سنسور دوربین های دیجیتال
آشنایی با سنسور دوربین های دیجیتال

آشنایی با سنسور دوربین های دیجیتال

موضوع : ساختمان دوربین

منبع مقاله : نشریه کمبریج این کالر

 

دوربینهای دیجیتال، از یک سنسور که متشکل از میلیون ها پیکسل کوچک است برای ثبت تصویر استفاده می کنند.
پیکسل ها خود از تعداد زیادی فتوسایت تشکیل شده اند و در داخل هر کدام از این فتوسایت ها، حفره ای برای ذخیره کردن فوتون های نور قرار دارد که وقتی شما دگمه شاتر دوربین تان را فشار می دهید و نوردهی آغاز می شود، فتوسایت ها شروع به ذخیره کردن نور در داخل حفره ها می کنند و با پایان زمان نوردهی، دوربین روی این فتوسایت ها را بسته و شروع به شمارش فتون ها در داخل هرکدام از این فتوسایتها می کند.
سپس میزان تقریبی فتون های جای گرفته درهر حفره، بر اساس درجه سختی ذخیره می شوند، که این فرآیند به عمق بیتی (bit depth) بستگی دارد. (از 0 تا 255 برای تصاویر 8-bit)

 

فتوسایت ها به تنهایی توانایی تشکیل تصویر رنگی را ندارند و فقط می توانند تصویر را به صورت سیاه و سپید ثبت کنند. برای تولید رنگ، مجموعه ای از فیلترها به هر فتوسایت اضافه می شوند. هر کدام از این حفره ها به صورت بالقوه، به تنهایی توانایی تشخیص یکی از سه رنگ اصلی را دارند. این در حالی است که حفره ها توان تشخیص دو رنگ دیگر را ندارند. به همین دلیل این مجموعه فیلترها می بایست همه رنگ های اصلی را شامل شوند.
معمول ترین نحوه چیدمان فیلترها در هر فتوسایت، الگوی بایر نام دارد که در شکل زیر آن را مشاهده می کنید.

 

اساس الگوی بایر، ایجاد تناوب در رنگهای سبز، آبی و قرمز می باشد. به این نکته دقت کنید که در الگوی بایر، از رنگ سبز، دو برابر رنگهای قرمز و آبی استفاده شده است که این به دلیل شبیه سازی عمل چشم انسان است، زیرا چشم انسان به رنگ سبز بیشتر از رنگهای آبی و قرمز حساسیت نشان می دهد. علاوه بر آن، بیشتر بودن فیلتر سبز رنگ موجب ایجاد تصاویری با نویز کمتر و جزئیات بیشترمی شود. دلیل این اتفاق، وجود نویز کمتر در کانال سبز رنگ می باشد.

 

صحنه واقعی
(200% با زوم)
آنچه دوربین می بیند
(بر اساس الگوی بایر)

 

نکته:همه دوربین های دیجیتال از الگوی بایر استفاده نمی کنند، اما بیشتر آنها طبق این الگو کار می کنند. سنسور Foveon که در دوربین های سیگما مدل SD9 و SD10 استفاده شده است، هر سه رنگ را توسط یک پیکسل ثبت می کند.
دوربین های سونی هم چهار رنگ: سبز، آبی، قرمز و سبز زمردی را در کنار هم قرار می دهند.


تغییر ساختار الگوی بایر (Bayer demosaicing)

تغییر ساختار الگوی بایر، فرآیندی است که در طی آن تصویر ثبت شده توسط الگوی بایر به تصویر نهایی (که شامل پیکسل های تمام رنگی است) تبدیل می شود.
در دوربینی که فقط می تواند سه رنگ را تشخیص دهد، چگونه تصویر تمام رنگی ساخته می شود؟!
یک راه درک این فرآیند آنست که هر بخش 2×2 را که شامل سه رنگ سبز، قرمز و آبی است به عنوان یک حفره واحد تمام رنگی در نظر بگیریم:

 

