Hoe werkt een digitale camera

In het tijdperk dat het grote publiek niet of nauwelijks van computers heeft gehoord, zijn medewerkers van het Amerikaanse onderzoekslaboratorium Bell Labs bezig manieren te bedenken om computergeheugen te maken.

Het laboratorium slaagt er in 1966 in om het zogenaamde ‘magnetische bellen’-geheugen te fabriceren. Het principe van dit type computergeheugen, het manipuleren van energie van materialen, zet in 1969 de onderzoekers Willard Boyle en George E. Smith aan tot het bedenken van andere toepassingen. Het verhaal wil dat beide mannen in een creatieve bui binnen een uur op het idee komen van wat later de CCD (Charged-Coupled Device) genoemd wordt, een chip die gevoelig is voor licht en de intensiteit daarvan kan vastleggen in de vorm van een elektrische lading.

Computergeheugen

Dit principe blijkt goed te gebruiken als computergeheugen, al is inmiddels bekend dat beide typen geheugen het voor computergebruik hebben afgelegd tegen het Random Acces Memory (RAM). Boyle en George redeneren echter dat een lichtgevoelige chip in de eerste plaats goed te gebruiken is als opslagmedium voor beeld en ze werken hun idee uit tot een werkend prototype. In 1970 kan de eerste televisiecamera met CCD-eenheid aan de wereld worden getoond en vier jaar later heeft deze een kwaliteitsniveau dat geschikt is voor televisie. Astronomen ontdekken in 1979 de digitale camera vanwege de grotere gevoeligheid voor licht dan film en de rest is geschiedenis.

Fotonen

De CCD-eenheid bestaat uit een groot aantal lichtgevoelige elementen die zeer dicht op elkaar in rijen en kolommen zijn gerangschikt. Deze elementen zijn halfgeleiders van metaaloxyde en kunnen minuscule elektrische ladingen opslaan. Elektrotechnici zullen dit herkennen als een condensator. De elementen worden opgeladen door het licht dat via de lens van de camera op de CCD valt. De elementen zijn in principe de pixels waaruit de digitale afbeelding later bestaat. Licht is samengesteld uit deeltjes die fotonen worden genoemd. Wanneer de fotonen op een element terecht komen, dringen ze door in de atomen van het element en vervangen een aantal van de daar rond de atoomkernen ronddraaiende elektronen. Hierdoor verandert de elektrische lading van de atomen. Hoe meer fotonen er op een bepaald element terecht komen, des te meer de daarin aanwezige atomen worden opgeladen. De CCD zet de lichtintensiteit van de verschillende delen van een voorwerp dus om in daar direct aan gerelateerde elektrische ladingen. De elementen in de CCD kunnen daarbij 256 (8-bit) verschillende waarden onderscheiden.

digicam_01
Afbeelding 1
Kleurenfilter

De kleurinformatie van een afbeelding wordt vastgelegd door een filter over de elementen te plaatsen dat alleen rood, groen of blauw licht doorlaat. Sommige camera’s nemen een foto door de CCD voor de afzonderlijke kleuren drie maal te belichten, terwijl anderen dit in één keer (single pass) doen. In het laatste geval zijn de filters meestal volgens het zogenoemde RGBR-patroon over de elementen verdeeld en wordt slechts een derde deel van de elementen voor één kleur gebruikt. De missende kleurinformatie wordt later via een algoritme berekend dat voor elk element gebruik maakt van de kleurinformatie van de acht omliggende elementen. Moderne camera’s maken hierbij niet gebruik van interpolatie, een techniek die pixels slechts kopieert en plakt om de afbeelding te vergroten, maar vergelijken de eigenschappen van de omliggende elementen en creëren waar nodig nieuwe pixels op basis van overeenkomsten tussen deze elementen. Aldus is de CCD in staat om voor ieder element 256 verschillende kleurwaarden voor rood, groen en blauw te onderscheiden. Dat zijn 256 x 256 x 256 = 16.777.216 verschillende kleuren (24-bit).

digicam_02
Afbeelding 2
Telraam

De CCD heeft de afbeelding nu in de vorm van verschillen in elektrische lading opgeslagen en de gegevens kunnen nu in principe worden gelezen. Het probleem hierbij is dat er heel veel elementen op een klein oppervlakte zitten. Een digitale camera met resolutie van 640 x 480 pixels bevat al 307.200 elementen en voor de inmiddels niet zeldzame resolutie van 1548 bij 1032 zijn 1.597.536 pixels nodig. Het is fysiek onmogelijk om deze honderdduizenden tot miljoenen op een oppervlak van enkele vierkante centimeters aangebrachte elementen afzonderlijk te verbinden met de rest van de camera. Dit betekent dat het beeld niet in één keer kan worden gelezen en er een algoritme nodig is.

Voor een goed begrip van de werking van dit algoritme is het handig om de CCD-eenheid voor te stellen als een soort telraam waarvan de knopen uit emmertjes bestaan waar meer of minder kleur in zit. Alleen is dit een heel bijzonder telraam, want de iedere kolom met emmertjes bestaat uit een afzonderlijke lopende band en helemaal onderaan, net buiten het telraam, ligt een lopende band met een looprichting die hier haaks op staat. Alle lopende banden worden aangedreven door een stappenmotor. Wanneer de lopende banden van de kolommen tegelijkertijd één stap naar beneden bewegen, belanden de emmertjes van de onderste rij op de lopende band die in horizontale richting beweegt. Deze band verwijdert de emmertjes stap voor stap uit het telraam.

digicam_03
Afbeelding 3
Kloksignaal

Terug naar de techniek: het lichtgevoelige deel van de CCD is via een overdrachtspoort verbonden met een gebied waar de informatie van één rij elementen (emmertjes) in past, het zogenaamde horizontal shift register. Een interne klok geeft bij de poort een signaal waardoor de informatie van de laatste rij elementen wordt overgebracht naar het register. Een tweede klok geeft nu een signaal waardoor de informatie van het laatste element uit de rij door de uitgangspoort gaat en wordt gelezen. De informatie van de overige elementen schuift daarna één plaats op. Dit herhaalt zich totdat alle elementen in deze rij zijn gelezen. Dan geeft een derde klok een signaal dat de data van de overige rijen een plaats naar beneden doet zakken, waarna de cyclus in het register zich herhaalt, totdat alle rijen zijn gelezen.

Opslaan als jpeg

Tot nu toe is alle opgeslagen en verwerkte informatie in de digitale camera analoog en daar kan een computer niet veel mee. Het beeld wordt daarom vanuit de uitgangspoort van de CCD naar een digitale omzetter gestuurd. Hierna vindt de compressie plaats van de afbeelding, waarbij twee technieken gebruikt kunnen worden. De ene behoudt alle beeldinformatie (lossless compression) en vinden we terug in GIF- en TIFF-bestanden. Hiermee kunnen beelden vijftig tot negentig procent kleiner worden gemaakt. De andere techniek (lossy compression) gaat iets slordiger om met de beeldinformatie en wordt gebruikt voor het maken van JPEG-bestanden. Hiermee kunnen bestanden tien tot veertig keer kleiner worden gemaakt. Na de compressie wordt de afbeelding al naargelang het type camera opgeslagen in het interne geheugen van de camera, een opslagmedium of rechtstreeks op de harde schijf van een computer.

Scroll Up

Pin It on Pinterest