چرا لنز دوربین گرد است، اما عکس‌ها مستطیل؟

تابه‌حال به این تناقض جالب فکر کرده‌اید؟ لنز دوربین گوشی شما، به‌طور کامل گرد هست، اما عکسی که تحویلتان می‌دهد، مستطیلی شیک و اتوکشیده! این یک معمای پنهان جلوی چشم ماست که داستانی جذاب‌تر از یک انتخاب طراحی ساده دارد.

ماجرا از خود نور شروع خواهد گردید که دوست دارد در همه جهات پخش شود. لنز دوربین، مثل یک چوپان حرفه‌ای، باید این نورهای فراری را یک‌جا جمع کند. شکل دایره‌ای، بهترین ابزار برای این کار هست، چون همه‌ی پرتوهای نور را به یک‌چشم نگاه انجام می‌دهد و آن‌ها را منظم و مرتب به سمت مرکز هدایت انجام می‌دهد تا تصویری شفاف و بی‌نقص بسازد. اگر لنز شکل دیگری دارای بود، عکس‌هایتان گوشه‌هایی تاریک و اعصاب‌خردکن پیدا می‌کردند!

از طرف دیگر، ما انسان‌ها انگار یک‌جورهایی وسواس مستطیل داریم. از قاب نقاشی‌های روی دیوار گرفته تا پرده سینما و صفحه‌ی همین گوشی‌تان، همه‌چیز مستطیلی هست. این شکل با دنیای ما و حتی با مدل دیدن خودمان که دو چشم در کنار هم داریم، سازگاری بیشتری دارد. پس دوربین چطور این دو را با هم آشتی می‌دهد؟

اینجاست که پای سنسور دوربین به میان می‌آید و قوانین بی‌چون‌وچرای فیزیک، محدودیت‌های دنیای صنعت و حتی شیوه‌ی نگرش ما به جهان، با هم تلاقی می‌کنند.

درک این توازن، نه‌تنها به ما نشان می‌دهد که فناوری دوربین چگونه تکامل یافته، بلکه باعث خواهد گردید به هنر و علمی که پشت هر کلیک شاتر پنهان هست، با دیدی تازه‌تر و عمیق‌تر نگاه کنیم. پس بیایید این کلاف درهم‌تنیده را باز کنیم و ببینیم چرا دنیای عکاسی بر پایه‌ی این وصلت نامتجانس اما ضروری بین دایره و مستطیل بنا شده هست.

برای فهمیدن دلیل گرد بودن لنزها، باید به سرچشمه‌ی همه‌چیز، یعنی خودِ نور، بازگردیم. نور، این پدیده‌ی بنیادی فیزیک، وقتی از یک منبع نقطه‌ای (مثل یک ستاره یا یک لامپ کوچک) سرچشمه دریافت می‌کند، بی‌طرف رفتار انجام می‌دهد: به‌صورت کروی و در تمام جهات به طور یکسان پخش خواهد گردید.

مهم‌ترین وظیفه‌ی عدسی همگرا کردن این پرتوها هست؛ بدین معنی که باید پرتوهای سرکش و پراکنده را مهار کند، آن‌ها را خم نماید و در یک نقطه‌ی مشخص متمرکز کند. این نقطه، همان جایی هست که سنسور دوربین یا فیلم عکاسی منتظر نشسته هست.

یک لنز دایره‌ای، به زبان فیزیک از مزیت «تقارن شعاعی» بهره می‌برد، به این معنی که هر نقطه‌ای روی لبه‌ی لنز، فاصله‌ی یکسانی از مرکز آن دارد. این تقارن بی‌نقص باعث خواهد گردید همه‌ی پرتوهای نور، چه از وسط وارد شوند و چه از گوشه، با زاویه‌ای دقیق و هماهنگ بشکنند و به یک نقطه‌ی کانونی مشترک برسند این هماهنگی، کلید دستیابی به تصویری شفاف و واضح هست.

این طراحی دایره‌ای نقش حیاتی در توزیع یکنواخت نور روی سطح حسگر دارد. اگر لنز شکل دیگری دارای بود، نور در مرکز آن بسیار شدیدتر از گوشه‌ها متمرکز می‌شد و پدیده‌ای آزاردهنده به نام «وینیِتینگ» (Vignetting) به وجود می‌آمد؛ همان حالتی که گوشه‌های عکس تیره‌تر از مرکز آن به نظر می‌رسند.

