دوربین دیجیتال چگونه کار می‌کند؟

مگاپیکسل و رزولوشن چیست؟
اصطلاح مگاپیکسل به تعداد کل پیکسل‌های قابل ثبت در یک تصویر توسط سنسور دوربین اشاره دارد. این مقدار ، هم به ابعاد سنسور و هم به میزان دقت آن بستگی دارد.
مثلا سنسور یک دوربین دیجیتال ممکن است بتواند در بهترین حالت عکسی با ابعاد 2592 در 1944 پیکسل ثبت کند. در این صورت مجموعا 5038848 (حدود 5 میلیون) پیکسل یا نقطه در این تصور وجود خواهد داشت. بنابراین به چنین دوربینی اصطلاحا 5 مگاپیکسل می‌گویند. البته این دوربین می‌تواند تصاویری با ابعاد و رزولوشن پایین‌تر نیز ثبت کند. این بستگی به تصمیم عکاس دارد. هرچه رزولوشن تصویر و ابعاد آن کمتر باشد، تعداد تصاویری که می‌توان روی مقدار معینی از حافظه دوربین ثبت کرد بیشتر می‌شود اما در عوض دقت و وضوح آن کمتر می‌شود.توجه کنید که دقت و وضوح کمتر لزوما به معنی کیفیت پایین‌تر نیست. عوامل دیگری همچون کیفیت کار لنز و میزان بزرگنمایی آن، سرعت شاتر، میزان روشنایی تصویر و سرعت ISO نیز تاثیر بسزایی در کیفیت و شفافیت عکس دیجیتال دارند که اهمیتشان گاهی اوقات از مگاپیکسل دوربین خیلی بیشتر است.
اگر بخواهیم رزولوشن را یکی از عوامل تعیین کننده در کیفیت تصویر تلقی کنیم، این بستگی زیادی به توقع و نیاز ما دارد. اگر بخواهید یک تصویر دیجیتالی را در ابعاد کوچکی چاپ کنید. تنظیم دوربین روی رزولوشنی پایین‌تر از حداکثر توانایی آن نیز نتیجه خیلی خوبی حاصل می‌کند زیرا شما عکس بزرگی نمی‌خواهید. اما اگر بخواهید همین عکس را در ابعاد بزرگ چاپ کنید، آنگاه ابعاد و رزولوشن تصویر در کیفیت آن تعیین کننده خواهد بود.

تفاوت زوم اپتیکال و زوم دیجیتال چیست؟
کلمه زوم به معنی بزرگنمایی است و بزرگنمایی همان کاری است که لنز دوربین انجام می‌دهد. این کار توسط جابجا شدن عدسی‌های لنز و تغییر فاصله کانونی آن صورت می‌گیرد. در دنیای عکاسی با دوربین‌های غیر دیجیتال ـ بخصوص عکاسی حرفه‌ای ـ معمولا از لنزهایی استفاده می‌شود که دامنه فاصله کانونی آنها چندان بزرگ نیست. مثلا برای عکاسی از مناظر پهناور از لنزهای واید (زاویه باز) مثلا 17 تا 35 میلیمتری و برای درشتنمایی صحنه‌های دوردست از لنزهای تله 100 تا 500 میلیمتری استفاده می‌شود. اما در بیشتر دوربین‌های عکاسی دیجیتال (غیر از انواع SLR) از لنزهایی استفاده می‌شود که اصطلاحا لنز زوم نامیده می‌شوند و می‌توانند دامنه وسیعی از فاصله کانونی را (مثلا از 35 تا 350 میلیمتر) پوشش دهند. به همین دلیل میزان بزرگنمایی لنز دوربین (که ثابت و غیر قابل تعویض است) به عامل مهمی در کیفیت کار دوربین و نیز هنگام خرید آن تبدیل می‌شود.منظور از زوم اپتیکال همین میزان بزرگنمایی لنز زوم در دوربین‌های دیجیتال است. هرچه دامنه فاصله کانونی لنز بیشتر باشد، میزان بزرگنمایی لنز که معمولا با حرف x‌ نشان داده می‌شود بیشتر می‌شود. مثلا لنز یک دوربین دیجیتال با زوم اپتیکال 12x خیلی قوی‌تر از لنز دوربین دیگری است که زوم اپتیکال آن 6x‌ است.

