آینده عکاسی در کد نویسی است

نویسنده : Devin Coldewey

مترجم : ماهرخ علی پناهلو – ترجمه اختصاصی آکادمی هنر های معاصر

چه چیزی درون یک دوربین قرار دارد؟ لنز، شاتر، صفحه حساس به نور و مجموعه بسیار پیچیده ای از الگوریتم ها. در حالی که اجزای فیزیکی دوربین هنوز هم کم کم ارتقا می یابند، شرکت های گوگل، سامسونگ و اپل به طور فزاینده ای روی ارتقائی کاملاً مبتنی بر کدنویسی سرمایه گذاری کرده و آنها را به نمایش می گذارند. عکاسی محاسباتی تنها میدان رقابت در عصر کنونی است.
دلیل این تغییر بسیار ساده است: دوربین ها دیگر نمی توانند خیلی پیشرفته تر از آنچه هستند بشوند، حداقل می توان گفت بدون تغییراتی بنیادین در عملکرد، قادر به این کار نیستند. درست همین جاست که سازندگان گوشی های هوشمند با عکاسی به مشکل بر می خورند و مجبورند به طریقی مسئله را حل کنند.

حسگرهای دوربین در گوشی های هوشمند ما واقعاً حیرت آورند. کاری که امثال سونی، اُمنی ویژن، سامسونگ و دیگران در طراحی و ساخت چیپ های چندکاره کوچک و حساس کرده اند، واقعاً شگفت انگیز است. درجه کیفیتی که این حسگرهای میکروسکوپی خلق می کنند، برای عکاسی که شاهد تکامل عکاسی دیجیتال از روزهای آغازینش بوده، بسیار عجیب است.
اما قانون مور برای این حسگرها وجود ندارد. یا بهتر است بگوییم درحالی که قانون مور در سطحی پایین تر از 10 نانو متر به حد کوانتوم رسیده است، حسگرهای دوربین خیلی پیش از این به نهایت محدودیت های فیزیکی خود رسیده بودند. نوری که به حسگرها برخورد می کند را به مثابه قطرات باران تصور کنید که داخل چندین سطل فرو می ریزند. می توانید سطل ها را بزرگ تر کنید، اما تعدادشان کم خواهدشد؛ می توانید از سطل های کوچک تر استفاده کنید اما گنجایش آنها مثل قبل نخواهد بود؛ می توانید سطل ها را گرد یا بدون هیچ نظمی بچینید، اما در نهایت همان تعداد از قطرات باران را خواهید داشت و تغییر چیدمان سطل ها تغییری در این تعداد ایجاد نخواهد کرد.
درست است که حسگرها در حال پیشرفت اند، اما نه تنها سرعت این تغییرات آن قدر کند است که نمی تواند مصرف کنندگان را ترغیب به خرید هرساله گوشی های نو کند (تصور کنید که قصد فروش دوربینی را دارید که فقط 3 درصد بهتر از دوربین قبلی است)، بلکه سازندگان دوربین اغلب از افزونه های مشابهی در دوربین هایشان استفاده می کنند، در نتیجه ارتقای مشابهی در تمام برندها رخ می دهد (مثل رویکرد جدید به backside illumination). درنتیجه هیچ تولیدکننده ای در زمینه حسگرها به تنهایی از رقیبانش پیشی نمی گیرد.
شاید بتوانند لنزها را ارتقا دهند؟ در واقع این طور نیست. لنزها به درجه ای از پیچیدگی و تکامل رسیده اند که به سختی می توان آنها را ارتقا داد، به ویژه لنزهای کوچک را. نباید لنزها را به دلیل فضای کمی که در داخل دوربین گوشی های هوشمند دارند دست کم گرفت – فضای تخصیص داده شده به آنها به سختی به یک میکرون مربع می رسد. ممکن است بتوان آنها را از لحاظ میزان نوری که از خلالشان عبور می کند و کاهش میزان اعوجاج ارتقا داد، اما اینها مشکلاتی قدیمی هستند که تا حد زیادی برطرف شده اند.
تنها راه گردآوری بیشتر نور، افزایش اندازه لنز است که به یکی از روش های زیر محقق می شود: الف. بیرون آوردن لنز از بدنه گوشی، ب. جای دادن قطعات حساس درون بدنه، یا ج. افزایش قطر گوشی. کدام یک از این روش ها از نظر شرکت اپل قابل قبول بوده است؟
در گذشته برای شرکت اپل (و سامسونگ، و هواوی و دیگران) انتخاب گزینه د. هیچکدام، اجتناب ناپذیر بود. اگر نمی شود نور بیشتری گرفت، باید کاری کرد که با همین میزان نور بتوان کارهای بیشتری انجام داد.

