برای درک تکنولوژی دوربین ، ابتدا باید شباهت آن با چشم انسان را مورد بررسی قرار داد.

یک دوربین را می توان به مانند چشم انسان در نظر گرفت. زمانی که نور وارد دوربین می شود به وسیله سنسورهای تبدیل تصویر  CCD، به سیگنال های الکترونیکی تبدیل می گردد. درست مانند آنچه در شبکیه چشم انسان اتفاق می افتد. سپس این سیگنال های الکترونیکی به یک نمایش دهنده مانند تلویزیون فرستاده می گردد.

چشم انسان

چشم انسان تقریباً یک عدسی کروی با قطر ۲.۵ سانتی‌متر می‌باشد که از چندین لایه مختلف که درونی‌ترین آن‌ها شبکیه نام دارد تشکیل شده است. ماهیچه‌های اطرف چشم اندازه لنز را تنظیم می‌کنند که این‌کار چشم را قادر به فوکوس کردن روی اشیاء می‌کند.

وظیفه عدسی چشم، فرم و شکل دادن به تصویری است که توسط میلیون‌ها سلول گیرنده مخروطی (Cone) و میله‌ای (rod) گرفته شده و بر روی پرده شبکیه افتاده است. سلول‌های میله‌ای به یک عصب معمولی که از انتها به شبکیه ختم می‌شود و فقط در سطح نور پایین فعال است، متصلند و سلول‌های مخروطی هر کدام به یک عصب اتصال دارند.

آن‌ها در نورهای شدیدتر، بیشتر فعالند و میزان درک ما از رنگ‌ها را نوع فعالیت این‌ مخروط‌ ها مشخص می‌کند. در میان شبکیه ناحیه‌ای به‌نام نقطه کور وجود دارد که در آن هیچ‌ گیرنده‌ای موجود نیست. در این ناحیه اعصاب به‌صورت جداگانه به عصب بینایی که سیگنال‌های دریافت شده را به قشر بینایی مخ انتقال می‌دهند، وصل می‌شود.

دوربین CCD

CCD از جهت عملکرد تقریباً مانند چشم انسان کار می‌کند. نور از طریق یک عدسی وارد دوربین شده و بر روی یک پرده مخصوص، تصویر می گردد که تحت عنوان تراشه CCD شناخته می‌شود. تراشه Charge Coupled Device) CCD) که تصاویر با استفاده از آن گرفته می‌شوند از تعداد زیادی سلول تشکیل شده که همگی با الگوی خاصی مرتب شده‌اند و تحت عنوان پیکسل (pixels) شناخته می‌شوند.

زمانی که تراشه CCD این اطلاعات را دریافت می‌کند، آن‌ها را به شکل سیگنال‌های دیجیتالی از طریق کابل‌هایی به سیستم دریافت‌کننده می‌فرستد. سپس تصاویر در این سیستم به صورت مجموعه‌ای از اعداد ذخیره می شوند.

سایر تکنولوژی ها :Technology (CMOS) complementary metal oxide semiconductor

از آنجا که روی این تکنولوژی کار زیادی صورت گرفته و تولید آن در حجم انبوه می باشد، ساخت چیپ های CMOS نسبت به CCD ارزانتر در می آید. دیگر مزیت این سنسورها نسبت به CCD اینست که توان مصرفی آنها پایینتر است. به علاوه، در حالی که CCD تنها برای ثبت شدت نوری که بر روی هر یک از صدها هزار نقاط نمونه برداری می افتد کاربرد دارد، می توان از CMOS برای منظورهای دیگر، نظیر تبدیل آنالوگ به دیجیتال، پردازش سیگنال های لود شده، تنظیم سفیدی تصویر (whiteBalance)، و کنترل های دوربین و … استفاده نمود.

