سنسور دوربین دیجیتال شامل آرایشی از میلیون ها سلول حساس به نور در کنار هم است که به کمک آن ها تصویر را ثبت می کند. در واقع هر بار که دکمه شاتر دوربین را فشار می دهید و نوردهی به سنسور آغاز می شود، هر یک از این سلول ها که به فوتوسایت (Photosite) موسوم هستند، شروع به جمع آوری فوتونهای نوری برخوردی می کنند. زمانی که نوردهی به پایان می رسد شاتر مسیر نور را بسته و دوربین شروع به محاسبه تعداد فوتون های نور ورودی به هر فوتوسایت می نماید (در دوربین های کوچک و دوربین موبایل شاتر هم به صورت الکترونیکی عمل می کند). تا اینجا مقدار روشنایی یا تاریکی یک نقطه از تصویر نسبت به مکان های دیگر معلوم می شود. به عبارت دیگر تا اینجا یک تصویر سیاه و سفید از سوژه ثبت شده است.
شکل بالا نحوه برخورد فوتون ها و آرایش فوتوسایت های سنسور را نشان می دهد. برای ثبت تصاویر رنگی یک فیلتر بر روی کل فوتوسایت ها قرار داده می شود به نحوی که تنها اجازه عبور یک طول موج یا رنگ مشخصی از نور را می دهد. در واقع هر سلول از سنسور تنها یک طول موج مشخص از نور ورودی را ثبت می کند و در آخر با تجمیع داده های بدست آمده از فوتوسایتها می توان عکسی رنگی از سوژه ثبت کرد. از آنجا که هر یک از سلول های سنسور تنها یکی از سه رنگ اصلی را ثبت می کند می توان گفت که در واقع تنها ۳/۱ نور برخوردی به سنسور در ثبت داده های مربوط به عکس استفاده می شود. به منظور ثبت دقیق رنگ لازم است تا برای هر کدام از دو رنگ اصلی دیگر نیز حداقل یک سلول اختصاص یابد. یک آرایش رایج از فیلتر بکار رفته بر روی سنسور دوربین آرایشی موسوم به آرایش بایر می باشد.
همانطور که در شکل بالا نیز دیده می شود، آرایش بایر شامل ردیف های متناوبی از فیلترهای قرمز-سبز و سبز-آبی میباشد. چهار فیلتر مجاور (دو فیلتر سبز و یک فیلتر آبی و یک فیلتر قرمز) مقادیر سه رنگ اصلی RGB یک پیکسل از تصویر نهایی را تشکیل می دهند. اما همانطور که مشخص است تعداد سلولهای سبز دو برابر تعداد هر کدام از سلولهای آبی و قرمز می باشد. علت در این است که حساسیت شبکیه چشم انسان نسبت به رنگ سبز بیشتر از حساسیتش در ادراک رنگهای آبی و قرمز است، به همین دلیل سطح بیشتری از سنسور به سلولهای مربوط به رنگ سبز اختصاص داده می شود. همچنین با آزمایش ثابت شده است که به این طریق میزان نویز ایجاد شده در تصویر نهایی به حداقل می رسد.
بازیابی اطلاعات سنسور
لازم است تا اطلاعات بدست آمده تا این مرحله به اطلاعات لازم برای تهیه تصویر رنگی یعنی مقادیر RGB هر پیکسل تبدیل شوند. اما در حالی که دوربین توانایی تشخیص رنگ ندارد این کار چگونه امکان پذیر است؟ برای یافتن پاسخ می توان هر آرایش چهارتایی از رنگ های قرمز سبز آبی را به عنوان یک سلول رنگی مستقل در نظر گرفت.
در صورتی که دوربین اینگونه فرض می کرد که همه رنگها در هر کدام از آرایش های چهارتایی در یک نقطه فرود آمده اند در این صورت رزولوشن درجهت های افقی و عمودی نصف این مقدار می بود. اما در صورتی که دوربین به جای استفاده از آرایش های چهارتایی جداگانه، از آرایش های دارای همپوشانی استفاده کند در این صورت با تعداد کمتری از سلول ها می تواند به رزولوشن بالاتری دست پیدا کند. این آرایش دارایی همپوشانی قادر به استخراج اطلاعات بیشتری خواهد بود.
یک مشکل استفاده از این الگوریتم کاهش دقت آن در لبه های تصویر است. زیرا در آنجا تعداد سلول کافی برای دریافت کامل اطلاعات نوری وجود ندارد. این خطا قابل اغماض است زیرا اطلاعات در لبه تصویر می توانند در دوربین های دارای میلیون ها پیکسل کراپ شود. الگوریتم های دیگری برای دستیابی به تصویر از روی اطلاعات نوری ثبت شده سلولهای سنسور وجود دارد که قابلیت دستیابی به رزولوشن بالاتر، تولید نویز کمتر را دارند و همچنین تصویر نهایی را با بیشترین تشابه نسبت به تصویر اولیه ایجاد می کنند.
