الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

كيف تعمل كاميرا الفيديو -5 فبراير، 2007 م.

بدأت كاميرات الفيديو الشخصية في الانتشار منذ حوالي 20 عاماً وكانت باهظة الثمن وكان اقتناءها يقتصر على الهواة والمحترفين، و في يومنا هذا اصبحت كاميرات الفيديو في كل بيت تقريباً وان لم توجد واحدة فلا بد انك استخدامتها من خلال صديق أو قريب.  تستخدم كاميرات الفيديو في تسجيل المناسبات السعيدة والرحلات السياحية حيث يمكنك تسجيل الصوت والصورة معاً وتعرضها على شاشات التلفزيون لتعيد ذكريات واحداث مرت، في حين أن كاميرات التصوير العادية تستخدم لالتقاط الصور الثابتة فقط حيث يتراوح سعر كاميرا الفيديو 300$ ويمكن ان يصل سعر بعض الانواع منها إلى 100000$.

في هذه المقالة من تفسيرات فيزيائية سوف نتعرف على كيف يمكن لجهاز بحجم الكف ان يقوم بالتقاط الصوت والصورة بضغطة زر واحدة، كما سنقوم بشرح الانواع العديدة من كاميرات الفيديو حتى لا نكون عرضة لاستغلال بائعيها فنحصل على النوع الذي نريد والذي يلبي احتياجاتنا.

أساسيات

يجب ان نعلم ان كاميرات الفيديو من حيث عملها نوعان هما: النوع الأول الكاميرات التناظرية analogوالنوع الثاني الكاميرات الرقمية digital.  وفي الحقيقة فإن فكرة عملهما متشابه إلا ان الكاميرا الرقمية تحتوي على إضافات سنشرحها لاحقاً، لذلك سنقوم بشرح التفاصيل الأساسية للكاميرا التناظرية.

تحتوي كاميرا الفيديو على ثلاثة وحدات رئيسية هي:

وحدة الكاميرا والذي يحتوي على شريحة CCD والنظام البصري المكون من العدسات والموتور المستخدم للتقريب والتبعيد والتركيز والتحكم بفتحة العدسة.

وحدة الفيديو والمكون من نظام فيديو مصغر ليلتقط إرساله من قسم الكاميرا ويعرضه على الشاشة التلفزيونية أو يمكن تسجيله على باستخدام الفيديو على شريط مغناطيسي.

كاميرا فيديو من النوع التناظري بعد ازالة الغطاء ونرى لوحة وحدة الفيديو ولوحة التحكم فيه

وحدة الفيديو المثبت على الكاميرا ويظهر حاوية الشريط المستخدم للتسجيل 

وحدة النظام البصري لكاميرا الفيديو

 وحدة المنظار viewfinder أي الباحث عن المشهد وهو القسم الثالث الذي يقوم باستقبال صورة الفيديو التي تقوم بتصويرها.  والمنظار في الحقيقة هو عبارة عن تلفزيون ابيض واسود مصغر ثم تطور التصميم في بعض الكاميرات ليكون المنظار عبارة عن تلفزيون ملون وفي الكاميرات الحديثة يتم تثبت تلفزيون ملون من نوع LCD حيث يمكنك التصوير دون النظر في المنظار من خلال استخدام شاشة الـ LCD التي يمكن ان تتحرك في كل الاتجاهات مع ثبات باقي اقسام الكاميرا مما جعل التصوير بواسطتها اسهل.

اذا كاميرا الفيديو تحتوي عدة أجهزة مدمجة مع بعضها البعض هي الكاميرا والفيديو والتلفزيون كلهم في جهاز واحد، ومهما تطورت الكاميرا وأضيف لها المزيد من الوظائف إلا إنها في النهاية كلهم متشابهين من حيث فكرة العمل والاختلاف يكون في أنواع أشرطة الفيديو المستخدمة.

