فكرة عمل التلفون Telephone

مكونات التلفون البسيط

ربما تستغرب من ان مكونات جهاز التلفون تعد من ابسط الاجهزة الموجودة في المنزل، فالتلفون في ابسط أشكاله يتكون من الأجزاء الثلاثة التالية:

 

صورة لتلفون قديم

المفتاح الكهربي Switch: يعمل على توصيل التلفون بالشبكة الخارجية عند اجراء المكالمة او فصله عنها، والذي يعرف احياناً باسم التحويلة والتي تكون في حالة اتصال بمجرد أن ترفع سماعة التلفون.

 

هذه هي مكونات واجزاء التلفون ويمكنك استعمال مثل هذا التلفون لو وصل بالشبكة ولكن طريقة طلب الرقم تختلف عما هو الآن حيث كان على المستخدم ان يرفع السماعة ومن ثم يضغط على مفتاح التحويلة اربع مرات لتعلم شركة التلفون ان الرقم المطلوب هو اربعة وهكذا يتم توصيله بالهاتف صاحب هذا الرقم.

 

مكونات التلفون الحديث

واجهت التلفون القديم مشكلة رئيسية وهي انك ستسمع صوتك من خلال سماعة تلفونك وهذا يسبب الإزعاج لكثير من الناس مما استوجب إدخال بعض التحسينات على تركيبه ليصبح أكثر راحة و ملاءمة حيث ادخل عليه duplex coil أو ما يحل محله لحجب صوت المتحدث عن أذنه. كما زودت التلفونات الحديثة بلوحة مفاتيح تعمل بمجرد الضغط عليها بدل الضرب على مفتاح التحويلة . أيضا استبدلت الميكرفونات القديمة بأخرى الكترونية بها مكبرات وزودت بدوائر لتوليد أصوات لطيفة بدل الجرس التقليدي الذي قد يكون مزعجا ليصبح الشكل الحقيقي الجديد لجهاز التلفون كما هو موضح.

صورة لتلفون حديث

كيف تعمل شبكة الهواتف؟

شبكة الاتصالات تبدو أكثر بساطة من جهاز التلفون حيث يمكنك أن تنشأ بنفسك شبكة اتصالات صغيرة خاصة بك فكل ما بينك وبين شركة الاتصالات هو سلكين من النحاس احدهما مشترك والآخر يمر به تيار شدته 30 ملي أمبير بفرق جهد ما بين 6-12 فولت حيث يقوم الميكرفون بتغيير شدة التيار المار تبعا لتغير الموجة الصوتية الصادرة من فمك وتقوم السماعة على الجانب الآخر بإعادة تشغيل هذه الموجة الصوتية وتحويلها إلى تيار كهربي.

إذا أردت الاتصال بشخص ما يتبع لنفس بدالة الشركة التي تتبع لها كل ما ستقوم به البدالة هو عمل حلقة بينك وبين المتحدث الآخر ليتم إجراء المحادثة لكن لو أردت الاتصال بشخص بعيد فانه سيتم تحويل صوتك إلى إشارة رقمية ترسل عبر الأسلاك إلى بدالته حيث يتم فك شيفرتها وترسل لتلفونه.

 

 

 كيف تعمل الكاميرا الرقمية؟

 في العشرين سنة الماضية اصبحت تحيطنا العديد من الأجهزة المنزلية  ذات التقنيات الرقمية مثل CDs, DVDs,   HDTVs, MP3s, DVRs,  والتي نشأت جميعها وتطورت مع تطور العصر الرقمي، لتعمل بنفس نظرية المعالجة وهي تحويل المعلومات التماثلية التقليدية (والتي تُمثل بموجات) إلى معلومات رقمية والتي تُمثل بأصفار وآحاد أو ما يسمى بالـ Bits)).

 الكاميرا الرقمية digital camera تُعد واحدة من أهم الأمثلة الملحوظة لهذه الوسيلة لأنها تختلف تماماً عن الكاميرات التقليدية (التي تستخدم الفيلم) التي تعتمد كلية على المعالجة الكيميائية والميكانيكية لالتقاط الصورة وطباعتها حتى ان بعضها لا يحتاج لطاقة كهربية لتشغيلها.  ومن ناحية أخرى فإن كل الكاميرات الرقمية تحوي بداخلها معالج صغير (Microprocessor) يقوم بمعالجة الصور إلكترونياً.

 
كاميرا رقمية من سوني

 وفي الحقيقة لم تحل الكاميرات الرقمية محل الكاميرات التقليدية حتى الآن وذلك لأن الفيلم ما زال يعطي جودة عالية للصورة ولكن بتقدم تكنولوجيا الصور الرقمية أصبحت الكاميرات الرقمية أكثر انتشاراً وشعبية.

أساسيات
 لنفترض أننا نريد أخذ صورة وإرسالها بالبريد الالكتروني، ولعمل ذلك يجب تحويل الصورة إلى اللغة التي تدركها الحواسيب وهي الاصفار والآحاد. فالصورة الرقمية عبارة عن سلسلة طويلة من الاصفار والاحاد التي تمثل كل النقاط الملونة الصغيرة أو ما يسمى بالبكسل (Pixel) والتي تشكل مجتمعة الصورة.

