تويت
مبدأ عمل الكاميرا
في كل يوم تتم مشاركة 1.8 مليار صورة على شبكة الإنترنت وتحويل اللحظات إلى بيكسلات رقمية من المعلومات، ولكن ما هو مبدأ عمل الكاميرا وكيف تأخذ الكاميرا شيئًا نراه وتحوله إلى وحدات بكسل رقمية؟ كيف تكون الكاميرات قادرة على تجميد الوقت؟
لا شك في أن التصوير الفوتوغرافي هو أحد أهم الاختراعات في التاريخ، فقد غير بالفعل كيف ينظر الناس إلى العالم، لقد أصبح بإمكاننا الآن أن نرى كل أنواع الأشياء التي تفصلنا عنها العديد من الأميال والسنين، إذ يتيح لنا التصوير التقاط اللحظات في الوقت المناسب والحفاظ عليها لسنوات قادمة.
التصوير هو في الواقع علمٌ مجرد بقدر كونه فنًا، ومع ذلك لا تدرك غالبية كبيرة ما يحدث في كل مرة تضغط فيها على زر الكاميرا أو تفتح تطبيق الكاميرا في هاتف ذكي. ما هو مبدأ عمل الكاميرا إذًا؟ إليك ما يحدث في كل مرة تضغط فيها على هذا الزر وكيفية استخدام الكاميرا لالتقاط صور أفضل.
مبدأ عمل الكاميرا
كل ضوء يسلك سلوك هذا المصباح، فهو ينتقل في خطٍ مستقيم لكن الضوء يرتد أيضًا عن الأشياء، وهو ما يسمح لنا برؤية الأشياء وتصويرها؛ فعندما يرتد الضوء عن شيء ما فإنه يستمر في الانتقال في خطٍ مستقيم، ولكنه يرتد في نفس الزاوية التي يسقط فيها.
وهذا يعني أن الأشعة الضوئية ترتد بشكل أساسي في كل مكان في جميع الاتجاهات المختلفة، وقد كانت الكاميرا الأولى في الأساس عبارة عن غرفة بها ثقب صغير على أحد الجدران وكان الضوء يمر عبر تلك الفتحة، وبما أنه ينعكس في الخطوط المستقيمة فسيتم عرض الصورة على الجدار المقابل مقلوبةً رأسًا على عقب.
مثل هذه الأجهزة كانت موجودة قبل فترةٍ طويلة من التصوير الحقيقي، الذي بدأ حين قرر شخصٌ ما وضع مادة حساسة للضوء في الجزء الخلفي من تلك الغرفة التي جرى التصوير فيها، فعندما يصل الضوء إلى المادة التي تشكلت عبر تاريخ التصوير الفوتوغرافي من أشياء من الزجاج إلى الورق، تتفاعل المواد الكيميائية مع الضوء وتحفر صورة في السطح.
بما أن الكاميرا الأولى لم تحصل على الكثير من الضوء، فقد استغرق التقاط صورة واحدة ثماني ساعات. كانت الصورة أيضًا غير واضحة، إذًا كيف يمكننا التقاط صور حادة بالميللي ثانية اليوم؟
بينما ينعكس الضوء عن الأجسام، يمكن أن يمر أيضًا من خلالها، ولكن عندما يحدث ذلك يمكن أن يغير اتجاهه أيضًا، تلتقط عدسة الكاميرا جميع أشعة الضوء حولها وتستخدم الزجاج لإعادة توجيهها إلى نقطةٍ واحدة، مما يؤدي إلى إنشاء صورةٍ حادة.
عندما تلتقي كل هذه الأشعة الضوئية معًا على مستشعر كاميرا رقمية أو قطعة من الأفلام، فإنها تخلق صورة حادة أما إذا لم تلتقِ الأشعة الضوئية في النقطة الصحيحة، فستبدو الصورة باهتة أو خارج التركيز، فيحرك نظام التركيز الخاص بالعدسة قطعة الزجاج إلى أبعد من المستشعر أو الفيلم، مما يسمح للمصور بضبط العدسة بحيث تكون صورة الجسم حادة.
