هرآنچه درباره فناوری حسگر X Trans در دوربین های فوجی فیلم می دانیم

فوجی فیلم در دوربین‌های عکاسی مدرن خود، از فناوری موسوم به X-Trans در حسگر استفاده می‌کند که تصاویر شفا‌ف‌تر با طرح مویر کمتر را به‌همراه دارد.

فوجی فیلم را می‌توان پیش‌گام فناوری‌های نوآورانه در طراحی حسگر تصویر دانست. رقبای این شرکت از ابتدای اوج‌گیری دوربین‌های عکس‌برداری دیجیتال، عموما از حسگرهای استاندارد بایر (Bayer) و فناوری‌های مرسوم استفاده کرده‌اند؛ درحالی‌که فوجی فیلم هیچ‌گاه از آزمایش‌کردن فناوری‌های جدید و تغییر ساختار حسگرها در مسیر بهبود کیفیت تصاویر ترسی نداشته است.

اولین فناوری نوآورانه: Super CCD

فوجی فیلم در سال‌های ابتدایی دهه‌ی ۲۰۰۰ با استفاده از فناوری Super CCD به‌نوعی راهش را از دیگر فعالان صنعت دوربین دیجیتال جدا کرد. فناوری مذکور ابتدا در دوربین FinePix 4700 محصول سال ۲۰۰۰ دیده شد که از شبکه‌ای نامرسوم از فوتوسایت‌های (Photosite) هشت‌ضلعی استفاده می‌کرد که ۴۵ درجه چرخش داده شده بودند تا رزولوشن در هر دو محور افقی و عمودی به‌حداکثر برسد. همین ساختار جدید، تأثیر عمیقی بر کیفیت عکس‌های نهایی می‌گذاشت. 

در سال ۲۰۰۳، تراشه‌ی Super CCD SR با دوربین FinePix P700 معرفی شد که دو فوتولنز (یکی بزرگ‌تر و دیگری کوچک‌تر) را در زیر هر میکرولنز قرار و گستره‌ی دینامیکی عکس را افزایش می‌داد. فناوری بعدی که در سال ۲۰۰۵ و با دوربین FinePix S3 Pro معرفی شد، Super CCD SR II نام داشت و فوتودیودهای کوچک‌تر را بین فوتودیودهای بزرگ‌تر قرار می‌داد. به‌علاوه، هرکدام از آن‌ها میکرولنز اختصاصی داشتند.

^{از چپ به راست: Super CCD, Super CCD SR, Super CCD SR II, Super CCD EXR II}

فوجی فیلم در سال ۲۰۰۹ دوربین FinePix F200EXR را معرفی کرد که از حسگر تصویر موسوم به Super CCD EXR بهره می‌برد. حسگر جدید آرایه‌ی فیلتر رنگ با طراحی جدید داشت که ترکیب‌کردن پیکسل‌ها (Pixel Binning) را آسان می‌کرد. به‌علاوه، این امکان وجود داشت که اطلاعات در میانه‌ی قرارگیری حسگر دربرابر نور و تابش نور به نیمی از پیکسل‌ها، از آن استخراج شود. ترکیب قابلیت‌های جدید به حسگر امکان می‌داد در موقعیت‌های متنوع، رزولوشن، حساسیت یا گستره‌ی دینامیکی را در اولویت قرار دهد.

حسگر Super CCD EXR II در سال ۲۰۱۰ معرفی شد که دوربین‌های FinePix F300EXR و Z800EXR از آن بهره می‌بردند. این حسگر به پیکسل‌های تشخیص فاز در تراشه مجهز بود که فوکوس خودکار سریع‌تر را ممکن می‌کرد. فناوری جدید فوجی فیلم به استانداردی در صنعت تبدیل شد که تقریبا تمامی تولیدکننده‌های دوربین از آن پیروی کردند. درواقع، همین فناوری امکان تولید دوربین‌های بدون آینه را ممکن کرد. فناوری Super CCD EXR II آخرین عضو از خانواده‌ی فناوری Super CCD بود که از الگوی نامرسوم در حسگر استفاده می‌کرد. تا آن زمان، رزولوشن حسگرهای عکس به نقطه‌ای از بلوغ رسیده بود که رزولوشن بیشتر در محورهای افقی و عمودی معنای زیادی نداشت.