 

ولأخذ صورة في هذه الهيئة فلدينا خياران:

(1) أخذ الصورة بكاميرات تقليدية ومعالجة الفيلم كيميائياً ومن ثم طباعته على ورق فوتوغرافي، وأخيراً استخدام الماسحة الضوئية (Scanner) لأخذ عينات من الصورة (تحويل عينات الضوء على حسب شدة الإضاءة ودرجة اللون وتحويلها لسلسلة من النقاط ذات قيم البكسيل.

(2) اخذ عينات مباشرة من الضوء الأصلي المرتد من الجسم المراد تصويره وتحويل هذه العينات لسلسلة من البكسيل مما يعني أننا استخدمنا كاميرا رقمية.

كما للكاميرا التقليدية مجموعة من العدسات التي تركز الضوء  المنعكس عن الجسم المراد تصويره على الفيلم لأخذ صورة من المشهد، فان للكاميرات الرقمية عوضاً عن الفيلم يوجد شريحة من أشباه الموصلات والتي تقوم بتسجيل الضوء الكترونياً تسمى الـ CCD، ليقوم بعدها المعالج الذي تحتويه الكاميرا بتحويل هذه المعلومات الالكترونية لبيانات رقمية وتحفظها على ذاكرة الكاميرا.

الصورة الرقمية ويظهر عناصر الصورة (البكسيل) على اليمين عند تكبير جزء من الصورة على اليسار

سوف نقوم في هذه المقالة بشرح فكرة عمل الكاميرات الرقمية وكيف نحصل منها على الصور.

كاميرات بدون فيلم!
تحتوي الكاميرات الرقمية بدلاً عن الفيلم على مجسات ضوئية (Sensors) والتي تعتمد فكرة عملها على تحويل الضوء لشحنات كهربية.

 
صورة لمجس  CMOS

واكثر تقنيات المجسات الضوئية انتشاراً في الكاميرات الرقمية هي تقنية  Charged Coupled Device وتختصر بـ (CCD) أو (العنصر مزدوج الشحنة).و بالرغم من ان بعض الكاميرات الرقمية تستخدم تقنية المجسات الضوئية CMOS (Complementary Metal Oxide Semi Conductor) (شبه موصل معدن الاكسيد المتمم) بدلاً عن الـ (CCD)  إلا أن كلا التقنيتين CCD أو CMOS تقومان بتحويل فوتونات الضوء إلى الكترونات. وتتكون المجسات من شبكة مصفوفات ثنائية الابعاد تحوي الملايين من الخلايا وكل خلية عبارة عن 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 يمكن للميكروبروسيسور من إعادة بناء الصورة.

 

 

تصطدم الفوتونات بالالواح الضوئية لشريحة CCD وتطلق الالكترونات

 

وفيما يلي الاختلافات الرئيسية بين تقنيتي CCD وCMOS

 تقوم تقنية CCD بنقل الشحنة عبر الرقاقة وقراءتها عند احد اركان المصفوفة، وبعدها يقوم محول (تماثلي – رقمي) ADC بتحويل كل قيمة بكسل لقيمة رقمية وذلك عن طريق قياس مقدار الشحنة في كل موضع ضوئي وتحويل ذلك القياس إلى صيغة ثنائية  (Binary Form).

 اما تقنية CMOS تستخدم عدة ترانسيستورات لكل عنصر صورة (البكسيل) لتكبير ونقل الشحنة عبر أسلااك توصيل تقليدية ولهذا فهذه التقنية لا تستخدم محول ACD.

 
صورة لشريحة CCD

هذا الاختلاف جعل لكل تقنية ميزات وعيوب وهي

(1) تتمتع تقنية CCD بنقاء عالي وقلة تشويه (ناجم عن الضجيج) مقارنة بتقنية CMOS فهي اكثر تأثراً بالضجيج.

(2) لكل بكسل في تقنية CMOS عدة ترانزستورات، وحساسية الضوء ضعيفة في هذه الرقاقة وذلك لان الفوتونات الضوئية قد تصطدم بالترانستورات بدلاً عن الدايودات الضوئية (Photodiode)

(3) تستهلك رقاقات CMOS مقداراً ضئيلاً من الطاقة وفي المقابل فان المعالجة التي تقوم بها رقاقة CCD تستهلك الكثير من الطاقة (أكثر بـ 100 مرة) مقارنة برقاقة  CMOS

(4) تصنع رقاقات CCD لتدوم طويلاً وتعطي دقة عالية الوضوح للصور.

(5) بالرغم من الاختلافات السابقة بين رقاقات CCD وCMOS  فانهما يلعبان نفس الدور في الكاميرات الرقمية وهو تحويل الضوء إلى شحنات كهربية بستخدام الديود.

 الدقة
ان مقدار التفاصيل التي تستطيع الكاميرات التقاطها يطلق عليها الدقة Resolution وتقاس بالبكسيل Pixel  فكلما زاد عدد البكسل كلما زادت تفاصيل الصورة وتصبح الصور ذات الأبعاد الكبيرة أكثر وضوحاً.

 بعض مستويات الدقة:

(1) 256×256 ونجدها في الكاميرات رخيصة الثمن فالدقة ضعيفة جداً ويكون إجمالي عدد البكسيل المكون للصورة هو 65.000 بكسيل.