همچنین می توان تراکم نقاط و عمق بیتی تصویر را به راحتی بدون افزایش بیش از اندازه قیمت، بالا برد. به همین دلیل بسیاری از تحلیل گران صنایع اعتقاد دارند که نهایتا تمام دوربین های معمولی دیجیتال از CMOS استفاده خواهند نمود و CCD فقط در دوربینهای حرفه ای و گرانقیمت به کار خواهد رفت. در این تکنولوژی مشکلاتی از قبیل تصاویر دارای نویز و عدم توانایی در گرفتن عکس از موضوعات متحرک وجود دارد که امروزه با رفع این مشکلات، CMOS در حال رسیدن به برابری با CCD می باشد.

تا به حال سنسورهای تصویر CMOS با استفاده از تکنولوژی ۰٫۳۵ تا ۰٫۵ میکرونی ساخته شده اند و چشم انداز آینده آن استفاده از تکنولوژی ۰٫۲۵ میکرون می باشد.

تکنولوژی ۰٫۱۸ میکرون

سنسور Faveon با ۱۶٫۸ مگاپیکسل (یعنی قدرت ایجاد تصاویری با وضوح ۴۰۹۶*۴۰۹۶ پیکسل) اولین سنسوری است که با استفاده از تکنولوژی ۰٫۱۸ میکرون ساخته شده است و یک پرش بزرگ را در صنعت ساخت سنسور تصویر CMOS به نام خود ثبت نموده است.

استفاده از تکنولوژی ۰٫۱۸ میکرون امکان استفاده از تعداد بیشتری از پیکسل ها را در فضای فیزیکی معین فراهم کرده و بنابراین سنسوری با وضوح بالاتر به دست می‌آید. لازم به ذکر است چون از لحاظ فیزیکی تصویر ایجاد شده توسط لنز تصویری پیوسته بوده و بدون هیچگونه نقطه و ناپیوستگی، هر چه بتوان پیکسلهای سنسور را کوچک تر نمود و تعداد بیشتری از آنها را در ناحیه تشکیل تصویر قرار داد، می توان عکسی با وضوح بالاتر و نزدیکتر به تصویرحقیقی گرفت.

ترانزیستورهای ساخته شده با استفاده از تکنولوژی ۰٫۱۸ میکرون کوچکتر بوده و فضای زیادی از ناحیه سنسور را اشغال نمی کنند که می توان از این فضا برای تشخیص نور استفاده نمود. این فضا به طور کارآمدی امکان طراحی سنسوری را فراهم می کند که دارای پیکسل های هوشمندتری بوده، و در حین عکسبرداری تواناییهای جدیدی را بدون قربانی کردن حساسیت نوری به دوربین می دهد.

با استفاده از این تکنولوژی ۷۰ میلیون ترانزیستور و ۴۰۹۶*۴۰۹۶ سنسور، فقط در فضایی برابر با ۲۲mm*22mm قرار داده می شود و سرعت ISO آن برابر با ۱۰۰ بوده و محدوده دینامیکی آن ۱۰ استپ است!! انتظار می رود به زودی استفاده از آن در وسایل حرفه ای نظیر اسکنرها، وسایل تصویری پزشکی، اسکن پرونده ها و آرشیو موزه ها شروع شود. در آینده ای طولانی تر، انتظار می رود که این تکنولوژی بطور وسیعی در وسایل معمولی موجود در بازار استفاده گردد.

تکنولوژی Fujifilm Super CCD SR

شرکت فوجی به تازگی نوع سنسور جدیدی بنام Super CCD SR را معرفی نموده است. اعلام این محصول دومین اعلام فوجی در مورد ساخت سنسوری است که چهارمین پیشرفت Super CCD شناخته می شود.

