آموزش

قلب دوربین، سنسور

دوربین دیجیتال چگونه کار می کند؟

طرز کار دوربین های دیجیتال بسیار شبیه به دوربین های سنتی فیلمی است. هر دو نوع دوربین دارای لنز، دیافراگم و شاتر می باشند. تفاوت مهم، نحوه ضبط تصاویر است که بجای فیلم در دوربین دیجیتال از یک سنسور (sensor) یا حسگر نوری الکترونیکی از جنس سیلیکون استفاده می شود. قلب هر دوربین دیجیتال سنسور تصویر آن است. بر روی سطح این سنسور که در حدود اندازه یک ناخن است، هزاران یا میلیون ها دیود کوچک حساس به نور در کنار هم قرار گرفته اند. هر یک از این دیودها یا سلول های نوری، به هنگام تابش نور یک ولتاژ متناسب با شدت نور دریافتی ایجاد می کند. این ولتاژ پس از تقویت شدن، در یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) از حالت ولتاژ به مقادیر دیجیتال ۰ و ۱ تبدیل می شود. اطلاعات دیجیتال نقاط، در واحد پردازنده تصویر که یک رایانه کوچک است، مورد پردازش های گوناگون ازجمله تشخیص رنگ، تنظیم نور، تعادل سفیدی و غیره قرار می گیرد. در نهایت، اطلاعات پردازش شده در قالب یک فایل در حافظه دوربین ذخیره می شود تا در فرصت مناسب به کامپیوتر منتقل گردد. روشن است بیشتر بودن تعداد نقاط (سلول های نوری) سنسور یا به عبارتی مگاپیکسل (MP)  دوربین، می تواند در کیفیت و وضوح تصویر مؤثر باشد. لازم به توضیح است بافر ها (Buffer) حافظه های میانی هستند که به دلیل یکسان نبودن سرعت بخش های مختلف در انتقال داده ها، میان آنها واسطه می شوند.

روش ساخت تصویر دیجیتال در دوربین

بیشتر دوربین های دیجیتال برای تشخیص رنگ های تصویر تنها سه رنگ اصلی قرمز، سبز و آبی (RGB) را ذخیره می کنند. چون با ترکیب این رنگ ها می توانیم هر رنگ دیگری را بسازیم .از این خاصیت در ساخت رنگ های مختلف توسط نمایشگرهای کامپیوتر و چاپگرها و نیز در تشخیص رنگ در اسکنر استفاده می شود.

لازم به یادآوری است در برخی دوربین ها برای ایجاد رنگها از رنگ های آبی فیروزه ای (Cyan)، سبز (Green)، سرخ آبی (Magenta) و زرد (Yellow) استفاده می شود. به این استاندارد گفته می شود که معادل سیاه (black) می باشد. دقت کنید اگر بخواهيد تصاویر دوربین CMYK را بر روی نمایشگر مشاهده کنید، باید ابتدا آنها را به فرمت RGB تبدیل کنید که برای تبدیل مقداری از کیفیت کاسته می شود. اما چاپ این  تصاویر در چاپگر ساده تر بوده و کیفیت بهتری خواهد داشت.

چگونگی ترکیب رنگهای اصلی و ایجاد رنگ های فرعی

رنگ نقاط تشکیل دهنده تصویر چگونه ساخته می شود؟

نکته قابل توجه این است که سلول های نوری تنها شدت نور را تشخیص می دهند و نه رنگ آن را .بنابراین سازندگان این سنسورها از ترفند های خاصی برای تشخیص رنگ استفاده کرده اند. یک روش بسیار معمول این است که هر یک از سلول های نوری کوچک با یکی از سه رنگ اصلی قرمز (R)، سبز (G) و آبی (B) پوشانده می شوند. بنابراین هر سلول تنها به یکی از مؤلفه های رنگی اجازه می دهد به داخل آن بتابد و سلول، شدت آن نور خاص را اندازه گیری می کند، در حالی که سلول بعدی به رنگ دیگری حساس شده است. یک حالت معمول این است که سلول ها در ردیف اول به صورت (R – G – R – G ) و در ردیف بعدی به صورت (G – B -G – B) قرار می گیرند. به این طرز قرار گرفتن سلول های نوری، آرايه فیلتررنگی (colour filter array)  از نوع GRGB می گویند.

