ชวนมาดูปัญหาในการพัฒนากล้องสมาร์ตโฟน และความเจ๋งที่วิศวกรใช้แก้ปัญหากัน

สมาร์ตโฟนดำเนินเส้นทางการพัฒนามาร่วมสิบกว่าปีแล้ว เราเห็นตั้งสมาร์ตโฟนตั้งแต่ยุคที่ไม่มีกล้องหน้า จนปัจจุบันบางเครื่องมีกล้องถึง 5-6 ตัว สำหรับผมแล้ว สมาร์ตโฟนเป็นชิ้นงานศิลปะด้านเทคโนโลยีที่สวยงาม และน่าตื่นเต้นอยู่เสมอ การที่บริษัทยักษ์ใหญ่ต่าง ๆ นานา แข่งกันยัดเทคโนโลยีใหม่ล้ำ ๆ ใส่ลงไปในอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กเท่าฝ่ามือ มันเป็นอะไรที่น่าทึ่งมากในด้านวิศวกรรม

สิ่งหนึ่งที่พัฒนาขึ้นอย่างยิ่งยวดในทุกปี นั่นก็คือความเก่งของกล้องในสมาร์ตโฟน แต่รู้หรือไม่ว่าเบื้องหลังการพัฒนากล้อง มีขีดจำกัดอยู่ข้อหนึ่งที่เป็นกำแพงขนาดใหญ่ในการพัฒนาอยู่ด้วย นั่นก็คือ “ขนาดของเซนเซอร์” ที่ถูกจำกัดโดยพื้นที่ภายในของสมาร์ตโฟน

โดยเบสิกของเซนเซอร์ในกล้องถ่ายภาพนั้น ตัวแปรหนึ่งที่จะมีผลต่อคุณภาพอย่างมากคือแสง ซึ่งพื้นฐานของเซนเซอร์ที่มีขนาดใหญ่ ก็แปลว่าจะสามารถเก็บรับแสงมาได้มากกว่าเซนเซอร์ที่เล็กกว่ากัน เซนเซอร์ที่สามารถยัดใส่สมาร์ตโฟนได้ในปัจจุบันนั้นเดินทางมาถึงไซส์ขนาด 1 นิ้วกันแล้ว ซึ่งเป็นขนาดเดียวที่ถูกใช้ในกล้องแบบ Compact มาก่อน

แต่มันจะใหญ่ไปกว่านี้ไหม?

ก่อนที่จะพูดถึงว่าเซนเซอร์ของกล้องในสมาร์ตโฟนจะใหญ่ไปกว่านี้ไหม ก็อยากให้มาดูถึงข้อเสียที่อยู่กับกล้องสมาร์ตโฟนมาโดยตลอดก่อน ซึ่งสาเหตุหลัก ๆ ก็มาจากขนาดที่เล็กของเซนเซอร์เป็นเหตุผลหลัก

โดยธรรมชาติของเซนเซอร์ที่มีขนาดเล็ก เม็ดพิกเซ็ลที่จับมาได้ก็จะมีขนาดเล็กตามไปด้วย แม้จะมีขนาดความละเอียดที่เท่ากัน สิ่งที่ตามมาในทันทีก็คือเรื่อง noise ที่จะจัดการได้ไม่ดีเท่าเซนเซอร์ที่มีขนาดใหญ่อย่างแน่นอน เห็นได้ชัดจากการถ่ายภาพในที่แสงน้อย เช่นตอนกลางคืน ด้วยความที่ขนาดของเซนเซอร์มันเล็ก ก็จะรวมแสงได้น้อยกว่า ทำให้ต้องใช้ Post Processing ช่วยในตรงนี้ แต่ละค่ายที่ใช้เซนเซอร์เท่า ๆ กัน ก็จะมาเฉือนกันตรงเรื่องแบบนี้แหละ ว่าแก้ปัญหากันอย่างไร

มาถึงคำถามที่ว่ามันจะใหญ่ไปกว่านี้ได้อีกไหม ก็ต้องมาดูเหตุผลที่เซนเซอร์มันใหญ่ไปกว่านี้ไม่ได้แล้ว นั่นก็เป็นเพราะพื้นที่ในการออกแบบมันมีจำกัดมาก และด้วยความนิยมของสมาร์ตโฟน และความเคยชินของผู้ใช้งาน ก็จะอยากได้สมาร์ตโฟนที่มีลักษณะที่พกพาได้สะดวก แต่มีหน้จอขนาดใหญ่เพียงพอต่อความต้องการ ซึ่งพื้นที่ในการออกแบบก็มีจำกัดขึ้นไปอีก

ในเมื่อพื้นที่มันมีจำกัด เหล่าวิศวกรก็จึงหาทางแก้ปัญหาด้วยวิธีต่าง ๆ มากมาย เรามาดูวิธีการแก้ปัญหาเจ๋ง ๆ เหล่านั้นกัน กับเหตุผลประกอบว่าทำไมเค้าอยากแก้ในจุด ๆ นั้น

