pixel binning รวม 4 พิกเซล เป็น 1 พิกเซลขนาดใหญ่ ที่มีขนาด 2x2 รูปถ่ายที่ได้ก็จะถูกลดความละเอียดจาก 48 MP เหลือเพียง 12 MP หรือใน Galaxy S22 ใช้วิธีรวม 9 พิกเซล เป็น 1 พิกเซล ที่มีขนาด 3x3 จากเซนเซอร์ความละเอียด 108 MP ภาพที่ได้ก็จะมีขนาดเพียง 12 MP ซึ่งการทำแบบนี้ จะช่วยให้ตัวเซนเซอร์สามารถเก็บข้อมูลแสงได้ละเอียดมากขึ้น แม้ภาพที่ได้จะมีขนาดเล็กลง แต่คุณภาพ และรายละเอียดของภาพจะดีขึ้นกว่าเดิมมาก โดยที่ไม่จำเป็นต้องเพิ่มขนาดของเซนเซอร์

ภาพจาก : https://news.samsung.com/global/samsungs-108mp-isocell-bright-hm1-delivers-brighter-ultra-high-res-images-with-industry-first-nonapixel-technology

นอกจากนี้ Pixel Binning ยังเป็นการทำให้การประมวลภาพเร็วขึ้นกว่าเดิมด้วย เนื่องจากความละเอียดภาพมีขนาดที่เล็กลง แน่นอนว่า หากผู้ใช้ไม่ต้องการให้กล้องบนสมาร์ทโฟนไม่ทำ Pixel Binning ทางผู้ผลิตส่วนใหญ่ก็จะมีตัวเลือกให้ผู้ใช้ตัดสินใจเปิด/ปิดได้ อย่างถ้าเป็นใน iPhone ผู้ใช้ก็สามารถเลือก ถ่ายภาพที่ความละเอียด 48 MP ได้ในโหมด ProRaw

เทคโนโลยี Pixel Binning ไม่ได้ทำให้ภาพดีขึ้นเสมอไป
(Pixel Binning Technology does not always make pictures better)

Pixel Binning อาจจะอ่านแล้วเป็นวิธีการทำงานของเซนเซอร์ที่ชาญฉลาด อย่างไรก็ตาม Superpixel ที่เกิดจากการรวม Pixel ขนาดเล็ก แท้จริงแล้วก็เป็นความพยายามที่จะเพิ่มความละเอียดของเซนเซอร์ลงไปในพื้นที่ขนาดเล็ก แม้มันจะช่วยให้เก็บข้อมูลแสงได้มากขึ้น แต่มันก็เป็นการทำงานด้วยซอฟต์แวร์ หากนำพิกเซลขนาดเท่ากันที่อยู่บนเซนเซอร์ขนาดใหญ่ มันก็ยังสามารถเก็บข้อมูลรายละเอียดภาพได้ดีกว่า

ถ้า Pixel Binning นั้นดีจริง ผู้ผลิตกล้องคงนิยมนำเทคโนโลยีนี้มาใช้งานในกล้อง DSLR หรือ Mirrorless เพื่อสร้างกล้องความละเอียด หลายร้อยล้านพิกเซลบนเซนเซอร์ขนาดเท่าเดิมนานแล้วล่ะ ปัญหาของ Superpixel คือในการทำงาน มันจะเก็บข้อมูลของแต่ละพิกเซลมาคาดการณ์ว่าควรจะนำข้อมูลของพิกเซลไหนมาใช้งาน และควรจะประมวลผลภาพให้ออกมามีผลลัพธ์เป็นแบบไหน ?

ถึงแม้ว่า ซอฟต์แวร์ของกล้องสมาร์ทโฟน ในสมัยนี้ก็มีความชาญฉลาดมาก มีการนำ เทคโนโลยี AI เข้ามาช่วยในการวิเคราะห์ข้อมูล ทำให้ได้ภาพที่มีคุณภาพสูงออกมา แต่บางครั้งผลลัพธ์ที่ได้ก็ทำให้ภาพออกมาเหมือนถูกปรับแต่งแสงสีมากจนเกินเหตุอยู่ดี การที่สีภาพมันสดกว่าที่ควรจะเป็น หรือแสงดูสีเพี้ยนไปจากความเป็นจริง สาเหตุก็มาจากการวิเคราะห์ข้อมูลแสงที่ผิดพลาดนั่นเอง

สุดท้ายแล้ว Pixel Binning ก็เป็นเพียงวิธีการแก้ไขปัญหาวิธีหนึ่ง ที่ช่วยเพิ่มความละเอียดสูงสุดให้เซนเซอร์, เพิ่มความเร็วในการถ่ายภาพด้วยการลดความละเอียดของภาพลง และช่วยให้การในที่แสดงน้อยทำได้ดีขึ้น

แต่หากคุณต้องการนำภาพถ่ายที่ได้มาครอปใช้งานในภายหลัง หรือซูมเพื่อดูรายละเอียด การถ่ายภาพที่ความละเอียดสูงสุดที่เซนเซอร์ทำได้ด้วยการปิดคุณสมบัติ Pixel Binning ก็จะได้รายละเอียดภาพที่ดีกว่าอย่างแน่นอน