كيف تعمل الكاميرا الرقمية؟

كيف تعمل الكاميرا الرقمية؟





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.




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.










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.




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.

















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.









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.
















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.






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.






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.









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.









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.









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.









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 وشريحة الـ

CCD،

وحيث أن ابعاد الشريحة تختلف حسب الشركة المنتجة وفي معظم الأحيان تكون اصغر من

فيلم 35mm،

وهذا يعني ان العدسة المستخدمة لتكوين الصورة على شريحة الـ

CCD

ذات بعد بؤري اقصر ولمزيد من المعلومات حول حجم الـ

CCD

ومقارنتها بفيلم

35mm

يرجى زيارة الموقع



Photo.net

على الانترنت.






ملاحظة: تذكر أن شريحة الـ



CCD في الكاميرا الرقمية تحل محل الفيلم في الكاميرا التقليدية.




كما

ويلعب البعد البؤري للعدسة دورا رئيسياً في تحديد قيمة التكبير أو التحجيم

للكاميرا، ففي كاميرا الـ

35mm

تستخدم عدسة بعدها البؤري

50mm

صورة مساوية للجسم بدون تكبير. زيادة البعد البؤري يزيد من

التكبير وتبدو الصورة أقرب من الوضع الحقيقي للجسم. ويحدث العكس إذا كان البعد

البؤري أقل..




عدسة التكبير

او التحجيم

zoom lens هي عدسة يتغير بعدها البؤري وفي الكاميرات الرقمية

هناك يمكن ان نجد تحجيم بصري

optical zoom

أو تحجيم رقمي

digital zoom أو الأثنتين معا في نفس الكاميرا كما أن بعض الكاميرات تحتوي

على تبئير دقيق

macro focusing

أي أن الكاميرا لها القدرة على اخذ صور قريبة جداً من الكاميرا مثل تصوير مستند

ورقي.








عدسة تبئير ثابت وتحجيم ثابت



Fixed-focus, fixed-zoom lenses

وهي عدسات رخيصة الثمن وتستخدم في الكاميرات التي تستخدم لمرة واحدة ولهدف اخذ

صور ثابتة وبسيطة.




عدسة تحجيم بصري وتبئير أوتوماتيكي



Optical-zoom lenses with automatic focus

تشبه العدسة المستخدمة في كاميرات الفيديو ويمكن التحويل من عدسة التيليفوتو





Telephoto Lens ذات التصوير البعيد إلى عدسة الزاوية العريضة



Wide-Angle Lens

للتصوير القريب، وذلك من خلال تغيير البعد البؤري للعدسة.




عدسة تحجيم رقمي

Digital-zoom lenses

وهي عبارة عن قيام ميكروبروسيسور الكاميرا بأخذ جزء من

الصورة التي تكونت على شريحة الـ



CCD وعرضها على كل اطار الكاميرا، وتشبه هذه العملية قيامك بتكبير صورة

على شاشة الكمبيوتر من خلال استخدام عدسة برنامج التحرير لتكبير الصورة، ويجب

استخدام حامل للكاميرا عند تشغيل هذه الخاصية لأن اية اهتزازات تؤثر على جودة

الصورة.




نظام عدسات الإستبدالها



Replaceable lens systems وهي مجموعة من العدسات

المختلفة في البعد البؤري يمكن للمصور المحترف تثبيتها على الكاميرا حسب المشهد

المراد تصويره.








نقل الصورة إلى الحاسوب وتخزينها



تحتوي

الكاميرات الرقمية على شاشة البلورات السائلة

LCD

تمكنك من مشاهدة الصورة قبل التقاطها وتخزينها في ذاكرة الكاميرا وهذا ما سنقوم

بشرحه، حيث يوجد عدة طرق لتخزين الصورة في الكاميرا قبل نقلها إلى جهاز الحاسوب

ومن هذه الطرق استخدام الذاكرة الثابتة داخل الكاميرا ويتطلب الأمر في هذه

الكالة توصيل الكاميرا نفسها بجهاز الحاسوب لنقل الصور إليه، وطريقة التوصيل

يمكن ان تتم من خلال عدة خيارات تعتمد على نوع الكاميرا والشركة المنتجة ومن

هذه الخيارات التوصيل التتابعي

serial

أو التوصيل المتوازي

parallel

أو توصيل السكازي

SCSI

او اليو اس بي

USP او الفيرواير

FireWire.


كما يمكن

ان تزود بعض الكاميرات بذاكرة خارجية يمكن اخراجها من الكاميرا وتوصيلها

للحاسوب من خلال الوصلات المعدة لذلك ومن الذاكرات الخارجية ذاكرة الفلاش

flash

memory

أو ذاكرة الفلاش المضغوطة

compactflash

أو الذاكرة الذكية

smartmedia.