กล้องซูม Periscope แบบเรือดำน้ำ

ในเมื่อมือถือในสมัยนี้ต้องการความบาง ความสะดวกสบายในการพกพา กลับกันผู้ใช้งานก็อยากได้มือถือที่มีกล้องซูมคุณภาพ ซึ่งแน่นอนว่าการที่เซนเซอร์ความละเอียดเยอะ ๆ อย่างเดียวมันไม่พอ เพราะถึงแม้จะเก็บรายละเอียดได้เยอะ แต่กับเซนเซอร์ที่มีขนาดเล็กนิดเดียว การซูมแบบดิจิทัล ก็ไม่สามารถให้คุณภาพของภาพที่ดีได้มากพอ แต่กะทำการซูมแบบ Optical ด้วยชิ้นกระจกจริง ๆ ก็ดันต้องใช้พื้นที่เยอะอีก ต้องการพื้นที่ความหนาของเครื่องที่เยอะ วิศวกรที่พัฒนากล้องในมือถือเลยเกิดการปิ๊งไอเดีย ในเมื่อต้องการพื้นที่ในการยัดชิ้นกระจกเลนส์ลงไปเยอะ ๆ แต่พื้นที่ความหนามีไม่เยอะพอ ก็ไปใช้พื้นที่ความยาวของเครื่องแทนสิ!

เลยเกิดเป็นเทคโนโลยีการนำหลักการกล้อง Periscope หรือกล้องแบบเรือดำน้ำมาใช้ กล่าวสั้น ๆ คือการวางชิ้นเลนส์แบบแนวนอนตามความยาวของเครื่อง แล้วใช้กระจกสะท้อนแบบ 45 องศา เพื่อหักเหภาพแบบหักศอก หากยังไม่เห็นภาพลองดูด้านล่าง

หลักการนี้เราก็จะสามารถใช้พื้นที่แนวยาวของเครื่องได้อย่างชาญฉลาด ทำให้เราสามารถใส่ชิ้นกระจกลงไปยังไงก็ได้ โดยที่ไม่กินพื้นที่ความหนาของเครื่องเลย โดยเทคนิคนี้ก็ถูกนำไปใช้อยู่ในมือถือหลายเครื่องแพร่หลายมากในปัจจุบัน อย่างเช่นใน iPhone 15 Pro Max เองก็มีเทคนิคที่คล้ายกันในชื่อ Tetraprism เป็นเทคโนโลยีใหม่ใน iPhone ที่ช่วยให้กล้องซูมแบบ Optical ได้ถึง 5 เท่า

การรวมเม็ดพิกเซลหรือ Pixel Binning

ความละเอียดของเซนเซอร์ในมือถือก็เป็นปัจจัยหนึ่งของคุณภาพรูปถ่าย แต่ก็ไม่ใช่ว่าความละเอียดยิ่งเยอะจะยิ่งดีเสมอไป เพราะถ้าหากเทียบกัน เซนเซอร์ที่มีความละเอียดน้อยกว่า แต่มีขนาดเซนเซอร์ใหญ่กว่า ย่อมมีคุณภาพของภาพดีกว่า เซนเซอร์ที่มีความละเอียดสูงกว่า แต่ขนาดของเซนเซอร์เล็กกว่า

การที่มีความละเอียดเยอะกว่านั้นจะสามารถเก็บรายละเอียดของภาพได้เยอะกว่า แต่ไม่ได้แปลว่าคุณภาพสูงกว่า เพียงแค่มีรายละเอียดของภาพที่เยอะกว่าเท่านั้น แต่เรื่องของ Dynamic Range, การจัดการ Noise หรือแสง ก็ยังเป็นปัจจัยอื่น ๆ ที่ต้องมาดูที่ตัวของเซนเซอร์ หรือวิธีการ Post Processing กันอีกที

แล้วกล้องมือถือที่มีคุณภาพภาพระดับเกิน 100MP นั้นมีเอาไว้ทำอะไรล่ะ? ด้วความละเอียดเยอะขนาดนี้ เหล่าวิศวกรเลยพัฒนาเทคนิคการรวมเม็ดพิกเซ็ลหรือการ “Pixel Binning” หรือสั้น ๆ ก็คือการยวบเม็ดพิกเซลหลาย ๆ เม็ดเข้าด้วยกันเป็นเม็ดเดียว ซึ่งหลักการนี้มีผลทำให้คุณภาพของภาพดีขึ้นกว่าเดิมอย่างมาก

โดยเทคโนโลยีนี้ ถึงแม้จะมีการพูดถึงอยู่บ่อยครั้งในช่วง 2-3 ปีนี้ แต่จริง ๆ แล้วครั้งแรกที่มีการหยิบมาใช้ในมือถือนั้น ต้องย้อนกลับไปถึง 11 ปีที่แล้วเลยทีเดียว กับ Nokia 808 PureView อดีตมือถือกล้องเทพ ที่มีความละเอียดของเซนเซอร์หลักที่ 41MP ในปี 2012 ซึ่งถือว่าเยอะมาก แบบเวอร์เลยในสมัยนั้น โดยตัวกล้องสามารถยวบพิกเซลลงมาเหลือ 5MP และ 8MP ที่เป็นความละเอียดของกล้องมือถือที่เยอะมากแล้วในสมัยนั้น ทำให้ Nokia 808 PureView นั้นได้เปรียบมาก ๆ ในเรื่องคุณภาพของภาพที่ออกมา