الكاميرا الرقمية تحتوي أيضا على الوحدات الثلاثة ولكن يضاف إليها الوحدة المسئولة عن تحويل الإشارة التناظرية analog signal  إلى إشارة رقمية digital signal حيث يتم تخزينها على شكل بيانات رقمية في صورة بايت byte مكون من الرقمين الصفر والواحد.  بالطبع هناك مزايا عديدة للكاميرا الرقمية في ان تكرار نسخ أشرطة الفيديو المغناطيسية من واحد إلى أخر في الكاميرا التناظرية يؤدي إلى فقدان الكثير من المعلومات في كل نسخة نقوم بها، ولكن في الطريقة الرقمية مهما تكرر النسخ فإنها تبقى بنفس جودة الأصل. كما إنه في الطريقة الرقمية يمكن نقل تسجيل الفيديو من الكاميرا إلى الكمبيوتر مباشرة وبعدها يمكنك استخدام برامج تحرير ومونتاج الفيديو مثل القص واللصق والنقل وإضافة الأصوات والنغمات والتعليقات النصية وإضافة المؤثرات ثم تخزينه على اسطوانات الـDVD  أو الـ  CDأو إرساله عبر البريد الالكتروني للأقارب والأصدقاء. 

جيروم ليميلسون مخترع كاميرا الفيديو: سجل اول برائة اختراع لكاميرا الفيديو في العام 1980 بواسطة العالم  المخترع جيروم ليميلسون Jerome Lemelson الذي توفي في عام 1997 وكان قد سجل اكثر من 500 براءة اختراع وهو مخترع جهاز الفيديو وجهاز قراءة الباركود وجهاز المسجل المحمول walkman. علما بأن مكتب تسجيل براءات الاختراعات في امريكا رفضت تسجيل فكرة عمل الفيديو لاعتقاد اللجنة بانه من المستحيل ان تتمكن اية شركة من تصنيع هذه الفكرة وتحويلها الى واقع.

في الجزء التالي سوف نقوم بشرح العنصر الرئيسي لكاميرا الفيديو وهو شريحة الـ CCD المستخدمة لتحويل الصورة إلى اشارة كهربية.

مثلما تقوم الكاميرا العادية بالتقاط الصورة وتجميعها على الفيلم فإن كاميرا الفيديو ايضا تقوم بالتقاط المشاهد (الصور المتتالية) من خلال مجموعة من العدسات.  تعمل العدسات على تجميع الضوء المنعكس عن الجسم المراد تصويره -وبدلا من تجميعه على الفيلم- فإنه في كاميرا الفيديو يتم تجميعه على شريحة الكترونية تعرف بالـ CCD عبارة عن مجسات ضوئية (Sensors) تعتمد فكرة عملها على تحويل الضوء إلى شحنات كهربية. 

شريحة الـ CCD التي تقوم بتحويل البيانات الضوئية المستقبلة من النظام البصري إلى اشارة كهربية

الاسم العلمي للشريحة الالكترونية هو Charged Coupled Device وتختصر بـ (CCD) أو (العنصر مزدوج الشحنة). وتقوم بتحويل فوتونات الضوء  إلى الكترونات.  وتتكون شريحة الـ CCD من شبكة مصفوفات ثنائية الابعاد تحوي الملايين من المجسات الفوتوضوئية، وكل مجس يمثل عنصر الصورة الذي يسمى PIXEL وهي اختصار لكلمة Picture elements.

 يقوم كل مجس بتحويل الضوء إلى الكترونات فكلما كانت كمية الضوء أكبر كلما كانت كمية الشحنة المتحررة (الإلكترونات) أكبر وعن طريق قراءة الشحنة المتراكمة في كل خلية بواسطة ميكروبروسيسور يتم إعادة بناء الصورة.

الجهاز مزدوج الشحنة (CCD): هو شريحة إلكترونية مستخدمة من زمن يصل الى عشرون عاما وتسمى احيانا بالعين الالكترونية وكانت تستخدم في الانسان الالي وفي المراصد الفلكية وحديثاً تم استخدامها في كاميرا التصوير الفتوغرافي لتصبح الكاميرا معروفة باسم الكاميرا الرقمية. 

هذه صورة تشريحية لـ  CCD وكيف تقوم بتحويل الضوء إلى الكترونات.