(2) 480×640 وهو أقل حد لمستوى الدقة النموذجي وهو مثالي جداً لإرسال الصور عبر البريد الإلكتروني وصفحات الويب.

 (3) 912×1216 ويقاس فيها حجم الصورة بالميغابكسل (Megapixel) واجمالي البكسيل المكون للصورة هو  1.109.000 بيكسيل ويفي هذا المقاس لغرض طباعة الصور.

(4) 1200×1600 وتتميز هذه الدقة بمجموع 2 مليون بكسيل وهي دقة عالية، حيث بإمكاننا طباعة صورة بمقياس 5×4 إنش كتلك التي نتحصل عليها في معامل الألوان.

(5) 1680×2240 وتوجد في الكاميرات الرقمية ذات (4 Megapixel) وتسمح بطباعة صورة كبيرة بدقة عالية حتى 20×16 إنش.

(6) 2704×4064 وهي اعلى دقة للكاميرات الرقمية (11.1 Megapixel) ويمكننا الطباعة بها بدقة عالية جداً حتى 9×13.5 إنش.

صورة مأخوذة بمستويات دقة مختلفة

 بعض الكاميرات التجارية الجيدة يمكنا التقاط اكثر من 12 مليون بكسل، أما الكاميرات الإحترافية فتلتقط  صور بدقة 16 مليون بكسل.  وتقدر شركة هيليوباكارد إن دقة الصورة المأخوذة في الفيلم باستخدام الكاميرا التقليدية يصل إلى 20 مليون بيكسيل.

كيف تلتقط الكاميرا الرقمية الألوان
تعتبر المجسات الضوئية في الكاميرا الرقمية غير مدركة للألوان ولا 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.

عملية دمج الالوان الاساسية للحصول على عدة الوان

 

وهنالك طرق مختلفة لالتقاط الالوان الاساسية في الكاميرا الرقمية. فالكاميرات الرقمية عالية الجودة تستخدم ثلاث وحدات من رقاقات الـ CCD منفصلة ومثبت فوق كل رقاقة CCD مرشح لوني حتى تتخصص كل رقاقة برصد اللون الأساسي الخاص بها، عندما يتم تركيز الضوء المنعكس من الجسم إلى داخل الكاميرا بواسطة عدستها فإن الضوء يتم تجزئته باستخدام مجزىء ليسقط على المرشح اللوني ثم إلى الـ CCD.  يتم تجميع الإشارات الصادرة من الثلاثة رقائق CCD بواسطة الميكروبروسيسور لتكوين الصورة الملونة بالكامل.

 

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، ولكن هذه الكاميرات تكون كبيرة الحجم نسبياً وباهظة الثمن.

الطريقة الأخرى المتبعة وهي تدوير قرص يحتوي على المرشحات الثلاثة امام رقاقة CCD واحدة، ويقوم الـ CCD بتسجيل ثلاث لقطات منفصلة في عملية سريعة، هذه العملية تزودنا ايضاً بكل لون في كل موضع بكسل. ولان اللقطات الثلاث لا تؤخذ في نفس الزمن فانه يتوجب على الكاميرا والهدف المراد تصويره البقاء ساكنين لبرهة نسبية حتى يتم اخذ القراءات الثلاث مما يجعل هذه الطريقة غير عملية ولابد من تثبيت الكاميرا على حامل وأن يكون المشهد المراد تصويره ثابت.

مرشح قرص دوار

 

أما الطريقة الاقتصادية والعملية والمستخدمة في التقاط الألوان الأساسية تتمثل 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.

نموذج مرشح باير  Bayer Filter

 

من محاسن هذه الطريقة اننا نحتاج لرقاقة 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 الرقمية 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.

 

في الجزء التالي سنقوم بشرح كيفية تحكم الكاميرا بالضوء الداخل وتركيزه على المجسات الحساسة CCD.

التعريض والتركيز
كما في الفيلم فإن الكاميرا الرقمية تتحكم في كمية الضوء الذي يصل إلى الـ CCD من خلال جزئين هما فتحة العدسة aperture وسرعة الغالق shutter speed.

فتحة العدسة: تتحكم بنصف قطر الفتحة التي يدخل منها الضوء للكاميرا ويكون التحكم فيه اوتوماتيكياً في أغلب الأحيان الا في بعض الكاميرات التي يستخدمها مصورون محترفون. 

سرعة الغلق: تتحكم في الزمن اللازم لمرور الضوء عبر فتحة العدسة ويتم التحكم به الكترونيا ويكون الغالق الكتروني وليس ميكانيكي كما في الكاميرا التقليدية.

تتحكم الكاميرا في كلا من فتحة العدسة وسرعة الغالق لتحديد كمية الضوء المناسبة لالتقاط أفضل صورة، كما ان العدسة المستخدمة في الكاميرا الرقمية لا تختلف عن العدسة في الكاميرا التقليدية وسنقوم بشرح فكرة عمل التبئير الأوتوماتيكي في مقال منفرد.

إن البعد البؤري للعدسة في الكاميرا الرقمية يختلف عن ذلك في الكاميرا الرقمية التي تستخدم فيلم 35mm.  البعد البؤري هو المسافة بين العدسة وشريحة الـ CCD، وحيث أن ابعاد الشريحة تختلف حسب الشركة المنتجة وفي معظم الأحيان تكون اصغر من فيلم 35mm، وهذا يعني ان العدسة المستخدمة لتكوين الصورة على شريحة الـ CCD ذات بعد بؤري اقصر ولمزيد من المعلومات حول حجم الـ CCD ومقارنتها بفيلم 35mm يرجى زيارة الموقع Photo.net على الانترنت.

