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 بنفس نظرية المعالجة وهي تحويل المعلومات التماثلية التقليدية (والتي تُمثل بموجات) إلى معلومات رقمية والتي تُمثل بأصفار وآحاد أو ما يسمى بالـ Bits)).

 الكاميرا الرقمية digital camera تُعد واحدة من أهم الأمثلة الملحوظة لهذه الوسيلة لأنها تختلف تماماً عن الكاميرات التقليدية (التي تستخدم الفيلم) التي تعتمد كلية على المعالجة الكيميائية والميكانيكية لالتقاط الصورة وطباعتها حتى ان بعضها لا يحتاج لطاقة كهربية لتشغيلها.  ومن ناحية أخرى فإن كل الكاميرات الرقمية تحوي بداخلها معالج صغير (Microprocessor) يقوم بمعالجة الصور إلكترونياً.

 
كاميرا رقمية من سوني

 وفي الحقيقة لم تحل الكاميرات الرقمية محل الكاميرات التقليدية حتى الآن وذلك لأن الفيلم ما زال يعطي جودة عالية للصورة ولكن بتقدم تكنولوجيا الصور الرقمية أصبحت الكاميرات الرقمية أكثر انتشاراً وشعبية.

أساسيات
 لنفترض أننا نريد أخذ صورة وإرسالها بالبريد الالكتروني، ولعمل ذلك يجب تحويل الصورة إلى اللغة التي تدركها الحواسيب وهي الاصفار والآحاد. فالصورة الرقمية عبارة عن سلسلة طويلة من الاصفار والاحاد التي تمثل كل النقاط الملونة الصغيرة أو ما يسمى بالبكسل (Pixel) والتي تشكل مجتمعة الصورة.

ولأخذ صورة في هذه الهيئة فلدينا خياران:

(1) أخذ الصورة بكاميرات تقليدية ومعالجة الفيلم كيميائياً ومن ثم طباعته على ورق فوتوغرافي، وأخيراً استخدام الماسحة الضوئية (Scanner) لأخذ عينات من الصورة (تحويل عينات الضوء على حسب شدة الإضاءة ودرجة اللون وتحويلها لسلسلة من النقاط ذات قيم البكسيل.

(2) اخذ عينات مباشرة من الضوء الأصلي المرتد من الجسم المراد تصويره وتحويل هذه العينات لسلسلة من البكسيل 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 بعدها المعالج الذي تحتويه الكاميرا بتحويل هذه المعلومات الالكترونية لبيانات رقمية وتحفظها على ذاكرة الكاميرا.

الصورة الرقمية ويظهر عناصر الصورة (البكسيل) على اليمين عند تكبير جزء من الصورة على اليسار

سوف نقوم في هذه المقالة بشرح فكرة عمل الكاميرات الرقمية وكيف نحصل منها على الصور.

كاميرات بدون فيلم!
تحتوي الكاميرات الرقمية بدلاً عن الفيلم على مجسات ضوئية (Sensors) والتي تعتمد فكرة عملها على تحويل الضوء لشحنات كهربية.

 
صورة لمجس  CMOS

واكثر تقنيات المجسات الضوئية انتشاراً في الكاميرات الرقمية هي تقنية  Charged Coupled Device وتختصر بـ (CCD) أو (العنصر مزدوج الشحنة).و بالرغم من ان بعض الكاميرات الرقمية تستخدم تقنية المجسات الضوئية CMOS (Complementary Metal Oxide Semi Conductor) (شبه موصل معدن الاكسيد المتمم) بدلاً عن الـ (CCD)  إلا أن كلا التقنيتين CCD أو CMOS تقومان بتحويل فوتونات الضوء إلى الكترونات. وتتكون المجسات من شبكة مصفوفات ثنائية الابعاد تحوي الملايين من الخلايا وكل خلية عبارة عن عنصر الصورة الذي يسمى PIXEL وهي اختصار لكلمة Picture elements.

يقوم كل مجس بتحويل الضوء إلى الكترونات فكلما كانت كمية الضوء أكبر كلما كانت كمية الشحنة المتحررة (الإلكترونات) أكبر وعن طريق قراءة الشحنة المتراكمة في كل خلية يمكن للميكروبروسيسور من إعادة بناء الصورة.