ترتیب قرار گرفتن سلول های نوری در یک سنسور در حالت GRGB

در مرحله بعدی برای ایجاد یک تصویر رنگی کامل، ابتدا رایانه کوچکی که در داخل دوربین تعبیه شده، رنگ های اصلی به دست آمده را برای هر پیکسل ذخیره می کند چون هر یک از پیکسل ها تنها شامل یک مؤلفه از سه مؤلفه واقعی خود هستند، رایانه با مقایسه رنگ های دیگر در پیکسل های مجاور، رنگ های دیگر هر پیکسل را محاسبه می کند سپس با ترکیب سه مولفه رنگ، رنگ واقعی بیکسل به دست می آید. برای مثال فرض کنید نقطه حساس به نور مربوط به یک پیکسل، مقدار ۱۲۰ قرمز را برای آن مشخص کرده است. دوربین از مقدار مولفه سبز که در چهار پیکسل مجاور خوانده شده است میانگین گرفته به عدد ۲۰۰ می رسد و بنابراین مقدار ۲۰۰ را برای مولفه سبز آن بیكسل لحاظ می کند. بر فرض میانگین شدت نور در چهار پیکسل مجاور آبی هم ۳۹ باشد. در این صورت مشخصات رنگ پیکسل مورد بحت در سیستم RGB (39، ۱۲۰۰، ۱۲۰) می باشد. به این روش تشخیص رنگ درونیابی رنگ یا color interpolation  می گویند .

این محاسبه به صورت شگفت آوری رنگ های واقعی نقاط را باز آفرینی می کند، اگرچه دقت عمل روش محاسباتی دوربین و وضوح سنسور بر نتیجه کار تأثیر دارد. تخمین و محاسبه رنگ گاهی باعث تداخل و بی نظمی هایی در جزئیات رنگ ها می شود (color aliasing) .این مشکلات در دوربین های با وضوح کم (پایین تر از  ۲MP) بیشتر مشاهده می شود.

برش داخلی یک دوربین دیجیتال

به غیر از این روش برای تشخیص رنگها، از ترفندهای دیگری هم در برخی دوربین های خاص استفاده می شود از جمله:

۱- از هر صحنه سه عکس، هر یک با یک فیلتر رنگی قرمز، سبز و آبی گرفته شده، ترکیب می شود. بنابراین دوربین از انجام عملیات درونیابی رنگ بی نیاز می شود. در این دوربین ها امکان عکسبرداری از سوژه هایی که حرکت سریع دارند وجود ندارد و می توان از آنها در عکسبرداری پرتره، طبيعت و اشیای ساکن استفاده کرد.

۲- استفاده از دو سنسور یکی برای نور سبز و دیگری برای نورهای قرمز و آبی که در آن سلول های حساس به این دو رنگ در کنار هم قرار گرفته اند. برتری این روش، دقت بیشتر در عملیات درونیابی رنگ می باشد. لازم به توضیح است رنگ سبز در فرایند درونیابی از اهمیت بیشتری برخوردار است.

۳- استفاده از سه سنسور جداگانه در دوربین هر یک برای دریافت یک رنگ قرمز، سبز و آبی یک تقسیم کننده نور در داخل دوربین ، شعاع نور ورودی را به سه پرتو شکسته، به سمت سنسورها ارسال می کند. طبیعی است که حجم و قیمت این دوربین ها به خاطر استفاده از سه سنسور زیاد است. واضح است که این روش از عملیات درونیابی رنگی بی نیاز است.

۴- در سنسورهای Faveon سنسور دارای سه لایه سبز، آبی و قرمز است. نور در ابتدا به لایه آبی وارد شده و هر سلول مقدار مولفه آبي را دریافت می کند.سپس نور وارد لایه سبز می شود و سلول های این لایه مقدار مولفه سبز را تشخیص می دهند. در مرحله آخرمولفه قرمز توسط سلول های لایه قرمز تشکیل داده می شود.

سنسور  Foveon

انواع سنسورها

 (Charge-Coupled Devices) CCD

این نوع از سنسورها، در بسیاری از دوربین های دیجیتال امروزی به کار رفته اند. آن ها از میلیون ها سلول نوری تشکیل شده اند. هر سلول میزان روشنایی نوری که به آن تابیده می شود را به ولتاژ الکتریکی تبدیل می کند. به بیان دقیق تر، به نسبت فوتون های نور ورودی به هر سلول، مقداری شارژ الکتریکی ایجاد می شود. CCD ها با تعداد نقاط (resolution) متفاوت ساخته می شوند و در برخی اسکنرها هم استفاده شده اند.