ملاحظة: تذكر أن شريحة الـ CCD في الكاميرا الرقمية تحل محل الفيلم في الكاميرا التقليدية.

 كما ويلعب البعد البؤري للعدسة دورا رئيسياً في تحديد قيمة التكبير أو التحجيم للكاميرا، ففي كاميرا الـ 35mm تستخدم عدسة بعدها البؤري 50mm صورة مساوية للجسم بدون تكبير.  زيادة البعد البؤري يزيد من التكبير وتبدو الصورة أقرب من الوضع الحقيقي للجسم.  ويحدث العكس إذا كان البعد البؤري أقل..

عدسة التكبير او التحجيم zoom lens هي عدسة يتغير بعدها البؤري وفي الكاميرات الرقمية هناك يمكن ان نجد تحجيم بصري optical zoom أو تحجيم رقمي digital zoom أو الأثنتين معا في نفس الكاميرا كما أن بعض الكاميرات تحتوي على تبئير دقيق macro focusing أي أن الكاميرا لها القدرة على اخذ صور قريبة جداً من الكاميرا مثل تصوير مستند ورقي.

 

الكاميرات الرقمية يمكن ان تكون مزودة بأحد الأنواع الأربعة التالية:

عدسة تبئير ثابت وتحجيم ثابت Fixed-focus, fixed-zoom lenses وهي عدسات رخيصة الثمن وتستخدم في الكاميرات التي تستخدم لمرة واحدة ولهدف اخذ صور ثابتة وبسيطة.

عدسة تحجيم بصري وتبئير أوتوماتيكي Optical-zoom lenses with automatic focus تشبه العدسة المستخدمة في كاميرات الفيديو ويمكن التحويل من عدسة التيليفوتو Telephoto Lens ذات التصوير البعيد إلى عدسة الزاوية العريضة Wide-Angle Lens للتصوير القريب، وذلك من خلال تغيير البعد البؤري للعدسة.

عدسة تحجيم رقمي Digital-zoom lenses وهي عبارة عن قيام ميكروبروسيسور الكاميرا بأخذ جزء من الصورة التي تكونت على شريحة الـ CCD وعرضها على كل اطار الكاميرا، وتشبه هذه العملية قيامك بتكبير صورة على شاشة الكمبيوتر من خلال استخدام عدسة برنامج التحرير لتكبير الصورة، ويجب استخدام حامل للكاميرا عند تشغيل هذه الخاصية لأن اية اهتزازات تؤثر على جودة الصورة.

نظام عدسات الإستبدالها Replaceable lens systems وهي مجموعة من العدسات المختلفة في البعد البؤري يمكن للمصور المحترف تثبيتها على الكاميرا حسب المشهد المراد تصويره.

الفرق بين التحجيم الرقمي (الصورة على اليمين) والتحجيم البصري (الصورة في الوسط) عند تصوير عين الأرنب على اليسار لاحظ أن التحجيم البصري اوضح من الرقمي

نقل الصورة إلى الحاسوب وتخزينها
تحتوي الكاميرات الرقمية على شاشة البلورات السائلة LCD تمكنك من مشاهدة الصورة قبل التقاطها وتخزينها في ذاكرة الكاميرا وهذا ما سنقوم بشرحه، حيث يوجد عدة طرق لتخزين الصورة في الكاميرا قبل نقلها إلى جهاز الحاسوب ومن هذه الطرق استخدام الذاكرة الثابتة داخل الكاميرا ويتطلب الأمر في هذه الكالة توصيل الكاميرا نفسها بجهاز الحاسوب لنقل الصور إليه، وطريقة التوصيل يمكن ان تتم من خلال عدة خيارات تعتمد على نوع الكاميرا والشركة المنتجة ومن هذه الخيارات التوصيل التتابعي serial أو التوصيل المتوازي parallel أو توصيل السكازي SCSI او اليو اس بي USP او الفيرواير FireWire.

كما يمكن ان تزود بعض الكاميرات بذاكرة خارجية يمكن اخراجها من الكاميرا وتوصيلها للحاسوب من خلال الوصلات المعدة لذلك ومن الذاكرات الخارجية ذاكرة الفلاش flash memory أو ذاكرة الفلاش المضغوطة compactflash أو الذاكرة الذكية smartmedia. كما يمكن استخدام القرص المدمج CD او القرص DVD لتخزين الصورة عليها.

