کالبدشکافی لرزشگیر اپتیکال (OIS): دوربین گوشی شما واقعاً چگونه لرزش دست را خنثی می‌کند؟

نسخه کوتاه ماجرا این است: وقتی در محیط‌های کم‌نور عکس می‌گیرید، شاتر دوربین باید مدت بیشتری باز بماند تا نور کافی جمع‌آوری کند. در این کسر از ثانیه، حتی لرزش ناشی از ضربان قلب شما می‌تواند عکس را تار کند. شرکت‌های سازنده گوشی دوست دارند این مشکل را با کلماتی پر زرق و برق مثل «عکاسی محاسباتی» یا «هوش مصنوعی» بپوشانند، اما قهرمان واقعی تاریکی، یک قطعه سخت‌افزاری میکروسکوپی است.[2]

این فناوری که لرزشگیر اپتیکال تصویر (OIS) نامیده می‌شود، در واقع مجموعه‌ای از آهنرباهای الکتریکی بسیار کوچک است که لنز دوربین شما را در فضایی معلق نگه می‌دارند. وقتی دست شما به سمت چپ می‌لرزد، این سیستم لنز را دقیقاً به همان اندازه به سمت راست هل می‌دهد تا پرتوهای نور روی سنسور ثابت بمانند.

برای درک این شاهکار مهندسی، باید به لحظه فشردن دکمه شاتر برگردیم. در همان میلی‌ثانیه‌ای که شما عکس می‌گیرید، یک سنسور ژیروسکوپ از نوع MEMS (سیستم‌های میکروالکترومکانیکی) وارد عمل می‌شود. این سنسور که قطعات متحرک آن تنها چند صد میکرون ضخامت دارند، زاویه و سرعت دقیق لرزش دست شما را در سه محور فضایی (Pitch, Yaw, Roll) اندازه‌گیری می‌کند.

داده‌های این ژیروسکوپ بلافاصله به یک پردازنده یا میکروکنترلر اختصاصی ارسال می‌شود. این پردازنده کوچک، محاسبات پیچیده‌ای را انجام می‌دهد تا مشخص کند لنز دقیقاً چقدر باید در جهت مخالف حرکت کند تا لرزش خنثی شود. تمام این فرآیند در کسری از میلی‌ثانیه و پیش از آنکه نور به سنسور برسد، اتفاق می‌افتد.

سپس فرمان حرکت به موتورهای سیم‌پیچ صوتی (Voice Coil Motors) صادر می‌شود. این موتورها با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی، لنز دوربین را که روی فنرهای بسیار ظریفی سوار شده است، به صورت فیزیکی جابه‌جا می‌کنند. در یک سیستم OIS استاندارد، این اصلاح فیزیکی تا ۱۰۰۰ بار در ثانیه انجام می‌شود.[1]

اما چرا به این دردسر فیزیکی نیاز داریم وقتی نرم‌افزارها اینقدر پیشرفت کرده‌اند؟ پاسخ در محدودیت‌های لرزشگیر الکترونیکی (EIS) نهفته است. لرزشگیر دیجیتال یا EIS، هیچ قطعه متحرکی ندارد. در عوض، این سیستم تصویر را برش (Crop) می‌دهد و با استفاده از داده‌های شتاب‌سنج، کادر تصویر را فریم به فریم جابه‌جا می‌کند تا لرزش را پنهان کند.

مشکل EIS این است که برای ایجاد این حاشیه امن، باید بخشی از رزولوشن سنسور را دور بریزد. بدتر از آن، در نور کم که سرعت شاتر پایین است، EIS نمی‌تواند تاری فیزیکی ثبت شده روی هر فریم را پاک کند. نتیجه این می‌شود که ویدیوهای ثبت شده با EIS در شب، دچار یک اعوجاج عجیب به نام «اثر ژله‌ای» (Jelly Effect) می‌شوند.

به همین دلیل است که در گوشی‌های پرچمدار، OIS یک ضرورت غیرقابل مذاکره است. با استفاده از حرکت فیزیکی لنز، تمام مساحت سنسور برای جذب نور استفاده می‌شود و هیچ برشی در کار نیست. این یعنی نویز کمتر، جزئیات بیشتر و ویدیوهایی که به طور طبیعی و بدون اعوجاج روان هستند.

با این حال، مهندسی متوقف نمی‌شود. در سال‌های اخیر، رویکرد جدیدی به نام «لرزشگیر سنسور-شیفت» (Sensor-Shift) وارد دنیای موبایل شده است. اپل این فناوری را با آیفون ۱۲ پرو مکس به جریان اصلی تبدیل کرد. در این روش، به جای حرکت دادن لنز که سنگین‌تر است، خود سنسور تصویر حرکت داده می‌شود.

مزیت سنسور-شیفت در سرعت خیره‌کننده آن است. از آنجایی که سنسور بسیار سبک‌تر از مجموعه لنزهاست، سیستم می‌تواند لرزش‌ها را تا ۵۰۰۰ بار در ثانیه اصلاح کند—پنج برابر سریع‌تر از OIS استاندارد. این سرعت بالا به ویژه در خنثی کردن لرزش‌های ریز موتور خودرو یا قدم زدن سریع، تفاوت چشمگیری ایجاد می‌کند.[2]

البته در دنیای واقعی، بهترین نتیجه از ترکیب هر دو روش به دست می‌آید. سیستم‌های هیبریدی (HIS) که در اکثر پرچمداران امروزی استفاده می‌شوند، ابتدا لرزش‌های بزرگ را به صورت فیزیکی با OIS خنثی می‌کنند و سپس لرزش‌های میکروسکوپی باقی‌مانده را با استفاده از الگوریتم‌های EIS در ویدیوها صاف می‌کنند. این همکاری سخت‌افزار و نرم‌افزار، ویدیوهایی شبیه به دوربین‌های سینمایی تولید می‌کند.

با وجود تمام این جادوهای مهندسی، یک واقعیت فیزیکی وجود دارد که بازاریابی شرکت‌ها اغلب آن را پنهان می‌کند: OIS فقط لرزش دست شما را خنثی می‌کند. اگر در یک محیط تاریک از کودکی که در حال دویدن است عکس بگیرید، OIS نمی‌تواند کودک را ثابت نگه دارد. برای سوژه‌های متحرک، تنها راه حل واقعی، ورود نور بیشتر و سرعت شاتر بالاتر است.[2]