زوم در دنیای دوربین‌های عکاسی واژه‌ای آشنا و به معنای ساده بزرگنمای بر روی بخشی از تصویر است که می‌خواهیم آن را با دقت بیشتری ببینیم. طی سالیان گذشته این قابلیت در انواع مختلفی گسترده شده و ویژگی‌های مدرن‌تری را به خود دیده است که در ادامه قصد داریم به تعریف و تشریح آنها بپردازیم.
حتماً تا به حال شما دوستان نیز در حین کار با دوربین‌های عکاسی و یا گوشی‌های هوشمند خود از زوم یا بزرگنمایی استفاده کرده‌اید. این عملیات با کنترل شما و با پیاده‌سازی توسط پردازنده‌های داخل دستگاه انجام می‌شود ولی اینکه در پس رابط کاربری دوربین و یا گوشی چه عملیاتی انجام می‌شود تا روی نقطه‌ای از کادر زوم کنید، داستانی بسیار عریض و طویل است که می‌خواهیم در ادامه در مورد آن به صورت کامل صحبت کرده و تفاوت انواع روش‌های تحقق آن را بیان کنیم.
پیش از هر مطلبی بگوییم که با احترام به زبان شیرین پارسی، به دلیل جلوگیری از بروز اشتباه در انتقال مفاهیم در این مقاله برای عملیات بزرگنمایی روی بخشی از تصویر عکس، از واژه «زوم» استفاده خواهد شد تا در نقاط مختلف مقاله آن را با مفهوم «بزرگنمایی» اشتباه نگیریم.
مقدمه
به صورت ساده در عکاسی زوم عبارت است ایجاد حالتی که در آن یک سوژه داخل عکس، نزدیک‌تر و یا بزرگتر از آنچه در تصویر اصلی دیده شده، به نظر آید. این واژه معادل بزرگنمایی در زبان فارسی است و به معنای بزرگتر کردن بخشی از تصویر نسبت به اندازه اولیه آن در کادر عکس می‌باشد.
زوم کردن روی یک سوژه به شما کمک می‌کند بتوانید اطلاعات بیشتری از آن سوژه را ببینید که در نگاه اول و فاصله چشم از تصویر، قابل درک نبوده است.
انواع روش‌های زوم
زوم کردن به صورت ساده پیدا کردن روشی است که به ما کمک کند بتوانیم یک تصویر را بزرگتر از حالت عادی کنیم. این روش در حالت عادی در زندگی ما کاربردهای زیادی دارد.
به احتمال فراوان شما دوستان در آزمایشگاه‌های علوم دوران ابتدایی و راهنمایی مدرسه، با میکروسکوپ‌ها و عدسی‌ها کار کرده و یا مطالبی را در مورد آنها خوانده‌اید. در این حالت تلاش می‌کنیم با شکست امواج نور، سوژه‌ها، اجسام و یا هر المان دیگری را دستخوش تغییر اندازه قرار داده و آنها را بزرگتر و یا کوچکتر از حالت عادی، تصویر کنیم. این اولین برخورد بسیاری از ما با پدیده زوم است که در دنیای واقعی می‌توان آن را لمس کرد.
علاوه بر این هر شیشه و یا جسم شفافی که سطحی صاف نداشته باشد می‌تواند به صورت عدسی عمل کرده و اجسام را بزرگتر و یا کوچکتر از اندازه واقعی‌شان برای ما تصویر کند. این هم نمونه‌ای دیگر از زوم است که ایده اولیه ساخت دوربین‌های عکاسی بوده و لنزهای اولیه از آنها الهام گرفته شده‌اند.
با این مقدمه می‌توانیم به بررسی انواع روش‌های زوم بپردازیم که البته بسیار فراتر از زوم نوری یا اپتیکال هستند و به صورت کلی در سه نوع زوم اپتیکال، زوم دیجیتال و زوم هیبریدی دسته بندی می‌شوند.
