Reklamı Kapat
Anasayfa > Makaleler > Kameranın Gözü CCD
Kameranın Gözü CCD
17.01.2020 11:11

Merhaba Sevgili Dostlar,

Özellikle geçen yüzyılın ikinci yarısından sonra, televizyonun ve fotoğraf makinelerinin neredeyse her eve girmesiyle hayatımızda yer edinen kamera günümüzde cebimize de girince artık modern insanın bedeninin bir uzantısı gibi oldu. Dünya üzerinde cep telefonu olan milyonlarca insan için sıradan bir nesne haline gelen kamera bizler için hayatın önemi, bir anlamda ekmek teknesi. 

Artık neredeyse konusu kapanmış olan “film mi, dijital mi?” sorunsalından uzak durmaya çalışarak günümüz dijital kameralarından bahsedelim. Bazı durumları daha anlaşılır kılmak için karşılaştırma yapmak dışında eskiyi fazla kurcalamadan ve çoğu zaman eleştiri konusu yapılan “fazla teknik” de olmadan dilimiz döndüğünce bu sefer kameranın “gözü”ne göz atmaya çalışalım. 

Kamerayı iki temel öğeye ayıracak olursak, görüntünün optik olarak oluştuğu lens, diğeri ise optik görüntünün aktarılabilecek ya da kayıt edilebilecek bir elektrik sinyaline dönüştüğü algılayıcı ve işlemcinin oluşturduğu bölüm. Hatırlayan vardır daha önceki yazılarımızda lensleri incelemiştik. 

Zaman içerisinde evrimleşerek günümüze gelen kameralarda görüntü uzunca bir süre ışığa duyarlı bir film tabakasına (peliküle) fotokimyasal olarak kaydedildi. Fakat bu görüntüleri canlı olarak bir başka mekâna aktararak izlemek mümkün değildi. Televizyonun icadından sonra o zamanlar için tüp (lamba) teknolojisiyle çalışan elektronik kameralar görüntüyü elektriksel sinyale dönüştürerek uzaklara iletmeye olanak sağladılar.

CCD-CMOS görüntü algılayıcı chip

Görüntü algılayıcıları (image sensors) elektronik kameraların en önemli bölümlerinden biri, başka bir deyişle kameranın gözüdür. Görüntü lenste optik olarak oluştuktan sonra üzerine düşürüldükleri görüntü algılayıcıları sayesinde bir elektrik sinyali, verisi haline gelir. İlk algılayıcılar vakumlu elektron lambaları başka bir ifadeyle elektron tüpleriydi. 

Vidicon kamera tüpü

Mesleğe başladığım yıllarda tüplü kameralar kullanıyorduk. Tüplü kameralar ağır, büyük, enerji canavarı, ışık hassasiyetleri çok düşük cihazlardı. Çok fazla bakım ve ayar gerektiren, verimsiz, hatta sevimsiz şeylerdi tüplü kameralar. Görüntünün istenen kaliteye ulaşması için kameranın belirli bir süre çalışıp ısınması gerekiyordu. Üç ana rengi oluşturan tüplerin görüntülerinin birbirine çakıştırılması renklerin tam olarak oturabilmesi için konvergens ayarı gerekirdi. (Kameralarda renklerin oluşumu konusuna gelecek sayımızda gireceğiz.) Bu kameraların en önemli dezavantajlarından biri de görüntü algılayıcı tüplerin bir ömrü olmasıydı. Tüplü kameraların, kameramanı ve bütçeyi zorlayacak bunlar gibi birçok olumsuz yanları vardı.

Fotodiyot devresi

Günümüz kamera ve görüntü algılayıcılarının temel çalışma prensibini anlamak için “fotodiyot”u (fotocell) hatırlayalım. Fotodiyot ışık enerjisiyle iletime geçen, ışığa duyarlı yarı iletken bir elektronik devre elemanıdır.  Basit anlatımla, üzerine ışık düşen fotodiyotun elektriksel direnci düşerek iletime geçer, karanlıkta ise direnci yükselir ve iletimi keser. Tıpkı bir elektrik düğmesini açıp kapattığımız düğme gibi. 