كما يمكن استخدام القرص المدمج

CD

او القرص

DVD

لتخزين الصورة عليها.




بغض النظر

عن مختلف الوسائل المستخدمة لتخزين الصور الرقمية فإن مساحة التخزين ونوعية

الملفات التي تخزن في الذاكرة تلعب دوراً رئيسياً في نوعية الكاميرا وجودة

الصور المستخرجة منها. فمثلاً هناك عدة صيغة لحفظ ملفات الصور مثل الصغية

TIFT

التي تكون ملفاتها غير مضغوطة أو ملفات ال

JPEG

وهي ملفات مضغوطة. وتستخدم معظم الكاميرات الرقمية الصيغة التي تضغط فيها

الصور لحفظها على الذاكرة لانها تحتاج مساحة أقل بالمقارنة مع الملفات الغير

مطغوطة كما يمكن ضبط صيغة الضغط بأن تتحكم في جودة الصورة فمثلاً اذا تم ضبط

الكاميرا على صورة بجودة عالية تكون نسبة الضغط للصورة قليل ويكون جحم الصورة

كبيراً أما إذا تم ضبط الكاميرا عل صورة بجودة قليلة يكون الضغط بنسبة عالية

وهذا يعني جودة صورة إقل ولكن يمكن تخزين عدد كبير من الصور على ذاكرة

الكاميرا. في الجدول التالي توضيح للعلاقة بين حجم الصورة وصيغة حفظها في

ذاكرة الكاميرا.






تعتمد فكرة

الضغط في الكاميرا على تحليل الصورة فمثلاًَ لو كان هناك ما يقارب من 30% من

الصور عبارة عن سماء زرقاء فإن فهذا يعني ان جزء من الصورة مكرر على مساحة

محددة تقوم هذه الفكرة من الضغط بحفظ هذه الجزيئة من الصورة وتكرارها على

المساحة المطلوبة وهنا اعادة بناء الصورة لا يفقدها اية معلومات وتسمى هذه

الطريقة من الضغط بطريقة الضغط بالتكرار

repetition

أما الطريقة الأخرى فتعرف باسم حذف التخلص من بعض البيانات الغير ضرورية

irrelevancy

حيث ان الكاميرا تأخذ الكثير من التفاصيل الدقيقة التي لا تدركها العين وعند

ضغط الصورة بهذه الطريقة يتم التخلص منها لانها لا تؤثر في محتويات الصورة.







الخلاصة






لنضع كل ماذكرنا سابقاً في خطوات لتوضيح كيف تعمل الكاميرا الرقمية لالتقاط

الصورة.

1. 
   
   
   
   في البداية يتم توجيه الكاميرا إلى المشهد المراد تصويره ويتم ضبط التحجيم
   
   لتقريب المشهد او ابعاده.
   
2. 
   
   
   
   يتم الضغط قليلاً على زر التصوير (اي الضغط نصف ضغطة مع الابقاء على هذا
   
   الوضع) الذي يتحكم في فتح الغالق.
   
3. 
   
   
   
   تقوم الكاميرا بضبط التبئير اوتوماتيكياً وتحميع معلومات عن كمية الضوء
   
   المتوفرة.
   
4. 
   
   
   
   تقوم الكاميرا بتحديد فتحة العدسة المناسبة وسرعة الغالق المطلوبة لمثل هذه
   
   الظروف.
   
5. 
   
   
   
   يتم اكمال الضغط على زر التصوير.
   
6. 
   
   
   
   يفتح الغالق ليسمح للضوء بالوصول إلى الشريحة الالكترونية
   
   
   
   CCD لفترة محددة تتجمع الشحنات على كل اجزاء الشريحة حسب كمية الضوء
   
   التي وصلت لكل جزء.
   
7. 
   
   
   
   يتم تحديد كمية الشحة التي تكونت على كل جزء من اجزاء الـ
   
   
   
   CCD ويترجم إلى قيمة رقمية.
   
8. 
   
   
   
   يقوم المعالج بترجمة البيانات الرقمية وعلاقتها بموضعها على شريحة الـ
   
   
   
   
   
   CCD
   
   ليكون الصورة.
   
9. 
   
   
   
   يتم حفظ بيانات الصورة في ملف رقمي بعد تطبيق عملية الضغط على هذه البيانات
   
   لتقليل حجم الملف حسب ما تم ضبط اعدادت الكاميرا عليه مسبقاً.
   
10. 
    
    
    
    يحفظ الملف في النهاية على الذاكرة المستخدمة في الكاميرا.