Super CCD SR ) Super Dynamic Range ) تقریبا دو گام محدوده دینامیکی بالاتر از CCD های معمولی دارد. ( محدوده دینامیکی عبارتست از نسبت بین شدیدترین تا ضعیفترین نور موجود در صحنه)

معمولا دوربین های عکاسی نمی توانند تمام محدوده نوری موجود در صحنه هایی که تفاوت نوری زیادی وجود دارد را به درستی ثبت نمایند. هر چه محدوده دینامیکی یک CCD دارای گامهای بیشتری باشد توانایی آن در ثبت دقیقتر جزئیات موجود در سایه روشنهای تصویر بیشتر خواهد بود. پشت هر میکرولنز روی سطح سنسور دو فتو دیود وجود دارد. فتو دیود اصلی سطوح تاریک و عادی نور را ثبت می کند و دارای حساسیت بالاتری است، و دومی جزئیات روشنتر را می گیرد و حساسیت کمتری دارد.

سیگنالهای دو سنسور به طریقی هوشمندانه ترکیب می شوند تا تصویر ایجاد شود. Super CCD SR به گونه ای طراحی شده است که این خاصیت را با استفاده از دو فتو دیود که دارای حساسیت های متفاوت می باشند شبیه سازی نماید.

تکنولوژی X3

در سال ۲۰۰۲ وقتی شرکت Foveon بعد از پنج سال تحقیق و توسعه، یک سنسور تصویری جدید را که ادعا می شد قادر به رسیدن به کیفیت فیلم های ۳۵mm است عرضه نمود، چشم انداز دوربین های دیجیتال قابل رقابت با کیفیت دوربین های فیلمی تا حد زیادی روشن شد.

در دوربین های دیجیتال معمولی فیلترهای رنگی با الگوی موزائیکی بر روی یک لایه تکی از حسگرهای نوری قرار گرفته اند. فیلترها فقط به یک طول موج از نور – قرمز، سبز یا آبی – اجازه عبور و رسیدن به پیکسل سنسور را داده و فقط یک رنگ در هر نقطه ثبت می گردد. در نتیجه سنسور تصویر فقط ۵۰% رنگ سبز و ۲۵% از هر کدام از رنگهای قرمز و آبی را ثبت می نماید.

این روش ایرادی ذاتی داشت که بستگی به تعداد پیکسل های روی سنسور تصویر نداشت. یعنی به هر حال چون این سنسور یک سوم رنگ ها را تشخیص می داد، مابقی رنگها باید با استفاده از یک الگوریتم پیچیده و زمانبر میان یابی می شد. این کار نه تنها عملکرد دوربین را کند می سازد، بلکه باعث ایجاد رنگ مصنوعی در تصویر و از دست رفتن جزئیات تصویر می گردد. بعضی از دوربینها برای حل مشکل مصنوعی شدن رنگها، تصویر را به طور عمدی اندکی مات می کنند.

راه حل

سنسور تصویر جدید Foveon که از نوع CMOS می باشد و از تکنولوژی انقلابی این شرکت یعنی X3 استفاده می کند، در هر پیکسل از سنسور، سه برابر اطلاعات بیشتر از دوربین های مدرن با تعداد پیکسلهای مساوی ثبت می نماید. سنسورهای تصویر X3 این کار را با استفاده از سه لایه از تشخیص دهنده های نور که در سیلیکون جاسازی شده اند انجام می دهند. لایه ها به گونه ای قرار گرفته اند تا از این خاصیت سیلیکون که در عمقهای مختلف رنگهای متفاوتی از نور را تشخیص می دهد استفاده کنند. بنابراین در یک لایه رنگ قرمز، در دیگری سبز و لایه بعدی آبی ثبت می شود.

این بدان معنی است که برای هر پیکسل در سنسورهای X3 ، انباره ای (Stack) برای سه تشخیص دهنده نور وجود دارد. نتیجه سنسوری می شود که قادر است در هر پیکسل هر سه رنگ قرمز، سبز و آبی را تشخیص دهد و در نتیجه به عنوان اولین سنسور تصویر دیجیتال تمام رنگی دنیا معرفی گردد.

