[التكنولوجيا والمستقبل] الكاميرا ، وعين الهواتف الذكية لدينا

كاميرا استشعار
http://www.hardwaresecrets.com/wp-content/uploads/camerasensor.jpg
ECOVACS

في الأسابيع الأخيرة ، قمنا بتفكيك هواتفنا الذكية ذهنيًا ، وفي poco الوقت ، اقتربنا من الجزء الأكثر حميمية. ومع ذلك ، فإن الطريق إلى SoC والرقائق الأخرى على اللوحة الرئيسية لا يزال طويلًا ويمر عبر تحليل "حواس" أجهزتنا الطرفية ، أي تلك المكونات التي تسمح لكل جهاز كشف وتسجيل البيانات حول المستخدم والبيئة المحيطة.

هذا الأسبوع ، على وجه الخصوص ، سنركز على فيستا، أكثر الحواس تعقيدًا وقوة المتاحة للإنسان. اليوم سوف نتحدث عن التقنيات الكامنة وراء عمل كاميراوالعين الرقمية للهواتف الذكية التي تتيح لنا الحفاظ على صورة ما حولنا بسهولة.

سوني IMX214

هذه المادة من الخميس المقبل، من ناحية أخرى ، كالعادة ، سيتم تخصيصها لـ الابتكارات التي أحدثت ثورة بالفعل في هذا المكون (مثل انتشار أنظمة التثبيت البصري والتركيز السريع) وإلى الأنواع الأكثر غرابة التي لا تزال بعيدة عن الاستعداد لسوق الهاتف المحمول (مثل مجال الضوء).

النظام البصري

في كثير من الأحيان يتم الإعلان عن الهواتف الذكية في السوق لوجود مستشعر بدقة عالية أو جودة معينة ، ولكن في الغالب لا تنسى التسويق أن تخصص كلمات قليلة ".النظام البصري الذي يشغل هذا المستشعر. إذا أردنا إجراء مقارنة بالعين البشرية ، فإن هذا النهج من شأنه أن يرقى إلى إعطاء أهمية كبيرة لشبكية العين مع إهمال بقية مقلة العين والتي ، كما يعلم مرتدي النظارات ، غالبًا ما تكون سبب الرؤية غير الكاملة

يوجد حاليًا العديد من أنظمة العدسات الحاصلة على براءة اختراع للاستخدام في بيئة الجوّال ، ولكن جميع هذه الأجهزة البصرية تشترك في استخدامها عدسات غير كروية (تقريبا دائما في البلاستيك) ويمكن تصنيفها وفقا لمفردها الخصائص البصرية. ومع ذلك ، قد يكون الجهاز معقدًا ، على سبيل المثال ، من الممكن دائمًا تحديده البعد البؤري، وهذا هو، المسافة بين المركز البصري لنظام العدسة والمستوي حيث تكون الصورة في البؤرة.

البعد البؤري
http://1.bp.blogspot.com/-5yBtQshMqfM/UBlWFa1_VrI/AAAAAAAAAU0/7i3zlafP6jw/s1600/12.jpg

ومع ذلك ، فإن حقيقة وجود هذا الطول لا ينبغي أن تقودنا إلى الاعتقاد بأنه من الممكن إنشاء عدسة تكون دائمًا في بؤرة التركيز. البعد البؤري ، في الواقع ، يحسب فيما يتعلق كائن وضعت في اللانهاية، ولا يذكر شيئًا عن موضع التركيز لجسم قريب. تم التغلب على هذا العيب بفضل استخدام ملف VCM (محرك الملف الصوتي) ، أي كهربائي صغير قادر على تحرك واحدة أو أكثر من العدسات النظام ل دائما في التركيز الصورة على جهاز الاستشعار.

البعد البؤري ، من ناحية أخرى ، له أهمية خاصة لأنه يساعد على تحديد زاوية الرؤية، أي امتداد المشهد الذي يمكنك تصويره بالكاميرا. مجموعة بصرية يكون فيها قطر المستشعر مشابهاً للبعد البؤري ، على وجه الخصوص ، سيقال طبيعي وسوف تظهر زاوية من الميدان تشبه عين الإنسان. من ناحية أخرى ، مع انخفاض الطول البؤري بالنسبة للقطر ، سيكون هناك مجال أكبر بشكل متزايد (زاوية واسعة) ، بينما في الحالة المعاكسة سيتم الحصول على زوايا ضيقة بشكل خاص (المقربة).