نمای ساده از ساختار یک سنسور CCD

Super CCD

این فناوری، گام بعدی در روند پیشرفت سنسورهای CCD است که توسط شرکت ژاپنی FujiFilms ارایه شده است، در این نوع سنسورها، سلول های نوری با یک ساختار لانه زنبوری در کنار هم قرار گرفته اند که مزیت های فراوانی دارد، از جمله حساسیت بیشتر سلول ها به نور و کاهش پارازيت تصوير و از آن مهم تر افزایش وضوح مؤثر دوربین که به علت فاصله کمترمیان سلول های نوری است ، در دوربین های مجهز به Super CCD امکان بالا بردن وضوح تصویر به صورت نرم افزاری (Software Interpolation) در خود دوربین وجود دارد. بنابراین عکس های آن ها را می توان در ابعاد بزرگتری چاپ کرد.

تصویر سمت چپ طرز قرار گرفتن سلول های نوری در یک CCD معمولی و تصویر سمت راست یک Super CCD را نشان می دهد که در آن فاصله میان سلولها کاهش یافته است.

CMOS

فناوری دیگر که با سنسورهای CCD در رقابت است CMS نام دارد CMOS مخفف عبارت Complementary Metal Oxide Sericotladucter بوده و یک روش ساخت تراشه های الکترونیکی (IC) می باشد. پرسشی که برای بسیاری از خریداران و کاربران دوربین های دیجیتال مطرح است این است که تفاوت سنسورهای CMOS با CCD چیست؟

۱- CMOS در مقایسه با CCD مصرف انرژی باتری کمتری دارد که این یک ویژگی مهم برای کاربران دوربین های دیجیتال است. این دوربین ها در حدود  تا  دوربین های معادل CCD انرژی مصرف می کنند.

۲- برخی از تجهیزات الکترونیکی جایی که برای یک دوربین لازم است، می تواند به صورت مجتمع روی خود تراشه CMOS قرار داده شود. اما در مورد CCD به این صورت نیست و ساخت تجهیزات برای کنترل نوردهی و تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال به صورت جداگانه صورت می گیرد. این عامل باعث می شود تا دوربین های مبتنی  CMOS ارزان تر، کوچکتر وسبک تر ساخته شوند.

۳- به علت تفاوت در ساختار الکترونیکی دوربین های CMOS مشکل نورگیری بیش از حد تصویر در نور زیاد (Over exposure) کم تر به وجود می آید.

۴- پدیده شگوفندگی (Bloom elfect) در CMOS کمتر و در CCD بیشتر مشاهده می شود.

در مقابل، CCD محاسنی نسبت به CMOS دارد:

۱- حساسیت CCD به نور، بیشتر از CMOS است. بنابراین عکس های نور کم، شب (night) و داخل خانه (indeoor) در دوربین های (CCD) به طور کلی، بهتر از عکس های دوربین های CMOS می شود. (البته دوربین های مجهز به CMOS در هوای صاف و آفتابی محیط بیرون (Outdoor) عکس های بسیار شفافی می گیرند).

۲- CCD نویزپذیری بسیار کمی دارد اما CMOS به نویز تصویر (اختلال تصویر) بسیار حساس است، که باعث شده یک پردازنده رایانه ای مخصوص، جهت کاهش یا حذف نویز در دوربین های CMOS تعبيه شود. بنابراین زمان پردازش هر تصویر، طولانی تر از دوربین CCD خواهد بود.

۳- CCD از محدوده دینامیکی  (Dynumic Range) بیشتری برخوردار است. یعنی نسبت به CMOS می تواند جزییات بیشتری از ناحیه سایه و نور شدید  را همزمان در یک تصویر نشان دهد. با وجود این که در ابتدا CMOS بیشتر در گوشی های تلفن همراه و دوربین های با وضوح پایین و ارزان قیمت استفاده می شد، اما در سال های اخیر با اصلاحات و بهبودهایی که بر روی این فناوری انجام گرفته، برخی کاستی ها و نقایص کیفی آن بهبود یافته است، به طوری که اکنون بسیاری از دوربین های حرفه ای مجهز به این نوع سنسور هستند. همچنین بعضی سازندگان تلاش کرده اند با ساخت سنسورهای ترکی CMOS و CCD که به سنسورهای (Hybrid Sensors) معروف اند، مزایای هر دو نوع سنسور را در یک دوربین گرد آوردند.