شکل گرد لنز این مشکل را به حداقل می‌رساند و تضمین انجام می‌دهد که تمام سطح حسگر، از مرکز تا گوشه‌ها، به میزان یکسانی از نور بهره‌مند شود.

طراحی دایره‌ای، به‌ویژه وقتی با ترکیب چندین عدسی با اشکال و مواد مختلف همراه شود، به مهندسان اجازه می‌دهد این خطاها را به شکل مؤثری خنثی کنند. در واقع، شکل گرد لنز، نقطه‌ی شروعی ایده‌آل برای ساختن ابزاری هست که بتواند نور را با حداکثر وفاداری و حداقل خطا به تصویر تبدیل کند.

بین لنز دایره‌ای و عکس نهایی، چیزی قرار دارد که کمتر به چشم می‌آید و بیشترین کار را انجام می‌دهد: سنسور تصویر. قطعه‌ای که نورِ جمع‌آوری‌شده توسط لنز را دریافت می‌کند، می‌سنجد و به زبان دیجیتال ترجمه انجام می‌دهد. در واقع، همان نقشی را دارد که فیلم در دوربین‌های آنالوگ ایفا می‌کرد؛ فقط بسیار هوشمندتر.

سطح سنسور از شبکه‌ای میلیونی از سلول‌های کوچک و حساس به نور یا همان فتودیودها تشکیل خواهد گردید: هر فتودیود، معادل یک پیکسل از تصویر نهایی هست. وقتی نورِ عبوری از لنز به آن‌ها برخورد انجام می‌دهد، یک بار الکتریکی متناسب با شدت نور دریافتی در آن‌ها ایجاد خواهد گردید. هرچه نور شدیدتر باشد، بار الکتریکی قوی‌تر خواهد قرار دارای بود. به‌این‌ترتیب، سنسور یک نقشه‌ی دقیق از روشنایی و تاریکی صحنه را به زبان الکتریسیته ثبت انجام می‌دهد.

این موزاییک، شبکه‌ای از فیلترهای قرمز، سبز و آبی هست که روی هر فتودیود قرار دریافت می‌کند. هر فتودیود تنها مجاز به دیدن یکی از این سه رنگ اصلی هست. ازآنجایی‌که چشم انسان به رنگ سبز حساسیت بیشتری دارد، نیمی از فیلترها سبز هستند و نیم دیگر به طور مساوی بین قرمز و آبی تقسیم شده‌اند.

وقتی عکس گرفته خواهد گردید، پردازشگر قدرتمند دوربین وارد عمل خواهد گردید. این پردازشگر، اطلاعات خام و تکه‌تکه از میلیون‌ها فتودیود تک‌رنگ را دریافت کرده و با استفاده از الگوریتم‌های پیچیده‌ای به نام «دموزاییکینگ» (Demosaicing)، رنگ واقعی هر پیکسل را براساس رنگ پیکسل‌های مجاورش حدس می‌زند و بازسازی انجام می‌دهد. سپس فرآیندهای دیگری مانند کاهش نویز و تنظیمات نهایی تصویر را انجام می‌دهد تا آن عکس تمام‌رنگی که ما می‌بینیم، خلق شود.

به‌طورکلی، سنسورهای بزرگ‌تر کیفیت بهتری ارائه می‌دهند، اما در عوض، دوربین هم گران‌تر و حجیم‌تر خواهد گردید.

وقتی نور از لنز عبور انجام می‌دهد، تصویری دایره‌ای روی صفحه‌ی کانونی شکل دریافت می‌کند. این دایره که به آن «دایره‌ی تصویر» (Image Circle) می‌گویند، تمام اطلاعاتی را که لنز از صحنه ثبت کرده در خود دارد. لنزها طوری طراحی می‌شوند که قطر این دایره‌ی تصویر، همواره بزرگ‌تر از قطر سنسور مستطیلی دوربین باشد. این کار تضمین انجام می‌دهد که حتی گوشه‌های سنسور نیز به طور کامل توسط نور پوشش داده شوند.

سنسور مستطیلی، درست در مرکز این دایره‌ی تصویر قرار دریافت می‌کند و در عمل، بهترین و باکیفیت‌ترین بخش آن را «برش» می‌زند. چرا مرکز؟ چون معمولاً کیفیت عکس در لبه‌های «دایره‌ی تصویر»، پایین‌تر هست.