زوم اپتیکال
زوم اپتیکال همانطور که از نامش مشخص است وابسته به نور است. در این روش با استفاده از المان‌های تغییردهنده مسیر حرکت نور که همان لنزها هستند تلاش می‌کنیم به اندازه مورد نظر خود از تصویر برسیم. در این روش، شیشه‌ای که در داخل لنز به صورت متحرک قرار گرفته برای ما قابلیت زوم بیشتر (zoom in) یا زوم کمتر (zoom out) را فراهم می‌کند.
ساده‌ترین رویکرد زوم اپتیکال در دوربین‌های عکاسی
نکته و اصل پایه زوم این است که با تغییر مکان عدسی متحرک در داخل لنز، فاصله کانونی مجموعه لنز تغییر کرده و با تغییر این فاصله، بزرگنمایی اتفاق می‌افتد.
زوم اپتیکال بهترین نوع زوم است و نتایجی که از آن حاصل می‌شوند صحیح‌ترین حالت در بزرگنمایی تصویر به حساب می‌آیند؛ چرا که محتوای داخل عکس با دستکاری امواج نوری که به سنسور تصویر می‌رسد بزرگتر می‌شود، هیچ اطلاعاتی از دست نمی‌رود و در این حالت بیشترین کیفیت عکس در نقطه زوم شده بدست می‌آید. تغییر مکان عدسی میانی در این ساختار نیز به وسیله موتورهای دقیقی مانند سروُموتورها یا استپ موتورها و با فرمان صادره از طریق نرم‌افزار دوربین صورت می‌پذیرد.
صحیح‌ترین نوع زوم، زوم اپتیکال بوده و نتایج آن مانند استفاده از یک ذره‌بین یا میکروسکوپ روی سوژه واقعی است.
زوم اپتیکال باید بتواند با نزدیک‌شدن واقعی به تصویر، نتایج یکسانی ارائه دهد ولی مسلماً تغییرات ناچیز به علت ایده‌آل نبودن شیشه‌ی متحرک داخل لنز در عمل تغییرات اندکی ایجاد می‌کنند که باعث کاهش کیفیت می‌شود. همچنین دیافراگمی که در جلوی سنسور عکس قرار دارد نیز می‌تواند در این عملیات موثر باشد ولی با این حال، زوم اپتیکال بهترین روش برای بزرگ کردن اندازه سوژه‌ها در مواقعی است که شما امکان نزدیک‌تر شدن به سوژه به صورت فیزیکی را ندارید.
در دنیای گوشی‌های هوشمند اولین باری که زوم اپتیکال به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفت را باید به گوشی-دوربین Galaxy Camera ساخت سامسونگ در سال 2012 نسبت دهیم. این گوشی که بیشتر ظاهری شبیه به یک دوربین عکاسی دیجیتال داشت از یک لنز بزرگ و کامل با قابلیت بزرگنمایی 21 برابری استفاده می‌کرد و شاید بهتر بود می‌گفتیم با دوربین عکاسی دیجیتالی روبرو هستیم که به قابلیت‌های یک گوشی مجهز شده است.
بعد از سامسونگ شرکت‌هایی مانند Polaroid با دستگاهی به نام SC1630 Smart Camera و ایسوس با ZenFone 3 Zoom در این حوزه وارد شدند ولی همانطور که می‌دانید هیچ‌کدام از این دستگاه‌ها به موفقیت بزرگی دست پیدا نکردند ولی شاید بتوان آنها را دستگاه‌هایی نسبتاً مناسب برای کاربران معمولی بدانیم.
زوم با استفاده از فواصل کانونی مختلف (لنزهای تله‌فوتو)
همانطور که گفتیم، تغییر فاصله کانونی و دورتر کردن آن به معنای زوم روی سوژه است. پس اگر ما در یک گوشی هوشمند و یا هر دستگاه دیگری، سنسور دومی داشته باشیم که علی‌رغم عدم وجود قطعات متحرک لنز، فاصله کانونی لنز آن، دو برابر سنسور دیگر باشد، با تغییر خروجی تصویر از سنسور اول، به سنسور دوم، عملاً گوشی روی سوژه عملیات زوم را انجام داده است.