فكرة عمل شريحة الـ CCD

تتكون الـ CCDمن شريحة مربعة طول ضلعها لا يزيد عن 3سم هذه الشريحة تحتوي على مجسات ضوئية (الدايود) من مواد أشباه موصلة (Semiconductors) مرتبة على شكل صفوف متوازية. عندما تتكون الصورة على هذه الدايودات يتم تحرير شحنة كهربية من الدايود يتناسب مع كمية الضوء الساقط عليها، فكلما كان الضوء الساقط على الدايود كبيرا كانت الشحنة المتحررة كبيرة. تعمل الشحنة الكهربية المتحررة على تفريغ مكثف مشحون متصل مع كل دايود. يتم إعادة شحن هذه المكثفات من خلال تيار يعمل على مسح كل المكثفات ويقوم ميكروبروسسور باحتساب قيمة الشحنة التي أعيدت إلى المكثف ليتم تخزين قيمة عددية لكل دايود في الذاكرة المثبتة بالكاميرا. تحتوي على معلومات عن موضع الدايود وشدة الضوء الذي سقط عليه لتكوين في النهاية صورة رقمية للجسم الذي تم التقاط صورته.

 كيف تلتقط كاميرا الفيديو الألوان

تعتبر المجسات الضوئية في كاميرا الفيديو غير حساسة للألوان ولا يمكن أن تميزها، وذلك لأن فكرة عمل هذه المجسات هي قياس شدة الضوء وتحويله إلى شحنات كهربية.  ولكي يتم التقاط الصورة بكامل ألوانها فانه لابد من استخدام مرشحات (filtering) للضوء بحيث يكون لكل لون من الألوان الأساسية مرشح خاص به، فمثلا المرشح الأحمر هو عبارة عن شريحة زجاجية ذات لون أحمر تسمح بدخول اللون الأحمر وتمنع باقي الألوان وكذلك بالنسبة للون الأزرق يستخدم مرشح أزرق ونفس الشيء بالنسبة للون الأخضر يستخدم مرشح أخضر، وبمجرد التقاط الكاميرا الصورة لأي مشهد فإنه يتم تحليل ألوان هذا المشهد إلى الألوان الأساسية الثلاث (الأخضر والأزرق والأحمر) ومن ثم يتم تجميعها للحصول على المشهد بكافة ألوانه.

وهنالك طرق مختلفة لالتقاط الألوان الأساسية في كاميرات الفيديو. من هذه الطرق استخدام ثلاث وحدات من رقاقات الـ CCD منفصلة ومثبت فوق كل رقاقة CCD مرشح لوني حتى تتخصص كل رقاقة برصد اللون الأساسي الخاص بها وهذه الطريقة تستخدم في الكاميرات عالية الجودة، فعندما يتم تركيز الضوء المنعكس من الجسم إلى داخل الكاميرا بواسطة عدستها فإن الضوء يتم تجزئته باستخدام مجزئ ليسقط على المرشح اللوني ثم إلى الـ CCD. يتم تجميع الإشارات الصادرة من الثلاثة رقائق CCD بواسطة الميكروبروسيسور لتكوين الصورة الملونة بالكامل.

يوضح عملية تجزئة الصورة (يسار) عبر مجزئ الحزمة الضوئية (Beam Splitter)

من ميزات هذه الطريقة ان الكاميرات تلتقط كل لون من الالوان الثلاثة الاساسية على نفس الموضع على البكسيل المخصص على الـ CCD مما ينتج عنه دقة عالية في الألوان ووضوح الصورة، ولكن هذه الكاميرات تكون كبيرة الحجم نسبياً وباهظة الثمن.

أما الطريقة الاقتصادية والعملية والمستخدمة في التقاط الألوان الأساسية في كاميرات الفيديو الشخصية فتتمثل في تثبيت مرشح يسمى بمصفوفة مرشح الألوان Color Filtering Array على رقاقة الـ CCD.

واكثر انواع مصفوفة المرشحات استخداماً هو نموذج مرشح باير (Bayer Filter Pattern) ويتكون من عمودين متبادلين احدهما مكون من مرشح للون الاخضر والاحمر والعمود الاخر مرشح للون الاخضر والازرق ونلاحظ هنا وجود الكثير من البكسل الخضراء مقارنة بالازرق والاحمر وذلك لان العين البشرية لا تكون حساسيتها متساوية بالنسبة للالوان الثلاث الاساسية فالكثير من اللون الاخضر يجعل الصورة تبدو للعين وكأنها حقيقية.

