سنسورهای دوربین های دیجیتال

سنسورهای دوربین های دیجیتال

یک دوربین دیجیتال برای ثبت یک تصویر از آرای‌ه­ای شامل میلیون‌­ها کاواک نوری کوچک یا ‏‏‏(photo sites) استفاده می کند. هنگامی که دکمه شاتر دوربین خود را فشار می­‌دهید و نوردهی شروع می­‌شود، این کاواک­‌ها فوتون­‌های نور را جمع­‌آوری کرده و به صورت یک سیگنال الکتریکی ذخیره می­‌کند. در پایان نوردهی دوربین هر یک از این کاواک­‌ها نوری را می­‌بند و سپس با اندازه­‌گیری قدرت سیگنال الکتریکی سعی می­‌کند تشخیص دهد چه تعداد فوتون درون هر کاواک افتاده است. سپس سیگنال­‌های الکتریکی به مقادیر دیجیتال تبدیل می­‌شود و دقت آن وابسته به تعداد بیت­‌های استفاده شده برای تبدیل است. ‏‏‏(تعداد بیت­‌های به کار رفته در تبدیل بیت دپث ‏‏‏(bit depth) نامیده می­‌شوند). دقت نهایی، بسته به این که مقادیر دیجیتال با چه فرمتی ذخیره شوند، ممکن است کاهش یابد.

سنسور دوربینها

آرایه­‌های نشان داده شده در تصویر بالا فقط تصاویر سیاه و سفید تولید می‌­کنند چون قادر نیستند میزان نور دریافتی از رنگ­‌های مختلف را تفکیک کنند. برای گرفتن عکس‌­های رنگی، لازم است یک فیلتر بر روی هر حفره قرار گیرد که فقط به رنگ‌های خاصی از نور اجازه عبور می‌­دهد. تقریبا تمام دوربین‌­های دیجیتال فعلی فقط تنها یکی از سه رنگ اصلی را در هر کاواک جذب می‌­کنند، بنابراین 3/2 درصد از نور ورودی هدر می‌­رود. در نتیجه هر پیکسل تنها دارای یکی از سه رنگ اصلی است، مقادیر دو رنگ دیگر با استفاده از مقادیر این رنگ‌ها از پیکسل‌­های مجاور تخمین زده می‌­شود. رایج‌­ترین آرایه فیلتر رنگی آرایه بایر ‏‏‏(Bayer array) نام دارد که در زیر نشان داده شده است.

سنسور دوزبین‌ها

آرایه بایر متشکل از ردیف‌­های متناوب فیلترهای قرمز، سبز و آبی است. توجه داشته باشید که در آرایه بایر سنسورهای سبز دو برابر سنسورهای قرمز و آبی است، زیرا چشم انسان نسبت به رنگ سبز حساس‌تر از رنگ قرمز و آبی است. افزونگی پیکسل‌­های سبز تصویری با نویز‏‏‏(noise) کمتر و جزییاتی بهتر نسبت به حالتی که اگر هر رنگ به مقدار مساوی به کار می­‌رفت ایجاد می‌­کند. این همچنین توضیح می‌­دهد که چرا نویز در کانال سبز خیلی کمتر از دو رنگ اصلی دیگر است.

سنسورهای دوربین های دیجیتال

نکته: همه دوربین‌های دیجیتال از آرایه بایر استفاده نمی‌­کنند، گرچه تا کنون این رایج ترین نوع آرایه بوده است. برای مثال، سنسور فویان سه رنگ را در یک پیکسل جذب می‌­کند، در حالی که سنسورهای دیگر ممکن است چهار رنگ را در یک آرایه مشابه جذب کنند:  قرمز، سبز، آبی و سبز زمردی.

الگوریتم بازسازی تصویر بایر ‏‏‏(Bayer Demosaicing):

"بازسازی رنگی" بایر فرآیند تبدیل آرایه بایر از رنگ‌­های اصلی به تصویری نهایی که اطلاعات تمام رنگی در هر پیکسل است، می‌باشد. اگر دوربین قادر به اندازه‌­گیری مستقیم تمام رنگی نیست، چطور این امکان وجود دارد؟ یک راه برای فهم این مسئله این است که یک آرایه 2×2 رنگ‌های قرمز، سبز و آبی را یک کاواک یا پیکسل در نظر بگیرید.

سنسور دوربین‌ها

این کار عملی است، با این حال بیشتر دوربین‌­ها گام‌­های اضافه‌­ای برای استخراج اطلاعات حتی بیشتر، از این آرایه‌­های رنگی بر می‌­دارند. اگر در بازسازی تصویر هر آرایه 2×2 به عنوان یک پیکسل در نظر گرفته شود، یا به عبارت دیگر محل فرود رنگ­‌ها در مرکز آرایه در نظر گرفته شود همان طور که در شکل بالا نشان داده شده است، تنها به نیمی از رزولوشن در هر دو جهت افقی و عمودی می‌توان دست یافت، در صورتی که اگر دو رنگ اصلی دیگر را برای هر پیکسل با استفاده از پیکسل‌­های مجاور در نواحی 2×2 هم پوشان تخمین زد می‌­توان به رزولوشن بالاتری نسبت به حالت قبل دست یافت. ترکیب ذیل از همپوشانی آرایه‌­های 2×2 می‌­تواند برای استخراج اطلاعات بیشتر از تصویر، مورد استفاده قرار گیرد.