این کار به خوبی جواب می دهد اما به هر حال دوربین ها برای استخراج یک تصویر تمام رنگی از تصویر ثبت شده توسط الگوی بایر، چند مرحله کار دیگر نیز بر روی آن انجام می دهند.
اگر چیدمان تمامی فیلترهای رنگی بر روی هر فتوسایت یکسان باشد، دوربین فقط می تواند به نیمی از رزولوشن مورد انتظار در جهت های عمودی و افقی دست پیدا کند، از طرف دیگر اگر دوربین بتواند ترکیبات مختلفی را برای چیدمان فیلترها در هر ترکیب 2×2 در نظر بگیرد، می تواند نسبت به آنچه فقط یک روش چیدمان 2×2 در اختیارش قرار می دهد، به رزولوشن بالاتری دست پیدا کند.

 

توجه کنید که اطلاعات تصویر در چهار گوشه هر چیدمان در نظر گرفته نمی شوند زیرا ثبت اطلاعات در گوشه های پیکسل ها به صورت دقیق انجام نمی شود، که البته این امر در تصویری با داشتن میلیون ها پیکسل قابل چشم پوشی است، همچنین دقت کنید که با این روش، مسیرهای متعددی را برای خواندن اطلاعات می توان در نظر گرفت.
روشهای دیگری برای تغییر در ساختار الگوی بایر وجود دارند که تصویری با رزولوشن کمی بالاتر و کمی نویز کمتر هم می تواند تولید کند.


پیامدهای تغییر در ساختار الگوی بایر
گاهی جزئیات ریز موجود درعکس ها، به علت محدودیت های سنسور و همچنین با فریب دادن الگوریتم تغییر ساختار، پیامدهایی نظیر: جلوه های غیر واقعی در عکس ها را بوجود می آورند که مهمترین آنها moiré( تلفظ: “more-ay”) است. این پیامد ممکن است به اشکال مختلفی نظیرالگوهای تکراری، رنگ ها و بافت های غیر واقعی همانطور که در شکل زیر می بینید، در عکس ها پدیدار شود:

 

توضیح اینکه دو عکس بالا بزرگنمایی های مختلفی از دو تصویر جداگانه هستند.
وقوع moiré در چهار مربع پایین وعلاوه بر آنها در سومین مربع از سمت چپ در عکس بالا (با در نظر گرفتن بزرگنمایی بیشتر در عکس بالایی) نیزکاملا آشکار است و عواملی نظیر بافت سطح موضوع و نرم افزاری که برای ویرایش فایل RAW مورد استفاده قرار گرفته، در وقوع آن موثر است.


آرایش میکرولنز
ممکن است در نخستین شکلی که در این مقاله دیدید، متوجه این موضوع شده باشید که بین حفره ها فاصله وجود دارد، بله درست است! در سنسورهای واقعی هم تمامی سطح سنسور با این حفره ها پوشیده نشده است. در حقیقت برای اینکه فوتون ها جذب شوند، فقط کافی ست حدود نیمی از سطح سنسور توسط این حفره ها پوشیده شود. دیواره هر کدام از این حفره ها همانطور که در شکل می بینید دارای یک نوک راس مانند است که منجر به هدایت فوتون ها به یک حفره یا حفره کناری اش می شود. در ساختار دوربین های دیجیتال، به این نوک های راس مانند، میکرولنز گفته می شود و وظیفه میکرولنزها بالا بردن توانایی فتوسایتها در جذب نور می باشد.

 

هر چقدر این میکرولنزها کیفیت مرغوبتری داشته باشند، توانایی فتون ها در جذب نور بالاتر رفته و همچنین باعث می شوند در نوردهی های طولانی مدت، نویز کمتری در تصویر پدیدار شود.
از طرف دیگر، هر چقدر اندازه این میکرولنزها کوچکتر شود، امکان بالا رفتن مگاپیکسل بدون افزایش اندازه سنسور به وجود می آید.
شرکت های سازنده دوربین با استقاده از میکرولنزهای بسیار مرغوب، موفق به تولید دوربین هایی با کیفیت و رزولوشن بالا شده اند.

 





دیدگاهتان را بنویسید