99 A PLUS GROUP Co., Ltd.

บทความ

พื้นฐานการทำงานของ “กล้องถ่ายภาพดิจิทัล”

15-01-2568 11:45:43น.

พื้นฐานการทำงานของ “ กล้องถ่ายภาพดิจิทัล ”

    ก่อนที่จะมาเป็นรูปภาพที่เราได้เห็นกันอยู่นี้ กล้องดิจิทัลทำงานอย่างไร ?

รูปถ่ายที่เราเห็นกันในปัจจุบันนั้นเกิดจากการที่แสงวิ่งชนกับแผ่นสี่เหลี่ยมเพื่อให้แสงกระทบออกมาเป็นภาพ โดยแผ่นสี่เหลี่ยมนี้เราเรียกว่า  image plane” แต่องค์ประกอบเพียงเท่านั้นก็ยังไม่สามารถเรียกว่ากล้องได้ ซึ่งลักษณะการทำงานของกล้องถ่ายรูปนั้นจะเป็นกล่องสี่เหลี่ยมที่มีรูเล็กๆ อยู่ รูนี้เรียกว่า pinhole หรือ aperture โดยหน้าที่ของ pinhole จะช่วยทำให้ภาพนั้นมีความชัดขึ้น แต่สิ่งที่ขาดไปก็ยังคงเป็นความสว่างของภาพ และหน้าที่การให้ความสว่างของภาพก็จะขึ้นอยู่กับเลนส์


                                                                                                                                                       ขอขอบคุณรูปภาพจาก Anagram Engineering

ส่วนประกอบพื้นฐานของกล้อง Digital

ปัจจุบันเทคโนโลยีของกล้องนั้นมีการพัฒนาไปไกล แต่ถึงอย่างไรองค์ประกอบของกล้องดิจิทัลนั้นก็ยังคงมีรูปแบบไปในทิศทางเดียวกัน กล้องดิจิทัลจะมีส่วนประกอบหลักที่ใกล้เคียงกันโดยจะมีดังนี้

·       เลนส์

·       ชัตเตอร์

·       ฟิลเตอร์ตัดแสงอินฟราเรด ( IR cut-off filter )

·       Optical low-pass filter ( OLPF )

·       เซ็นเซอร์รับภาพ

·       หน่วยประมวลผลภาพ ( image processing engine )

·       สื่อบันทึกข้อมูล

                                                 

เลนส์ ( Lens )

เลนส์เป็นอุปกรณ์ที่มีลักษณะโปร่งใส่มีผิวโค้ง โดยส่วนมากจะเป็นแก้วหรือพลาสติก มีหน้าที่ในการหักเหแสงในรูปแบบภาพของวัตถุ เลนส์จะช่วยรวบรวมรังสีจากวัตถุทำให้มาบรรจบกันและทำการกระจายแสงออก


ชัตเตอร์  ( Shutter )

ชัตเตอร์มีหน้าที่คอยเปิดปิดรูรับแสงให้กับหน่วยรับภาพ ในสภาวะที่มีแสงปกติเวลาในการเปิดรับภาพจะเป็นเศษส่วนของวินาที เราเรียกว่า “ Shutter speed ” มีหน่วยวัด มีหน่วยวัดเป็นตัวเลขจำนวนเต็มเท่ากับส่วนของวินาทีที่เปิดรับภาพ เช่น เปิดรับแสงนาน 1/125 วินาที เราเรียกว่าความเร็วชัตเตอร์ 125
            สรุปโดยรวมแล้วชัตเตอร์คือระยะเวลาที่ยอมให้แสงผ่านไปถึงเซนเซอร์รูปภาพ ปกติแล้วชัตเตอร์จะเป็นผ่านที่วางอยู่ระหว่างเซนเซอร์ และเลนส์ถ่ายภาพ

 