البعد البؤري
http://photographyelement.com/wp-content/uploads/focal-length.png

ميزة بصرية أخرى جديرة بالملاحظة هيافتتاح نسبي، وهذا هو، النسبة بين الطول البؤري وقطر الثقب مما يسمح بمرور الضوء. هذه الكمية ، التي يشار إليها بيانياً على أنها "f / number" (تشير الأرقام المنخفضة إلى فتحات أعلى) في الواقع مرتبطة بها كمية الضوء التي يمكن أن تصل إلى المستشعر: نظرًا للطبيعة الدائرية للفتحة ، سيصبح التدفق الضوئي ربعًا لكل مضاعفة للرقم البؤري ، وعلى سبيل المثال ، ستسمح فتحة f / 2 بمرور ضعف ضوء f / 2,8.

افتتاح نسبي
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/87/Aperture_diagram.svg/1024px-Aperture_diagram.svg.png

بحيث يمكن للمستشعر تسجيل صورة جيدة ، لذلك ، يجب تصميم نظام العدسة لضمان واحد التركيز الجيد ولديك فتحة كبيرة وبُعد بؤري مناسب. غالبًا ما توجد أيضًا بعض المرشحات التي تحد من مرور ملفات ترددات غير مرئية، بينما ال غشاء. غير المرغوب فيه تماما ، وأخيرا ، هي الانحرافات البصرية مما يقلل بشكل كبير من جودة الصور.

أجهزة الاستشعار

تخيل أنك تريد التقاط صورة بهاتفك الذكي: سيبدو لك أنك تضغط على زر فقط ، لكنك في الواقع ستستخدم عددًا كبيرًا جدًا من المبادئ المادية للحصول على النتيجة المرجوة. الاستفادة من حقيقة أن الضوء يبدو أنه يسافر ببطء أكثر داخل العدسات (مفهوم تم التعبير عنه عدديًا بواسطة مؤشر الانكسار) ، على سبيل المثال ، سوف تحرف الفوتونات عدة مرات لجمعها ووضع الصورة في بؤرة التركيز على السطح ، ومرة ​​أخرى لن تكون في بداية العمل!

في الواقع ، لا يمكن للهاتف الذكي الخاص بك مباشرة إدارة المعلومات التي يحملها الفوتونات ، ولكن يجب أولا تحويلها إلى إشارة كهربائية وأخيرا ، في مجموعة من أرقام ثنائية يمكن فهمها وحفظها بسهولة. جزء من وحدة التصوير الفوتوغرافي التي تتعامل مع تحويل الفوتونات إلى إشارات كهربائية هي جهاز الاستشعار، في حين أن معالجة الصور الفعلية تتم في دائرة عادة ما تكون مدمجة في SoC ، معالج إشارة التصوير (ISP).

كاميرا
http://media.digitalcameraworld.com/wp-content/uploads/sites/123/2012/08/Photography_cheat_sheet_digital_processing1.jpg

حاليا ، تهيمن التكنولوجيا على عالم أجهزة الاستشعار CMOS (أشباه الموصلات المعدنية المكملة) ومن ذلك اتفاقية مكافحة التصحر (Charge Coupled Device) ، ولكن هذا الأخير هو تقريبا غائبة تماما في بيئة الهاتف المحمول نظرًا للأبعاد الكبيرة والاستهلاك العالي وتكلفة الإنتاج المرتفعة.

كلتا التقنيتين ، في أي حال ، تعتمد على استخدام مصفوفة من عناصر حساسة للضوء، سعيد photosite. في حالة تقنية CCD ، تكون هذه الخلايا عبارة عن مكثفات مجهرية يتم شحنها عند تعرضها للضوء ، بينما في CMOS فوتوديوديس والتي ، إذا اصطدمت بفوتون ، فإنها تنتج فرق جهد.

تفاصيل الاستشعار
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ef/A_micrograph_of_the_corner_of_the_photosensor_array_of_a_%E2%80%98webcam%E2%80%99.jpeg

في كلتا الحالتين ، ومع ذلك ، هذه العناصر حساسة للطيف المرئي بأكمله وبالتالي ، فأنا غير قادر على إعطاء المعلومات بشكل أصلي على الألوان من الضوء الذي قام بتنشيطها. لحل هذه المشكلة ، تستخدم معظم أجهزة الاستشعار التجارية الحالية واحدة مرشح باير، أي عدسات ملونة صغيرة جدًا ، لجعل كل موقع ضوئي حساسًا لها واحد فقط من الألوان الأساسية (مصفوفة مرشح اللون). من خلال الاستيفاء اللونيبعد ذلك ، سيكون من الممكن حساب اللون المطابق للبكسل المفرد.

بما أن أصول التصوير الفوتوغرافي الرقمي قد انتشرت عادة في الخلط بين مفهوم الصور الفوتوغرافية ، وهو عنصر مادي غير قادر في كثير من الأحيان على إعادة جميع المعلومات عن ضوء الحادث ، مع تلك الخاصة بالبكسل. تم إنشاء هذا الارتباك من حقيقة أن جميع المنتجين تعلن عدد photosites معربا عنها (ليس قانونيًا تمامًا) في ميجابيكسل.