رابطه بین فاصله کانونی، میدان دید و بزرگنمایی در تصویر
زوم دو برابری روی Apple iPhone 7 Plus در سال 2016 از اولین نمونه‌های این روش زوم با استفاده از دو سنسور در دنیای گوشی‌های هوشمند به صورت گسترده است که برای اولین بار ما را با ساختار زوم مستقل از تغییر فیزیکی لنز و حرکت عدسی‌ها روبرو کرد. بعدها شرکت‌های مختلف در گوشی‌هایی مانند سامسونگ گلکسی نوت 8، وان‌پلاس 5، شیائومی Mi A1 و ... از این تکنیک استفاده کردند و این روزها لنزهای تله‌فوتو به وفور در محصولات همه شرکت‌ها و در ابعاد و اندازه‌های مختلف به کار می‌رود.
عملکرد زوم دو برابری با تغییر فاصله کانونی در دو لنز گوشی گلکسی نوت 8
نکته مهم در استفاده از لنزهای تله‌فوتو این است که این روش نیز به نوبه خود محدودیت‌هایی دارد ولی در حال حاضر مقرون به صرفه‌ترین روش برای دستیابی به زوم اپتیکال در دنیای گوشی‌های هوشمند می‌باشد.
استفاده از لنزهای تله‌فوتو مزیت دیگری نیز در عکاسی با افکت‌های خاص دارد و به طور مثال به طراحان اجازه خواهد داد تا در داخل نرم‌افزار عکاسی افکت‌های بوکه (تار شدن زمینه برای ایجاد مرکز توجه به سوژه نزدیک‌تر) را بدون استفاده از سنسورهای مستقل عکس عمق میدان (Depth Sensor) یا سنسورهای زمان پرواز (Time of Flight) به تصویر اضافه کنند.
البته همین حالا که در حال صحبت در مورد لنزهای تله‌فوتو هستیم می‌توانیم به نکته جالب دیگری نیز اشاره کنیم. استفاده از لنزهای سوپر واید یا اولترا واید که زاویه دید بازتری از لنزهای واید دارند می‌تواند به ما کمک کند که حتی میدان دید را بازتر و به نوعی بزرگنمایی معکوس (zoom out) را نیز با گوشی هوشمند انجام دهیم.
عملکرد تار کردن زمینه (افکت بوکه) با استفاده از داده‌های لنزهای با فاصله کانونی متفاوت در گوشی گلکسی نوت 8
ر این لنزها وقتی زاویه دید تا 114 درجه بازتر شده و فاصله کانونی به 14 میلی‌متر می‌رسد، عملاً رسیدن به زوم 0.63x ممکن می‌شود و به همین دلیل است که در نرم‌افزار گوشی‌های جدید شاهد عملکرد zoom out نیز در کنار zoom in هستیم.
زوم اپتیکال پریسکوپی
همانطور که در تصویر اولیه تعریف زوم مشاهده کردید، زوم کردن با تغییر مکان عدسی متحرک بین دو عدسی ثابت در ساده‌ترین حالت خود قابل حصول است. در این ساختار، تغییر مکان به صورت افقی و در جلوی سنسور صورت می‌گیرد و هر چه این فاصله بیشتر باشد، قابلیت زوم و بزرگنمایی نیز بیشتر خواهد بود.
مشکل اصلی با این ساختار، محدودیت فضا در داخل گوشی‌های هوشمند است. در این حالت به جای اینکه عدسی‌ها در جلوی سنسور عقب و جلو شوند شاید بهتر باشد که از ساختاری مانند پریسکوپ‌ها استفاده کنیم. در این حالت می‌توان با آزادی عمل بیشتر، با فضای بیشتری که در اختیار داریم، فاصله جابجایی سنسور را به صورت قابل توجهی افزایش داده و راحت‌تر بتوان به زوم اپتیکال بیشتر دست پیدا کرد.
ایده استفاده شده توسط شرکت اوپو برای لنز پریسکوپی
در حال حاضر گوشی‌های هوشمندی مانند پرچمداران بیشتر شرکت‌ها به سنسورهایی با مجموعه لنزهای تله‌فوتو مجهز شده‌اند که می‌تواند زوم اپتیکال را با روشی دیگر وارد دنیای ما کند ولی یک ایده بسیار جالب و کاربردی استفاده از لنزهای پریسکوپی برای محقق کردن زوم اپتیکال واقعی است.
