تويت
كيف تعمل الكاميرا الرقمية؟
في العشرين سنة الماضية اصبحت تحيطنا العديد من الأجهزة المنزلية ذات التقنيات الرقمية مثل CDs, DVDs, HDTVs, MP3s, DVRs, والتي نشأت جميعها وتطورت مع تطور العصر الرقمي، لتعمل بنفسنظرية المعالجة وهي تحويل المعلومات التماثلية التقليدية (والتي تُمثل بموجات) إلىمعلومات رقمية والتي تُمثل بأصفار وآحاد أو ما يسمى بالـ Bits)).
الكاميرا الرقمية digital camera تُعد واحدة من أهم الأمثلة الملحوظةلهذه الوسيلة لأنها تختلف تماماً عن الكاميرات التقليدية (التي تستخدمالفيلم) التي تعتمد كلية على المعالجة الكيميائية والميكانيكية لالتقاط الصورة وطباعتها حتى ان بعضها لا يحتاجلطاقة كهربية لتشغيلها. ومن ناحية أخرى فإن كل الكاميرات الرقمية تحوي بداخلها معالجصغير(Microprocessor) يقوم بمعالجة الصورإلكترونياً.
كاميرا رقمية من سوني
أساسيات
لنفترض أننانريد أخذ صورة وإرسالها بالبريد الالكتروني، ولعمل ذلك يجب تحويل الصورة إلى اللغةالتي تدركها الحواسيب وهي الاصفار والآحاد. فالصورة الرقمية عبارة عن سلسلة طويلةمن الاصفار والاحاد التي تمثل كل النقاط الملونة الصغيرة أو ما يسمى بالبكسل (Pixel) والتي تشكل مجتمعةالصورة.
ولأخذ صورة في هذهالهيئة فلدينا خياران:
(1) أخذ الصورة بكاميرات تقليديةومعالجة الفيلم كيميائياً ومن ثم طباعته على ورق فوتوغرافي، وأخيراً استخدامالماسحة الضوئية (Scanner) لأخذ عينات من الصورة (تحويل عينات الضوء على حسب شدة الإضاءة ودرجة اللون وتحويلهالسلسلة من النقاط ذات قيم البكسيل.
(2) اخذ عينات مباشرةمن الضوء الأصلي المرتد من الجسم المراد تصويره وتحويل هذه العينات لسلسلة منالبكسيل مما يعني أننا استخدمنا كاميرا رقمية.
كما للكاميرا التقليدية مجموعة من العدسات التي تركز الضوء المنعكس عن الجسم المراد تصويره على الفيلم لأخذ صورة من المشهد، فان للكاميرات الرقمية عوضاً عن الفيلم يوجد شريحة من أشباه الموصلات والتي تقوم بتسجيل الضوء الكترونياً تسمى الـ CCD، ليقوم بعدهاالمعالج الذي تحتويه الكاميرا بتحويل هذه المعلومات الالكترونية لبياناترقمية وتحفظها على ذاكرة الكاميرا.
الصورة الرقمية ويظهر عناصر الصورة (البكسيل) على اليمين عند تكبير جزء من الصورة على اليسار
كاميرات بدونفيلم!
تحتوي الكاميراتالرقمية بدلاً عن الفيلم على مجسات ضوئية (Sensors) والتي تعتمد فكرة عملها على تحويل الضوء لشحنات كهربية.
صورة لمجس CMOS
يقوم كل مجس بتحويل الضوء إلى الكترونات فكلما كانت كمية الضوء أكبر كلما كانت كمية الشحنة المتحررة (الإلكترونات) أكبر وعن طريق قراءةالشحنة المتراكمة في كل خلية يمكن للميكروبروسيسور من إعادة بناء الصورة.
الجهاز مزدوج الشحنة (CCD):
هو شريحة إلكترونية مستخدمة من زمن يصل الى عشرون عاما وتسمى احيانا بالعين الالكترونية وكانت تستخدم في الانسان الالي وفي المراصد الفلكية وكذلك في كاميرات تصوير الفيديو وحديثا تم استخدامها في كاميرا التصوير الفتوغرافي لتصبح الكاميرا معروفة باسم الكاميرا الرقمية.