تصطدم الفوتونات بالالواح الضوئية لشريحة CCD وتطلق الالكترونات

وفيما يلي الاختلافات الرئيسية بين تقنيتي CCD وCMOS

 تقوم تقنية CCD بنقل الشحنة عبر الرقاقة وقراءتها عند احد اركان المصفوفة، وبعدها يقوم محول (تماثلي – رقمي) ADC بتحويل كل قيمة بكسل لقيمة رقمية وذلك عن طريق قياس مقدار 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

هذا الاختلاف جعل لكل تقنية ميزات وعيوب وهي

(1) تتمتع تقنية CCD بنقاء عالي وقلة تشويه (ناجم عن الضجيج) مقارنة بتقنية CMOS فهي اكثر تأثراً بالضجيج.

(2) لكل بكسل في تقنية CMOS عدة ترانزستورات، وحساسية الضوء ضعيفة في هذه الرقاقة وذلك 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) مقارنة برقاقة  CMOS

(4) تصنع رقاقات CCD لتدوم طويلاً 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 شحنات كهربية بستخدام الديود.

 الدقة
ان مقدار التفاصيل التي تستطيع الكاميرات التقاطها يطلق عليها الدقة Resolution وتقاس بالبكسيل Pixel  فكلما زاد عدد البكسل كلما زادت تفاصيل الصورة وتصبح الصور ذات الأبعاد الكبيرة أكثر وضوحاً.

 بعض مستويات الدقة:

(1) 256×256 ونجدها في الكاميرات رخيصة الثمن فالدقة ضعيفة جداً ويكون إجمالي عدد البكسيل المكون للصورة هو 65.000 بكسيل.

(2) 480×640 وهو أقل حد لمستوى الدقة النموذجي وهو مثالي جداً لإرسال الصور عبر البريد الإلكتروني وصفحات الويب.

 (3) 912×1216 ويقاس فيها حجم الصورة بالميغابكسل (Megapixel) واجمالي البكسيل المكون للصورة هو  1.109.000 بيكسيل ويفي هذا المقاس لغرض طباعة الصور.

(4) 1200×1600 وتتميز هذه الدقة بمجموع 2 مليون بكسيل وهي دقة عالية، حيث بإمكاننا طباعة صورة بمقياس 5×4 إنش كتلك التي نتحصل عليها في معامل الألوان.

(5) 1680×2240 وتوجد في الكاميرات الرقمية ذات (4 Megapixel) وتسمح بطباعة صورة كبيرة بدقة عالية حتى 20×16 إنش.

(6) 2704×4064 وهي اعلى دقة للكاميرات الرقمية (11.1 Megapixel) ويمكننا الطباعة بها بدقة عالية جداً حتى 9×13.5 إنش.

صورة مأخوذة بمستويات دقة مختلفة

 بعض الكاميرات التجارية الجيدة يمكنا التقاط اكثر من 12 مليون بكسل، أما الكاميرات الإحترافية فتلتقط  صور بدقة 16 مليون بكسل.  وتقدر شركة هيليوباكارد إن دقة الصورة المأخوذة في الفيلم باستخدام الكاميرا التقليدية يصل إلى 20 مليون بيكسيل.

كيف تلتقط الكاميرا الرقمية الألوان
تعتبر المجسات الضوئية في الكاميرا الرقمية غير مدركة للألوان ولا تميزها، وذلك لأن فكرة عمل هذه المجسات هي قياس شدة الضوء وتحويله إلى شحنات كهربية.  ولكي يتم التقاط الصورة بكامل ألوانها فانه لابد من استخدام مرشحات (filtering) للضوء بحيث يكون لكل لون من الألوان الأساسية مرشح خاص به، فمثلا المرشح الأحمر هو عبارة عن شريحة زجاجية ذات لون أحمر تسمح بدخول اللون الأحمر وتمنع باقي الألوان وكذلك بالنسبة للون الأزرق يستخدم مرشح أزرق ونفس الشيء بالنسبة للون الأخضر يستخدم مرشح أخضر، وبمجرد التقاط الكاميرا الصورة لأي مشهد فإنه يتم تحليل ألوان هذا المشهد إلى الألوان الأساسية الثلاث (الأخضر والأزرق والأحمر) ومن ثم يتم تجميعها للحصول على المشهد بكافة ألوانه.

عملية دمج الالوان الاساسية للحصول على عدة الوان

وهنالك طرق مختلفة لالتقاط الالوان الاساسية في الكاميرا الرقمية. فالكاميرات الرقمية عالية الجودة تستخدم ثلاث وحدات من رقاقات الـ CCD منفصلة ومثبت فوق كل رقاقة CCD مرشح لوني حتى تتخصص كل رقاقة برصد اللون الأساسي الخاص بها، عندما يتم تركيز الضوء المنعكس من الجسم إلى داخل الكاميرا بواسطة عدستها فإن الضوء يتم تجزئته باستخدام مجزىء ليسقط على المرشح اللوني ثم إلى الـ CCD.  يتم تجميع الإشارات الصادرة من الثلاثة رقائق CCD بواسطة الميكروبروسيسور لتكوين الصورة الملونة بالكامل.