اما زوم دیجیتال چیز دیگری است. زوم دیجیتال یک بزرگنمایی جعلی است و ربطی به فاصله کانونی لنز ندارد. بنابراین وقتی از زوم دیجیتال در دوربین استفاده می‌کنید تصویر واقعا بزرگتر نمی‌شود بلکه فاصله کانونی لنز ثابت می‌ماند و از روشی به نام جاگذاری (interpolation) استفاده می‌شود تا یک سری پیکسل‌های اضافی بر اساس پیکسل‌های موجود در تصویر تولید و به تصویر اضافه شود. این پیکسل‌ها با تکنیک‌های پردازش تصویر و فناوری موحود در لنز و تراشه پردازشگر تصویر در دوربین محاسبه و حدس زده می‌شود. به این ترتیب تصویر حاصله به صورت مجازی بزرگتر می‌شود. استفاده از زوم دیجیتال تقریبا با بزرگنمایی تصویر در نرم‌افزارهای ویرایش عکس،برابر است و گاهی اوقات نتیجه بزرگ کردن عکس توسط این نرم‌افزارها خیلی بهتر از زوم دیجیتال از آب در می‌آید.

تفاوت کاربرد منظره یاب و صفحه LCD در چیست؟
همه دوربین‌های غیردیجیتال از سیستمی به نام Viewfinder یا منظره یاب استفاده می‌کنند.
این همان قسمتی است که هنگام عکس گرفتن از درون آن به منظره یا سوژه مورد نظر نگاه می‌کنیم و کادر تصویر مطلوبمان را انتخاب می‌کنیم. منظره یاب در این دوربین ها تصویر را به صورت انعکاسی و به کمک آینه‌های موجود در دوربین به چشم مان می‌رساند.در دوربین‌های دیجیتالی وضعیت کمی متفاوت است.
اولا از آنجایی که سنسور دوربین الکترونیکی است و تصاویر را به صورت دیجیتالی ثبت می‌کند، می‌توان به راحتی تصویر روبروی دوربین را از طریق سیگنال‌های الکترونیکی منتقل کرد و توسط یک صفحه نمایش LCD نمایش داد.
ثانیا استفاده از این روش موجب می‌شود که دیگر نیازی به آینه‌ها و سایر ادوات انعکاسی و مکانیکی داخل دوربین نباشد. بنابراین حجم دوربین خیلی کم می‌شود. این همان روشی است که در دوربین‌های دیجیتالی ارزان قیمت به کار می‌رود. اما حذف سیستم اپتیکال منظره یاب عملا کیفیت کار دوربین را پایین می‌آورد. زیرا اولا تصویر LCD هرگز نمی‌تواند به شفافیت و دقت تصویری باشد که عدسی دوربین به سادگی روی منظره یاب منتقل می‌کند. ثانیا در شرایطی که نور محیط شدید است ـ مثلا در کنار یک ساحل آفتابی یا در یک روز برفی ـ دیدن تصویر کم نور صفحه LCD‌ سخت می‌شود. در دوربین‌های دیجیتالی نیمه حرفه‌ای این مشکل را با افزودن یک منظره یاب دیجیتالی کاهش می‌دهند. به این ترتیب همان تصویر دیجیتالی که روی LCD‌ نمایش داده می‌شود روی یک LCD‌ خیلی کوچک در فضای تاریک داخل منظره یاب نمایش داده می‌شود تا اولا مصرف باتری کم شود و ثانیا دیدن تصویر در زیر نور شدید راحت باشد. اما چون منظره یاب دیجیتالی است، کیفیت تصویر آن هنوز قابل مقایسه با منظره یاب اپتیکال نیست.
در دوربین‌های دیجیتالی نوع SLR این مشکل با تعبیه کردن مجدد کل سیستم منظره یاب اپتیکال دوربین‌های غیر دیجیتالی حرفه‌ای حل شده است. ضمن اینکه همچنان امکان استفاده از سیستم LCD وجود دارد.