تلعب المسافة أيضًا دورًا في كيفية تكبير عدسات الكاميرا و عمل الكاميرا ، فعندما تتحرك قطعة الزجاج الأمامية بعيدًا عن مستشعر الكاميرا، تصبح الأشياء أقرب. والبعد البؤري هو قياس المسافة بين المكان الذي سقطت عليه أشعة الضوء أولاً والعدسة، مثلًا، على العدسة ذات البعد البؤري 300 مم، يلزم الضوء 300 مم ليتم توجيهه مرة أخرى على شكل نقطة حادة على مستشعر الكاميرا. تعد عدسة 300 مم بمثابة المقربة أو عدسة قادرة على تقريب الأشياء البعيدة.
تجمع عدسة الكاميرا الضوء وتركزه، ولكن كيف يتم تسجيل هذه المعلومات؟ تاريخيًا، كان المصورون أيضًا كيميائيين من نوعٍ ما ولقد اعتمد مبدأ عمل الكاميرا على الكيمياء بشكلٍ كبيرٍ، إذ أن الفيلم يتكون من مواد حساسة للضوء،وعندما يسقط ضوء العدسة على هذه المواد، فإنها تلتقط شكل الأشياء والتفاصيل؛ مثل مقدار الضوء الذي ينبعث منها. في الغرفة المظلمة يخوض الفيلم الذي تم تعريضه للضوء مرةً أخرى سلسلةً من الحمامات الكيميائية لإنشاء الصورة في النهاية.
ما هو مبدأ عمل الكاميرا الرقمية؟ في حين أن العدسات والتقنيات والمصطلحات متساوية، فإن مستشعر الكاميرا الرقمية يشبه إلى حدٍّ كبير لوحة شمسية من شريط من الأفلام، ينقسم كل مستشعر إلى ملايين البكسلات الحمراء والخضراء والزرقاء (أي ميغا بكسل)، وعندما يصل الضوء إلى البكسل، يقوم المستشعر بتحويله إلى طاقة ويقرأ الكمبيوتر المدمج داخل الكاميرا مقدار الطاقة التي يتم إنتاجها.
إنّ قياس مقدار الطاقة لكل بكسل من المستشعر يسمح بتحديد المناطق المعتمة والمُضاءة من الصورة، ونظرًا لأن كل بكسل له قيمة لونية؛ فإن كمبيوتر الكاميرا قادر على تقدير الألوان في المشهد من خلال النظر في ما تم تسجيله من بكسلات أخرى قريبة. وبتجميع معلومات البكسلات مع بعضها البعض، يتمكن الكمبيوتر من تقريب الأشكال والألوان في المشهد.
إذا كانت كل وحدة بكسل تجمع معلومات ضوئية، فإن مستشعرات الكاميرا التي تحتوي على المزيد من الميكروبكسلات قادرة على التقاط المزيد من التفاصيل. هذا هو السبب في أن الشركات المصنعة تعلن في كثيرٍ من الأحيان عن كاميرا megapixels، وفي حين أن هذا صحيح إلى حدٍّ ما، فإن حجم المستشعر مهم أيضًا لأن أجهزة الاستشعار الكبيرة ستجمع المزيد من الضوء، مما يجعل أداءها أفضل لمشاهد الإضاءة المنخفضة. وإن تحميل الكثير من الميغا بكسل في جهاز استشعار صغير يجعل جودة الصورة أسوأ لأن هذه البكسلات الفردية صغيرة للغاية.
وبينما تسمح لك التكنولوجيا بالتقاط صورة بلمسة زرٍّ واحدة؛ لم يكن دائمًا الأمر هكذا، إذ تقوم الكاميرات بجمع وتسجيل الضوء باستخدام بعض العلوم والتكنولوجيا المتطورة. قد تكون آلة الزمن عبارة عن خيال علمي، ولكن يمكن للكاميرا أن تجمد الذكريات لتدوم للأبد.