سنسور CMOS و سنسور CCD

ابعاد سنسورها

باید گفت مهم ترین ویژگی یک دوربین دیجیتال، مشخصات سنسور آن است که اثر مستقیم بر روی کیفیت تصاویر آن دارد. در معرفی دوربین، مشخصات سنسور تحت عنوان های  Image Sensor, Imaging, Sensor یا اسامی مشابه ذكر شده است. مهمترین پارامتر سنسور، وضوح یا تعداد نقاط تشکیل دهنده تصویر است که در معرفی سنسور ذکر می شود، برای مثال ۱۶ مگاپیکسل. دقت کنید که به طور معمول در معرفی وضوح از دو عبارت پیکسل های مؤثر (Effective Pixels) و تعداد کل پیکسل ها  (Total pixels) استفاده می شود که تعداد پیکسل های مؤثر، کمتر از تعداد کل آنها بوده و آنچه که اهمیت دارد تعداد پیکسل های موثر است. زیرا بخشی از سطح سنسور عملا با یک رنگ سیاه پوشانده شده است و سازندگان سعی دارند با تنظیم ابعاد تصویر، روی سنسور یک نسبت ابعاد استاندارد ایجاد کنند. بنابراین بخش کوچکی از پیکسل ها در ایجاد تصویر نقشی ایفا نمی کنند. برای مثال در یک دوربین ۱۸ مگاپیکسلی داریم:

تعداد کل پیکسل ها= ۵/۱۸میلیون

تعداد پیکسل های مؤثر= ۱۸ میلیون

این دوربین عکس هایی با حداکثر انداره ۳۴۵۶ × ۵۱۸۴ می گیرد که نسبت ابعاد ۳:۲ در آن رعایت می شود (۳۰۲ =  ۲۳۰۴÷۳۰۷۲). بنابراین ۱۷۹۱۵۹۰۴= ۶۳۴۵۶ ×۵۱۸۲، تعداد کل نقاطی است که در عمل می تواند در ساختن تصویر تفش داشته باشد.

مورد بعدی، نوع سنسور است که به طور معمول از انواع CCD, CMOS یا Super CCD می باشد و ما پیشتر به مشخصات آن اشاره کرده ایم اندازه (مساحت) این سنسورها در واحد اینچ مربع بیان می شود. برای مثال دوربین ۱۶ مگاپیکسلی Casio Exiliam EX-ZR700 دارای سنسوری از جنس CMOS به اندازه: ” ۱/۲٫۳اينچ معادل ۶٫۱۷ x 4.55 mm می باشد. دوربین ۱۴ مگاپیکسلی Kodak EasyShare Touch دارای سنسور CCD به اندازه  “۱/۳ اینچ معادل ۴٫۸ × ۳٫۶ mm است. با این حساب، باید گفت در دو دوربین با مگاپیکسل یکسان، دوربینی که اندازه سنسور بزرگتری دارد، با فرض مساوی بودن شرایط کیفی دیگر، می تواند تصاویر یا کیفیت بهتری ایجاد کند

برخی سازندگان، نوع پردازنده تصویر و آرایه رنگی سنسور را نیز مشخص می کنند. برای نوع پردازنده (processor) ، شرکت ها از نام ها و فناوری های مختلفی استفاده کرده اند. برای مثال، Digic در دوربین های Canon و Bionz در دوربین های Sony توجه کنید که عنوان کردن نام بردارنده توسط شرکت سازنده، بیشتر جنبه تبلیغاتی داشته و آنچه در عمل اهمیت دارد، قابلیت ها و کیفیت کار پردازنده است.

محدوده ی دینامیکی سنسور

یکی از ویژگی های مهم سنسور که به خصوص در دوربین های تک عدسی انعکاسی (SLR) قابل دسترسی و مقایسه است، محدوده ی دینامیکی سنسور (Sensor Dynamic Range) می باشد. گستردگی محدوده دینامیکی به معنای گستردگی طیف نقاط نورانی است که به طور همزمان در عکس ثبت می شود. هر چه این عدد بیشتر باشد، یعنی دوربین مناطق پرنور و نیز سایه ها را با دقت و تفکیک بیشتری به تصویر می کشد. برای مثال، اگر محدوده دینامیکی کم باشد، آسمان پر نور تنها با یک رنگ سفید مشخص می شود؛ در حالی که با محدوده دینامیکی بیشتر، همان منطقه پرنور با طیف های متنوعی از رنگ سفید نشان داده می شود. محدوده دینامیکی، حاصل تقسیم بیشترین اندازه سیگنال قابل تولید توسط یک سلول نوری از سنسور بر کمترین اندازه سیگنال (سطح نویز) قابل تولید توسط آن سلول است. بیشترین اندازه سیگنال، معادل بیشترین نور قابل تشخیص برای یک پیکسل است و کمترین انداز سیگنال در هنگامی است که هیچ نوری به سلول نمی تابد. دوربین های SLR  به دلیل بزرگ بودن اندازه پیکسل های شان دارای محدوده دینامیکی بزرگتری هستند.

———————–

تهیه و تنظیم : ریحانه بخشی

برای دیدگاه ها کلیک کنید

جوابی بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

محبوب ترین

بالا