^{Super CCD XR}

تصاویر شفاف‌تر با طرح مویر کمتر به‌لطف X-Trans

فناوری Super CCD متعلق به سال‌ها پیش است و دیگر کمتر کسی جزئیات آن را به‌یاد می‌آورد. نوآوری در توسعه‌ی فناوری حسگر هیچ‌گاه در فوجی فیلم متوقف نمی‌شود. برای مثال، فناوری X-Trans در سال ۲۰۱۲ با دوربین Fuji X-Pro1 معرفی شد. فناوری حسگر X-Trans از ایده‌ی استفاده از آرایه‌ی فیلتر رنگ منحصربه‌فرد سرچشمه گرفته بود؛ اما توسعه‌ی آن زمان زیادی برد و کم‌کم مسیرش نیز عوض شد.

برای درک بهتر توضیحات مذکور، ابتدا باید درکی از «آرایه‌ی فیلتر رنگ» در حسگر داشته باشیم. حسگرهای تصویری ذاتا مانند فیلم‌های سیاه و سفیدی هستند که تنها تن تیره‌تر و روشن‌تر را تشخیص می‌دهند و اطلاعات رنگی در آن‌ها موجود نیست. برای تشخیص رنگ، آرایه‌ای از فیلترهای ریز با رنگ‌های قرمز و سبز و آبی روی تراشه قرار می‌گیرد؛ درنتیجه، هر پیکسل حسگر، تنها به یکی از آن رنگ‌های ابتدایی واکنش نشان می‌دهد. چنین روندی مانند این است که سه دوربین داشته باشیم که هرکدام تصاویر مونوکروم قرمز و سبز و آبی ثبت کنند و درنهایت با ترکیب تصاویر آن‌ها، به عکسی تمام‌رنگی برسیم.

رویکردی که برای آرایه‌ی فیلتر رنگ شرح دادیم، دو مشکل اساسی دارد. مشکل اول این است که دوربین برای ترکیب هریک از پیکسل‌های قرمز و سبز و آبی و تبدیل به پیکسل کامل RGB به کمی پردازش نیاز دارد. این مشکل در حسگرهای مرسوم امروزی آن‌چنان بزرگ نیست؛ اما مشکل بزرگ‌تر در الگوهای تکراری پیکسل‌های رنگی دیده می‌شود. این الگوها در مواقعی که سوژه الگوهای تکراری رنگی با جزئیات زیاد داشته باشد، به ایجاد طرح مویر منجر می‌شوند.

برای درک طرح مویر اگر به دو شیشه‌ی پنجره با زاویه‌ای خاص نگاه کنیم،‌ مارپیچ‌های بزرگ تاریک و روشن را می‌بینیم که از ترکیب الگوی دو شیشه ایجاد می‌شوند. همین رخداد زمانی در دوربین اتفاق می‌افتد ‌که الگویی در سوژه در محوری نامناسب با آرایه‌ی پیکسل‌‌‌های رنگی حسگر قرار داشته باشد.

راهکار مرسوم برای حل‌کردن طرح مویر، استفاده از فیلتر نوری خاص موسوم به low-pass در جلو حسگر است. فیلتر مذکور جلوه‌ی بلور کنترل‌شده‌ای در تصویر ایجاد می‌کند؛ درنتیجه لبه‌های تیز و رنگ‌های تند و تغییر تن رنگ در سوژه، مشکلی در تعامل با الگوی پیکسل‌ها ایجاد نمی‌کند. گردکردن پیکسل‌های تیز در تصویر طرح مویر را از بین می‌برد؛ اما با عکسی نه‌چندان شفاف روبه‌رو می‌شویم.

راهکار نهایی و قطعی برای مشکل مویر وجود ندارد؛ چون با مشکلی با طبیعت ریاضی روبه‌رو هستیم. البته با کمی ورود به دنیای خارج از ریاضی شاید بتوان راهکارهایی پیدا کرد. هیچ پردازش یا الگوریتم خاصی نمی‌تواند ضامن از‌بین‌رفتن کامل طرح مویر باشد؛ خصوصا وقتی‌که جزئیات سوژه، بسیار نزدیک به گام پیکسل‌‌های دوربین باشد.

