ما هو الميجا بكسل ؟

كم مرة مرت عليك عبارة ميجا بيكسل ؟ بالتأكيد عشرات المرات، فعندما نهمُّ بشراء جهاز نقال جديد نسأل عن الكاميرا فنُجاب بأنها كذا وكذا ميجا بيكسل ( 5 ميجا بيكسل على سبيل المثال )، وعندما نهمُّ بشراء كاميرا فإننا نسأل عن الميجا بيكسل أيضًا، إلا أنه ومن المثير للعجب أن الكثير منّا لا يعرف ما هو الميجا بيكسل؟! وما تأثيره؟ بل أن كل ما نعرفه هو أن الميجا بيكسل يعني الوضوح. إلا أن هذا تعريف غير دقيق وسأثبت لك بأنه بالإمكان التقاط صور بكاميرا ذات 4 ميجا بيكسل تضاهي صورًا ملتقطة بكاميرا ذات 14 ميجا بيكسل! فأين الوضوح يا صاح!



قبل أن نبدأ في شرح مفهوم الميجا بيكسل، علينا أن نفهم كيف تلتقط الكاميرا الرقمية الصورة، و ما هي العلاقة بين الحساس الرقمي و الميجا بيكسل.
للميجا بيكسل علاقة و طيدة بالحساس الرقمي ( و هو الشريحة التي تستقبل الضوء في الكاميرات الرقمية، و هي بمقام الفيلم في الكاميرات الفيلمية )، فبين الميجا بيكسل و الحساس عيش و ملح ، و لفهم الميجا بيكسل، لا بد لنا أن نتعرض للحساس الرقمي بشيء من الشرح. في نهاية هذا الدرس ستكون لديك الإجابات على الأسئلة أدناه:

*الحساس ( Sensor )

- ما هو الحساس؟
- ما هو الفرق بين الفيلم و الحساس؟
- كيف يعمل الحساس؟
- وجود البيكسلات في الحساس.

*الميجا بيكسل ( Megapixel ) الجُزء الثاني من الدرس.

- ما هو البيكسل؟ وما هو الميجا بيكسل؟
- كيف نقوم بحساب الميجا بيكسل؟
- ما هو السبب في كون بعض الكاميرات ذات الميجا بيكسل الأقل أفضل من الأخريات ذوات الميجا بيكسل الأكثر؟
سنتحدث في هذا الدرس عن نقطتين: الحساس و كيف يعمل، ثم سنتحدث في الجزء الثاني من هذا الدرس عن الميجا بيكسل و تفاصيله.

أولاً: الحساس ( Sensor )
*ما هو الحساس ( Sensor ) ؟

الحساس، أو ما يسمى بالحساس الرقمي ( Sensor ): هو عبارة عن شريحة تقوم باستقبال الضوء وتحويله إلى صورة، وهو يحل مكان الفيلم، فعوضًا عن الفيلم في الكاميرات الفيلمية، لدينا الحساس في الكاميرات الرقمية.

*ما هو الفرق بين الحساس والفيلم؟

في الكاميرات الفيلمية، يُعرَّض الفيلم للضوء مباشرة من خلال العدسة، فيحدث تفاعل كيميائي في المادة المطلي بها الفيلم فتُطبع الصورة، ثم تحتاج لبعض المواد الكيميائية لتظهر، ثم تُطبع. أما في الكاميرات الرقمية فالحساس يقوم باستقبال الضوء مباشرة من خلال العدسة أيضًا إلا أنه لا يخزن الصورة، بل يقوم بتحويل الضوء إلى شحنات كهربائية يفهمها المعالج ويقوم بتجميعها لتكوين الصورة.
الفرق بين الفيلم في الكاميرات الفيلمية، والحساس في الكاميرات الرقمية هو أن الفيلم يعمل عمل المُستقبِل للضوء والمُخزِّن للصورة في الوقت نفسه، بينما يقوم الحساس في الكاميرات الرقمية بعملية استقبال الضوء فقط وتحويله إلى إشارات، فلا تُحفظ الصورة عليه كما هو الحال مع الفيلم، بل تنتقل الصورة وتُحفظ في الذاكرة ( Memory ) عوضًا عن ذلك.

