המצלמה הדיגיטלית

1. המצלמה הדיגיטלית

2. מידע דיגיטלי שפה בינארית: 0,1 – כן לא – דולק כבוי. זו תמצית שפת המחשב. ביט: מכיל שני מצבים 0 ו 1. בייט: מכיל 4 ביטים ו 8 מצבים. זו היא יחידת הבסיס בזיכרון של מחשב. קילו בייט: 1,000 בייטים. מגה בייט: 1,000,000בייטים. ג'יגה בייט: 1,000,000,000בייטים. טרה בייט: 1,000,000,000,000 בייטים.

3. תפקיד חלקי המצלמה בהם עובר המידע חיישן אלקטרואופטי שמכיל מעגל משולב ובו מערך ("מטריצה") של רכיבים בעלי קיבול, שהמטען הנצבר בהם ניתן להזרמה ולקריאה. ברכיבים אלה יש מערך של תאים פוטואלקטריים שכל אחד מהם ממיר את הספק האור הנופל עליו לזרם חשמלי. פיקסלים שאליהם מגיע אור חזק יותר, פולטים זרם גבוה יותר מאחרים, וכך ניתן להבחין בין אור לחושך, וגם להבחין בין רמות אפור שונות, שמספרן נקבע על ידי ביצועי חיישן (רגישות התאים וכמות הרעש שנוצרת בהם) והאלקטרוניקה שקוראת אותו. איכות התמונה המתקבלת תלויה כמובן גם במספר הפיקסלים (הנע בין כמה מאות אלפים במצלמות באיכות נמוכה, למשל כאלה בטלפונים סלולריים ועד יותר מ-20 מיליון במצלמות מקצועיות). החיישן, מחליף את סרט הצילום הישן וקולט את אור הדמות המגיעה דרך העצמית. החיישן בנוי ממיליוני פיקסלים המכילים רכיבים רגישים לאור הנקראים דיודה. הדיודה "יודעת" לתרגם אור לזרם חשמלי.

4. 1 מ"מ הפיקסל הוא יחידת המבנה הבסיסית של החיישן. כאשר אנו אומרים 3 מגה-פיקסל זה אומר שעל החיישן של המצלמה יש מערך של שלושה מיליון פיקסלים. (מגה=מיליון). כל פיקסל הוא כמו "דלי". כפי שדלי מתמלא במים כך הפיקסל "מתמלא" באנרגית אור (פוטונים) האור הנקלט מומר לזרם חשמלי ע"י הדיודה בכל פיקסל. יש גדלים שונים של פיקסלים. בדוגמה יש 20 פיקסלים במ"מ אחד.

5. תרשים זה מתאר את מצב הפיקסלים בחיישן לאחר החשיפה. ככל שכמות האור בנקודה מסוימת גדולה יותר (בהירה) כמות הפוטונים בפיקסל גדולה יותר. הדיודה בכל פיקסל הופכת את האור לזרם חשמלי בעוצמה מתאימה ולאחר הגברה, המידע הזה שנקרא אנלוגי (רציף) מועבר לאחסון במצלמה ולצורך כך חייב לעבור המרה. את המידע הקיים כעת בחיישן מתרגמת המצלמה למידע דיגיטלי באמצעות רכיב שנקרא ADC - שנאי אנלוגי לדיגיטלי. מידע חשמלי (מתח) מומר למספר בשפת המחשב – שפה בינארית. התוצאה של התהליך היא קובץ תמונה המכיל מידע לגבי כמות האור בכל נקודה על גבי החישן ברגע החשיפה. קובץ זה מאפשר שיחזור של הדמות המקורית שפגעה בחיישן.