جهت‌های چرخش لنز و منشور برای ایجاد زوم و تصحیح تصویر در لنز پریسکوپی
در این گوشی‌ها برخلاف دوربین‌های DSLR و دوربین‌های با ساختار Point and Shoot، هیچ بیرون‌زدگی در جلوی سنسور برای عکاسی مشاهده نمی‌شود و به این ترتیب، ساختار پشت دستگاه نیز یک‌دست و صاف خواهد ماند.
گوشی نمونه معرفی شده توسط شرکت اوپو مجهز به زوم اپتیکال پریسکوپی
تصویر که در بالا مشاهده می‌کنید مربوط به اولین پیاده‌سازی استفاده از لنزهای پریسکوپی در داخل گوشی‌های هوشمند است که اولین بار با یک گوشی نمونه اولیه در رویداد MWC2017 توسط شرکت اوپو نمایش داده شد و در آن زوم 5 برابری اپتیکال بدون افزایش ابعاد دستگاه، روی یک گوشی پیاده‌سازی شد.
در این میان می‌توانیم به گوشی‌هایی مانند Huawei P30 Pro و Oppo Reno 10x Zoom اشاره کنیم که از این روش برای حصول زوم اپتیکال استفاده می‌کنند و با بررسی‌های انجام شده مشخص شده که کیفیت ارائه زوم در این دستگاه‌ها بسیار مطلوب و نزدیک به زوم اپتیکال لنزهای بزرگ در دوربین‌های مستقل می‌باشد.
زوم دیجیتال
زوم دیجیتال را می‌توان برای رسیدن به همان اهدافی که المان‌های مکانیکی زوم اپتیکال را در موردش به‌کار بردیم مورد استفاده قرار داد ولی با این تفاوت که دیگر به هیچ عنصری به جز نرم‌افزار نیاز نیست.
در این روش دقیقاً همان نقطه‌ای را که می‌خواهیم، در تصویر می‌بُریم و عملیات زوم با نمایش تصور بزرگتر در اندازه بزرگتر حاصل می‌شود؛ در این حالت نیز اینطور تصویر می‌شود که شما به سوژه نزدیک‌تر هستید ولی مهمترین عامل در این مورد، تعدد پیکسل‌هایی است که از سوژه نمونه‌برداری کرده و یا به اصطلاح، عکس گرفته‌اند.
طبیعی است که در این روش، پایه و اساس، الگورتیم‌های دیجیتال و برنامه‌نویسی هستند. بر خلاف زوم اپتیکال، با زوم دیجیتال، کیفیت کاهش پیدا می‌کند. در واقع هر چه زوم دیجیتال بیشتری مطالبه کنیم، به همان میزان نیز کیفیت کاهش پیدا می‌کند. این بدان دلیل است که ما تنها مجموعه‌ای از داده‌های مشخص را از یک تصویر گرفته‌ایم و پس از ثبت، اگر بخواهیم از نزدیک‌تر به آن تصویر نگاه کنیم، تنها باید همان مجموعه داده اولیه اتکا کنیم که طبیعتاً همه اطلاعات مورد نیاز مانند نزدیک‌تر شدن فیزیکی یا زوم اپتیکال را به ما نمی‌دهند.
البته در این حالت نرم‌افزار نمایش تصویر تلاش می‌کند با افزایش زوم دیجیتال، اقدام به بازآفرینی مکان‌هایی که در تصویر، روی آنها زوم شده، پیکسل‌هایی با قالب رنگ نزدیک‌تر به پیکسل‌های جانبی خود را تصویر کند ولی به دلیل ایده‌آل نبودن، همواره تصویر بازآفرینی شده کیفیت کمتری از تصویر اصلی خواهد داشت؛ این دقیقاً همان دلیلی است که زوم دیجیتال را همیشه به نتیجه‌ای تارتر و با کیفیت کمتر از تصویر واقعی می‌رساند.