Basit kapalı bir elektrik devresi düşünün, bir elektrik enerjisi kaynağı, örneğin bir pil, ona bağlı bir anahtar ve lamba. Anahtarı kapattığınızda devre tamamlanıyor ve lamba yanıyor, anahtarı açtığınızda lamba sönüyor. Bizim örneğimizde anahtar görevini fotodiyot görüyor. Evet, günümüz dijital kameralarının tümü bu basit sistem üzerine kurulmuştur. Bu fotodiyotlardan çok miktarda birleştirerek bir panel oluşturduğumuzu düşünelim ve biraz uzakta her bir fotodiyota bağlı lambalardan oluşan bir başka panel. Fotodiyotlardan oluşan panelimizin üzerine objelerden yansıyan ışık düşecek; yani bu panel kameranın en basit hali. Algılayıcıların ışığı daha kolay yakalamalarını sağlamak için hücreler üzerine mikro mercekler yerleştirilmiştir. Işığın gücü ve şekline göre, bağlı olduğu diğer paneldeki lambaları yakacak ve lambaların oluşturduğu panelde -ki artık biz buna televizyon ekranı diyebiliriz- o objenin görüntüsü oluşacak. Temel olarak olay bu kadar basit. Günümüzde yarı iletken görüntü algılayıcıları da aynen örneğimizde olduğu gibi milyonlarca fotodiyotun bir araya gelmesiyle oluşuyor. Hani "megapiksel" diyoruz ya piksel “Picture element”in kısaltılmış hali ve bir anlamda ışığa duyarlı hücreyi ifade eder. 

Mikro mercekli algılayıcı hücre

Bilim adamları uzun yıllar tüplü kameraların bu olumsuzluklarına çare aradılar. Nihayetinde 1969'da Bell laboratuarı bilim adamları Willard Boyle ve George Smith “Charge Coupled Devices” kısaca CCD adını verdikleri cihazı geliştirmeyi başardılar. CCD basit ve temel olarak çok sayıdaki fotodiyotun ışık bilgilerini algılayıp, elektrik sinyali olarak toplayıp, aktararak görüntüleme yeteneğine sahip, ışığa duyarlı bir yarı iletken bir yapıdır.

Bazen yük bağlaşımlı cihaz, bazen yüklenme iliştirilmiş araç gibi Türkçeye kimin nasıl tercüme edeceğini şaşırdığı, bir türlü anlamlı karşılığı bulunamayan bu tümceyi biz de kısaltılmış haliyle CCD olarak kullanıyoruz. Tesadüf mü bilinmez ama devrim sayılan bu buluş elbette aynı yıl aya ilk adımını atan Neil Armstrong'un “insan için küçük insanlık için büyük bir adım” aforizması kadar bilinmese de Boyle ve Smith de “bu bizler için küçük, kameramanlar için büyük bir adım” der gibi çok büyük bir icat yaptılar. Kısa süre sonra 1970 yılında yine Bell laboratuarında, ilk yarıiletken algılayıcılı video kamera geliştirildi. Ardından ticari amaçlı CCD görüntü algılayıcı, Fairchild Semiconductor tarafından 1974 yılında üretildi. İlk yıllarda sadece askeri amaçlı keşif uydularında kullanılan CCD'ler 1975'de Eeastman Kodak'ın Fairchild 100 x 100 CCD kullanarak ürettiği ilk fotoğraf makinesiyle bir başka evreye girdi. 1990'lı yılların başlarından itibaren de artık yarı iletken görüntü algılayıcıları gelişerek ve hızla yayılmaya başladı. 

CCD'lerde milyonlarca hücrenin üzerine pozlanmış olan bir görüntünün hücrelerdeki ışık bilgisini hızlı biçimde okuyarak değerlendirmek için, farklı yöntemler uygulanıyor. Her bir CCD hücresi analogtur ve üzerine düşen ışıkla küçük elektrik şarjları oluşturur. Hücrelerin oluşturduğu bir matris sistemindeki sütün ve satır okuma şekliyle her bir hücrenin bilgisi bir kapasitöre oradan da bir amplifikatöre gider böylelikle işlem yapılabilecek seviyeye getirilir, kaydedilir. Sonrasında bir sonraki pozlanan kareye gelir sıra. 