پس عکس مستطیلی ما، برشی هوشمندانه از یک واقعیت اپتیکیِ دایره‌ای هست، سازشی زیبا میان فیزیک و کارایی.

حالا که کارکرد لنز و سنسور را فهمیدیم، شاید این سؤال به ذهنتان خطور کند که اگر سنسورها مستطیلی هستند، چرا لنزها را مربعی نمی‌سازیم تا با هم جور دربیایند؟ یا برعکس، چرا سنسورها را گرد نمی‌سازیم تا به‌طور کامل با تصویر دایره‌ای لنز هماهنگ باشند؟

بیایید ابتدا سراغ ایده‌ی لنز مربعی برویم. شاید در نگاه اول منطقی به نظر برسد، اما در عمل یک فاجعه‌ی اپتیکی خواهد قرار دارای بود. همان‌طور که گفتیم، جادوی لنز در تقارن آن هست. لنز مربعی این تقارن شعاعی را به‌کلی از بین می‌برد. گوشه‌های تیز و لبه‌های صاف آن، نور را به شکل‌های نامنظم و غیرقابل‌پیش‌بینی می‌شکنند. این یعنی خداحافظی با تصویری شفاف و سلامی دوباره به انواع‌واقسام خطاهای نوری.

از جهات دیگر، لبه‌های تیز یک مربع باعث تشدید پدیده‌ای به نام «پراش» (Diffraction) می‌شوند. پراش زمانی رخ می‌دهد که امواج نور از کنار یک لبه‌ی تیز عبور می‌کنند و کمی پخش می‌شوند. این پدیده ذاتاً باعث کاهش شارپنس تصویر خواهد گردید.

در یک لنز مربعی، این اثر در گوشه‌ها بسیار شدیدتر خواهد قرار دارای بود و وضوح عکس را به‌شدت پایین می‌آورد. ساخت و پرداخت چنین لنزی هم از نظر فنی بسیار پیچیده‌تر و پرهزینه‌تر از یک لنز گرد هست. حتی اکسسوری‌های ساده‌ای مثل فیلترها، درپوش‌ها و هودهای لنز که همگی برای فرم دایره‌ای طراحی شده‌اند، باید از نو و به شکلی نامتعارف ساخته شوند. پس ایده‌ی لنز مربعی، هرچندین کنجکاوی‌برانگیز، اما در عمل به بن‌بست می‌خورد.

سنسورهای دوربین از ویفرهای سیلیکونی ساخته می‌شوند که خودشان گرد هستند. برای به‌دست‌آوردن بیشترین تعداد سنسور از یک ویفر سیلیکونی و به‌حداقل‌رساندن ضایعات، بهترین راه برش‌دادن آن به شکل شبکه‌ای از مستطیل‌ها یا مربع‌هاست. اگر قرار قرار دارای بود سنسورهای گرد بسازیم، فضای زیادی بین آن‌ها هدر می‌رفت و هزینه‌ی تولید سر به فلک می‌کشید.

زیرساخت‌های صنعت نیمه‌هادی‌ها هم برای تولید قطعات چهارگوش بهینه‌سازی شده و تغییر این سیستم عظیم برای ساخت سنسورهای گرد، میلیاردها دلار هزینه می‌طلبد و هیچ توجیه اقتصادی ندارد.

و نکته‌ی نهایی و شاید مهم‌تر: حتی اگر سنسور گرد می‌ساختیم و عکس‌های دایره‌ای می‌گرفتیم، درنهایت با آن‌ها چه می‌کردیم؟ صفحه‌ی تلویزیون، مانیتور کامپیوتر، قاب عکس روی دیوار و حتی صفحه‌ی گوشی‌تان، همگی مستطیل هستند.

ما برای نمایش، چاپ و ذخیره‌سازی محتوای بصری، دنیایی مستطیلی ساخته‌ایم. یک عکس دایره‌ای روی یک کاغذ مستطیلی، فضای زیادی را هدر می‌دهد و در یک آلبوم عکس یا گالری آنلاین، به‌خوبی کنار دیگر عکس‌ها نمی‌نشیند.