آیا عکاسی چیزی جز محاسبات است؟

جامع ترین تعریف عکاسی محاسباتی تقریباً تمام تصویرهای دیجیتال را دربر می گیرد. برخلاف فیلم، حتی ابتدایی ترین دوربین ها هم برای تبدیل نورِ اصابت کرده به حسگرها به تصویری قابل استفاده، نیازمند محاسبات هستند. تولیدکنندگان دوربین از این جنبه، یعنی تولید روش های پردازش JPEG ، فرمت های RAW و علم رنگ، تفاوت های زیادی با هم دارند.
برای مدتی طولانی علاقه ای به لایه های ابتدایی استفاده از این محاسابات نبود ، گرچه این موضوع به عدم توان پردازش باز می گشت. البته که کارهایی مانند فیلتر ها، یا تنظیم نور و کنتراست انجام می شد ولی همچنان نوعی استفاده ابتدایی محسوب می شد.

نخستین ویژگی های واقعاً محاسباتی عکاسی، بی شک تشخیص و دنبال کردن سوژه به جهت فوکوس خودکار بودند. دنبال کردن چشم و چهره، عکاسی از افراد را در موقعیت هایی که نورپیچیده ای داشتند آسان تر کرد، و دنبال کردن شیء، عکاسی ورزشی و حرکتی را تسهیل نمود، به این روش که سیستم نقطه AF خود را روی سوژه ای که داخل قاب دوربین در حرکت بود متمرکز می کرد.
اینها نمونه های اولیه استخراج فراداده از تصویر و استفاده پیوسته از آن هستند که آن تصویر را بهبود بخشیده و یا بازخوردهایی موثر برای تصاویر بعدی ارائه می دهند.
دقت و انعطاف پذیری فوکوس خودکار، دو ویژگی اصلی دوربین های DSLR هستند، اما به جز چند ترفند محدود، این دوربین های «جدی» عموماً از محاسبات پایه ای بهره برده اند. در حسگرهای تصویری سریع تر، سرعت تخلیه حسگر و burst بسیار بالا است و چرخه های بیشتری به رنگ و preservation و غیره اختصاص دارند. از دوربین های DSLR برای فیلمبرداری زنده یا واقعیت افزوده استفاده نمی شده است. و تا همین اواخر دوربین های تلفن های همراه هوشمند هم همینطور بودند و بیشتر برای عکاسی دم دستی استفاده می شدند تا ابزاری همه کاره آنطور که امروزه هستند.

محدودیت های تصویرسازی سنتی

برخلاف تجربیات گاه و بی گاه و موارد خاص، دوربین های تلفن های هوشمند همه به هم شبیه اند. همه آنها باید داخل عمق چند میلی متری جا شوند، که حالت های نوری آنها را محدود می کند. اندازه حسگر هم به همین ترتیب محدود است – یک دوربین DSLR ممکن است از حسگر APS-C با ابعاد 23 در 15 میلی متر استفاده کند که نیاز به فضایی با ابعاد 345 میلی متر مربع دارد، ابعاد حسگر iPhone XS، که احتمالاً بزرگ ترین و پیشرفته ترین گوشی در بازار است، تقریباً 7 در 8/5 میلی متر است که در مجموع 6/40 میلی متر مربع است.
به طور تقریبی، این حسگر مقدار نور کم تری نسبت به یک دوربین «معمولی» گردآوری می کند، اما انتظار می رود که یک صحنه را با همان دقت و شباهت بازسازی کند – بر پایه همان تعداد مگاپیکسل. این مساله در ظاهر مشکلی غیرقابل حل به نظر می رسد.
پیشرفت در معنای سنتی اش، به ثبات نوری و الکترونیکی کمک کرده است، برای نمونه این امکان را فراهم کرده که زمان نوردهی افزایش یابد بی آنکه تاری داشته باشیم. اما همچنان از این ابزارها انتظار می رود که کارهای غیرممکنی را انجام دهند.
خوشبختانه همانطور که ذکر کردم، شرایط همه یکسان است. به دلیل محدودیت های بنیادین موجود، امکان ندارد که اپل یا سامسونگ بتوانند دوربینی اختراع کنند یا لنز عجیبی بسازند که آنها را در این رقابت از بقیه جلو بیاندازد. همه آنها مبنای پایه ای یکسانی دارند.
در نتیجه همه رقابت ها بر سر آن چیزی است که شرکت ها بر روی آن مبنا می سازند.

تصویر به مثابه جریان (stream)