زوم دیجیتال برای زمان‌هایی مناسب است که شما امکان نزدیک‌تر شدن به صورت فیزیکی به سوژه را ندارید و همانطور که گفتیم معادل بُریدن تصویر به اندازه جدید است. به همین دلیل به شما دوستان پیشنهاد می‌کنیم حتی‌الامکان، از زوم دیجیتال برای تصاویر خود استفاده نکنید چرا که زوم دیجیتال همواره در دسترس است و پس از عکاسی، همواره می‌توان آن را روی تصویر پیاده کرد.
زوم هیبریدی
زوم هیبریدی یا زوم ترکیبی جدیدترین روش زوم در دنیای گوشی‌های هوشمند است که در آن از توانایی‌های نرم‌افزار در کنار زوم دیجیتال و اپتیکال به صورت همزمان استفاده می‌شود تا تصویر خروجی بالاترین کیفیت را داشته باشد.
در حال حاضر در دنیای گوشی‌های هوشمند، دوربین دستگاه‌های مجهز به زوم اپتیکال توانایی زوم در ضرایب 3x یا 5x را دارد و اگر بخواهیم پا را از این مقادیر فراتر بگذاریم وارد حوزه زوم دیجیتال یا زوم دیجیتال خواهیم شد و طبیعتاً اولین عارضه آن کاهش کیفیت تصویر نهایی است؛ این دقیقاً همان نقطه‌ای است که زوم هیبریدی وارد کار می‌شود تا به ما نشان دهد استفاده بهینه از همه ابزارهای موجود تا چه حد می‌تواند ما را به هدفمان نزدیک‌تر کند.
زوم هیبریدی اولین بار توسط شرکت هواوی و در سال 2016 و حین معرفی تراشه پردازشی Kirin 960 شرکت معرفی شد و پس از آن در گوشی‌هایی مانند Mate 9، P10، Mate 10 Pro و سری‌هایی مانند P20 و P30 مورد استفاده قرار گرفت و به صورت معمول در آخرین نسخه خود می‌تواند تا 5 برابر کیفیت بالاتری از زوم دیجیتال را ارائه کند.
قبل از هر توضیحی بگوییم که مانند زوم دیجیتال یا اپتیکال، روش‌هایی که هر شرکت برای دستیابی به زوم ترکیبی بهتر استفاده می‌کند یکسان نیست و کاملاً حالت منحصر به فرد دارد؛ چرا که این روش‌ها وابسته به نرم‌افزار هستند و نرم‌افزار دوربین هر شرکت نیز تحت اختیار آن شرکت بوده و کدهای نوشته شده برای آن از اسرار ثبت شده سازمانی آن شرکت خواهد بود.
حوزه عملکردی و روش زوم در دو دستگاه نمونه متناسب با فاصله کانونی هر لنز
رویکرد اصلی زوم هیبریدی را می‌توان به عنوان یک اصل ثابت برای همه روش‌ها در نظر گرفت. در این روش تلاش می‌شود از سوژه چندین عکس با فاکتورهای مختلف گرفت تا در نهایت با استفاده از هوش مصنوعی و آنالیز دقیق، نزدیک‌ترین تصویر که کیفیت بالاتری داشته و مرزهای رنگ در پیکسل‌های همجوار آن بیشتر است را تولید کرد.
همانطور که در زوم اپتیکال از داده‌های دو سنسور با لنزهای تله‌فوتو و واید برای زوم استفاده می‌شد، در زوم هیبریدی نیز تلاش می‌شود با تکنیکی هوشمندانه‌تر از این داده‌ها برای بزرگنمایی بیشتر استفاده شود.
تصویر اصلی بدون برش
زوم 5 برابری بدون برش
زوم 5 برابری – برش دیجیتال تصویر 10 مگاپیکسلی
زوم 5 برابری برش دیجیتال تصویر 40 مگاپیکسلی
برش دیجیتال تصویر 10 مگاپیکسلی با زوم 5x دیجیتال شامل زوم اپتیکال 3x
زوم 5 برابری هیبریدی
مقایسه عملی انواع زوم در یک گوشی هوشمند
در زوم هیبریدی از الگوریتم‌های پایه‌ای با نام Super Resolution استفاده می‌شود که البته همانطور که گفتیم ممکن است توسط هر شرکتی دستخوش تغییرات قرار گیرد.