مرشح باير
http://www.creativeplanetnetwork.com/sites/default/files/images/06Learn-DV101-Raw-4.jpg

لذلك ، سيتكون مستشعر 13 ميجابكسل مثل Sony IMX214 من مصفوفة من 4224 × 3200 صور فوتوغرافية منها ربع فقط سوف تكون حساسة للون الأزرق، آخر من الربع إلى الأحمر ed الاخضر المتبقي. من ناحية أخرى ، أجهزة الاستشعار هي حالة منفصلة Foveon، الذين كل photosite قادرة على تسجيل جميع مكونات اللون وبالتالي ، فهو يتوافق تمامًا مع البكسل (سنتحدث عنه في المقالة التالية).

دعنا نعود إلى المستشعر الخاص بنا ونرى كيف ، وفقًا للتقنية ، يختلف مسار الإشارات الكهربائية الناتجة عن الضوء. في حالة CCD ، على وجه الخصوص ، يتم استخدام الآلهة المجالات الكهربائية لتحريك شحن المكثف الواحد إلى واحد مجاور ، بحيث الحزم تهمة نقل إلى مكبر للصوت و ADC الخارجي (التناظري إلى محول رقمي) الذي يحولها إلى إشارة ثنائية.

cmos ccd
http://meroli.web.cern.ch/meroli/images/lecture_cmos_vs_ccd/ccd_cmos.jpg

في حالة أجهزة الاستشعار CMOS ، ومع ذلك ، جميع الصور الفوتوغرافية هي من بينها مستقل و الADC è متكاملة مباشرة على الرقاقة. كل عنصر حساس ، إذن ، له دائرة التضخيم الخاصة مخصصة ، والتي يمكن وضعها تحت (إضاءة المؤخرة ، BSI) أو أعلى (إضاءة الواجهة الأمامية ، FSI) الثنائي الضوئي.

لفترة طويلة كانت أجهزة الاستشعار FSI ط أكثر شيوعا واستخدامها بفضل انخفاض تكاليف الإنتاج ، ومؤخراً فقط أصبح انتشار أنظمة BSI مناسبًا حقًا. المزايا النظرية للحل الأخير واضحة: مسافة بين العدسات الملونة من CFA والضوء الضوئي هو الأصغر مقارنة بما هو ممكن مع نظام FSI ، وبالتالي ، مع ظروف خارجية متساوية ، أ تدفق مضيئة أكبر على السطح الحساس.

cmos bsi fsi
http://files.tested.com/uploads/0/1761/6641-sony_cmos_diagram.gif

هذه الميزة واضحة بشكل خاص في حالة الإضاءة السيئة أو الجزئية، وهو حاسم للكاميرات ذات الفتحة المنخفضة مثل تلك الموجودة عادةً في هواتفنا الذكية. وهذا ما يفسر النجاح المتزايد لهذه التقنية التي ، بعد أن تم تبنيها من قبل جميع الشركات المصنعة الكبرى لأجهزة الاستشعار الفوتوغرافية لعالم الهاتف المحمول ، وذلك بفضل صقل الإنتاج و خفض التكاليف فهي تكتسب ببطء حتى بين الكاميرات المستقلة.

معالج الإشارة للتصوير ، دماغ الكاميرا

لقد رأينا ، متحدثًا عن المستشعر ، كيف يعطي هذا الهاتف الذكي لدينا مجموعة فقط من أجهزة الاستشعار البيانات الخام (خام) حول فسيفساء الألوان التي تم إنشاؤها بواسطة CFA ، وهي بيانات بعيدة كل البعد عن تمثيل الكائنات التي قمنا بتأطيرها في العدسة بشكل مباشر. لذلك ، قبل التمكن من الاحتفاظ بالصورة ، من الضروري اتخاذ خطوة أخرى في معالج إشارة التصوير (ISP) ، الدائرة التي تتعامل مع demosaicingمن اختيار معلمات اطلاق النار و تصحيح أي انحرافات بسبب عيوب العدسة.

كتل الكاميرا المخطط
http://images.anandtech.com/doci/6777/Frequencies%20Presentation.008.png

demosaicing ، على وجه الخصوص ، يتكون من تقدير مكونات اللون المفقودة إلى موقع الصور الفردي عن طريق حساب متوسط ​​قيم العناصر الأكثر حساسية. على سبيل المثال ، لنفترض أن لديك موقعًا ضوئيًا به مرشح أخضر: سيفقد المكونين الأحمر والأزرق ، اللذين سيتم حسابهما باستخدام أقرب مواقع الصور ذات الفلاتر الحمراء والزرقاء ، على التوالي. لذلك يتم تعبئة المجموعة المكونة من ثلاثة مكونات لونية (واحد تم قياسه واثنان مقدران) بكسلهذا اخيرا يقترب من اللون من الضوء الذي أصاب هذا photosite حقا.