اکثر دوربین‌های امروزی بدون نیاز به فیلترهای low-pass، قابلیت موردنیاز را به‌دست می‌آورند که به‌لطف افزایش رزولوشن حسگر درمقایسه‌با قدرت تشخیص جزئیات لنزها ممکن می‌شود. در بسیاری از مواقع، لنزها نمی‌توانند جزئیات زیاد را پردازش کنند و درنتیجه، مشکل مویر آن‌چنان ایجاد نمی‌شود. به‌همین‌دلیل، آن‌ها به‌نوعی به‌عنوان فیلتر low-pass عمل می‌کنند. وقتی لنز جزئیات بسیار ریز سوژه را با حالت بلور منتقل می‌کند، دیگر دوربین به فلیتر low-pass برای اعمال بلور نیازی نخواهد داشت.

اکنون این سؤال مطرح می‌شود: اگر لنز توانایی عبور ریزترین جزئیات سوژه را داشته باشد، چه راهکاری خواهیم داشت؟

تولید لنزهایی که علاوه‌بر خصوصیات اپتیکی عالی، امکان تولید با دوام و نرخ زیاد هم دارند، فرایندی علمی و هنری است. هر فرایند تولید، در بخش‌های متعدد به محاسبه و کنترل تلرانس‌ها نیاز دارد. درواقع، باید بین آنچه به‌صورت ایدئال از تولید خود نیاز داریم با آ‌نچه توانایی تولیدش در کارخانه وجود دارد، تعادل ایجاد کنیم. چنین روندی خصوصا در تولید لنز بیش از دیگر فرایندهای ساخت و تولید اهمیت دارد. تولیدکننده‌های لنز برای حل بخشی از این مسئله، به‌جای تولید محصولاتی که تنها یک نقطه با بهترین کیفیت فوکوس را دارند، محصولاتی تولید می‌کنند که در بازه‌ای گسترده، کیفیت فوکوس تقریبا مشابه و مناسب ارائه می‌کنند.

منحنی ایدئال عمق دید برای لنزی که از لحاظ تئوری در بهترین حالت تولید شده باشد و دوربینی با رزولوشن بی‌نهایت، شکل V پیدا می‌کند. در دنیای واقعی، اکثر لنزها به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند تا در پایین شکل V خطی صاف دیده شود؛ درنتیجه در فرایند ساخت، تغییرات جزئی در تلرانس قطعات اتفاق می‌افتد. مهندسان فوجی فیلم از چند سال پیش تصمیم گرفتند فلسفه‌ای متفاوت را در تولید پی بگیرند و به‌‌دنبال شارپ‌ترین نتایج در عکاسی باشند. ازاین‌رو، تلاش می‌کنند نقطه‌ی پایینی منحنی V تاحد ممکن تیز شود. چنین روندی به ثبت عکس‌های بسیار شارپ منجر خواهد شد؛ اما آیا برای طرح مویر نیز کاربردی دارد؟

به‌طور‌کلی، هرچه لنز استفاده‌شده‌‌ی کاربر باکیفیت‌تر باشد، طرح مویر در تصاویر با الگوهای تکراری بیشتر دیده می‌شود. فوجی به این دلیل روند تیزکردن منحنی V را در پیش گرفت که راهکاری برای مویرشدن تصاویر داشت؛ راهکاری که امروز به‌نام فناوری X-Trans می‌شناسیم.

فناوری X-Trans با استفاده از آرایه‌ی پیچیده‌تر فیلترهای رنگی و روند دریافت نور و پردازش سیگنال‌ها را تغییر می‌دهد. اکثر دوربین‌ها از الگوی بایر استفاده می‌کنند که به‌‌صورت دو‌ در ‌دو، الگویی RGBG در آن‌ها تکرار می‌شود. X-Trans روندی دیگر دارد و از آرایه‌ای ۶ در ۶ استفاده می‌کند که فاصله‌ی پیکسل‌ها در آن ترکیب می‌شود. درواقع، بسته به اینکه عکاس به کدام سمت و منظره نگاه کند، فاصله‌ی بین پیکسل‌های هر رنگ کمی تغییر می‌کند. درنتیجه، حسگر تصویر دوربین اطلاعات فضایی بیشتری دریافت و توانایی تشخیص مویر از جزئیات تصویر اصلی را پیدا می‌کند.