من محاسن هذه الطريقة اننا نحتاج لشريحة CCD واحدة ويتم التقاط الالوان (احمر، اخضر، ازرق) في نفس اللحظة. وهذا يعني ان الكاميرا ستكون اصغر وارخص وعملية في كثير من الاحيان.

تستخدم الكاميرات لوغاريثمات خاصة تسمى (Demosaicing Algorithm) تعمل على معالجة المعلومات الواردة من مخرج المرشحات والتي تكون في شكل فسيفساء ملونة للصورة الملتقطة وحساب الالوان الحقيقة من متوسط قيم البكسيل المحيطة لإعطاء اللون الحقيقي للصورة.

 لعلك تلاحظ أن المبدأ الأساسي لفكرة عمل كاميرات الفيديو يشابهة فكرة عمل الكاميرات الرقمية من حيث اعتمادهما على شريحة الـ CCD. ولكن كاميرا الفيديو تقوم بتصوير فيديو مكون من عدة مشاهد متتابعة في الثانية وليس صور واحدة ثابتة.

كاميرات الفيديو الرقمية تعمل بنفس فكرة كاميرات الفيديو التناظرية وتحتوي على كل الأقسام سابقة الذكر إلا انه يضاف إلى كاميرا الفيديو الرقمية مرحلة تقوم بتحويل الإشارة التناظرية إلى إشارة رقمية.  والتي تتلخص في تحليل إشارة الفيديو التناظرية وتحويلها إلى مجموعة من البيانات الرقمية المكونة من الصفر والواحد (0&1) التي تعرف باسم البايت byte.  وتقوم كاميرا الفيديو الرقمية من تخزين تلك البيانات الرقمية على وسط مادي مثل الأشرطة المغناطيسية أو على قرص صلب hard disk أو قرص مدمج CD أو DVD والأكثر انتشاراً في الأسواق كاميرات الفيديو الرقمية التي تخزن على الأشرطة المغناطيسية. 

العدسات

كما ذكر سابقاً بأن العدسات هي الخطوة الاولي لتصوير الفيديو حيث تقوم العدسات بتجميع الضوء عن الجسم وتركيزه على شريحة الـ CCD.  ولعل البعض منا لا زال يزكر صعوبة انتاج فلم فيديو بدقة عالية خصوصا وان تلك الكاميرات في السابق لم تكن مزودة بنظام التركيز الاتوماتيكي مما كان يتطلب من المصور ان يحرك العدسات باستمرار كلما تغير المشهد للحصول على افضل تركيز قبل الضغط على زر التسجيل للحصول على افضل وضوح للصورة.  اما الكاميرات الحديثة فكلها مزودة بنظام التركيز الاوتوماتيكي autofocus.

نظام التركيز الاوتوماتيكي autofocus

يستخدم نظام التركيز الاتوماتيكي مصدراً من ضوء الاشعة تحت الحمراء يصدر تلقائيا من الكاميرا ويوجه على الجسم المراد تصويره وترتد الاشعة تحت الحمراء إلى الكاميرا حيث تسقط على عدة مجس حساس للضوء.

المعلومات التي حصلت عليها الكاميرا من المجس الضوئي تمكنها من حساب المسافة التي قطعها الضوء (الأشعة تحت الحمراء) وذلك عن طريق إيجاد حاصل ضرب سرعة الضوء في الزمن المستغرق تقسيم 2وذلك لان الزمن المقاس هو زمن رحلة الذهاب والإياب معاً، مما سبق تستطيع الكاميرا أن تقدر المسافة بينها وبين المشهد الذي نصوره فتعطي إشارة إلى موتور كهربي ليحرك العدسة إلى المكان المحدد حسب برمجته المسبقة.

نظام التكبير zoom

يضاف إلى الكاميرا العديد من المزايا والتقنيات التي تجعل من التصوير سهل للاماكن التي لا نستطيع الوصول إليها مثل قارب في منتصف البحر أو طير في السماء فنستخدم خاصية التكبير والتي تعرف باسمها الانجليزي زووم zoom وهناك نوعان من الزووم نوع يسمي الزووم البصري optical zoom وأخر بعرف باسم الزووم الرقمي digital zoom.