بغض النظر عن مختلف الوسائل المستخدمة لتخزين الصور الرقمية فإن مساحة التخزين ونوعية الملفات التي تخزن في الذاكرة تلعب دوراً رئيسياً في نوعية الكاميرا وجودة الصور المستخرجة منها.  فمثلاً هناك عدة صيغة لحفظ ملفات الصور مثل الصغية TIFT التي تكون ملفاتها غير مضغوطة أو ملفات ال JPEG وهي ملفات مضغوطة.  وتستخدم معظم الكاميرات الرقمية الصيغة التي تضغط فيها الصور لحفظها على الذاكرة لانها تحتاج مساحة أقل بالمقارنة مع الملفات الغير مطغوطة كما يمكن  ضبط صيغة الضغط بأن تتحكم في جودة الصورة فمثلاً اذا تم ضبط الكاميرا على صورة بجودة عالية تكون نسبة الضغط للصورة قليل ويكون جحم الصورة كبيراً أما إذا تم ضبط الكاميرا عل صورة بجودة قليلة يكون الضغط بنسبة عالية وهذا يعني جودة صورة إقل ولكن يمكن تخزين عدد كبير من الصور على ذاكرة الكاميرا.  في الجدول التالي توضيح للعلاقة بين حجم الصورة وصيغة حفظها في ذاكرة الكاميرا.

 

تعتمد فكرة الضغط في الكاميرا على تحليل الصورة فمثلاًَ لو كان هناك ما يقارب من 30% من الصور عبارة عن سماء زرقاء فإن فهذا يعني ان جزء من الصورة مكرر على مساحة محددة تقوم هذه الفكرة من الضغط بحفظ هذه الجزيئة من الصورة وتكرارها على المساحة المطلوبة وهنا اعادة بناء الصورة لا يفقدها اية معلومات وتسمى هذه الطريقة من الضغط بطريقة الضغط بالتكرار repetition أما الطريقة الأخرى فتعرف باسم حذف التخلص من بعض البيانات الغير ضرورية irrelevancy حيث ان الكاميرا تأخذ الكثير من التفاصيل الدقيقة التي لا تدركها العين وعند ضغط الصورة بهذه الطريقة يتم التخلص منها لانها لا تؤثر في محتويات الصورة.

 

الخلاصة

لنضع كل ماذكرنا سابقاً في خطوات لتوضيح كيف تعمل الكاميرا الرقمية لالتقاط الصورة.

1. في البداية يتم توجيه الكاميرا إلى المشهد المراد تصويره ويتم ضبط التحجيم لتقريب المشهد او ابعاده.

2. يتم الضغط قليلاً على زر التصوير (اي الضغط نصف ضغطة مع الابقاء على هذا الوضع) الذي يتحكم في فتح الغالق.

3. تقوم الكاميرا بضبط التبئير اوتوماتيكياً وتحميع معلومات عن كمية الضوء المتوفرة.

4. تقوم الكاميرا بتحديد فتحة العدسة المناسبة وسرعة الغالق المطلوبة لمثل هذه الظروف.

5. يتم اكمال الضغط على زر التصوير.

6. يفتح الغالق ليسمح للضوء بالوصول إلى الشريحة الالكترونية CCD لفترة محددة تتجمع الشحنات على كل اجزاء الشريحة حسب كمية الضوء التي وصلت لكل جزء.

7. يتم تحديد كمية الشحة التي تكونت على كل جزء من اجزاء الـ CCD ويترجم إلى قيمة رقمية.

8. يقوم المعالج بترجمة البيانات الرقمية وعلاقتها بموضعها على شريحة الـ CCD ليكون الصورة.

9. يتم حفظ بيانات الصورة في ملف رقمي بعد تطبيق عملية الضغط على هذه البيانات لتقليل حجم الملف حسب ما تم ضبط اعدادت الكاميرا عليه مسبقاً.

10. يحفظ الملف في النهاية على الذاكرة المستخدمة في الكاميرا.

 

فكرة عمل ملفات الـ MP3 الصوتية

تعتبر تكنولوجيا الـ MP3 من اهم التكنولوجيا التي طورت الملفات الصوتية وبالأخص عندما ظهر تأثيرها على صناعة الموسيقى، فكما نعلم ان انتشار الاشرطة المغناصيسية التي استخدمت لتخزين الصوت ومن ثم تعدد مشغلات هذه الاشرطة من انواع المسجلات ذات الاحجام المختلفة التي يصل منها الى المحمول والضخم ثم انتشرت اقراص اليزر المضغوطة (السي دي) والتي تميزت بنقاوة الصوت ووضوحه بالمقارنة بأشرط الكاسيت وقد طورت اجهزة لتشغيل اقراص الليزر.

مع انتشار استخدام شبكة الانترنت والحاجة إلى تدعيم المواقع بالصوت والصورة والفيديو تطورت تكنولوجيا التسجيل الرقمي Digital للصوت في صورة ملفات صوتية تعرف باسم MP3 وانتشرت بطريقة واسعة لمحبي الموسيقى وسمعها على الانترنت.  حيث تميزت هذه الملفات الصوتية بنقاوتها ووضوحها وقلة حجم الملف الذي تحجزه من ذاكرة الحاسوب.

ملفات  MP3

لا بد لك من الرجوع الى موضوع كيف تعمل اقراص الليزر لمعرفة كيف يمكن تخزين المعلومات الصوتية (حديث أو موسيقى أو أغاني أو محاضرة) على اقراص الليزر حيث يتم تخزين المعلومات الصوتية على قرص الليزر على شكل معلومات رقمية Digital Information. المعلومات التي تخزن على قرص الليزر هي معلومات غير مضغوطة وذات جودة فائقة فعلى سبيل المثال لنأخذ ما يحدث عند تسجيل او انتاج قرص ليزر يحتوي على مقطوعة موسيقية.