حسگر مجهز به X-Trans نیز از الگوی تکرارشونده‌ی پیکسل‌ها برخوردار است؛ پس نمی‌توان طرح مویر را کاملا در آن از بین برد. البته درنهایت دوربین محدوده‌ی بزرگ‌تری از اطلاعات فضایی را دریافت می‌کند؛ بنابراین، پردازنده توانایی بیشتری در ایجاد تعادل بین طرح مویر و جزئیات سوژه خواهد داشت و تصویری شارپ بدون تداخل جزئیات تولید می‌کند.

فناوری بالغ X-Trans

فناوری جدید X-Trans فوجی فیلم نیز مانند فناوری قبلی یعنی Super CCD در عمر نزدیک به یک دهه‌ای خود،‌ توسعه‌ها و بهبودهای متعددی به خود دیده است. نسخه‌ی اولیه در سال ۲۰۱۲ و با X-Pro1 معرفی شد و از آن زمان تاکنون، سه نسخه و ارتقا از X-Trans را تجربه کرده‌ایم.

اولین تراشه‌ی بهینه‌سازی‌شده به‌نام X-Trans II در سال ۲۰۱۳ با دوربین Fuji X100S معرفی شد. نسخه‌ی جدید با پیروی از نام‌گذاری مشابه Super CCD EXR II، قابلیت فوکوس خوکار تشخیص فاز در تراشه را به حسگر اضافه کرد. مداربندی بهتر پیکسل‌ها در فناوری جدید نیز به بهبود فرایند حذف نویز تاریک منجر شد. رزولوشن نهایی در حسگرهای مجهز به این فناوری نیز از ۱۲/۳ به ۱۶/۳ مگاپیکسل ارتقا یافت.

نسل سوم فناوری اختصاصی فوجی فیلم در سال ۲۰۱۶ و به‌نام X-Trans III با دوربین Fuji X-Pro2 به بازار آمد. از تغییرات جدید می‌توان به رزولوشن بیشتر ۲۴/۲ مگاپیکسل و نقاط بیشتری برای فوکوس خودکار تشخیص فاز و استفاده از سیم‌کشی مسی به‌جای آلومینیم اشاره کرد. ترکیب تغییرات جدید کاهش سطح نویز و افزایش سرعت خواندن داده‌ها و درمجموع، عملکرد بهتر دوربین را سبب شد.

جدیدترین نسخه از فناوری اختصاصی فوجی فیلم در سال ۲۰۱۸ به‌نام X-Trans CMOS 4 با دوربین X-T3 معرفی شد. جدیدترین نسل از فناوری از طراحی نوردهی پس‌زمینه استفاده می‌کند تا قابلیت‌های جذب نور حسگر را افزایش دهد. به‌علاوه، بازهم در نسخه‌ی جدید قابلیت تشخیص فاز روی تراشه بهبود یافت که به فوکوس خودکار سریع‌تر و بهتر منجر شد. رزولوشن حسگر نیز با افزایش جزئی به ۲۶/۱ مگاپیکسل رسید.

فناوری X-Trans را می‌توان یکی از پایه‌های بنیادی استراتژی فوجی فیلم دانست. مهندسان شرکت ژاپنی کیفیت عکس را به‌عنوان مزیت بسیار مهم دوربین‌های خود در نظر می‌گیرند و برای توسعه‌ی فناوری‌های اختصاصی حسگر، سرمایه‌گذاری‌های عظیمی انجام داده‌اند. X-Trans را می‌توان جدیدترین نمونه از فرایند توسعه‌ی فناوری در فوجی دانست؛ فناوری‌ای که سال‌ها پیش از توسعه‌ی پردازنده‌های موردنیاز برای امکان‌پذیرشدنش معرفی شد.