ฟิลเตอร์ตัดแสงอินฟราเรด ( IR cut-off filter หรือ IR cut filter) คือ ฟิลเตอร์ที่ออกแบบมาเพื่อล็อคหรือกรองแสงอินฟราเรด (IR) ที่มีความยาวคลื่นยาวออกจากแสงที่ผ่านเข้าไปยังเซ็นเซอร์ของกล้องหรืออุปกรณ์อื่นๆ ที่ใช้การถ่ายภาพหรือบันทึกภาพ ในการใช้งานกล้องดิจิทัล ฟิลเตอร์นี้จะช่วยให้แสงที่มีความยาวคลื่นอยู่ในช่วงอินฟราเรดถูกกรองออกไป เพื่อให้ภาพที่ได้มีสีที่เป็นธรรมชาติและชัดเจนมากขึ้น โดยไม่ถูกเบลอจากแสงอินฟราเรดที่อาจทำให้เกิดการรบกวนหรือเปลี่ยนแปลงสีที่แสดงออกในภาพ

การใช้ IR cut-off filter สำคัญในกล้องดิจิทัล เนื่องจากเซ็นเซอร์ภาพส่วนใหญ่มีความไวต่อแสงอินฟราเรด และถ้าไม่มีฟิลเตอร์นี้ ภาพที่ได้อาจจะมีสีเพี้ยน หรือเบลอจากแสงอินฟราเรดที่กล้องไม่สามารถแยกออกได้จากแสงที่มองเห็นได้

Optical Low-Pass Filter (OLPF) หรือที่บางครั้งเรียกว่า Anti-Aliasing Filter คือ ฟิลเตอร์ที่ติดตั้งอยู่ระหว่างเลนส์และเซ็นเซอร์ของกล้องดิจิทัลเพื่อกรองแสงบางช่วงความถี่ที่สูงเกินไปที่อาจทำให้เกิดปัญหา "Aliasing" หรือ "Moiré" ในภาพที่ถ่ายออกมา

การทำงานของ OLPF คือการเบลอหรือทำให้แสงที่มีความถี่สูง (ที่อาจทำให้รายละเอียดของภาพผิดเพี้ยน) ถูกกรองออกไปเล็กน้อยก่อนที่แสงจะถึงเซ็นเซอร์ของกล้อง ช่วยให้การแสดงผลของภาพมีความสมบูรณ์และเป็นธรรมชาติมากขึ้น โดยเฉพาะในการถ่ายภาพที่มีลวดลายละเอียดหรือพื้นผิวที่มีรูปแบบซ้ำๆ เช่น เสื้อผ้าที่มีลายตาราง หรือพรมที่มีลวดลายละเอียด

Image Sensor ก่อนหน้านี้เราได้พูดถึง image plane แผ่นสี่เหลี่ยนมที่ช่วยในการตกกระทบแสงให้ออกมาเป็นภาพ สำหรับกล้องดิจิทัลในปัจจุบันเราเรียกว่า Image Sensor อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นส่วนสำคัญ ในการแปลงแสงที่ตกกระทบให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าเพื่อสร้างภาพในอุปกรณ์ถ่ายภาพต่างๆ เช่น กล้องดิจิทัล โทรศัพท์มือถือ หรือกล้องวงจรปิด เป็นต้น

เซ็นเซอร์ภาพจะทำงานโดยการตรวจจับแสงที่มาจากวัตถุในรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (ซึ่งรวมถึงแสงที่มองเห็นได้และแสงอินฟราเรด) แล้วแปลงแสงเหล่านั้นให้เป็นข้อมูลที่สามารถประมวลผลได้ ซึ่งจะถูกแสดงผลเป็นภาพในภายหลัง

มีสองประเภทหลักของเซ็นเซอร์ภาพที่ใช้ในกล้องดิจิทัล:

1.       CCD (Charge-Coupled Device)เซ็นเซอร์ประเภทนี้ใช้เทคโนโลยีที่ทำให้สามารถถ่ายภาพได้อย่างมีความละเอียดสูง แต่มีการใช้พลังงานค่อนข้างมากและมีราคาสูง ซึ่งทำให้ CCD ถูกใช้น้อยลงในปัจจุบัน

2.       CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)เซ็นเซอร์ประเภทนี้ได้รับความนิยมมากในกล้องดิจิทัลสมัยใหม่ เนื่องจากมันใช้พลังงานต่ำกว่า CCD และมีการผลิตที่ราคาถูกกว่า นอกจากนี้ CMOS ยังสามารถรวมฟังก์ชันต่างๆ เช่น การแปลงสัญญาณและการประมวลผลภาพเข้าไปในเซ็นเซอร์เดียวกันได้ ทำให้การทำงานของกล้องมีประสิทธิภาพสูงขึ้น