يتم تقطيع المعلومات التناظرية وتحويلها الى معلومات رقمية بمعدل 44100 مرة لكل ثانية والتي تعرف بمصطلح Sample Rate  وكل قطعة Sample  تحجز 2 بايت (أي 16 بت)

يتم تخزين كل قطعة Sample  مرتين واحدة للسماعة اليمين والثانية للسماعة اليسار في نظام الستيريو.

وبعملية حسابية بسيطة يمكن معرفة المساحة المطلوبة لتخزين زمن ثانية من الصوت على قرص ليزر سي دي.

44,100 samples/second * 16 bits/sample * 2 channels = 1,411,200 bits per second

وهذا يعني انه يلزمنا مساحة تخزين وقدرها 1.4 مليون بت لكل ثانية اي ما يعادل 176000 بايت لكل ثانية. فإذا افترضنا ان في المتوسط يصل زمن اغنية الى 3 دقائق فإن هذه الاغنية ستخزن على قرص الليزر مستغلة مساحة قدرها 32 مليون بايت  أي 32MB وهذا حجم كبير جداً يصعب التعامل معه على الانترنت فتحتاج الى اكثر من ساعتين لتحميله على جهازك اذا كنت تستخدم مودم للاتصال بالانترنت.

نأتي هنا الى دور الـ MP3 فهي تكنولوجيا ضغط الملفات الصوتية حيث تساعد الـ MP3 في تقليل الذاكرة المستخدمة لتخزين الملفات الصوتية بطريقة لا تؤثر على نقاوة ووضوح الصوت.  وبالتالي يمكن التأكيد على أن الهدف من نظام الـ MP3 هو ضغط الملفات الصوتية الرقمية المخزنة على قرص الليزر بمقدار يصل إلى 14 مرة دون التأثير على نقاوة الصوت ووضوحة. فيمكن تحويل 32MB من تسجيل على قرص الليزر إلى 3MB بصورة MP3 وبنفس الجودة. وهنا يمكن تحميل ملف صوتي 3MB في غضون دقائق بدلا من ساعات.

قبل الشروع في شرح فكرة ضغط الملفات الصوتية او بمعن اخر تحويل ملف صوتي من سي دي إلى MP3 دعنا نقوم بضرب عدد من الأمثلة على ضغط ملفات الوورد لتقليل حجمها في صورة ملف rar أو zip وكذلك ضغط الصور الفوتوغرافية في صورة GIF أو JPG فهذه عبارة عن برامج ضغط تستخدم الغورثيم معين لضغط كل نوع من الملفات دون التأثير في جودته ودقته مع التركيز في النهاية على تقليل حجم الذاكرة التي يستغلها على القرص الصلب.

فكرة ضغط الملفات الصوتية تعتمد على الغورثيم يأخذ في عين الاعتبار خصائص الاذن البشرية والتي تتلخص في النقاط التالية:

1. هناك اصوات لا يمكن أن تسمعها الآذن البشرية.

2. هناك اصوات يمكن ان تسمعها الآذن البشرية بصورة اوضح من اصوات اخرى.

3. اذا وجد مصدرين للصوت في نفس اللحظة فنسمع الصوت الأعلى ولا نسمع الصوت المنخفض.

بأخذ الحقائق السابقة في الحسبان فإن أجزاء عديدة من المقطوعة الموسيقة المراد ضغطها يمكن ان يحذف دون ان يدرك المستمع الى حدوث فرق بين الصوت قبل الضغط (على قرص الليزر) أو بعده (ملف MP3).  لانه خلال عملية الضغط او التحويل تم حذف الاصوات الغير مسموعة والتي تتمثل في صورة ترددات لا تدركها الآذن البشرية.

مما سبق نلاحظ أن الـ MP3 هو ببساطة ملف صوتي مضغوط لتقليل المساحة التي يشغلها من ذاكرة الحاسوب ويصبح من السهل تداوله على شبكة الانترنت.

 

أصل التسمية MP3

ولمعرفة اصل التسمية دعنا نلقى الضوء على الأختصار MPEG وهو اختصار لـ Moving Picture Experts Group  والتي تعني مجموعة خبراء الصورة المتحركة.  هذه المجموعة طورت نظام لضغط ملفات الفيديو فيمكن على سبيل المثال ضغط ملفات الـ DVD أو ملفات HDTV أو ملفات المسجلة من القنوات الفضائية DSS وتحويلها إلى ملف MPEG ليصبح حجم ملف الفيديو مناسب ويجدر ذكر ان ملفات الفيديو بالاضافة الى الصورة تكون مصحوبة بالصوت وعند ضغط ملفات الفيديو إلى نسق الـ MPEG يتم ضغط الصوت بنسق يسمى MPEG الطبقة الثالثة للصوت MPEG audio layer-3 وتختصر بـ MP3.

وبالرغم من انتشار ملفات الـ MP3 توجد العديد من صيغ الملفات الرقمية الصوتية مثل:

WMA - Windows Media Audio

WAV - Waveform Audio

MIDI - Music Instrument Digital Interface.

