تکنولوژی های معمول دوربینهای مداربسته

یک دوربین را میتوان به مانند چشم انسان در نظر گرفت ، زمانی که نور وارد دوربین میشود 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 میگردد .

چشم انسان :

چشم انسان تقریباً یک عدسی کروی با قطر ۵/۲ 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 زوم (zoom) 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 برروی پرده شبکیه افتاده است ، می‌باشد . 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 مخروط‌ها 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 .

CCD از جهت عملکرد تقریباً مانند چشم انسان کار می‌کند . نور از طریق یک عدسی وارد دوربین و برروی یک پرده مخصوص تصویر می‌شود 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 در یک تراشه با الگوی خاصی مرتب شده‌اند و تحت عنوان پیکسل (pixels) شناخته می‌شوند . زمانی که تراشه CCD این اطلا عات را دریافت می‌کند ، آن‌ها را به شکل سیگنال‌های دیجیتالی از طریق کابل‌هایی به سیستم دریافت‌کننده می‌فرستد و بعد تصاویر در این سیستم به صورت مجموعه‌ای از اعداد ذخیره می‌شوند.

CMOS 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 می باشد . بعلاوه ، 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 رنگ سفید (white Balance) ، 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 . بخاطر این مزیتها و سایر مزایا ، 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 بکار 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 بحال 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 .

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 بنابرین 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 می باشد ، 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 بطور کارآمدی ، امکان طراحی سنسوری را که دارای پیکسل های هوشمندتری بوده ، و در حین عکس برداری تواناییهای جدیدی را بدون قربانی کردن حساسیت نوری به دوربین می دهد ، فراهم می کند . 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 میرود ، بعد از ۱۸ ماه از تولید این سنسور 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 .

شرکت فوجی بتازگی نوع سنسور جدیدی بنام SuperCCD SR را معرفی نموده است . اعلام این محصول دومین اعلام فوجی در مورد ساخت سنسوری است که چهارمین پیشرفت SuperCCD شناخته میشود . SuperCCD 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 بدرستی 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 فتودیود وجود دارد ، فتودیود اصلی سطوح تاریک و عادی نور را ثبت می کند (دارای حساسیت بالاتری است) و دومی جزئیات روشنتر را می گیرد (حساسیت کمتری دارد) . سیگنالهای دو سنسور بطریقی هوشمندانه ترکیب می شوند تا تصویری با محدوده دینامیکی گسترده تری ارائه دهند . اولین سنسور از نوع SuperCCD SR دارای تعداد پیکسل های موثر ۳ مگاپیکسل می باشد . شرکت فوجی فیلم SuperCCD SR را به عنوان تکنولوژی معرفی نموده است که برای شبیه سازی محدوده دینامیکی نگاتیوها طراحی شده است . فیلم های عکاسی دارای لایه های مختلف با حساسیت مختلف می باشند که محدوده دینامیکی وسیعی را ایجاد می نمایند . SuperCCD SR به گونه ای طراحی شده است که این خاصیت را با استفاده از دو فتودیود که دارای حساسیت های متفاوت می باشند شبیه سازی نماید .

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 گردید . 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 بهر حال چون این سنسور یک سوم رنگ ها را تشخیص می دهد ، مابقی رنگها می بایست 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 . سنسور تصویر جدید Foveon که از نوع CMOS می باشد و از تکنولوژی انقلابی این شرکت یعنی X3 استفاده می نماید ، 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 نمایند . بنابرین 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 .

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 و 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 .

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 میدهد مجموعه ای از نقاط سیاه و سفید و یا سه رنگ سبز و قرمز و سفید 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 .

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

300000 پیکسل تلویزیون با سیستم PAL

1000000 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 و پیکسل نقاط بسیار کوچکی می باشند که یک عکس را ایجاد می نمایند . تمامی تصاویر از نقاط بسیارریزی 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 می باشد . بدیهی است ، هر اندازه که دوربین دیجیتال دارای پیکسل های بیشتری باشد ، قادر به آگاهی جزیئات بیشتری از تصویر خواهد بود . بموازات افزایش اطلاعات مربوط به جزئیات یک تصویر ، می توان براحتی ابعاد و اندازه تصویر را بزرگتر و عملیات مربوطه را در ارتباط با آنان انجام داد .