عملية تجزئة الصورة (يسار) عبر مجزئ الحزمة الضوئية (Beam Splitter)

من ميزات هذه الطريقة ان الكاميرات تلتقط كل لون من الالوان الثلاثة الاساسية على نفس الموضع على البكسيل المخصص على الـ CCD، ولكن هذه الكاميرات تكون كبيرة الحجم نسبياً وباهظة الثمن.

الطريقة الأخرى المتبعة وهي تدوير قرص يحتوي على المرشحات الثلاثة امام رقاقة CCD واحدة، ويقوم الـ CCD بتسجيل ثلاث لقطات منفصلة في عملية سريعة، هذه العملية تزودنا ايضاً بكل لون في كل موضع بكسل. ولان اللقطات الثلاث لا تؤخذ في نفس الزمن فانه يتوجب على الكاميرا والهدف المراد تصويره البقاء ساكنين لبرهة نسبية حتى يتم اخذ القراءات الثلاث مما يجعل هذه الطريقة غير عملية ولابد من تثبيت الكاميرا على حامل وأن يكون المشهد المراد تصويره ثابت.

مرشح قرص دوار

أما الطريقة الاقتصادية والعملية والمستخدمة في التقاط الألوان الأساسية تتمثل في تثبيت مرشح يسمى بمصفوفة مرشح الألوان Color Filtering Array على رقاقة الـ CCD.

واكثر انواع مصفوفة المرشحات استخداماً هو نموذج مرشح باير (Bayer Filter Pattern) ويتكون من عمودين متبادلين احدهما مكون من مرشح للون الاخضر والاحمر والعمود الاخر مرشح للون الاخضر والازرق ونلاحظ هنا وجود الكثير من البكسل الخضراء مقارنة بالازرق والاحمر وذلك لان العين البشرية لا تكون حساسيتها متساوية بالنسبة للالوان الثلاث الاساسية فالكثير من اللون الاخضر يجعل الصورة تبدو للعين وكأنها حقيقية.

نموذج مرشح باير  Bayer Filter

من محاسن هذه الطريقة اننا نحتاج لرقاقة CCD واحدة ويتم التقاط الالوان (احمر، اخضر، ازرق) في نفس اللحظة. وهذا يعني ان الكاميرا ستكون اصغر وارخص وعملية في كثير من الاحيان.

 تستخدم الكاميرات الرقمية لوغاريثمات خاصة تسمى (Demosaicing Algorithm) تعمل على معالجة المعلومات الواردة من مخرج المرشحات والتي تكون في شكل فسيفساء ملونة للصورة الملتقطة وحساب الالوان الحقيقة من متوسط قيم البكسيل المحيطة لإعطاء اللون الحقيقي للصورة.

في الجزء التالي سنقوم بشرح كيفية تحكم الكاميرا بالضوء الداخل وتركيزه على المجسات الحساسة CCD.

التعريض والتركيز
كما في الفيلم فإن الكاميرا الرقمية تتحكم في كمية الضوء الذي يصل إلى الـ CCD من خلال جزئين هما فتحة العدسة aperture وسرعة الغالق shutter speed.

فتحة العدسة: تتحكم بنصف قطر الفتحة التي يدخل منها الضوء للكاميرا ويكون التحكم فيه اوتوماتيكياً في أغلب الأحيان الا في بعض الكاميرات التي يستخدمها مصورون محترفون. 

سرعة الغلق: تتحكم في الزمن اللازم لمرور الضوء عبر فتحة العدسة ويتم التحكم به الكترونيا ويكون الغالق الكتروني وليس ميكانيكي كما في الكاميرا التقليدية.

تتحكم الكاميرا في كلا من فتحة العدسة وسرعة الغالق لتحديد كمية الضوء المناسبة لالتقاط أفضل صورة، كما ان العدسة المستخدمة في الكاميرا الرقمية لا تختلف عن العدسة في الكاميرا التقليدية وسنقوم بشرح فكرة عمل التبئير الأوتوماتيكي في مقال منفرد.

إن البعد البؤري للعدسة في الكاميرا الرقمية يختلف عن ذلك في الكاميرا الرقمية التي تستخدم فيلم 35mm.  البعد البؤري هو المسافة بين العدسة وشر&