کالبدشکافی لنزهای پریسکوپی: گوشی شما واقعاً چگونه بدون لنز تلسکوپی، ۱۰۰ برابر زوم می‌کند؟

وقتی در یک کنسرت شلوغ یا در برابر منظره‌ای زیبا ایستاده‌اید و روی صفحه گوشی هزار دلاری خود زوم می‌کنید، اعداد به سرعت بالا می‌روند: ۵ برابر، ۱۰ برابر، ۵۰ برابر و حتی ۱۰۰ برابر. بازاریابی شرکت‌ها به شما وعده یک تلسکوپ جیبی را داده است و شما برای داشتن این ویژگی در مدل‌های پرچمدار هزینه گزافی پرداخته‌اید.

اما آنچه در نهایت ثبت می‌شود، گاهی بیشتر شبیه یک نقاشی آبرنگ است تا یک عکس واقعی. درک اینکه پشت این لنزهای مربعی‌شکل چه می‌گذرد، به شما کمک می‌کند تا تفاوت بین فیزیک واقعی و توهمات نرم‌افزاری را بشناسید.[3]

برای درک این فناوری، ابتدا باید با یک قانون بی‌رحم در فیزیک نور آشنا شویم: فاصله کانونی. برای اینکه یک لنز بتواند تصویر را بزرگ‌نمایی کند، باید فاصله فیزیکی مشخصی بین مرکز نوری عدسی و سنسور ثبت تصویر وجود داشته باشد. در دوربین‌های حرفه‌ای، این مشکل با لنزهای بلند و بیرون‌زده حل می‌شود که گاهی ده‌ها سانتی‌متر طول دارند. اما گوشی هوشمند شما تنها حدود ۸ میلی‌متر ضخامت دارد. جا دادن یک لنز تله‌فوتو با زوم بالا در این فضای محدود، از نظر قوانین سنتی اپتیک غیرممکن است.[1]

راهکار مهندسان برای دور زدن این محدودیت فیزیکی، الهام گرفتن از زیردریایی‌ها بود: لنز پریسکوپی. به جای اینکه عدسی‌ها به صورت عمودی (از پشت گوشی به سمت داخل) چیده شوند، نور از طریق یک منشور یا آینه با زاویه ۹۰ درجه شکسته می‌شود.

سپس این نور در امتداد طول یا عرض بدنه گوشی حرکت کرده و از مجموعه‌ای از عدسی‌ها عبور می‌کند تا به سنسور برسد. این طراحی که به اصطلاح «اپتیک تا شده» (Folded Optics) نامیده می‌شود، به سازندگان اجازه می‌دهد تا فاصله کانونی را بدون افزایش ضخامت گوشی افزایش دهند.[2]

در برخی طراحی‌های جدیدتر، مانند آنچه در مدل‌های اخیر آیفون پرو مکس دیده می‌شود، از ساختاری به نام «تتراپریسم» (منشور چهارگانه) استفاده شده است. در این روش، نور قبل از رسیدن به سنسور، چهار بار در داخل یک بلوک شیشه‌ای بازتاب پیدا می‌کند. این رفت و برگشت نور، مسیر آن را به شدت طولانی‌تر کرده و بزرگ‌نمایی اپتیکال ۵ برابری را در فضایی بسیار کوچک‌تر از پریسکوپ‌های سنتی ممکن می‌سازد. این یک شاهکار در کوچک‌سازی قطعات مکانیکی و نوری است.

اما در اینجا به بخش فریبنده ماجرا می‌رسیم. فیزیک واقعی و زوم اپتیکال خالص در بهترین گوشی‌های امروزی معمولاً در مرز ۵ تا ۱۰ برابر متوقف می‌شود. پس آن زوم ۱۰۰ برابری که در تبلیغات می‌بینید از کجا می‌آید؟ پاسخ کوتاه این است: از تخیل پردازنده گوشی شما. هر چیزی فراتر از توان فیزیکی لنز، صرفاً «زوم دیجیتال» است؛ یعنی گوشی تصویر را برش داده و پیکسل‌ها را به صورت نرم‌افزاری بزرگ می‌کند.[2][3]

با بزرگ شدن پیکسل‌ها، تصویر تار و بی‌کیفیت می‌شود. اینجاست که هوش مصنوعی وارد عمل می‌شود. الگوریتم‌های پردازش تصویر، با استفاده از شبکه‌های عصبی و یادگیری ماشینی، سعی می‌کنند پیکسل‌های از دست رفته را حدس بزنند و بازسازی کنند. وقتی از ماه عکس می‌گیرید و گوشی شما زوم ۱۰۰ برابری را نشان می‌دهد، دوربین در واقع دهانه‌های ماه را با وضوح نمی‌بیند؛ بلکه یک دایره روشن را تشخیص داده و بافت‌های ماه را که از پیش در حافظه خود آموزش دیده است، روی آن نقاشی می‌کند.[3]

این معماری پیچیده هزینه‌هایی نیز دارد. لنزهای پریسکوپی به دلیل ساختار تونل‌مانند و دیافراگم کوچک‌تر خود، نور بسیار کمتری را نسبت به دوربین اصلی گوشی جذب می‌کنند. به همین دلیل، اگر در محیطی تاریک یا در شب سعی کنید زوم کنید، گوشی شما اغلب به صورت مخفیانه لنز پریسکوپ را خاموش کرده و از دوربین اصلی با زوم دیجیتال استفاده می‌کند، زیرا سنسور اصلی نور بیشتری دریافت می‌کند و در تاریکی عملکرد بهتری دارد.[1][2]

در نهایت، لنزهای پریسکوپی یک شاهکار مهندسی هستند که مرزهای عکاسی موبایل را جابه‌جا کرده‌اند و امکاناتی را فراهم آورده‌اند که تا یک دهه پیش غیرممکن به نظر می‌رسید. اما آگاهی از نحوه کار آن‌ها به ما یادآوری می‌کند که نباید فریب اعداد نجومی بازاریابی را بخوریم. دفعه بعد که روی سوژه‌ای در دوردست زوم می‌کنید، به یاد داشته باشید که تا یک نقطه مشخص در حال استفاده از فیزیک هستید و پس از آن، صرفاً به تماشای هنرنمایی الگوریتم‌های هوش مصنوعی نشسته‌اید.[3]