6. כיום קיימים שני סוגים עיקריים של חיישנים דיגיטלים: חיישן CCD (charge coupled device) וחיישן CMOS (complementary metal oxide semiconductor). ה CCDוה CMOS הומצאו בשנות ה-70. איכות התמונה שסיפק ה-CCD הייתה טובה מאד. בתקופה זו, לא הייתה עדיין טכנולוגיה מתאימה ע"מ להביא את ה-CMOS לאיכות דמות כמו של ה CCD. בשנות ה-90 השתכללו שיטות היצור וניתן היה לשפר באופן משמעותי ביותר את איכות התמונה של ה- CMOS. ה-CCD אמנם איכותי יותר בתחילת הצילום הדיגיטלי אך צורך יותר אנרגיה ומקום. ה-CMOS יותר זול וחסכוני אך איכות התמונה שלו הייתה יותר ירודה בתחילת דרכו. בהמשך ההתפתחות של החיישנים האלה אנו מוצאים שיפורים בשני המקרים והיום ניתן למצוא חיישני CCD במצלמות קטנות וטלפונים ניידים ולאומת זאת את חישני ה-CMOS נמצא היום גם במצלמות מקצועיות ואיכותיות ביותר. בשנת 1999 חברת פוג'י רשמה פטנט על הסופר CCD אשר משתמש בפיקסלים מתומנים במקום מרובעים. חיישן כזה נותן רזולוציה טובה יותר לאורך ולרוחב (על חשבון האלכסונים) באותה כמות פיקסלים.

8. השוואה בין גודל חישנים דיגיטלים לגודל סרט צילום 35מ"מ שלושה גדלי חיישני CMOS של חברת Canon

9. עכשיו מה עם הצבעים. הצבע שאנו רואים בתמונות מתורגם משלושה צבעי יסוד: אדום, ירוק וכחול. שילוב בין שלושת הצבעים האלה יוצר את כל הצבעים אותם אנו רואים. החיישן של המצלמה הדיגיטלית מתרגם את הצבעים בשיטה דומה.

10. בסרטי צילום בצבע, התבססה שיטת העבודה על שלוש שכבות של סרט שכל אחת מהן רגישה לאורך גל אחר. השיטה בצילום דיגיטלית אינה שונה בהרבה. לכל פיקסל בחיישן יש שלושה ערוצים. אחד לכל צבע יסוד. האור המגיע מן הדמות נרשם בשלושה ערוצים בהתאם לאורך הגל (הצבע) שלו. כאשר התמונה משוחזרת כל צבע תורם את חלקו לתוצאה הסופית ומתקבלת תמונה זהה לצבע המקורי. ישנן מספר שיטות לבניית הצבע בתמונות דיגיטליות אך כולן מבוססות על אותו רעיון בסיסי- פרוק התמונה המקורית לשלוש שכבות צבע והרכבתן מחדש בבניית התמונה הדיגיטלית. אופן הבנייה של קובץ תמונה דיגיטלית מאפשר יותר צבעים ממה שהעין האנושית יודעת לזהות כך שלמעשה איכות הצבע בתמונה דיגיטלית טובה יותר מתמונה כימית.

12. זיכרון הביניים Buffer כל פעולות עיבוד התמונה דורשות זיכרון רב וזמן יקר. זיכרון ביניים מאפשר צילום מהיר יותר.

13. עיבוד התמונה נעשה ע"י מחשב קטן – מיקרו מחשב זה מעבד את המידע המלא שמגיע מהחיישן, מסיר מידע מיותר עושה ממוצעים ודוחס את הקובץ לפורמט הדרוש. jpg, Tiff, Raw כל קובץ מתאים למטרה שונה. לאחר מכן סוגר את הקובץ כך שניתן יהיה לפתוח אותו באמצעות תוכנות לעיבוד תמונה או מדפסות וכד'. לבסוף מעביר המעבד את הקובץ לשמירה בכרטיס הזיכרון של המצלמה. בנוסף לכך, המעבד מתפעל את מערכות המצלמה השונות ומתאם בינהן.

