حقائق رئيسية
- يظهر الصورة الخام لشجرة رأس السنة كتمثيل رمادي مسطح لشدة الضوء.
- محول الإشارة من التناظرية إلى الرقمية (ADC) قادر نظرياً على إخراج قيم من 0 إلى 16382.
- البيانات الملتقطة لا تغطي النطاق الكامل للمحول.
ملخص سريع
يوفر عرض مرئي حديث رؤية حول المخرجات الخام لمستشعر كاميرا رقمية. تصور الصورة شجرة رأس السنةرمادي التدرج مسطح لشدة الضوء. إنها ليست بالضرورة أبيض وأسود، بل طيف من القيم الرمادية التي تتوافق مع كمية الضوء الساقط على كل موقع ضوئي على المستشعر.
يرجع سبب هذا المظهر غير المألوف إلى فيزياء التقاط الصورة ودور محول الإشارة من التناظرية إلى الرقمية (ADC). بينما يفترض نظرياً أن المحول قادر على إخراج قيم تتراوح من 0 إلى 16382، فإن البيانات الملتقطة فعلياً لا تستخدم كامل نطاق هذا المجال. وينجم عن ذلك صورة منخفضة التباين تتطلب معالجة كبيرة لتصبح ملف JPEG أو HEIC عالي الجودة الذي يُعرض عادةً على الأجهزة. يُعد فهم هذه الحالة الخام أمراً بالغ الأهمية للمصورين والمطورين الذين يرغبون في تعديل بيانات الصورة على أبسط مستوياتها.
طبيعة بيانات المستشعر غير المعالجة
تخدم صورة شجرة رأس السنة مثالاً عملياً لما يراه مستشعر الكاميرا فعلياً قبل تطبيق أي معالجة برمجية. عندما يمر الضوء عبر العدسة ويصطدم بالمستشعر، تتراكم الشحنات الكهربائية في المواقع الضوئية بما يتناسب مع شدة الضوء. ثم يتم تحويل هذه الشحنة إلى رقم رقمي بواسطة محول الإشارة من التناظرية إلى الرقمية (ADC). تكون البيانات الناتجة خطية، مما يعني أن مضاعفة شدة الضوء تؤدي إلى مضاعفة القيمة الرقمية. لا تتطابق هذه البيانات الخطية مع طريقة إدراك العين البشرية للضوء، وهي غير خطية وأكثر حساسية للتغيرات في الظلال مقارنة بالومضات.
وبالتالي، تظهر الصورة الخام باهتة وتفتقر إلى التباين والتشبع الذي يربطه المستخدمون بالتصوير الرقمي. وُصفت الصورة بأنها "سرو-سراء"، أو رمادي-رمادي، بدلاً من أبيض وأسود. يُعد هذا التمييز مهماً لأنه يسلط الضوء على أن الصورة هي خريطة لقيم الإضاءة، وليس قطعة فنية مونوكروم مصممة. البيانات التي يلتقطها المستشعر هي في الأساس خريطة ارتفاع للضوء، حيث تمثل القيم الأعلى المناطق الأكثر سطوعاً والقيم الأLower المناطق الأكثر ظلمة، كل ذلك ضمن قدرات النطاق المحددة للعتاد.
دور محول الإشارة من التناظرية إلى الرقمية ونطاق البيانات
في صلب عملية التحويل هذه يقع محول الإشارة من التناظرية إلى الرقمية (ADC). تحدد المادة المصدرية أن المحول قادر نظرياً على إخراج قيم من 0 إلى 16382. يتيح هذا النطاق الـ 14 بت 16,384 مستوى مميزاً من الرمادي، مما يوفر درجة عالية من الدقة في تسجيل تغيرات الضوء. ومع ذلك، تلاحظ المادة المصدرية أيضاً قيداً حاسماً: البيانات الملتقطة بواسطة المستشعر لا تغطي النطاق النظري بالكامل. هذه الظاهرة، التي يشار إليها غالباً باسم "القص" أو "مساحة الرأس"، تعني أن المستشعر قد لا يلتقط النطاق الديناميكي الكامل للمشهد، أو أن إعدادات التعرض قد تحد من مخرجات البيانات.
عندما لا تمتد البيانات عبر النطاق الكامل، فإن الملف الخام الناتج يحتوي على معلومات أقل في الظلال والومضات مما يمكن للعتاد تسجيله. يمكن أن يؤدي ذلك إلى مظهر "محطوم" حيث تفقد التفاصيل في المناطق الداكنة جداً أو الساطعة جداً. بالنسبة لصورة الشجرة، يساهم النطاق المحدود في مظهرها المسطح. يحاول خط معالجة الصورة، الذي يشمل معالج إشارة الصورة (ISP)، تمديد هذه البيانات المحدودة عبر الطيف الكامل للألوان والمستويات الساطعة القابلة للعرض، وغالباً ما يطبق تصحيح غاما لجعل الصورة تبدو أكثر طبيعية للعين البشرية.
من البيانات الخام إلى الصورة النهائية 📸
الرحلة من البيانات الخام الرمادية منخفضة التباين إلى صورة مصورة نهائية تشمل عدة خطوات معقدة выполняها البرمجيات الداخلية للكاميرا، المعروفة باسم معالج إشارة الصورة (ISP). بمجرد أن يلتقط ADC البيانات الخطية، يتولى ISP تفسيرها وتعديلها. ويشمل هذا عادةً إزالة الموزاييك، حيث يقوم ISP باستعادة معلومات الألوان الكاملة من بيانات الألوان الجزئية التي التقطها مصفوفة مرشحات الألوان للمستشعر. بعد ذلك، يتم تطبيق خوارزميات تقليل الضوضاء لتنظيف الصورة، وإجراء تعديلات على الحدة لتحسين التفاصيل.
أخيراً، وربما الأهم، يطبق ISP تصحيح غاما. هذه عملية غير خطية تستخدم لتشفير وفك تشفير قيم الإضاءة أو القيم ثلاثية اللون في إشارات الفيديو أو الصور الثابتة. بدون تصحيح غاما، ستظهر الصورة أغمق بكثير من المقصود على الشاشات القياسية، التي تكون أيضاً غير خطية. يحول مزيج هذه العمليات خريطة الارتفاع الرمادية المسطحة للضوء التي التقطها المستشعر إلى الصور الحيوية الغنية بالتناقض التي يتم مشاركتها وتخزينها. يفصل عرض صورة الشجرة الخام بشكل فعال فيزياء التقاط الضوء عن فن معالجة الصورة.