شکل1 : نمایی شماتیک از اجزا داخلی یک دوربین دیجیتال نیمه حرفه‌ای

تفاوت سنسور نوع CCD‌ و CMOS در چیست؟
این روزهای از انواع سنسورها یا حسگرهای CMOS‌ و CCD در دوربین‌های دیجیتال استفاده می‌شود. اصطلاح CCD‌ سرنام عبارت Charge Coupled Device و اصطلاح CMOS سرنام عبارت Complementary Metal Oxide Semiconductor است. با اینکه این دو فناوری از نظر ماهیت تفاوت چندانی ندارند، اما در نحوه استفاده از نور دریافت شده و انتقال آن به صورت سیگنال‌های الکتریکی متفاوتند.
حسگرهای نوری از هزاران ردیف المان نیمه‌هادی بسیار کوچک و حساس به نور تشکیل شده‌اند که می‌توانند ذرات یا فوتون‌های نور را به بار الکتریکی تبدیل کنند. هرچه شدت نور تابیده‌ شده بر این عناصر الکترونیکی ریز، بیشتر باشد، میزان الکتریسته تولید شده توسط آنها نیز بیشتر می‌شود.
در حسگر‌های CCD بار الکتریکی تولید شده در هر سلول باید به صورت تک به تک و ردیف به ردیف خوانده شود و قبل از آنکه حسگر بتواند آماده‌ عکسبرداری بعدی شود باید تمام اطلاعات مربوط به عکس قبلی یعنی الکتریسیته حاصل از تابش نور تصویر قبلی از روی آن پاک شود. در حسگرهای CMOS، هر عنصر حساس به نور می‌تواند جداگانه خوانده شود زیرا دارای یک مختصات X و Y منحصر به فرد است که قابل آدرس‌دهی و خوانده شدن است.
هر پیکسل در حسگرهای CMOS دارای چند ترانزیستور و المان نیمه‌هادی مرتبط است که در کنار آن‌ها قرار می‌گیرد بنابراین برخی از فوتون‌های نور به جای این‌که با سطح سلول‌های نورسنج برخورد کنند با این نیمه‌هادی‌ها برخورد کرده و به هدر می‌روند. بنابراین تجربه نشان داده است که حسگرهای CCD به دلیل سادگی ساختمان و عدم استفاده از المان‌های نیمه‌هادی اضافی، سیگنال شفاف‌تری تولید می‌کنند و به همین دلیل تصاویر ثبت‌شده توسط آنها شفاف‌تر است و کیفیت بیشتری دارد. در عوض حسگرهای CMOS به دلیل قابلیت آدرس دهی دقیق هر پیکسل دارای کاربردهای چند منظوره هستند و علاوه بر ثبت تصویر می‌توان از آنها برای نورسنجی، فوکوس اتوماتیک و کارهای دیگر مورد نیاز در حین عکاسی استفاده کرد. بنابراین حسگرهای CMOS‌ باهوش‌ترند و می‌توانند خیلی از عملیات پردازش تصویر را به جای واگذارکردن به پردازنده دوربین دیجیتال خودشان انجام دهند. ضمن اینکه مصرف برق این حسگرها ده‌ها برابر کمتر از حسگرهای CCD است.

شکل2 : نمونه‌ای از یک سنسور

نتیجه اینکه دوربین‌های ساخته شده با حسگرهای CMOS‌سریع‌تر و مقرون به صرفه‌ترند و به دلیل خودکفا بودن حسگر برای برخی از عملیات پردازش تصویر نیاز کمتری به استفاده از قطعات الکترونیکی اضافی دارند و هزینه تمام شده دوربین و میانگین مصرف باتری آن کاهش می‌یابد.
در مجموع بنا به دلایل ذکر شده، فعلا با فناوری موجود دوربین‌های دیجیتال حرفه‌ای از سنسورهای CCD‌ استفاده می‌کنند. اما در دوربین‌های دیجیتالی ارزان قیمت از سنسورهای CMOS‌ بهره گرفته می‌شود. اگر در آینده فناوری به‌کار رفته در سنسورهای CMOS اصلاح شود، احتمالا با یک افت شدید در قیمت دوربین‌های دیجیتال حرفه‌ای و پیشرفت قابل ملاحظه در این وسایل روبرو خواهیم شد.

تفاوت دوربین دیجیتال SLR با دوربین دیجیتال معمولی چیست؟
احتمالا اگر تاکنون مقالات و اخبار مربوط به دوربین‌های دیجیتال را خوانده یا شنیده باشید، اصطلاح SLR به گوشتان خورده است. کلمه SLR‌ سرنام عبارت Single Lens Reflex است و دوربین‌های SLR‌ اصطلاحا به دوربین‌هایی گفته می‌شود که از یک جفت عدسی و آینه، هم برای ثبت تصویر و هم برای دیدن و فوکوس کردن روی سوژه استفاده می‌کنند.
یک دوربین از نوع SLR‌ ممکن است دیجیتال باشد یا نباشد. دوربین‌های دیجیتال SLR گاهی اوقات DSLR نامیده می‌شوند. چنانکه پیشتر گفتیم، در این دوربین‌ها به دلیل استفاده از سیستم اپتیکال، از منظره یاب معمولی نیز می‌توان در کنار صفحه نمایش LCD استفاده کرد. دوربین‌های SLR‌ حرفه‌ای معمولا طوری طراحی شده‌اند که لنز دوربین به طور کامل قابل تعویض باشد. بنابراین در دوربین‌های DSLR تاکید چندانی روی میزان بزرگنمایی لنز یا همان مقدار x نیست زیرا دوربین SLR ‌اصولا مستقل از لنزی که قرار است روی آن سوار شود طراحی می‌شوند.