در این تکنیک ایده اصلی روشی با نام محلی سازی زیرپیکسل‌ها یا Sub-Pixel Localization است که در آن تلاش می‌شود برای استخراج میزان صحت داده هر پیکسل، به داده همان پیکسل در دو فریم پس و پیش از آن توجه شود که طبیعتاً نقطه دیدی با تفاوت بسیار ناچیز خواهد داشت.
تکنیک سوپر رزولوشن به صورت عمده توسط عکاسان نجومی برای حذف نویزهای نوری و افزایش رزولوشن، زمانی که عملاً نمی‌توان به سیارات دوردست به صورت فیزیکی نزدیک‌تر شد، استفاده می‌شود.
در حال حاضر بیشتر گوشی‌های هوشمند دو نقطه دید را به دلیل دو فاصله کانونی در دسترس، به ما می‌دهند ولی با توجه به اینکه می‌توانیم چندین فریم متوالی از یک دوربین را با یکدیگر ترکیب کنیم، عملاً می‌توان از یک کادر، بی‌نهایت تصویر داشت. این ایده اصلی عکاسی نجومی است و در دنیای گوشی‌های هوشمند نیز در سال 2014 شرکت اوپو برای اولین بار آن را در گوشی تحسین‌برانگیز Find 7 مورد استفاده قرار داد تا قابلیت هیجان‌انگیز 50MP Super Zoom را به صورت هیبریدی، پیاده سازی کند.
در نظر داشته باشید که اطلاعاتی که هر پیکسل عکس از یک کادر به ما می‌دهند در واقع خود تخمینی از داده واقعی آن سوژه است که به سبب رسیدن نور بازتابی از آن قسمت به سنسور، ثبت شده است و به دلیل محدودیت پیکسل‌های هر دوربین و عمده فاکتورهای فی‌مابین، ممکن است از یک دوربین به دوربین دیگر، متفاوت باشد. به همین دلیل وقتی از زوایای مختلف از یک سوژه عکس گرفته شود و یا پارامترهای مؤثر مانند دریچه دیافراگم و یا نقطه دید تغییر کند، چندین تصویر داریم که کیفیت متفاوتی از هم دارند.
در این حالت با استفاده از الگوریتم‌های نرم‌افزاری می‌توان این چند تصویر را با هم ترکیب کرد و تصویر نهایی را استخراج کرد که کیفیت بالاتری داشته و حتی می‌تواند رزولوشن بالاتری نیز داشته باشد که رزولوشن بالاتر و کیفیت بالاتر به ما قدرت زوم بیشتر در مکان مورد نظر از تصویر را نتیجه می‌دهد.
سخن پایانی
در این مقاله تلاش نمودیم تا با ادبیاتی ساده عملکرد سه راهکار زوم در دستگاه‌های دیجیتال و به خصوص گوشی‌های هوشمند را با شما دوستان مرور کنیم. طبیعی است که زوم اپتیکال بهترین روش زوم باشد ولی طی سالیان اخیر استفاده از قدرت نرم‌افزار و هوش مصنوعی به ما کمک کرده تا بتوانیم فقدان کیفیتی که با زوم دیجیتال داشتیم، با کمی خلاقیت در استفاده از اطلاعات ثبت شده از یک تصویر، کیفیت زوم را با روشی به نام زوم هیبریدی یا ترکیبی افزایش دهیم.
پیش‌بینی می‌شود طی سالیان آینده روش زوم هیبریدی کیفیت بالاتری از خود نشان دهد و در عین حال زوم اپتیکال نیز می‌توان با توسعه زوم پریسکوپی قدرت بالاتری از خود را در اختیار دستگاه قرار دهد که می‌تواند عامل پیشرفت مضاعفی بر زوم هیبریدی باشد.