* كيف يعمل الحساس؟



يقوم الحساس باستقبال الضوء أو بالأحرى يقوم باستقبال فوتونات الضوء ( Light photones ) وهي أشبه أن تكون كالجزيئات مثلاً، و يقوم بحساب شدة إضاءتها، و يحولها لجهد كهربائي يفهمه المعالج. تمامًا كما نفعل في الكمبيوتر، فالكمبيوتر أو الحاسب الآلي لكي لا يغضب المحافظون على اللغة العربية يقوم بفهم الأشياء بلغة الصفر والواحد. فعندما نضغط على حرف الألف في لوحة المفاتيح فإنه مثلاً يفهم بأننا نريد إدخال 0100010101 وهذا الرمز يجعلهُ يفهم بأننا نريد إدخال حرف الألف.
إن الحساس الرقمي يقوم بنفس الوظيفة، فهو يقوم بتحويل فوتونات الضوء اللتي تصله إلى إشارات إلكترونية حسب شدة استضاءة تلك الفوتونات، إلا أننا لو توقفنا لبُرهة وراجعنا أنفسنا لوجدنا أن كل ماذكرناه يختص بحساب الحساس لشدة الاستضاءة، ولم يُذكر اللون، فكيف للحساس أن يقوم بتمييز الألوان؟

*البيكسلات في الحساس وتمييز الألوان



إن الحساس الرقمي لا يقوم بالتقاط الضوء ككتلة واحدة، وإلا لوجدنا أن الصورة هي مجرد لون واحد! إنما يتكون الحساس من وحدات صغيرة جدًا، تُسمّى كل وحدة منها: بيكسل Pixel وهي اختصار لكلمة Picture element أي: عُنصر الصورة.إن كل بيكسل هو عبارة عن نقطة، أو مربع صغير جدًا، والحساس الرقمي يتكون من الآلاف، بل الملايين من هذه البيكسلات. كل بيكسل يقوم بحساب شدة الاستضاءة للضوء الواقع عليه ويقوم بتمييز اللون فبالتالي كل بيكسل سيلتقط لنا لونًا في الصورة، و في النهاية عند تجميع البيكسلات ستتكون لنا الصورة الكاملة. إنها تمامًا كطريقة بناءنا للجدران والبيوت، فنحن نضع اللبنة فوق الأخرى ( الطوبة فوق الأخرى )، حتى يتكون لنا الجدار. كذلك الوضع بالنسبة للصورة، فهي تتكون من آلاف البيكسلات، وبعد رصّها تتكوّن لنا الصورة الكاملة.

هذا ببساطة مفهوم البيكسل. أما عن مفهوم الميجا بيكسل، و تأثيره، و كيفية حسابه، فسنقوم بشرحه شرحًا وافيًا لاحقًا في الجزء الثاني من هذا الدرس. الآن، و بعد أن عرفنا أن البيكسلات ما هي إلا نقاط صغيرة جدًا على الحساس الرقمي، و أن كل بيكسل يقوم باستقبال الضوء ويحسب شدة الاستضاءة له وبناء على ذلك يقوم بإرسال إشارة إلى المعالج، ينبغي علينا أن نعرف كيف يقوم البيكسل بتمييز الألوان؟



ربما مر علينا كثيرًا هذا الاختصار ( RGB )، فنحن نراه عندما نضبط التلفاز، ونراه في الكمبيوتر، ونراه في آلات العرض كالبروجكتور، والكثير من الأجهزة الإلكترونية التي تتعامل مع المرئيات.فما معنىRGB؟

RGB هو ببساطة اختصار لـ Red, Green, and Blue. أي: أحمر، أخضر، و أزرق. أي أن RGB هو النظام الذي يحمل 3 ألوان، اللون الأحمر، الأخضر، والأزرق.
فعندما نقول بأن هذا التلفاز ذو نظام ثلاثي اللون، أو نظام RGB، فهذا يعني أنه يقوم بالعرض عن طريق هذه الثلاثة ألوان، حيث أنه يقوم بتكوين أي لون آخر عبر مزج هذه الألوان بنسب متفاوتة. ( انقر هُنا لرؤية عرض مرئي لمزج الألوان ).



إن نظام RGB هو النظام المتبع في شاشات التلفاز، الحواسيب، الهواتف النقالة، و الكاميرات الرقمية. فلدينا نظام RGB في الشاشات بمختلف أنواعها، من أصغر الشاشات إلى أكبرها، ولدينا نظام RGB في التقاط الكاميرا أيضًا. أي: أن نظام RGB موجود في أجهزة العرض كالشاشات، كما أنه موجود في أجهزة الاستقبال كوجوده في الحساس في الكاميرا الرقمية.