برنامه‌ریزی فوجی فیلم برای آینده‌ی اجتناب‌ناپذیر

آینده‌نگری مهندسان طراح فوجی فیلم یکی از قوت‌ها و مزیت‌های اصلی آن‌ها محسوب می‌شوند. در زمان آماده‌شدن X-Trans در سال ۲۰۱۲، مهندسان ادعا می‌کردند پنج تا شش سال برای توسعه‌ی فناوری زمان اختصاص داده‌اند. چرا توسعه این‌قدر طول کشید؟ دریافت داده از آرایه‌ی فیلتر رنگ X-Trans و ترکیب آن برای دستیابی به تصویر کاملا رنگی در دوربین به قدرت پردازشی بسیار زیادی نیاز داشت و چنین قدرتی در آن سال‌ها در پردازنده‌های تصویری موجود در دوربین‌های دیجیتال دیده نمی‌شد. درواقع، پنج سال زمان نیاز بود تا فناوری پردازنده‌ها به فناوری حسگر برسد.

مهندسان فوجی فیلم می‌دانستند پردازنده‌های سریع‌تر بالاخره برای دوربین‌های دیجیتال توسعه می‌یابند. آن‌ها تنها با بررسی نمودارهای پیشرفت توسعه‌ی پردازنده‌ها زمان حدودی را برای عرضه‌ی تراشه‌ی مناسب پیش‌بینی کردند. درنهایت، به‌جای پاک‌کردن ایده (به‌دلیل نبود فناوری تکمیلی موردنیاز)، روی طرح مفهومی آن کار کردند. همین روند و آینده‌نگری در میان مهندسان فوجی فیلم فعالیت آن‌ها را جذاب و جالب‌ می‌کند. آن‌ها در طراحی لنزها نیز همیشه همین روند را در پیش می‌گیرند و به‌نوعی برای آینده آماده می‌شوند.

قدرت پردازنده‌های مخصوص دوربین‌های دیجیتال امروز در وضعیتی بسیار مناسب قرار دارد. زمانی‌که فوجی فیلم حسگر X-Trans CMOS 4  خود را معرفی کرد، در دوربینش از پردازنده‌ی X-Processor 4 بهره می‌برد که در دسته‌ی پردازنده‌های موبایل چهارهسته‌ای قرار می‌گیرد. این پردازنده نه‌تنها توانایی پردازش نقاط داده‌ی دریافت‌شده از فیلترهای رنگ X-Trans را داشت؛ بلکه قدرت پردازشی اضافه را به مهندسان ارائه کرد. آن‌ها با بهره‌گیری از همین قدرت پردازشی بیشتر، علاوه‌بر بهبود قابلیت‌های فوکوس خودکار تشخیص فاز، پشتیبانی از فیلم‌برداری 4K را هم به دوربین خود اضافه کردند.

فوجی فیلم برای به‌حداکثر‌رساندن قابلیت و تجربه‌ی کاربری با حسگر X-Trans، با شرکت‌های نرم‌افزاری همچون ادوبی نیز همکاری کرد. اگرچه توافق نهایی با ادوبی زمان کمی از مهندسان و مدیران فوجی گرفت، امروز تصاویری که با فناوری X-Trans ثبت می‌شوند، به‌راحتی در اپلیکیشن‌هایی مانند فتوشاپ و لایت‌روم و کپچر وان ویرایش‌شدنی هستند. 

فوجی فیلم با توسعه‌ی همه‌جانبه‌ی فناوری اختصاصی خود و همکاری‌های استراتژیک، حسگر X-Trans را به مرحله‌ای رساند که دوربین X-T3 مجهز به آخرین نسخه از آن، لقب بهترین دوربین سال ۲۰۱۸ را از برخی رسانه‌های فناوری دریافت کرد. اگرچه آینده‌ی توسعه‌ی فناوری حسگر تصویر در فوجی فیلم کاملا مشخص نیست، می‌توان باتوجه‌به گذشته پیش‌بینی کرد مهندسان در حال طراحی فناوری برای چند سال بعد هستند. به‌هرحال، امروزه X-Trans در وضعیتی بسیار عالی قرار دارد و ترکیبی از کیفیت خیره‌کننده عکس با دقت و کیفیت رضایت‌بخش فوکوس خودکار را به عکاسان حرفه‌ای ارائه می‌کند.