بینش اصلی در عکاسی محاسباتی این است که تصویری که حسگر یک دوربین دیجیتال به دست می دهد آنطور که عموماً پنداشته می شود یک عکس فوری نیست. در دوربین های قدیمی شاتر باز و بسته می شد و صفحه حساس به نور را برای زمان کوتاهی با نور مواجه می کرد. این اتفاق در دوربین های دیجیتال نمی افتد، یا حداقل می توان گفت دوربین های دیجیتال نمی توانند چنین کاری بکنند.
حسگر یک دوربین، دائماً در معرض نور است، اگر بخواهیم به استعاره پیشین خود رجوع کنیم، باران مدام داخل مزرعه ای از سطل ها می بارد، زمانی که عکس نمی گیرید، عمق این سطل ها نامحدود است و کسی محتویات آنها را چک نمی کند. اما باران به هر حال می بارد.
برای ثبت یک تصویر، سیستم دوربین باید لحظه ای را برای شروع شمارش قطرات باران انتخاب کرده و میزان نوری که به حسگر برخورد می کند را اندازه گیری کند. این امر در عکاسی سنتی باعث سرعت نسبتاً پایین شاتر می شود که در حسگرهای بسیار کوچک کاربردی ندارد.
چرا همیشه در حال ثبت لحظات نباشیم؟ از نظر تئوری این امر امکان پذیر است، اما باتری تمام خواهد شد و دمای دوربین بالا خواهد رفت. خوشبختانه، در چند سال گذشته چیپ های پردازش تصویر آنقدر کارا شده اند که می توانند وقتی اپلیکیشن دوربین باز است سطح قابل قبولی از کیفیت جریان (stream) را حفظ کند (به عنوان مثال حفظ رزولیشن محدود 60 فریم اخر) . این کار هم قطعاً باتری مصرف خواهد کرد اما ارزشش را دارد.
دسترسی به این جریان داده (stream)، اجازه هرکاری را به دوربین می دهد. در واقع زمینه هایی را اضافه می کند.
زمینه می تواند معانی مختلفی داشته باشد. می تواند عناصر عکاسانه باشد نظیر نور و فاصله از سوژه. اما می تواند حرکت، شیء یا هدف هم باشد.
یک مثال ساده برای زمینه، آن چیزی که است که به HDR، یا تصویر با محدوده دینامیکی گسترده، معروف است. این تکنیک از تصاویر متعددی که پشت سر هم با میزان نوردهی های متفاوت گرفته شده اند استفاده می کند تا بتواند تصویر دقیق تری از قسمت هایی از عکس بگیرد که در یک نوردهی واحد، بیشتر یا کمتر از حد مورد نیاز در معرض نوردهی قرار گرفته اند. در این روند، زمینه، تشخیص آن نواحی در عکس و چگونگی ترکیب هوشمندانه تصاویر با هم است.
این امر می تواند با exposure bracketing که یک تکنیک بسیار قدیمی عکاسی است همراه شود. اما اگر جریان تصویر به جهت تولید دامنه چندگانه مواجهه در حال دست کاری شدن باشد، این همراهی می تواند بلافاصله و بدون اخطار اتفاق بیافتد. این دقیقاً کاری است که شرکت های گوگل و اپل در حال حاضر انجام می دهند.

دید دوگانه (Double Vision)

یکی از روندهایی که ممکن است به نظر با جریان عکاسی محاسباتی که توضیح دادم در تضاد باشد، ظهور سیستم هایی متشکل از چند دوربین است.
این تکنیک به حس گرها نور بیشتر نمی رساند – که می توانست به طرز غیرقابل اجتنابی پیچیده و پرهزینه باشد، و احتملا کارایی لازم را هم نداشت. اما اگر بتوانیم کمی فضای طولی باز کنیم (به جای فضای عمقی که به نظر بیهوده می آید) قادر خواهیم بود یک دوربین کامل را در کنار دوربین اول قرار دهیم که عکس هایی بی نهایت شبیه عکس های دوربین اول بگیرد.

نور و کد

آینده عکاسی، محاسباتی است، نه نوری. این یک تغییر عظیم در الگوی دوربین است و تغییری است که هر شرکتی که دوربین می سازد یا از دوزبین استفاده می کند، با آن دست به گریبان است. تغییراتی در دوربین های سنتی نظیر SLR ها (که به سرعت جای خود را به سیستم های بدون آینه می دهند)، در تلفن های همراه، در دستگاه های تعبیه شده و هر جایی که نور ضبط شده و به تصویر تبدیل می شود، ایجاد خواهد شد.
گاهی این بدان معناست که دوربین هایی که درموردشان می شنویم، تا جایی که به مگاپیکسل، بازه ISO، f-numbers و غیره مربوط است، بسیار شبیه دوربین های چند سال اخیر خواهند بود. مشکلی نیست. این دوربین ها، بجز چند استثناء جزئی، تا حد انتظار ما پیشرفت کرده اند: شیشه از این شفاف تر نمی تواند باشد، و دید ما دقیق تر از این نخواهد بود. روش حرکت نور از خلال دستگاه و چشم ما ظاهراً تغییری نخواهد کرد.
با این حال کاری که این دستگاه ها با نور می کنند، با سرعت قابل ملاحظه ای در حال تغییر است. همین امر ویژگی هایی را ایجاد خواهد کرد که به نظر خنده دار، وراجی های شبه-علمی روی سن، یا باتری های رو به اتمام می آیند. باز هم مشکلی نیست. همانطور که طی قرن گذشته با دیگر بخش های دوربین تجربیاتی داشته ایم و آنها را به سطوح مختلفی از تکامل رسانده ایم، به سمت یک «بخش» غیرفیزیکی جدید حرکت کرده ایم که به هر حال تاثیر مهمی بر کیفیت و حتی امکان تصاویری که ثبت می کنیم دارد.