วิธีการทำงาน:

เมื่อแสงจากวัตถุที่ถูกถ่ายเข้ามาในกล้องมันจะตกกระทบที่ พิกเซล (Pixel) บนเซ็นเซอร์ภาพ โดยแต่ละพิกเซลจะรับแสงแล้วแปลงมันเป็นสัญญาณไฟฟ้าในรูปแบบของแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้า เซ็นเซอร์จะเก็บข้อมูลเหล่านี้และส่งไปยังโปรเซสเซอร์ของกล้องเพื่อประมวลผลเป็นภาพถ่ายที่สามารถแสดงบนหน้าจอหรือบันทึกลงในหน่วยความจำ

 

หน่วยประมวลผลภาพ (Image Processing Engine หรือ IPE) คือฮาร์ดแวร์หรือซอฟต์แวร์ที่ทำหน้าที่ในการประมวลผลข้อมูลภาพหรือวิดีโอ เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ตามที่ต้องการ โดยมักใช้ในระบบที่ต้องการการประมวลผลภาพอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพสูง เช่นในกล้องถ่ายรูปโทรศัพท์มือถือระบบตรวจจับภาพ (Image Recognition Systems), และการประมวลผลภาพทางการแพทย์ เป็นต้น

ฟังก์ชันหลักของ Image Processing Engine อาจรวมถึง:

1.       การปรับปรุงคุณภาพภาพ เช่น การลดสัญญาณรบกวน (Noise Reduction), การเพิ่มความคมชัด (Sharpening), การปรับสี เป็นต้น

2.       การแปลงข้อมูลภาพ เช่น การหมุนภาพ (Rotation), การย่อขยาย (Resizing), การครอปภาพ (Cropping) เป็นต้น

3.       การตรวจจับลักษณะหรือวัตถุในภาพ เช่น การตรวจจับใบหน้า (Face Detection), การแยกวัตถุ (Object Segmentation) หรือการตรวจจับการเคลื่อนไหว (Motion Detection)

4.       การบีบอัดภาพ เพื่อทำให้ขนาดไฟล์ภาพเล็กลงโดยไม่สูญเสียข้อมูลที่สำคัญมาก

5.       การแปลงระหว่างสี เช่น การแปลงจาก RGB ไปเป็นขาวดำ (Grayscale) หรือจาก RGB ไปเป็นโมเดลสีอื่น ๆ

การใช้หน่วยประมวลผลภาพในฮาร์ดแวร์ช่วยให้การประมวลผลภาพเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยเฉพาะในอุปกรณ์ที่ต้องการประมวลผลภาพในเวลาจริง (Real-time Processing) เช่น กล้องวงจรปิดหรือระบบ GPS ที่ใช้ข้อมูลภาพในการนำทาง

 

สื่อบันทึกข้อมูล (media storage)  เมื่อได้ภาพที่ผ่านการประมวลผลมาเป็นที่เรียบร้อย ส่วนสำคัญสุดท้ายก็คือการบันทึกไฟล์ภาพ สำหรับกล้องถ่ายภาพสื่อบันทึกข้อมูลเป็นสิ่งที่ขาดไปไม่ได้

การเลือกใช้ประเภทของ Media Storage ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง เช่น ความจุที่ต้องการความเร็วในการเข้าถึงข้อมูลความทนทานและราคาของอุปกรณ์ ในบางกรณีการใช้หลาย ๆ แบบร่วมกัน


ทั้งหมดนี้เป็นภาพรวมการทำงานของกล้องถ่ายภาพดิจิทัลในปัจจุบัน ซึ่งถ้าหากเจาะลึกรายละเอียดไปมากขึ้นก็จะพบว่ากล้องในแต่ละแบรนด์ แต่ละยี่ห้อก็จะมีเทคโนโลยีต่างๆ ที่เสริมเข้ามาในตัวกล้องเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายภาพให้ออกมาดียิ่งขึ้น รวมไปถึงภาพรวมในการทำงานของ AI ที่เพิ่งได้เริ่มเข้ามาอยู่ในกล้องถ่าย และมีการพัฒนาขึ้นอยู่เรื่อยๆ


Source : Mediam , หนังสือ An Introduction to Digital Imaging
Photo credit : Anagram Enginerring
Edited By : Fame99