14. רזולוציה מספר הפיקסלים מהם מורכבת התמונה. לדוגמה: תמונה המורכבת מ-1800 פיקסלים לרוחב ו-1600 פיקסלים לגובה: 1800X1600=2,880,000 פיקסלים כלומר 2.88 מגה פיקסל (מעגלים ל 3 מגה פיקסל) כאשר אנו מגדילים את התמונה יותר מהגודל שהיא נועדה להיות מוצגת בו, נקבל פיקסליזציה- נוכל לראות את הריבועים של הפיקסלים עצמם. כמובן שככל שהחיישן גדול יותר, רזולוציית התמונות האפשרית במצלמה גדולה יותר.

15. כושר ההפרדה של כל מכשיר/התקן נמדדת ביחידות מידה שונות, בהתאם לסוג טכנולוגיה שלו: D.P.I -נקודות לאינטש- מדפסות ואמצעי פלט אחרים. P.P.I -פיקסלים לאינטש- למדידת צגי מחשב, חיישני מצלמות דיגיטליות ומוניטורים. L.P.Iשורות לאינטש מידה בשימוש ברשת הדפסה גודל תמונה- (Image Size) כמות הפיקסלים בתמונה- כמה פיקסלים לאורך וכמה פקסלים לרוחב. לדוגמה 3000X2000 כלומר סה"כ 6000000 (6 מליון) פקסלים, כלומר 6 מגה פקסל. למידת הרזולוציה יש משמעות רק כאשר היא קשורה לגודל פיזי. תמונה בעלת 1.92 מגה-פיקסל, לדוגמה, יכולה לקבל רזולוציה של 72 ppi, ואז גודלה הפיזי יהיה 16.67 על 22.22 אינץ', או שתקבל רזולוציה של 300 ppi, ואז גודלה הפיזי יהיה 4 על 5.33 אינץ'. אין הבדל באיכות התמונה בין שני המקרים, מכיוון שכמות הפיקסלים שלה לא משתנה. איכות התמונה- (Quality) סוג הדחיסה של הקובץ וכמות האיבוד (Loss) בדחיסה. ככל שהדחיסה יותר גדולה, הקובץ יותר קטן מבחינת משקל כיוון שיהיו בו פחות פיקסלים ולכן יהיה פחות איכותי. ישנו קשר בין יחידות המידה השונות, אך הן לא זהות, למרות שיש הטועים לחשוב כך. לדוגמה, צפיפותה של תמונה דיגיטלית הנשלחת להדפסה ב דפוס אופסט נקבעת לפי צפיפותה של רשת ההדפסה, ובהתאם לנייר עליו היא תודפס. היחס הרצוי הוא שרזולוציית התמונה בפיקסלים לאינץ' תהיה פי 2 מצפיפות הרשת בשורות לאינטש. בהדפסה על נייר כרומו נהוג להשתמש ברשת הדפסה בצפיפות של 150 שורות לאינטש (150 lpi). ולכן רצוי להכין תמונות להדפסת אופסט ברזולוציה של 300 ppi.

16. דחיסת קבצים ישנן שתי צורות לדחיסה: ללא איבוד מידע ועם איבוד מידע. דחיסה ללא איבוד דומה לכיווץ כמו תכנות ZIP למשל. הקובץ מכיל את אותו מידע לאחר כיווץ ופתיחה מחדש כפי שהיה בו בתחילה. לדוגמה TIFF הוא קובץ דחוס ללא אבדן. החיסרון הוא בזמן שלוקח לדחוס אותו. דחיסה עם אבדן מידע עובדת בעזרת סילוק מידע מתוך הקובץ בדומה לתמצותקטע טקסט מ 10 עמודים ל 9 עמודים או לעמוד אחד. התמצות מיצג את המקור אך לא ניתן לשחזר את המקור מתוך התמצות כיוון שהמידע החסר אבד. קובץ JPEG הוא קובץ מסוג כזה. בטבלה מתוארת דחיסת קובץ של 5 מגה-פיקסל: (2,560 X1,920) בשיטות שונות. שימו לב לקבצי ה JPEG שבהתאם לרמת הדחיסה מורידים את משקל הקובץ בצורה מאד משמעותית (על חשבון איכות כמובן) שליטה בסוג ורמת הדחיסה מתאפשרת בתפריט של המצלמה. ככל שהדחיסה גבוהה יותר ניתן לאחסן יותר תמונות על כרטיס הזיכרון. שימו לב להבדל בין רזולוציה לדחיסה! רזולוציה משפיעה על גודל התמונה ודחיסה משפיעה על האיכות שלה.