CCD'lerin milyonlarca hücresindeki verileri bir sistem içinde okuyup değerlendirilmesi işleminde kullanılan teknolojiler bir anlamda CCD çeşitleri olarak karşımıza çıkıyor.

Full Frame Transfer / FT CCD (Tam Kare Okuma): Veri almada tüm hücre dizisi aktif alan olarak işlev görür. CCD alanın tamamı kullanılır ve okuma için sadece okuma satırı kullanılır. Bu şekilde veri alınan alan artarken okuma zamanı düşecektir.

Frame Transfer CCD (Kare Aktarım)

Full Frame CCD

Frame Interline Transfer / FIT CCD (Kare Aktarım): Bitişik dizi alanının yarısı pozlama için kullanılır ve kalan yarısı da opaktır. Bir yarısı görüntü alırken diğer yarısı tamamen okuma için kullanılır. 

Interline Transfer / IT CCD (Satır-Sütun Aktarım): Her piksel bir aktif alana ve buna bitişik bir opak alana sahiptir. Veri alan satır/sütunların yanında bunlara paralel birer okuma satırı/sütunu bulunur. Bu durumda okuma zamanı oldukça kısalır.

Interline Transfer ccd (Satır Sütun Aktarım)

Günümüzde kullanılan iki tip algılayıcıdan diğeri ise CCD'den daha sonra geliştirilen CMOS'lardır (Complementary metal oxide semiconductor). Cmos algılayıcılar CCD'ye benzer mantıkla çalışır. CMOS'larda her bir hücre kapasitör ve amplifikatöre sahiptir. 

Günümüzde arasındaki farklar yavaş yavaş kapanıyor olsa da CCD ve CMOS algılayıcılar arasındaki temel farklar şunlardır:

  • CMOS sensörler, CCD'lerden daha fazla gürültü oluştururlar. CCD'lerin dinamik aralığı daha geniştir. 
  •  CMOS sensörlerin üretimi kolay ve ucuzdur. 
  • CMOS sensörler, CCD'lere göre daha az güç tüketirler, uzun pil ömürleri vardır.
  • CMOS sensörlerin ışığa karşı duyarlılıkları CCD'ler kadar iyi değildir. Bu nedenle ışığın az olduğu ortamlarda CCD'ler çok daha iyi sonuçla alırlar.

CCD ve CMOS algılayıcıların yapısında dolayı pozlanmaları da farklıdır. CCD'lerde global shutter dediğimiz sistemle görüntü algılayıcının üzerinde tek bir seferde tüm karenin pozlanması şeklinde olurken CMOS larda Rolling shutter denilen sistemde en üst satırdan başlayarak aşağı doğru satır satır tarama yapılarak resim pozlanır. Bunun sonucu olarak hızlı hareket eden objelerde jelly effect dediğimiz anomaliler oluşur. 

Global - Rolling shutter

Rolling Shutter

Görüntü algılayıcıları üzerlerine ışığın gücüne göre yüklenirler ama bu yük hücrenin kapasitesi kadardır hücrelere belirli yükten fazlasını taşıyamaz. Eğer bir piksel üzerine limitin üzerinde foton düşerse bu yük komşu hücrelere taşar ve aşırı ışık yüklenmiş hücre etrafında dairesel parlamalar (blooming) düşey ışık çizgileri (smear) gibi istenmeyen olgular oluşur. 

Smear - Blooming

CCD ya da CMOS olsun bir görüntü algılayıcısının değerlendirmesinde şu temel öğeler etkindir.

1. Hassasiyet; algılayıcının özellikle düşük ışık gücünde etkin olmasını ifade eder.

2. Doğrusallık; bir algılayıcının çıktı sinyali, gelen ışık miktarıyla doğru orantılıysa bu algılayıcı için “doğrusaldır” denir. İdeal bir algılayıcıda, gelen foton sayısı ile çıktı sinyali düzeyi arasındaki ilişkinin tüm dalga boyları için doğrusal olması beklenir. 

3. Dinamik Aralık; algılayıcı çıkışında, ölçülebilen maksimum ve minimum sinyal seviyeleri arasındaki orandır. Algılayıcının en yüksek ve en düşük sinyali eşzamanlı işleyebilme becerisini gösterir. 