درنهایت، مجبور می‌شدیم همان عکس دایره‌ای را برش بزنیم و به یک مستطیل تبدیل کنیم. پس چرا از اول کاری را بکنیم که نتیجه‌اش هدردادن بخشی از اطلاعات ثبت‌شده هست؟

و حالا به بخش نهایی معما می‌رسیم: چرا مستطیل؟ چه گردید که این شکل هندسی ساده، بر تمام جهانِ تصویر فرمانروایی کرد؟

ریشه‌های این انتخاب به اولین روزهای عکاسی بازمی‌گردد. پیش از اختراع فیلم، عکاسان تصاویر را روی صفحات شیشه‌ای ثبت می‌کردند. برش‌دادن شیشه به شکل مستطیل، بسیار ساده‌تر و کاربردی‌تر از هر شکل دیگری قرار دارای بود.

وقتی فیلم عکاسی جایگزین شیشه گردید، این سنت ادامه پیدا کرد. استفاده از فیلم‌های نواری و رول کردن آن‌ها، ذاتاً فرمت مستطیلی را به‌عنوان استاندارد تحمیل کردند؛ شکلی که از هر سانتی‌متر سطحش می‌شد بیشترین استفاده را برد.

این فرمت، با سنت‌های هنری دیرینه نیز همخوانی دارای بود. قرن‌ها پیش از دوربین، نقاشان آثار خود را روی بوم‌های مستطیلی می‌کشیدند و آن‌ها را در قاب‌های چهارگوش به نمایش می‌گذاشتند. دیوارها و سقف‌ها، گالری‌ها و خانه‌ها، همه بر اساس زوایای قائمه ساخته می‌شد. مستطیل، شکلی آشنا، پایدار و راحت قرار دارای بود، هم برای چشم و هم برای ذهن.

اما شاید دلیل عمیق‌تر به ساختار بینایی خودمان برگردد. ما دو چشم داریم که در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. این ترکیب به ما میدان دیدی می‌دهد که عرضش از ارتفاعش بیشتر هست؛ یک نمای پانورامیک و افقی از جهان. به همین دلیل عکس‌های مستطیلی، به‌خصوص با نسبت ابعاد ۳:۲ یا ۱۶:۹، حسی طبیعی‌تر و نزدیک‌تر به تجربه‌ی بصری ما از دنیا دارد.

مربع، عکاس را از دغدغه‌ی انتخاب بین کادر عمودی یا افقی رها انجام می‌دهد و او را به چالش می‌کشد تا روی تقارن و تعادل در کادر تمرکز کند. در سال‌های اخیر نیز، اپلیکیشن‌هایی مانند اینستاگرام باتکیه‌بر فرمت مربع، جان دوباره‌ای به این نوع کادربندی بخشیدند. اما باوجود همه‌ی این تجربه‌ها، مستطیل همچنان فرمت غالب و استاندارد دنیای تصویر شناخته خواهد گردید.

 آیا این ترکیب دایره و مستطیل تا ابد پابرجا خواهد ماند؟ شاید نه. دنیای فناوری همواره در حال دگرگونی هست. «عکاسی محاسباتی» که امروزه فناوری کلیدی دوربین گوشی‌های هوشمند هست، در حال تغییردادن قواعد بازی هست.

الگوریتم‌های نرم‌افزاری هوشمند امکان داردند بسیاری از خطاهای نوری لنزها را به‌صورت دیجیتالی اصلاح کنند. این پیشرفت‌ها ممکن هست در آینده دست طراحان را برای ساخت لنزها و سنسورهایی با اشکال نامتعارف بازتر کند.

از جهات دیگر، احتمال دارد ظهور فناوری‌هایی مانند واقعیت مجازی و واقعیت افزوده تقاضا برای دوربین‌هایی با میدان دید بسیار وسیع‌تر و فراگیرتر را افزایش دهد. شاید در چنین دنیایی، ثبت تصاویر کروی یا ۳۶۰ درجه که تمام دایره‌ی تصویر لنز را پوشش می‌دهند، به یک استاندارد جدید تبدیل شود.

بااین‌حال، تا آن روز، هر بار که عکسی می‌گیرید، به یاد این داستان شگفت‌انگیز بیفتید. به یاد بیاورید که چگونه قوانین فیزیک، محدودیت‌های تولید و حتی شیوه‌ی دیدن ما، دست‌به‌دست هم داده‌اند تا این قاب مستطیلی کوچک را از دل یک دایره‌ی نورانی بیرون بکشند و خاطره‌ای ماندگار برای شما خلق کنند.