17. שמירת המידע נעשית בזיכרון. לכל מצלמה יש כרטיס זיכרון. הכרטיס הנפוץ ביותר הוא מסוג Flash Memory בדומה לזיכרון פנימי במחשב, הוא מהיר אך אינו נמחק כאשר מכבים את המצלמה. הוא נמחק באופן יזום או כאשר שומרים תמונות חדשות על הישנות.

18. רגישות לאור. לסרטי צילום רגילים יש רמות רגישות שונות ונמדדות ב ASA או ISO. ככל שהערך גבוהה יותר גדלה רגישות הסרט וניתן להפיק תמונה בתאורה נמוכה יותר או מהירות גבוהה יותר. בתמונות מסרט עם ASA גבוה רואים גרעיניות בASA נמוך התמונה חלקה ונקייה יותר. בצילום דיגיטלי המצב דומה אך מסיבה שונה. כאשר מעלים את רגישות החיישן מה שקורה בפועל הוא הגברה של האות החשמלי שמפיק החיישן. הגברה זו גורמת ל"רעש" כפי שלדוגמה ברדיו עם קליטה לא טובה מגבירים את העוצמה, שומעים את המוזיקה טוב יותר אך מקבלים רעשים וצרצורים חזקים יותר. רוב הרעש הדיגיטלי נראה בערוץ האדום והכחול בד"כ.

19. White Balance איזון הצבע במצלמה להתאמה לטמפרטורת הצבע של האור על הנושא. צבע האור נמדד במעלות קלווין. בעקרון מדובר בצבע האור שמפיק מוט ברזל שחומם. (לובן). כאשר אנו מצלמים, חשוב "להודיע" למצלמה מה זה צבע לבן באור הקיים. ברוב המקרים נעשה הדבר בצורה אוטומטית בעזרת חיישני המצלמה אך ניתן לעשות זאת בצורה ידנית כאשר האור מיוחד או לא שגרתי או מעורב. במצלמות DSLR יש גם אפשרות לקבוע WB לפי התאורה בשימוש. 3000 K 1000 k

20. טמפרטורת צבע טמפרטורת צבע היא תכונה של האור הנראה בעלת חשיבות רבה בזמן שימוש בתאורה, בצילום (סטילס, קולנוע או ווידאו) ובשטחים נוספים. טמפרטורת הצבע של מקור אור נקבעת ע"י השוואת הצבע שלו לצבע של "גוף מתכתי שחור" כאשר הטמפרטורה של הגוף המתכתי נמדדת במעלות קלווין °K.הצבע המקרין מהגוף המתכתי בכל טמפרטורת קלווין, מציין את הצבע של מקור האור המתאים.

21. זום אופטי – שינוי אורך המוקד של העצמית כך שזווית הצילום צרה יותר והתמונה תשתמש בכל הפיקסלים על החיישן לרישום התמונה. זום דיגיטלי לוקח את הפיקסלים בחלק היחסי של התמונה ומגדיל את התמונה עם כמות הפיקסלים הנוכחית, לגודל המלא. התוצאה כמובן תהיה ירידה באיכות.

22. תצוגה לאחר צילום

23. השוואה בין צילום כימי לצילום דיגיטלי