4. Gürültü; algılayıcının kendinden ya da içinde bulunduğu sistemden kaynaklanan ve özellikle düşük ışık koşullarında oluşan, basitçe görüntüde kumlanma olarak ifade edebileceğimiz istenmeyen olgu. Sinyal/Gürültü Oranı (S/N) parametresi ile belirtilir. 

5. Çözünürlük; Algılayıcıların dolayısıyla dijital kameraların en önemli özelliklerinden biri çözünürlük (resolution) değeridir. Bir kameranın yakalayabildiği ayrıntı miktarını algılayıcının sahip olduğu hücre (piksel) sayısı, çözünürlüğü belirler.

6. Boyut; Algılayıcının yüzey büyüklüğü de çok önemli bir etkendir. Çözünürlük, hücre sayısı, ışık hassasiyeti, ısı ve enerji arasında ilişki vardır. Aynı büyüklükteki algılayıcılara 5 mega piksel yerleştirmekle 10 mega piksel arasında ciddi sonuçlar oluşur. Hücreler iyice küçülür, ışık alma kapasiteleri azalır, hücrelerin birbirinden etkileşimi (crosstalk) dolayısıyla renk oluşumu ve dinamik etkilenir, gürültü oluşur.Görüntü algılayıcı boyutları kullanım alanına göre değişebilir. Genellikle televizyon kameralarında 2/3 inch boyutlu algılayıcılar kullanılırken sinemada 35mm full frame, süper 35 boyutlarında algılayıcılar kullanılır. Ayrıca algılayıcı boyutu alan derinliğini ve ışık hassasiyetini de etkiler.

Hala güncel bir tartışma konusu olan film ve görüntü algılayıcılarının elde ettiği dijital görüntüleri birbirinden ayıran, çözünürlük, dinamik aralık ve renk gamı dışındaki en önemli fark filmin daha organik diye ifade edilebilecek, genel olarak izleyicilere daha estetik, etkileyici gelen canlı bir yapısı olmasıdır. CCD hücreleri filmlerin gümüş tanecikleri grenlere benzer. Filme kendine has organik hava veren bu gümüş parçacıkların her bir karede farklı noktalarda farklı şekillerde film yüzeyine dağılması onlara karelerin ardışık gösterilmesi sürecinde devamlı kumlanan organik bir görüntü etkisi verir. CCD'lerde hücrelerin konum ve şekilleri sabittir. Bu da dijital görüntülere daha keskin ve sert ifade verir. Filmin akan görüntüsünde fix bir kare bile olsa dahi filmin gren yapısından dolayı organik bir yapı gibi hareket halindedir. Her bir karede aynı görüntü pozlansa bile her karenin grenleri farklı mikro boyutlarda ve değişkendir, bu da filme organik görsel bir yapı verir. Bunu günümüz kameralarında simule etmek, aynı etkiyi yakalamak için özel bir lens adaptörüyle görüntü bir kumlu cam (ground glass) üzerine düşürülerek pozlanır. Bu uygulamalara da film efekti, cinelook, organik görüntü gibi adlar verildi. Benzer etkiler video editör programlarında da bulunmakta. 

Dünyamızı ve hayatımızı nasıl değiştirdiğini anlatmakla bitiremeyeceğimiz CCD icat edileli yarım asır oldu. Böyle büyük bir teknolojik devrimi başlatan bilim adamlarının kıymeti ne yazık ki çok bilinmemiştir. Nobel komitesi nihayet CCD'nin icadından 30 sene sonra 2009 yılı Nobel fizik ödülünü Willard S. Boyle ve George E. Smith'e vererek bu vefasızlığı bir nebze olsun gidermiş ve bizleri de sevindirmiştir. Kamerayı her elimize aldığımızda bu bilim adamlarının hayatımıza katkılarını hatırlayıp saygı ve minnetle analım. 

Gelecek sayımızda renkli yayına geçeceğiz, hoşça kalın…

YAZAR HAKKINDA
Savaş Ferhat
savas.ferhat@trt.net.tr
Yorum Yap
Yorumunuz :
Kalan: 250  
Adınız :
E-Posta Adresiniz :
Yorumlar
Şu an yorum bulunmamaktadır.
En Çok Okunanlar
Dergi