AAC - Advanced Audio Coding (AAC)

Ogg Vorbis - A free, open, and un-patented music format

ADPCM - Adaptive Differential Pulse Code Modulation

ASF - Advanced Streaming Format

VQF - Vector Quantization Format

 

استخدام نسق الـ MP3

العديد منا يستخدم ملفات الـ MP3 لسماع الموسيقى على اجهزة الحاسوب بعد تحميلها من الانترنت وهناك العديد من المزايا للتعامل مع ملفات الـ MP3 على الحاسوب على سبيل المثال استخدام احد برامج تحرير الصوت لتحويل الملفات الصوتي على قرص الليزر المضغوط لتحويل محتوياته إلى ملفات MP3 او العكس اي تحويل ملفات قمت بتحميلها من الانترنت على جهاز الحاسوب وتحويلها الى ملفات صوتية على قرص الليزر كما يمكنك نسخ الاف المقطوعات الموسيقة بنسق MP3 على اسطوانة ليزر وتشغيلها على جهاز الحاسوب.

يمكنك ايضا باستخدام برامج تحرير الصوت من عمل المونتاج الذي تريد مثل اضافة صدى الصوت أو زيادة تكبير الصوت او حذف التشويش والضوضاء او دمج مقطوعين او حذف جزء او غيرها من عمليات التحرير ثم تخزينها بالصورة الجديدة

هذا بالاضافة الى انتشار مشغلات خاصة لتشغيل ملفات الـ MP3 سنتحدث عنها لاحقاً.

 

التكنولوجيا ساعدت في تسهيل تحميل ملفات الموسيقى من الانترنت وتشغيلها على جهاز الحاسوب

 تشغيل ملفات الـ MP3

كان في البداية لتشغيل الملفات الصوتية بنسق الـ MP3 تحتاج إلى برنامج خاص تحمله على جهاز الحاسوب لسماع الملفات الصوتية وكان اشهر هذه البرامج هو منتج شركة winamp، ولكن حاليا فإن معظم مشغلات الصوت مثل برنامج Real player وبرنامج Media player الشهيران يمكنهم تشغيل ملفات الـ MP3 بالاضافة الى البرامج الأخرى.

إذا لم تمتك كمبيوتر كيف يمكن سماع ملفات الـ MP3

طورت العديد من الشركات العالمية مثل سوني وكرياتيف وسامسونج مشغلات لملفات Mp3 التي يتم تحميلها من الحاسوب ونقلها الى تلك الاجهزة ويمكنك ايضا نسخ هذه الملفات على اسطوانات سي دي وسماعها على الاجهزة التي تدعم هذه التكنولوجيا وحاليا اضيفت هذه الخاصية الى مسجلات السيارات الحديثة.

مشغل ملفات الـ MP3 الصوتية

 

منذ اختراع مشعلات الـ MP3 في عام 1998 وحتى الان تعتبر هذه المشغلات اعظم تطور في مجال اجهزة تشغيل الموسيقى والصوتيات.  وذلك للمزايا العديدة التي اضفتها مشغلات الـ MP3 وتميزت بها عن مشغلات الكاسيت والسي دي

 

 

مراحل تطور مشغلات الصوت  1877 - Thomas Edison invents the phonograph. 1880s - Nikolai Tesla invents radio. 1887 - Emile Berliner patents gramophone, using flat zinc discs. 1906 - First radio program of voice and music is broadcast using a continuous wave of electromagnetic energy from Brant Rock on Massachusetts's Cape Cod. 1929 - Frequency Modulation (FM) radio introduced 1934 - Joseph Begun builds first tape recorder for broadcasting. 1948 - Columbia Records introduces the long-playing (LP) record, which is played at 33.3 revolutions per minute (RPM). 1949 - RCA introduces 45 RPM records. 1965 - 8-track magnetic tape introduced 1969 - Internet created 1979 - Sony Walkman cassette player introduced (By 1995, 150 million sold) 1983 - Sony and Philips introduce compact disc technology. 1986 - Sony develops MiniDisc technology, six years prior to its commercial launch in 1992. 1989 - The Fraunhofer Institute in Germany patents MP3 format. 1992 - Phillips introduces the Digital Compact Cassette (DCC). Both Sony (with the MiniDisc) and Phillips (with DCC) hope to takeover where audio cassettes left off. 1998 - First MP3 players introduced (Saehan's MPMan, sold in Korea)

 

حيث يمكن ترتيب وتشغيل الاف المقطوعات الموسيقية على جهاز صغير كما هو موضح في الشكل وتصنيفها وترتيبها ويوجد العديد من الاشكال المختلفة لمشغلات الـ MP3 بما فيها اجهزة الجوال التي تدعم ملفات الـ MP3.

مشغل Mp3 من أبل ابعاده 9.1 x 5 x 1.3 cm

 

 

تكنولوجيا مشغلات الـ MP3

تختلف مشغلات الـ  MP3عن مشغل الكاسيت والسي دي في انها لا تحتوي على اية قطع تتحرك ميكانيكية حيث لا توجد تروس او بكرات او موتور لادارة شريط الكاسيت او السي دي حيث تقوم مشغلات الـ MP3 بتشغيل ملفات الكترونية بنفس فكرة تشغيل ملفات الكمبيوتر.  وهذا يعد انتقالاً نوعياً في فكرة عمل الاجهزة الصوتية فمراحل تشغيل ملفات الـ MP3 هي:

1 استدعاء ملف MP3 المطلوب من الذاكرة.

2 فك تشفير الملف.