ละลายหลังเทียม จำลองค่า F กว้าง ด้วยซอฟต์แวร์

ถึงแม้ในสมาร์ตโฟนจะสามารถทำเลนส์กล้องที่มีค่า F Stop กว้าง ๆ ได้ แต่ด้วยระยะของชิ้นเลนส์ที่มีน้อยนิด ก็ทำให้ Depth of Field ที่ออกมานั้นไม่ได้มีมิติ หรือที่คนติดปากพูดกันว่า หน้าชัดหลังเบลอ เพื่อทำให้ Subject ดู Pop ขึ้นมาได้เหมือนกับกล้องระดับ Mirrorless / DSLR และก็น่าจะเป็นไปได้ยากที่จะทำให้มันเกิดขึ้นด้วย เพราะต้องการใช้ระยะชิ้นเลนส์ที่เยอะมากพอสมควร

ดังนั้นในเมื่อทาง Physical ทำไม่ได้ เลยเกิดเป็นแนวทางการการแก้ปัญหาด้วยซอฟต์แวร์แทน ซึ่งเป็นการใช้ซอฟต์แวร์ ร่วมกับหลักการ Post Processing และเซนเซอร์อื่น ๆ ช่วย (แล้วแต่ค่าย) ในการตัดตัว Subject และพื้นหลังออกจากกัน และเกลี่ยพื้นหลังให้เบลอ เสมือนเป็นการละลายหลังจริง ๆ แทน

เทคนิคนี้ถูกใช้มาสักพักแล้ว และปัจจุบันมีอยู่ในมือถือแทบจะทุกรุ่น หรือที่เราใช้กันบ่อย ๆ ใน Portrait Mode นั่นเอง ซึ่งแต่ละค่ายก็มีเทคนิคการตัดขอบ Subject ไม่เหมือนกัน บ้างก็ใช้เซนเซอร์ช่วยวัดระยะ ดูว่าวัตถุไหนอยู่ใกล้ ก็ถูกนับเป็น Subject หรือบางค่ายก็ใช้ประโยชน์จากการที่มีเลนส์หลายตัว หลายระยะ ถ่ายภาพจากทุกเลนส์ และนำมาเทียบแยกกันด้วย Data Set หรือ Manchine Learning ที่มี ว่าวัตถุไหนใกล้ หรือไกล และวัตถุนั้นมีส่วนไหนอะไรยังไงบ้าง เช่นเส้นผม เสื้อผ้า และควรจะตัดมันยังไง

แน่นอนว่าเทคนิคนี้ไม่ใช่ทางออกที่ดีที่สุด แต่ผลลัพธ์ที่ได้ออกมาก็ถือว่าน่าพึงพอใจสำหรับการใช้มือถือถ่ายแล้ว ซึ่งมันทำให้ภาพดูดีขึ้นกว่าเดิมอย่างมาก

Post Processing รวมหลายรูปเข้าด้วยกัน

อีกหนึ่งเทคนิคที่ปัจจุบันพบเห็นได้บ่อย คือการ Post Processing ที่มีการถ่ายหลาย ๆ รูปทั้ง Overexposed / Underexposed แสงปกติ และต่าง ๆ นานา เพื่อนำมารวมให้ได้รูปที่ออกมาดูดีที่สุด โดยใช้คลังข้อมูลที่ Trained มาเป็นตัวช่วยบอกว่า องค์ประกอบ หรือวัตถุของภาพ ประมวลผลแบบใดจึงจะออกมาดูดีมากที่สุด ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้ AI เข้ามาช่วยประมวลผลนั่นเอง

เทคนิคนี้ส่วนใหญ่จะอยู่ในกระบวนการ Post Processing ที่ปัจจุบันมือถือทุกเครื่องจะมีส่วนนี้อยู่กันหมด ทำให้การกดถ่ายรูป 1 ครั้งไม่ได้เป็นการถ่ายรูปแค่รูป ๆ เดียว แต่ระบบถ่ายรูปทุกอย่างเอาไว้ตลอดเวลาเป็นไฟล์ Cache และรวมรูปในช่วงที่เรากดถ่ายรูปเป็นรูปเดียวที่ออกมาดูดีที่สุดนั่นเอง

นี่เป็นเพียงไม่กี่วิธีที่วิศวกรเก่ง ๆ จากหลายแบรนด์พยายามที่จะดันประสิทธิภาพกล้องบนมือถือให้ดีวันดีคืน โดยก็ต้องยอมรับว่าในบางแง่ กล้องมือถือนั้นมีประสิทธิภาพพอจะแทนที่กล้องระดับ DSLR / Mirrorless ได้แล้ว ก็มาดูกันว่าในช่วงอีก 5 ปีข้างหน้าที่ AI กำลังเก่งขึ้นทุกวัน และชิปก็แรงขึ้นทุกวัน กล้องสมาร์ตโฟนจะไปได้ขนาดไหนกันนะ