يشرح مزود خدمة الإنترنت ، في هذه المرحلة ، الصورة التي تم استلامها من وحدة التصوير الفوتوغرافي ويقوم تلقائيًا بتصحيح المعلمات لتحسين الجودة. ال سرعة مصراع الكاميرا و حساسية المستشعرعلى سبيل المثال ، سيتم ضبطها للحصول على صورة يتعرض جيدا، مع إعطاء الأولوية إلى الأول أو الثاني وفقًا لنوع الرحلة التي يحددها المستخدم. لذلك ، بالنسبة للمواضيع المتحركة ، فإن أوقات التعرض القصيرة ستكون مفضلة ، أما بالنسبة للصور الثابتة ومع الحامل ثلاثي القوائم ، فستركز على الحساسيات الأقل.

تعرض
http://www.canon.it/Images/AT_Page_1_02_IT_tcm80-1082678.jpg

نذكرك أيضًا أن زيادة حساسية مجسات التصوير الرقمي تعادل تضخيم بالكامل إشارة الخروج من الثنائي الضوئي ، الضوضاء الخلفية المدرجة. هذا العنصر الأخير غير مرغوب فيه بشكل طبيعي ، فهو يجعل عمل ISP في ظروف الإضاءة السيئة أصعب بكثير ويقلل من جودة الصور.

معلمة أساسية أخرى ، ثم ، و توازن اللون واختيار نقطة أبيض. عادة ما يتم اختيار هذه الإعدادات من خلال خوارزمية خاصة (في هذا المجال ، وكذلك للتخلص ، يشعر المصنعون بغيرة شديدة من تقنياتهم) والتي تقدر لون الضوء الساقط ، وبالتالي ، اضبط معاملات RGB من بكسل لإنتاج صورة أكثر طبيعية أو أكثر حيوية (حسب ذوق الشركة المصنعة ودلالات المستخدم).

توازن اللون
http://www.xdcam-user.com/wp-content/uploads/2012/09/color-balance-sample-1.jpg

المهمة الأساسية الأخرى التي يجب على كل مزود ISP إدارتها ، في هذه المرحلة ، هي التركيز التلقائي ، وهذا هو نظام ردود الفعل مما يسمح لخطة الحريق يتزامن دائما مع جهاز الاستشعار. نظام ضبط تلقائي للصورة حاليا أكثر انتشارا في قطاع الهاتف المحمول هو من أ الكشف عن المقابلولكن أنظمة الكشف عن الطور (PDAF) تنتشر في الآونة الأخيرة.

الأول ، على وجه الخصوص ، يقوم على فكرة أن الصورة في التركيز سيكون لها حتماً تباين أعلى من الباهتة. وبالتالي ، سينقل ISP المجموعة البصرية لوحدة التصوير الفوتوغرافي لـ تعظيم التباين في منطقة المستشعر ، والتي عادة ما تكون قابلة للتحديد مباشرة من قبل المستخدم. ولذلك فهو نظام "تجريبي" ، ليس سريعًا بشكل خاص ولكنه معترف به الجودة الممتازة للتركيز.

PDAF
https://cdn.photographylife.com/wp-content/uploads/2012/07/Phase-Detection-Autofocus.png

Il PDAFبدلاً من ذلك ، يتكون من تقسيم بصري لجزء من الضوء الوارد إلى صورتان متطابقتان وفي قياس انزياح الطور. يسمح ذلك لمزود خدمة الإنترنت بحساب الاتجاه الذي يتحرك فيه النظام البصري لتقريب مستوى التركيز من المستشعر ، وبالتالي يسمح لك بالتصوير صور رائعة في poco مرة.

مقدمي خدمات الإنترنت الحالية ، في الختام ، تعامل من بين أمور أخرى أيضا ضغط الصور في JPEG ، من برنامج إزالة الضوضاءمن الاستقرار الإلكتروني الصورة (التي غالبا ما تتكون ببساطة من تقليل أوقات التعرض) ، من ترميز فيديو، النظام تقرير التنمية البشرية، التطبيق الخاص ب مرشحات (أصبحت مؤخرًا عصرية جدًا) وديل كشف الوجه والابتسامة.

سيتم استكشاف بعض هذه التقنيات في المقالة التالية يوم الخميس ، جنبًا إلى جنب مع التقنيات الأكثر ابتكارًا لـ التركيز التلقائي (الليزر ، الأشعة تحت الحمراء ..) ، إلى حدود سباق القرار وبطبيعة الحال ، لجميع التقنيات التي يمكن أن تزعج العالم من التصوير المحمول في المستقبل!