مقدار فوتون های ورودی به هر فوتوسایت یا به عبارت دیگر مقدار انرژی نورانی برخوردی به آن ها را به روش های مختلف و با مقادیر نسبی بیان می کنند. دقت ثبت این داده ها را عمق بیتی دوربین می نامند (به عنوان مثال دقت ثبت داده های نوری در سیستم ۸ بیتی برابر ۰ تا ۲۵۵ است یعنی سنسور می تواند ۲۵۶ عدد مختلف به مقدار نور ذخیره شده نسبت دهد). از آنجا که دوربین اطلاعات مربوط به رنگ را در سه کانال مجزا RGB ضبط می کند و در یک سیستم ۸ بیتی هر یک نیز توانایی ذخیره ۲۵۶ مقدار مختلف را دارند، به این ترتیب دوربین قادر خواهد بود تا ۲۵۶×۲۵۶×۲۵۶ یعنی تقریبا ۱۶ میلیون رنگ مختلف را ثبت کند.
آرتیفکت (Artifact)
تصاویری که دارای جزئیات بسیار ریز در حد رزولوشن سنسور دوربین هستند می توانند الگوریتم های تشکیل تصویر سنسور را دچار مشکل کنند و در نهایت تصاویری با جلوه غیر واقعی یا آرتیفکت ایجاد نمایند. یکی از رایج ترین این آرتیفکت ها موآر (Moire) نامیده می شود. این آرتیفکت به شکل الگوهای تکرار شونده رنگی و یا پیکسل هایی با شکل غیر واقعی خود را نشان می دهد. به شکل زیر دقت کنید.
در بالا دو تصویر مجزا با بزرگنمایی متفاوتی نشان داده شده است. علاوه بر مربع های مربوط به تصویر اول به نحوه ی تشکیل مو آر در همه چهار مربع پایینی نیز دقت کنید. نقص در رنگ و ایجاد ظاهر تو در تو در دومین مربع (از سمت راست) در نسخه کوچک شده تصویر قابل مشاهده است. این پدیده علاوه بر نوع الگوی درون شکل به نرم افزار داخلی دوربین که برای تولید فایلهای RAW استفاده شده نیز بستگی دارد.
حتی با وجود یک سنسور ایده آل که قادر به ثبت و تمایز دادن میان رنگ ها در هر سلول خود باشد، مو آر و دیگر آرتیفکت ها همچنان وجود دارند. این پدیده ها در واقع از پیامدهای اجتناب ناپذیر هر سیستم دیجیتالی هستند که میخواهند سیگنالهای پیوسته را به صورت گسسته ضبط کنند. به همین علت است که سنسور تمام دوربینهای دیجیتال از لایه ای بنام فیلتر پایین گذر نوری (OLPF) یا فیلتر آنتی الیاسینگ (Antialias) بهره می برند. این فیلتر به شکل یک لایه نازک در برابر سنسور عمل میکند و جزئیات احتمالی با اندازه ای کوچکتر از دقت سنسور که در تصویر اغتشاش ایجاد می کنند را از بین می برد.
آرایش میکرولنزها
ممکن است تعجب کنید که چرا در تصویر اول این مقاله سلول ها دقیقا در کنار یکدیگر و بهم چسبیده نیستند. سنسور دوربین ها در عمل دارای سلول هایی هستند که تمام سطح سنسور را نمی پوشانند. در واقع ممکن است فقط نیمی از سطح سنسور با سلول های حساس به نور پوشانده شود. باقی فضا باید در اختیار دیگر قطعات الکترونیکی و مدارات قرار بگیرد. در فضای میان دو سلول در شکل زیر اجزایی بنام میکرولنزها نشان داده شده است. این میکرو لنزها نور را به سمت سلول های حساس به نور هدایت می کنند. در واقع این میکرولنزها همانند قیفی عمل می کنند که فوتون های نوری که به فضای میان سلول ها می رسند را به سمت سلولها هدایت می کنند.
میکرولنزهایی که بدرستی طراحی شده اند می توانند سیگنال فوتون رسیده به سلول را بهبود ببخشند و در نتیجه در زمان نوردهی ثابت، تصاویری با نویز کمتر ایجاد کنند. سازندگان دوربین های دیجیتال توانسته اند به مدد بهبود طراحی میکرولنزها با وجود حفظ و یا حتی کاهش مقدار نویز تصویر، در یک سطح سنسور مشخص تعداد بیشتری سلول قرار دهند و به این ترتیب رزولوشن یا اصطلاحا مگاپیکسل دوربین ها را روز به روز افزایش دهند.
علاوه بر این فرایندهایی که تا اینجا اشاره شد، پردازش های دیگری بر روی اطلاعات اولیه انجام می گیرد. از آن جمله میتوان به تبدیل سیگنال های آنالوگ به دیجیتال اشاره کرد. شکل زیر مسیر تبدیل سوژه به تصویر دیجیتالی را به طور خلاصه نشان می دهد.
[سایت cambridgeincolour ]
اولین باشید که نظر می دهید