كيف تعمل الكاميرا الرقمية؟


[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]


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.



[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

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.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]


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.


[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

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.








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.


[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

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.

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.



[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

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.


[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]



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.

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.


[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

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.



[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

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.
    

موضوع رائع
يسلموووو
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]