3 تكبير الاشارة الصوتية لتمكين السماعات من اخراج الصوت.

 

ولاداء هذه المراحل الثلاثة فإن جهاز مشغل الـ MP3 يحتوي على ما يلي:

مدخل للبيانات Data port

ذاكرة Memory

ميكروبروسيسور Microprocessor

معالج الاشارة الرقمية Digital signal processor (DSP)

شاشة عرض Display

ازرار التحكم Playback controls

مخرج للصوت Audio port

مكبر الصوت Amplifier

وحدة تغذية كهربية Power supply

 

 لوحة الكترونية لمشغل MP3

 

ويتصل مشغل الـ MP3 بجهاز الكمبيوتر من خلال وصلة USB أو وصلة FireWire وذلك لتبادل المعلومات وتحميل الملفات الصوتية المطلوبة داخل الجهاز.

 

وتختلف الوسائط المستخدمة من قبل أجهزة الـ MP3 لتخزين الملفات الصوتية وهي

• ذاكرة فلاشInternal Flash memory

• كرت فلاش CompactFlash cards

• ملتيميديا كارت SmartMedia cards

• شريحة ذاكرة Memory Stick

هذا بالاضافة الى اماكانية ان تحتوي المشغلات على قرص صلب  HardDisk في حالة الحاجة إلى ذاكرة هائلة تصل إلى 40GB مثلاً.

 

يعتبر الميكروبروسسور Microprocessor العنصر الرئيسي في تشغيل الجهاز وهو يمثل العقل المتحكم في كافة العمليات مثل تلقي تعليمات التشغيل من المستخدم وتنفيذها واظهار المعلومات على شاشة العرض وتطبيق اشارة معالج الاشارة الرقمية الـ DSP على النغمة الصوتية لاعطاء التأثير الصوتي المطلوب.

 

تشغيل ملفات الـ MP3

أما معالج الاشارة الرقمية الـ DSP فهو عبارة عن تطبيق تأثير صوتي مبرمج مسبقا على النغمة الصوتية مثل كلاسيك او غيره من التأثيرات كما يتحكم في توزيع شدة الصوت على تردد الصوت وهو ما يعرف باسم الجرافك اكولايزر EQ.

أما مكبر الصوت Amplifier فيقوم بتكبير شدة الاشارة الصوتية وارسالها الى مخرج الصوت المرتبط بالسماعات لنتمكن من سماع الصوت من خلالها.

وتعتمد التغذية الكهربية لمشغل الـ MP3 على بطاريات عادية وتبلغ مدة التشغيل من 1- الى 12 ساعة تقريباً.

اما الجزء الرئيسي لمشغل الـ MP3 فعتمد على الذاكرة المستخدمة Memory وسعة الذاكرة تلعب دوراً رئيسياً في تحديد سعر الجهاز وتتنوع الذاكرة المستخدمة حسب الشركة المنتجة للجهاز فهي اما تكون ذاكرة فلاش Flash Memory والتي تتميز بصغر حجمها وخفة وزنها وتتميز ايضا بعدم وجود اي حركة ميكانيكية فهي لا تتأثر بالحركة او الارتجاج، ولكن سعتها التخزينية محدودة وهذا مما يجعل البطارية تعمل لفترات اطول.

 

جهاز MP3 مزود بذاكرة فلاشية

 

 جهازMP3  مدمج مع نظارة شمسية

اما النوع الثاني من الذاكرة فهو الذي يعتمد على قرص صلب Hard drive والذي يعد اثقل وزناً من ذاكرة الفلاش ولكن يكون ذو سعة تخزينية هائلة تستطيع تحميل ما يزيد عن 70 ساعة صوتية او اكثر ولكن القرص الصلب يعمل من خلال حركة العديد من اجزاءه مثل القرص الصلب المستخدم في اجهزة الكمبيوتر فالحركة والارتجاج الذي قد يتعرض له الجهاز يؤدي الي انقطاع في التسلسل الصوت المنبعث منه وهذا النوع يستنزف البطارية اسرع من ذاكرة الفلاش وفي الاغلب يكون مزود بمحول كهربي بالاضافة الى البطارية.

اما النوع الثالث من الذاكرة المستخدمة فهو القرص المدمج CD والذي يمكنك من نسخ ملفات الـ MP3 التي على جهاز الكمبيوتر على CD وتشغيلها كما لو كانت ملفات صوتية مع الفارق انه يمكن نسخ ما يقارب 150 قطعة موسيقية تبلغ كل قطعة 4 دقائق بنفس جودة الـ Audio CD الذي يحتوي على 12-20 قطعة موسيقية فقط. وتسمي هذه الاجهزة التي تعتمد على التخزين على CD بمشغل MP3 CD وتكون في الاغلب ارخص سعرا من الاجهزة التي تعمل بذاكرة الفلاش.

حديثا طورت شركة سوني ذاكرة للتخزين تسمي MiniDisc لتشغيل كافة الملفات الصوتية الرقمية ويصل سعته التخزينية إلى 1GB او 45 ساعة من الصوت ويمنها تشغيل عدة انواع من الملفات الصوتية مثل MP3 او WMA أو WAV.  كما بمكن تخزين ملفات الوورد والاكسيل او ما يعرف بملفات البيانات. 

 جهاز MP3 حديث