سنسورهای دوربین های دیجیتال

توجه کنید که چگونه اطلاعات تصویر را در لبه‌­های آرایه محاسبه نکردیم، زیرا فرض می‌­شود که تصویر در هر جهت ادامه دارد. اگر این‌­ها واقعا لبه‌­های آرایه بودند، محاسبات در اینجا از دقت کمتری برخوردار می‌­شدند، زیرا پیکسل‌­های دیگری در هر طرف وجود ندارد.

با این حال، این مقدار به طور معمول ناچیز است، زیرا برای یک دوربین با رزولوشن چند میلیون پیکسلی به راحتی می­‌توان لبه‌­های تصویر را حذف کرد.

الگوریتم‌­های بازسازی تصویر دیگری وجود دارند که می‌­توانند رزولوشنی کمی بیشتر استخراج کنند، تصاویری با نویز کمتر تولید کنند یا با بهترین تقریب برای تصویر در هر موقعیت تطبیق پیدا کنند.

خطاهای بازسازی تصویر:

تصاویر با جزییات کوچک نزدیک حد رزولوشن سنسور دیجیتال، گاهی می‌­توانند الگوریتم بازسازی تصویر را فریب دهد که به تولید نتایجی که غیر واقعی به نظر می‌­رسند می‌­انجامد. رایج‌­ترین خطا، الگوی موج دار moiré  با تلفظ ‏‏‏(more-ay) می‌­باشد که ممکن است به صورت الگوهای تکراری، خطاهای رنگی یا پیکسل‌­های مرتب شده با الگویی غیر واقعی و پر پیچ و خم ظاهر شوند:

سنسورهای دوربین های دیجیتال

دو عکس جداگانه در بالا هر یک با بزرگ‌نمایی متفاوت نشان داده شده است. به ظاهرِ موجدار‏‏‏(moiré) در هر چهار مربع پایین، به علاوه­ مربع سوم در اولین عکس ‏‏‏(ظریف) توجه کنید. هر کدام از خطاهای مارپیچ و رنگی در مربع سوم در نسخه کوچک شده قابل مشاهده‌­اند. این خطاها به نوع بافت و نرم افزار استفاده شده برای ایجاد فایل خام دوربین دیجیتال بستگی دارند.

با این حال حتی در یک سنسور فرضا کامل که می‌­تواند تمامی رنگ‌­ها را در هر کاواک نوری جذب کند و تمییز دهد، الگوی موجدار و دیگر خطاها همچنان می‌­توانند ظاهر شوند. این یک پیامد اجتناب ناپذیر در هر سامان‌ه­ای است که از یک سیگنال پیوسته به صورت گسسته ‏‏‏(زمانی یا مکانی) نمونه برداری می‌­کند به همین علت تقریبا هر سنسور دیجیتال عکاسی یک فیلتر پایین گذر اپتیکی ‏‏‏(OLPF) یا فیلتر ضد آلیاس ‏‏‏(AA) را به کار می‌­گیرد.­­ این به طور معمول لای‌ه­ای نازک است که مستقیما در مقابل سنسور قرار گرفته و با محو کردن هر نوع جزییاتی که به طور بالقوه مساله ساز یا کوچک­تر از رزولوشن سنسور هستند، کار می‌­کند.

آرایه میکرولنز:

شما ممکن است تعجب کنید که چرا اولین نمودار در این آموزش هر کاواک را به طور مستقیم در کنار دیگری قرار نداده استدر واقع کاواک‌­های نوری حسگرهای دوربین‌­های واقعی تمام سطح حسگر را نمی‌­پوشاند. در حقیقت، آن‌ها ممکن است تنها نیمی از کل سطح را پوشش دهند تا بتوانند سایر وسایل الکترونیکی را در این بین جا داد. بین کاواک‌­ها راس‌­های کوچکی قرار داده می‌­شود تا فوتون‌­ها را به یک کاواک یا کاواک دیگری هدایت کند. برای افزایش هدایت نور به درون کاواک‌­ها در بالای هر کاواک یک میکرو لنز قرار می‌­دهند. این لنزها مشابه قیف‌­هایی‌­اند که فوتون‌­ها را به کاواک نوری هدایت می‌­کنند در حالی که بدون این لنزها فوتون‌­ها به هدر می‌­رفتند.

سنسورهای دوربین های دیجیتال

میکرو لنزهایی که به خوبی طراحی شده باشند می‌­توانند سیگنال فوتون‌­ها را در هر کاواک نوری بهبود بخشند و در نتیجه تصویری با نویز کمتر در همان مدت نوردهی ایجاد می‌­کند. پیشرفت‌­ها در زمینه طراحی میکرو لنزها، سازندگان دوربین را قادر ساخته تا کاواک‌­های بیشتری را در حسگر جا بدهند. گرچه این کاواک‌­ها کوچک‌­ترند به علت تعداد بیشتر آنها در حسگر نویز تصویر این دوربین‌­های جدید کاهش یافته است.

مطالب پیشنهادی