هذه صورة تشريحية لـ CCD وكيفية امتصاصها للضوء
تتكون الـ CCD من شريحة مربعة طول ضلعها لايزيد عن 3سم هذه الشريحة تحتوي على مجسات ضوئية (الديود) من مواد اشباه موصلة (Semiconductors) مرتبة على شكل صفوف متوازية. عندما تتكون الصورة على هذه الدايودات يتم تحرير شحنة كهربية من الدايود يتناسب مع كمية الضوء، فكلما كان الضوء الساقط على الدايود كبيرا كانت الشحنة المتحررة كبيرة. تعمل الشحنة الكهربية المتحررة على تفريغ مكثف مشحون متصل مع كل دايود. يتم اعادة شحن هذه المكثفات من خلال تيار يعمل على مسح كل المكثفات ويقوم ميكروبروسسور باحتساب قيمة الشحنة التي اعيدت الى المكثف ليتم تخزين قيمة عددية لكل ديود في الذاكرة المثبتة بالكامير. تحتوي على معلومات عن موضع الدايود وشدة الضوء الذي سقط عليه لتكوين في النهاية صورة رقمية للجسم الذي تم التقاط صورته.
تصطدم الفوتونات بالالواح الضوئية لشريحة CCD وتطلق الالكترونات
وفيما يليالاختلافات الرئيسية بين تقنيتي CCD وCMOS
تقوم تقنية CCD بنقلالشحنة عبر الرقاقة وقراءتها عند احد اركان المصفوفة، وبعدها يقوم محول (تماثلي – رقمي) ADC بتحويل كل قيمة بكسل لقيمة رقمية وذلك عن طريق قياسمقدار الشحنة في كل موضع ضوئي وتحويل ذلك القياس إلى صيغة ثنائية (Binary Form).
اما تقنية CMOS تستخدم عدة ترانسيستورات لكل عنصر صورة (البكسيل) لتكبير ونقل الشحنة عبر أسلااك توصيل تقليدية ولهذا فهذه التقنية لا تستخدم محول ACD.
صورة لشريحة CCD
(1) تتمتع تقنية CCD بنقاءعالي وقلة تشويه (ناجم عن الضجيج) مقارنة بتقنية CMOSفهياكثر تأثراً بالضجيج.
(2) لكلبكسل في تقنية CMOS عدة ترانزستورات، وحساسية الضوء ضعيفة في هذه الرقاقةوذلك لان الفوتونات الضوئية قد تصطدم بالترانستورات بدلاً عن الدايودات الضوئية(Photodiode)
(3) تستهلك رقاقات CMOS مقداراً ضئيلاً من الطاقة وفي المقابل فان المعالجة التي تقوم بها رقاقة CCD تستهلك الكثير من الطاقة (أكثر بـ 100 مرة) مقارنةبرقاقة CMOS
(4) تصنع رقاقات CCD لتدومطويلاً وتعطي دقة عالية الوضوح للصور.
(5) بالرغم من الاختلافات السابقة بين رقاقات CCD وCMOS فانهما يلعبان نفس الدور في الكاميرات الرقمية وهو تحويل الضوء إلى شحناتكهربية بستخدام الديود.
الدقة
ان مقدار التفاصيل التي تستطيع الكاميرات التقاطها يطلقعليها الدقة Resolution وتقاس بالبكسيل Pixel فكلما زاد عدد البكسل كلما زادت تفاصيل الصورة وتصبح الصور ذات الأبعاد الكبيرةأكثر وضوحاً.
بعض مستوياتالدقة:
(1) 256×256 ونجدها في الكاميرات رخيصة الثمن فالدقة ضعيفةجداً ويكون إجمالي عدد البكسيل المكون للصورة هو 65.000 بكسيل.
(2) 480×640 وهو أقل حدلمستوى الدقة النموذجي وهو مثالي جداً لإرسال الصور عبر البريد الإلكتروني وصفحاتالويب.
(3) 912×1216 ويقاس فيها حجم الصورة بالميغابكسل (Megapixel) واجمالي البكسيل المكون للصورة هو 1.109.000 بيكسيل ويفي هذا المقاس لغرض طباعةالصور.
(4) 1200×1600 وتتميز هذه الدقة بمجموع 2 مليون بكسيل وهيدقة عالية، حيث بإمكاننا طباعة صورة بمقياس 5×4 إنش كتلك التي نتحصل عليها في معاملالألوان.
(5) 1680×2240 وتوجد في الكاميرات الرقمية ذات (4 Megapixel) وتسمح بطباعة صورة كبيرة بدقة عالية حتى 20×16إنش.
(6) 2704×4064 وهي اعلى دقة للكاميرات الرقمية (11.1 Megapixel) ويمكننا الطباعة بها بدقة عالية جداً حتى 9×13.5إنش.
صورة مأخوذة بمستويات دقة مختلفة
بعض الكاميراتالتجارية الجيدة يمكنا التقاط اكثر من 12 مليون بكسل، أما الكاميرات الإحترافيةفتلتقط صور بدقة 16 مليون بكسل. وتقدر شركة هيليوباكارد إن دقة الصورة المأخوذة في الفيلم باستخدام الكاميرا التقليدية يصل إلى 20 مليون بيكسيل.