درک تصویر

با هر تصویر، چه با دوربین گرفته شود و چه با چشم انسان، مقداری تحریف و تغییر شکل و به عبارتی نویز (noise) وجود دارد. انسان‌ برای درک تصاویری که می‌بیند نیازی ندارد هیچ کاری در مورد فیلتر کردن و از بین بردن نویزهای یک تصویر انجام دهد. مثلاً در یک روز ابری که مه همه جا را فرا گرفته، دید ما به شدت ضعیف و دچار مشکل می‌شود. اما هر آنچه را که قادر به دیدنش باشیم درک می‌کنیم. یعنی برای درک اشیاء نیازی به حذف نویزهای تصویر نیست.

مثلاً اگر در این روز در حال رانندگی در یک جاده باشید و تصویر مبهمی از یک ماشین را مقابل خود ببینید، بالطبع عکس‌العمل نشان می‌دهید و به عبارتی سرعت خود را کم می‌کنید. این یعنی ما هنوز تصویر ماشین را علیرغم وجود مه می‌توانیم تشخیص دهیم و در مقابل آن عکس‌العمل نشان‌دهیم.

یا مثلاً زمانی که دچار سرگیجه می‌شوید، علیرغم این‌که تصاویر اطرف خود را تار و مبهم می‌بینید اما قادر به درک و تشخیص وسایل و تصاویر اطرف خود هستید. یعنی ابتدا صبر نمی‌کنید تا سرگیجه‌تان به پایان برسد و بعد تصاویر را تشخیص دهید و این یعنی با قدرت بینایی انسان، علیرغم خراب شدن تصاویر اطراف، می‌توانیم متوجه فضای اطرف خود بشویم.

اما برای بینایی ماشین ابتدا باید این نویزها طی فرآیندی که تصفیه کردن یا فیلترینگ نامیده می‌شود، از بین برود و بعد هر آنچه برای پردازش عکس لازم است انجام شود. خوشبختانه در حال حاضر تکنیک‌هایی برای انجام این کار وجود دارد.

treshholding

از بین بردن نویزها به‌صورت نرمال توسط تعدادی از توابع ریاضی یا الگوریتم‌هایی که تحت عنوان ‘treshholding’ یا ‘quantizing’ نامیده می‌شود انجام می‌گردد. این فرآیند بسیار حرفه‌ای و پیچیده‌ای است و نیاز به دانش و پشتوانه بالای ریاضی دارد. زمانی که خرابی‌ها از بین رفت، می‌توانیم پردازش عکس‌ها را ادامه دهیم ک این کار با استخراج صورت‌ها و حالت‌ها از یک تصویر انجام می‌شود.

تصویری که مونیتور نشان می دهد مجموعه ای از نقاط سیاه و سفید و یا سه رنگ سبز و قرمز و آبی است درست مانند حالتی که یک صفحه روزنامه را با بزرگنمایی بالا نگاه میکنیم. کوچکترین واحدی که مونیتور به وسیله آنها تصاویر را تشکیل میدهد پیکسل نامیده میشود. در تصاویر موجود در روزنامه برای ایجاد سایه و شکل اندازه نقاط سازنده تصویر در قسمت های مختلف آن متفاوت است و همین امر باعث ایجاد تصویر و رنگ میگردد اما در دوربین ها تمامی پیکسل ها دارای ابعاد یکسانی هستند و هر چه تعداد این پیکسل ها افزایش یابد تصویر به دست آمده از دقت بالاتری برخوردار خواهد بود و جزییات بیشتری از تصویر به دست خواهد آمد.