في كل يوم تتم مشاركة 1.8 مليار صورة على شبكة الإنترنت وتحويل اللحظات إلى بيكسلات رقمية من المعلومات، ولكن ما هو مبدأ عمل الكاميرا وكيف تأخذ الكاميرا شيئًا نراه وتحوله إلى وحدات بكسل رقمية؟ كيف تكون الكاميرات قادرة على تجميد الوقت؟
لا شك في أن التصوير الفوتوغرافي هو أحد أهم الاختراعات في التاريخ، فقد غير بالفعل كيف ينظر الناس إلى العالم، لقد أصبح بإمكاننا الآن أن نرى كل أنواع الأشياء التي تفصلنا عنها العديد من الأميال والسنين، إذ يتيح لنا التصوير التقاط اللحظات في الوقت المناسب والحفاظ عليها لسنوات قادمة.
التصوير هو في الواقع علمٌ مجرد بقدر كونه فنًا، ومع ذلك لا تدرك غالبية كبيرة ما يحدث في كل مرة تضغط فيها على زر الكاميرا أو تفتح تطبيق الكاميرا في هاتف ذكي. ما هو مبدأ عمل الكاميرا إذًا؟ إليك ما يحدث في كل مرة تضغط فيها على هذا الزر وكيفية استخدام الكاميرا لالتقاط صور أفضل.
مبدأ عمل الكاميرا
- الضوء وكيف عملت الكاميرات الأولى
كل ضوء يسلك سلوك هذا المصباح، فهو ينتقل في خطٍ مستقيم لكن الضوء يرتد أيضًا عن الأشياء، وهو ما يسمح لنا برؤية الأشياء وتصويرها؛ فعندما يرتد الضوء عن شيء ما فإنه يستمر في الانتقال في خطٍ مستقيم، ولكنه يرتد في نفس الزاوية التي يسقط فيها.
وهذا يعني أن الأشعة الضوئية ترتد بشكل أساسي في كل مكان في جميع الاتجاهات المختلفة، وقد كانت الكاميرا الأولى في الأساس عبارة عن غرفة بها ثقب صغير على أحد الجدران وكان الضوء يمر عبر تلك الفتحة، وبما أنه ينعكس في الخطوط المستقيمة فسيتم عرض الصورة على الجدار المقابل مقلوبةً رأسًا على عقب.
مثل هذه الأجهزة كانت موجودة قبل فترةٍ طويلة من التصوير الحقيقي، الذي بدأ حين قرر شخصٌ ما وضع مادة حساسة للضوء في الجزء الخلفي من تلك الغرفة التي جرى التصوير فيها، فعندما يصل الضوء إلى المادة التي تشكلت عبر تاريخ التصوير الفوتوغرافي من أشياء من الزجاج إلى الورق، تتفاعل المواد الكيميائية مع الضوء وتحفر صورة في السطح.
- العدسة
بما أن الكاميرا الأولى لم تحصل على الكثير من الضوء، فقد استغرق التقاط صورة واحدة ثماني ساعات. كانت الصورة أيضًا غير واضحة، إذًا كيف يمكننا التقاط صور حادة بالميللي ثانية اليوم؟
بينما ينعكس الضوء عن الأجسام، يمكن أن يمر أيضًا من خلالها، ولكن عندما يحدث ذلك يمكن أن يغير اتجاهه أيضًا، تلتقط عدسة الكاميرا جميع أشعة الضوء حولها وتستخدم الزجاج لإعادة توجيهها إلى نقطةٍ واحدة، مما يؤدي إلى إنشاء صورةٍ حادة.
عندما تلتقي كل هذه الأشعة الضوئية معًا على مستشعر كاميرا رقمية أو قطعة من الأفلام، فإنها تخلق صورة حادة أما إذا لم تلتقِ الأشعة الضوئية في النقطة الصحيحة، فستبدو الصورة باهتة أو خارج التركيز، فيحرك نظام التركيز الخاص بالعدسة قطعة الزجاج إلى أبعد من المستشعر أو الفيلم، مما يسمح للمصور بضبط العدسة بحيث تكون صورة الجسم حادة.