إذًا، نحن الآن عرفنا بأن الحساس يقوم بالتمييز بين الألوان عن طريق نظام RGB، و أنه يُكوّن كل الألوان عن طريق هذه الألوان الثلاثة ( أحمر، أخضر، و أزرق )، و لكن كيف يقوم الحساس بذلك؟
هنالك عدة طرق لفعل ذلك. هُنالك طرق نادرة، وربما لا وجود لها الآن، و من هذه الطرق طريقة موزع الإشعاع، وباختصار فإن هذه الطريقة تعتمد على وجود موزع للإشعاع الضوئي( Beam Splitter )، يقوم بتوزيع الإشعاع على ثلاثة مرشحات ( فلاتر )، مرشح أحمر، مرشح أخضر، و مرشح أزرق لتكوين الصورة الكاملة بعد دمج هذه الإشعاعات. الفائدة من هذه الطريقة هي أن الكاميرا تحدد قيمة لكل لون في كل بيكسل، فبالتالي كل بيكسل تلتقطه الكاميرا لديه قيمة واحدة لكل لون، قيمة للأحمر، قيمة للأخضر، و قيمة للأزرق. فتقوم الكاميرا بدمج هذه القيم لتنتج لنا اللون المطلوب. هذه الطريقة تكلف الكثير، لذا فهي غير عملية في إنتاج الكاميرات العادية.



كما أن هُنالك عدة طرق متبعة على أرض الواقع ليتمكن الحساس من تمييز الألوان والتقاطها، ولعل أشهرها طريقة مرشح باير ( Bayer filter pattern ). و لنفهم الطريقة أكثر، دعونا نلاحظ الصورة على اليسار ( انقر على الصورة لتكبيرها ). نلاحظ أن الحساس مقسم للكثير من المربعات الصغيرة، والتي تحتوي على صفوف. هذه الصفوف هي صف للأخضر والأحمر، و صف للأخضر والأزرق، وهكذا. ومما يلاحظ أن عدد المربعات الخضراء هو مجموع المربعات الزرقاء + الحمراء معًا. وهذا بسبب أن العين البشرية لا تتحسس كل الألوان بالتساوي، فهي تتحسس اللون الأخضر أكثر من الأزرق والأحمر، لذا و لكي نجعل الصورة تبدو طبيعية للعين البشرية، فإن المربعات الخضراء أكثر.

الفائدة من هذه الطريقة، هي أننا سنحتاج لحساس واحد فقط، بدل أن نضع عدة حساسات، أو مرشحات كل منها يلتقط لونًا معينًا، وهذا يعني أننا نحصل على كاميرات ذات حجم أصغر، وسعر أقل.
الناتج من هذه الطريقة هي صورة مقسمة، على شكل فسيفساء من الألوان الثلاثة ( أحمر، أخضر، و أزرق ) مختلفة الكثافة. عندئذ تقوم الكاميرا بمعالجة هذه البيانات عن طريق بعض الحسابات الخوارزمية تسمى ( Demosaicing algorithms )، وتقوم بتحويل هذه الفسيفساء إلى فسيفساء حقيقة إن صح التعبير. أي: أنها تقوم بتحويل الفسيفساء المتكونة من الأحمر والأخضر والأزرق إلى فسيفساء ذات لون حقيقي بمعرفة كثافة ( نسبة ) كل لون من الألوان الثلاثة ودمجها مع بعض. وتقوم بذلك عن طريق حساب المُعدل، أي أنها تقوم بالنظر إلى البكسلات المحيطة وتنتج بكسلاً ذو لون حقيقي. ( لرؤية عرض مرئي يشرح التقنية المستخدمة انقر هُنا ).

للمزيد عن الحساس الرقمي، وكيفية عمل، ولرؤية شرح مرئي ( فيديو )، راجع الروابط بالأسفل.

*الخُلاصة:
1- البيكسل هو وحدة بناء الصورة.
2- تقوم الكاميرا بإنتاج الألوان عن طريق دمج ثلاثة ألوان رئيسية، هي الأحمر، الأخضر، والأزرق ( RGB ).
3- الكاميرات ذات الميجا بيكسل الأكثر، لا تعني بالضرورة دقّة أعلى

*روابط:
كيف تعمل الكاميرا الرقمية الموقع التعليمي للفيزياء.
فيديو: الحساس الرقمي يوتيوب.
Digital Camera Resolution How Stuff Works
CCD and CMOS How Stuff Works
Capturing Colour How Stuff Works
Pixel Wikipedia

المصدر: مجموعة ابو نواف