با این وجود اخیرا نسل جدیدی از دوربین‌های نیمه‌ حرفه‌ای SLR‌ به بازار آمده‌اند که مجهز به یک لنز زوم با قدرت بزرگنمایی مناسب و مکانیزم Single Lens Reflex هستند. در این دوربین‌های دیجیتال اگرچه لنز اصلی دوربین قابل جدا شدن از بدنه نیست اما عکاس می‌تواند با استفاده از یک قطعه جانبی به نام آداپتور، روی لنز دوربین لنزهای مبدل ( Converter Lens ) یا تکمیلی نصب کنند. این لنزهای تکمیلی در حقیقت قابلیت عکسبرداری زاویه باز ( wide ) یا زاویه بسته (tele) دوربین را افزایش می‌دهند. بعضی از دوربین‌های دیجیتالی که اصطلاحا به دوربین‌های
Ultra Zoom مشهور هستند ( به دلیل استفاده از لنز زوم قوی) مانند سری PowerShot Sx IS از کانن چنین قابلیتی دارند.
این دوربین‌ها را نمی‌توان یک SLR واقعی نامید ولی همان خصوصیات و ویژگی‌های اصلی دوربین‌های SLR را با قیمتی به مراتب ارزان‌تر در اختیار عکاس قرار می‌دهند.

عکس دیجیتال چگونه ثبت می‌شود؟
اکنون می‌توانیم روند فوکوس شدن تصویر و ثبت آن در یک دوربین دیجیتال را به اختصار توضیح دهیم. در ابتدا عکاس،دوربین را به سمت سوژه مورد نظر می‌گیرد و به کمک زوم اپتیکال تصویر را به اندازه دلخواه بزرگ یا کوچک می‌کند یا به تعبیر دیگر، زاویه و میدان دید دوربین را باز و بسته می‌کند تا به کادر مطلوب برسد. سپس عکاس دکمه شاتر را به آرامی تا نیمه فشار می‌دهد. دکمه شاتر همان دکمه‌ای است که عمل عکس گرفتن را انجام می‌دهد. در دوربین‌های معمولی غیر دیجیتال دکمه شاتر فقط یک کار انجام می‌دهد و آنهم باز و بسته کردن شاتر یا دهانه دیافراگم جهت وارد کردن نور به داخل دوربین. اما در دوربین‌های دیجیتال معمولا این دکمه دو کار انجام می‌دهد. وقتی دکمه شاتر را تا نیمه راه فشار می‌دهیم، قبل از آنکه نوبت به باز وبسته شدن دیافراگم و ثبت تصویر برسد، عمل فوکوس خودکار انجام می‌شود. در این مرحله مقدار نور تابیده شده روی حسگر دوربین اندازه‌گیری می‌شود و بالفاصله پردازشگر دوربین مقدار مناسب برای اندازه دیافراگم و سرعت باز و بسته شدن شاتر را محاسبه می‌کند. فوکوس موفقیت‌آمیز روی سوژه معمولا به وسیله بوق و نشان دادن علائم تصویری خاص به اطلاع عکاس می‌رسد و در صورت تمایل ، وی می‌تواند دکمه شاتر را تا انتها فشار دهد تا عکس گرفته شود.
در این لحظه سنسور دوربین به کار می‌افتد و نور تابیده شده را تا زمان بسته شدن شاتر به الکتریسیته تبدیل می‌کند. سپس بار الکتریکی ذخیره شدن در سنسور اندازه‌گیری و یک سیگنال دیجیتالی بر حسب مقدار بار هر پیکسل برای پردازشگر دوربین ارسال می‌شود. پردازشگر دوربین نیز به نوبه خود با ارزیابی مقدار سیگنال به دست آمده از هر پیکسل به مقدار هر یک از رنگ‌های سه‌گانه سبز، قرمز و آبی در تصویر پی ‌می‌برد.
پس از تکمیل این مرحله تصویر گرفته شده روی صفحه LCD دوربین قابل نمایش است. البته ممکن است قبل یا حین نمایش تصویر خروجی عملیات فشرده سازی تصویر و تبدیل آن به فرمت رایج JPEG‌ انجام شود تا حجم فایلی که قرار است روی حافظه دوربین ذخیره شود کاهش یابد.

شکل3 : نمایی روبرو و پشت دوربین دیجیتال Entry Level ( معمولی )