تلعب المسافة أيضًا دورًا في كيفية تكبير عدسات الكاميرا و عمل الكاميرا ، فعندما تتحرك قطعة الزجاج الأمامية بعيدًا عن مستشعر الكاميرا، تصبح الأشياء أقرب. والبعد البؤري هو قياس المسافة بين المكان الذي سقطت عليه أشعة الضوء أولاً والعدسة، مثلًا، على العدسة ذات البعد البؤري 300 مم، يلزم الضوء 300 مم ليتم توجيهه مرة أخرى على شكل نقطة حادة على مستشعر الكاميرا. تعد عدسة 300 مم بمثابة المقربة أو عدسة قادرة على تقريب الأشياء البعيدة.
- الفيلم وأجهزة الاستشعار الرقمية
تجمع عدسة الكاميرا الضوء وتركزه، ولكن كيف يتم تسجيل هذه المعلومات؟ تاريخيًا، كان المصورون أيضًا كيميائيين من نوعٍ ما ولقد اعتمد مبدأ عمل الكاميرا على الكيمياء بشكلٍ كبيرٍ، إذ أن الفيلم يتكون من مواد حساسة للضوء،وعندما يسقط ضوء العدسة على هذه المواد، فإنها تلتقط شكل الأشياء والتفاصيل؛ مثل مقدار الضوء الذي ينبعث منها. في الغرفة المظلمة يخوض الفيلم الذي تم تعريضه للضوء مرةً أخرى سلسلةً من الحمامات الكيميائية لإنشاء الصورة في النهاية.
ما هو مبدأ عمل الكاميرا الرقمية؟ في حين أن العدسات والتقنيات والمصطلحات متساوية، فإن مستشعر الكاميرا الرقمية يشبه إلى حدٍّ كبير لوحة شمسية من شريط من الأفلام، ينقسم كل مستشعر إلى ملايين البكسلات الحمراء والخضراء والزرقاء (أي ميغا بكسل)، وعندما يصل الضوء إلى البكسل، يقوم المستشعر بتحويله إلى طاقة ويقرأ الكمبيوتر المدمج داخل الكاميرا مقدار الطاقة التي يتم إنتاجها.
إنّ قياس مقدار الطاقة لكل بكسل من المستشعر يسمح بتحديد المناطق المعتمة والمُضاءة من الصورة، ونظرًا لأن كل بكسل له قيمة لونية؛ فإن كمبيوتر الكاميرا قادر على تقدير الألوان في المشهد من خلال النظر في ما تم تسجيله من بكسلات أخرى قريبة. وبتجميع معلومات البكسلات مع بعضها البعض، يتمكن الكمبيوتر من تقريب الأشكال والألوان في المشهد.
إذا كانت كل وحدة بكسل تجمع معلومات ضوئية، فإن مستشعرات الكاميرا التي تحتوي على المزيد من الميكروبكسلات قادرة على التقاط المزيد من التفاصيل. هذا هو السبب في أن الشركات المصنعة تعلن في كثيرٍ من الأحيان عن كاميرا megapixels، وفي حين أن هذا صحيح إلى حدٍّ ما، فإن حجم المستشعر مهم أيضًا لأن أجهزة الاستشعار الكبيرة ستجمع المزيد من الضوء، مما يجعل أداءها أفضل لمشاهد الإضاءة المنخفضة. وإن تحميل الكثير من الميغا بكسل في جهاز استشعار صغير يجعل جودة الصورة أسوأ لأن هذه البكسلات الفردية صغيرة للغاية.
وبينما تسمح لك التكنولوجيا بالتقاط صورة بلمسة زرٍّ واحدة؛ لم يكن دائمًا الأمر هكذا، إذ تقوم الكاميرات بجمع وتسجيل الضوء باستخدام بعض العلوم والتكنولوجيا المتطورة. قد تكون آلة الزمن عبارة عن خيال علمي، ولكن يمكن للكاميرا أن تجمد الذكريات لتدوم للأبد.