تعداد پیکسل ها و انواع دوربین

تقریبا ۵۰۰۰۰ پیکسل دوربین ۸ میلی متری

۲۰۰۰۰۰ پیکسل دوربین ۱۶ میلی متری

۱۰۰۰۰۰۰ پیکسل دوربین ۳۵ میلی متری

۳۰۰۰۰۰ پیکسل تلویزیون با سیستم NTSC

۳۰۰۰۰۰ پیکسل تلویزیون با سیستم PAL

۱۰۰۰۰۰۰ پیکسل تلویزیون با دقت نمایش بالا

با توجه به نقش حیاتی پیکسل ها در دوربین های دیجیتال، تولید کنندگان و تهیه کنندگان توجه بسیار خاصی نسبت به پارامتر فوق دارند. مگا پیکسل، واحد اندازه گیری بزرگتری نسبت به پیکسل است. مگا به معنی یک میلیون می باشد. تمامی تصاویر از نقاط بسیار ریزی به نام پیکسل تشکیل می گردند. یک تصویر حاوی میلیون ها نقطه و یا پیکسل بوده که تشخیص آنان بدون چشم مسلح عملا” غیر ممکن است. بدیهی است هر اندازه که دوربین دیجیتال دارای پیکسل های بیشتری باشد، قادر به ثبت جزیئات بیشتری از تصویر خواهد بود. به موازات افزایش اطلاعات مربوط به جزئیات یک تصویر، می توان به راحتی ابعاد و اندازه تصویر را بزرگتر و عملیات موردنظر را انجام داد.

برخی از وضوح های متداول که در دوربین های دیجیتال و استفاده می گردد، به شرح زیر می باشد

۲۵۶ در ۲۵۶ پیکسل:

دقت فوق در اکثر دوربین های دیحیتال ارزان قیمت ارائه می گردد. دقت فوق پائین بوده و معمولا” کیفیت تصاویر اخذ شده توسط این نوع از دوربین ها نیز مطلوب نخواهد بود. مجموع تمامی پیکسل ها ۶۵.۰۰۰ می باشد.

۶۴۰ در ۴۸۰ پیکسل:

دقت فوق نیز پائین بوده و در اکثر دوربین های دیجیتال از آن استفاده می گردد. در صورتیکه قصد گرفتن تصویر و ارسال آن برای دوستان و یا استفاده از آنان در صفحات وب وجود داشته باشد، دقت فوق می تواند در این رابطه پاسخگو باشد. مجموع تمامی پیکسل ها ۳۰۷.۰۰۰ می باشد.

۱۲۱۶در ۹۱۲ پیکسل:

در صورتی که قصد چاپ تصاویر گرفته شده توسط دوربین های دیجیتال وجود داشته باشد، دقت فوق مطلوب خواهد بود. مجموع پیکسل ها، ۱.۱۰۹.۰۰۰ می باشد(مگاپیکسل)

۱۶۰۰ در ۱۲۰۰ پیکسل:

دقت فوق بالا بوده و می توان تصاویر اخذ شده را با ابعاد بزرگتر چاپ نمود( یک تصویر ۸ در ۱۰ اینچ ). مجموع تمامی پیکسل ها تقریبا دو میلیون می باشد.

ضرورت استفاده از دقت بالا در دوربین های دیجیتال به نوع عملیاتی که باید بر روی تصویر انجام شود بستگی دارد. در صورتی که هدف استفاده از تصاویر در صفحات وب و یا ارسال آنان از طریق نامه الکترونیکی برای دوستان باشد، می توان از دوربینی که دارای دقت ۶۴۰ در ۴۸۰ پیکسل است استفاده نمود.

تعداد تصاویری را که دوربین می تواند در خود نگهداری کند نسبت به افزایش وضوح تصویر، کاهش می یابد. در صورتی که تصمیم به چاپ تصاویر گرفته شده وجود داشته باشد، باید از دوربین هایی که دارای تعداد پیکسل بیشتری هستند استفاده کرد.

مکانیزم کار

در سیستم دوربین، انرژی پیکسل به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. سپس به محل مورد نظر فرستاده شده، و این انرژی الکتریکی به نور قابل رویت تبدیل می شود. این پروسه تبدیل نور به انرژی الکتریکی، « تبدیل فتوالکتریک » نامیده می شود. پروسه بر عکس این تبدیل « تبدیل جریان به نور » نامیده می شود.