تعتمد فكرة الزووم البصري على التحكم في البعد البؤري للعدسة ويكون محكوم بمدى محدد من قيمة صغرى إلى قيمة عظمى هي التي تدون على الكاميرا بـ 8x اي انها تكبر بمقدار ثمانية مرات.  أي يمكن للجسم الموجود على بعد 80 متر ان تجعله على بعد 10 أمتار باستخدام أقصى قيمة للزووم.  ويتم التحكم بالزووم من خلال موتور صغير أخر ليحرك العدسة أمام الـ CCD داخل الكاميرا.

النوع الثاني من الزووم هو الزووم الرقمي والذي لا يعتمد على العدسات انما يستخدم تقنيات الكترونية في اخذ جزء من المشهد الكلي والمكون عدد محدد من عناصر الصورة البكسل ((pixel على الـ CCD وتكبيره على مساحة الـ CCD مثلما تقوم بتكبير صورة على شاشة الحاسوب.  وهنا ينتج تشويه للصورة في حالة استخدام زووم رقمي اكبر من 50 مرة.

وفي الحقيقة تسعى الشركات المنتجة لكاميرات الفيديو بتدوين رقم الزووم الرقمي أيضاً على الكاميرا وعلى الصندوق للدلالة على قوة الكاميرا وهذا لا يعد في الحقيقة الا احد اساليب التسويق لان سعر الكاميرا يرتفع مع ارتفاع الزووم البصري بالاضافة الى بعض التقنيات الاخرى ولكن الزووم الرقمي ما هو الا تطوير في برمجيات الكاميرا.

فتحة العدسة iris

كما نعلم ان التصوير يعتمد على كمية الضوء المتوفرة فإذا كان الضوء أكثر من اللازم تظهر الصورة شديدة السطوع وتضيع معالمها وألوانها، وإذا كانت الإضاءة اقل من اللازم تظهر الصورة معتمة وتضيع معالمها وألوانها أيضا. ولصعوبة التحكم بالضوء بواسطة المستخدم العادي فقد تم تزويد كاميرات الفيديو بنظام تحكم أوتوماتيكي يعمل من خلال إطار معدني دائري irisيسمى فتحة العدسة يتغير نصف قطره حسب كمية الضوء مثل فكرة عمل العين في الإنسان ويتحكم في فتحة العدسة موتور كهربي يستمد معلوماته من مجس حساس للضوء وظيفته تقدير كمية الضوء الموجود ومقارنته بكمية الضوء المطلوبة وبناء على النسبة يتم تعديل فتحة العدسة.

الخلاصة كل ما عليك ان تحدد المشهد وتصوب الكاميرا له واترك الباقي للكاميرا لتقوم بكل مايرزم.

أنواع الكاميرات وانساقها Formats

أولاً النوع التناظري Analog Formats

تقوم الكاميرا التي تعمل بالنسق التناظرية بتسجيل كلاً من الصوت والصورة على شريط الفيديو المغناطيسي على أساس إشارة تناظرية analog signal. هذا يعني انه كل ما تم نسخ الشريط تقل جودة الصوت والصورة وتظهر التشويشات بوضوح بعد تكرار نسخ النسخة الأولي وهكذا. تصنف الكاميرات التناظرية حسب نسق (نوع) الشريط المغناطيسي المستخدم للتسجيل الذي يحدد دقة الصورة resolution ومن أنواع تلك الكاميرات نسردها حسب تطورها على النحو التالي:

Standard VHS

وهي كاميرات الفيديو التي تستخدم نفس الشريط المستخدم في أجهزة الفيديو، مما يجعل من عملية التسجيل والعرض أمراً سهلاً وتفضل هذه الكاميرات ايضاً لتوفر الأشرطة من نوع VHS ورخص ثمنها وطول مدة التسجيل التي تصل إلى 180 دقيقة حسب مدة الشريط.  ولكن كبر حجم الشريط يجعل من الكاميرا نفسها كبيراً مقارنة بالانواع الحديثة الأخرى. كما ان مستوى الدقة الذي يصل إلي 250 خط افقي يعتبر قليلاً.

VHS-C

ظهر هذا النوع كتحسين اضيف إلى النوع السابق standard VHS حيث استخدم نفس الشريط المغناطيسي ولكن تم تثبيته في علبة اصغر لجعل تصميم الكامير