برخی از وضوح های متداول که در دوربین های دیجیتال استفاده می گردد ، بشرح 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.

۱۲۱۶ در ۹۱۲ پیکسل : در صورتیکه قصد چاپ تصاویر اخذ 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 بالابوده 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 .

امروزه دوربین هائی با ۲ / ۱۰ میلیون پیکسل نیز عرضه شده است . ضرورت استفاده از دقت بالا در دوربین های دیجیتال ، به نوع عملیاتی که می بایست بر روی تصویر انجام شود بستگی دارد . در صورتیکه ، 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 نماید ، متناسب به افزایش وضوح تصویر ، کاهش می یابد . در صورتیکه تصمیم به چاپ تصاویر اخذ شده وجود داشته باشد ، می بایست از دوربین هائی که دارای تعداد پیکسل بیشتری می باشند ، استفاده گردد . در حال حاضر، دوربین های چهار و پنج مگا پیکسلی متداول شده اند .

در سیستم دوربین ، انرژی پیکسل به انرژی الکتریکی تبدیل میشود و به محل مورد نظر فرستاده می گردد و در محل مورد نظر این انرژی الکتریکی به نور قابل رویت تبدیل میگردد . این پروسه تبدیل نور به انرژی الکتریکی به نام ” تبدیل فتوالکتریک ” نامیده میشود و پروسه بر عکس این تبدیلات به نام ” تبدیل جریان به نور ” نامیده میشود بر طبق گفته های بالا میتوان گفت که دوربین ها دستگاه های فتوالکتریکی و مونیتورها و تلویزیون ها دستگاه های با تبدیل جریان به نور میباشند . در مورد مجموعه ای از پیکسل ها که تولید تصویر میکنند این متدها بدین ترتیب انجام میشود 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 میشود و بعد از جاروب کردن یک ردیف از پیکسل ها به ردیف بعدی رفته و به همین ترتیب عملیات انجام میشود تا به انتهای صفحه و آخرین پیکسل برسد . سیگنال هایی که به این صورت تهیه و فرستاده میشود در سمت دیگر توسط دستگاه گیرنده که میتوان مونیتور و یا تلویزیون باشد دریافت شده وعکس این عملیات در دستگاه های گیرنده اتفاق افتاده تا تصویر مورد نظر شکل گیرد . به عبارت دیگر تصویری که باید انتقال داده شود به الگوریتم مشخصی به تعدادی پیکسل تبدیل میشود که این پیکسل ها به صورت سیگنال های الکتریکی به گیرنده فرستاده میشوند و در گیرنده عکس عمل فوق اتفاق افتاده تا دوباره عکس اصلی را داشته باشیم . به مجموعه این عملیات اسکن کردن (‌Scanning ، جاروب کردن )‌ تصاویر گفته میشود .

با توجه به ساختار چشم انسان در صورتیکه تعداد اسکن های گرفته شده از یک تصویر هر ۳۰/۱ ثانیه (NTSC) و یا هر ۲۵/۱ ثانیه (PAL) انجام شود چشم انسان آن را به عنوان یک فیلم احساس خواهد کرد . هر یک از سیستم های PAL , SECAM , NTSC جزو بزرگترین سیستم های تلویزیونی دنیا محسوب می گردند . سیستم NTSC در کشورهایی مانند ایالات متحده ، کانادا ، ‌ژاپن ، کره و تایوان استفاده میشود . کشورهایی که از سیستم PAL استفاده میکنند شامل کشورهای اروپای غربی ، چین ، کشورهای آسیایی و کشورهای خاورمیانه میشود . سیستم SECAM در فرانسه ، روسیه و کشورهای اورپای شرقی ، افریقا و بعضی از کشورهای خاورمیانه مورد استفاده قرار میگرند . 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 میشود . 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 میشوند . 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 وضح تصویر بالا فرستاده میشوند . 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 میشوند .