بر این اساس می توان گفت که دوربین ها دستگاه های فتوالکتریکی و مونیتورها و تلویزیون ها دستگاه های با تبدیل جریان به نور هستند.

در مورد مجموعه ای از پیکسل ها که تولید تصویر میکنند این متدها بدین ترتیب انجام می شود که از اولین پیکسل، روشنی و تیرگی هر پیکسل و میزان سفیدی و سیاهی آن و یا شدت رنگ پیکسل در تصاویر رنگی به ترتیب خوانده شده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود، و بعد از جاروب کردن یک ردیف از پیکسل ها به ردیف بعدی رفته و به همین ترتیب عملیات انجام می شود تا به انتهای صفحه و آخرین پیکسل برسد.

سیستم گیرنده

سیگنال هایی که به این صورت تهیه و فرستاده می شود در سمت دیگر توسط دستگاه گیرنده که می تواند مونیتور و یا تلویزیون باشد دریافت شده و عکس این عملیات در دستگاه های گیرنده اتفاق می افتد تا تصویر مورد نظر شکل گیرد. به عبارت دیگر تصویری که باید انتقال داده شود به الگوریتم مشخصی به تعدادی پیکسل تبدیل می شود که این پیکسل ها به صورت سیگنال های الکتریکی به گیرنده فرستاده می شوند و در گیرنده عکس عمل فوق اتفاق می افتد تا دوباره عکس اصلی را داشته باشیم. به مجموعه این عملیات اسکن کردن Scanning(جاروب کردن )‌ تصاویر گفته می شود.

با توجه به ساختار چشم انسان در صورتیکه تعداد اسکن های گرفته شده از یک تصویر هر ۱/۳۰ ثانیه (NTSC) و یا هر ۱/۲۵ ثانیه (PAL) انجام شود چشم انسان آن را به عنوان یک فیلم احساس خواهد کرد. هر یک از سیستم های PAL , SECAM , NTSC جزء بزرگترین سیستم های تلویزیونی دنیا محسوب می شوند. سیستم NTSC در کشورهایی مانند ایالات متحده، کانادا، ‌ژاپن، کره و تایوان استفاده می شود. کشورهایی که از سیستم PAL استفاده می کنند شامل کشورهای اروپای غربی، چین، کشورهای آسیایی و کشورهای خاورمیانه می شود.

سیستم SECAM در فرانسه، روسیه و کشورهای اورپای شرقی، افریقا و بعضی از کشورهای خاورمیانه مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر سیستم های یاد شده سیستم های زیر برای سیگنال های ویدیویی نیز کاربرد فراوان دارند.

سیستم ویدیویی مختلط ( COMPOSITE VIDEO SIGNAL )

که به نام های VBS برای سیستم های رنگی و VS برای سیستم های سیاه و سفید نیز نامیده می شود. در این سیستم اطلاعات به صورت سیگنال مقدار تشعشع Y، سیگنال رنگ C، سیگنال همزمانی افقی / عمودی S و سیگنال هماهنگ کننده رنگ B طبقه بندی می شوند. البته در حالت VS سیگنال های رنگ و هماهنگ کننده رنگ وجود نخواهد داشت.

سیگنال Y/C : در این سیستم سیگنال میزان تشعشع و سیگنال رنگ به صورت جداگانه برای وضوح تصویر بالا فرستاده می شوند.

سیگنال RGB : در این سیستم که در بسیاری از تولیدات ویدیویی صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد سیگنال رنگ قرمز R، سیگنال رنگ سبز G،‌ سیگنال رنگ آبی B، سیگنال هماهنگ کننده افقی H و سیگنال همانگ کننده عمودی V به طور جداگانه فرستاده می شوند.