תמונה דיגיטלית מורכבת מאוסף של צבעים אשר מקבלים יחד משמעות רעיונית מיוחדת. למשל - חוף ים צהוב, מים כחולים וקצף גלים נשברים. כל אחד מהפרטים בתמונה הזו הוא אוסף של נקודות המכונות פיקסלים. נתאר ממה מורכבות תמונות ונספר כיצד הן באות לעולם.

חשבתם פעם מה עומד מאחורי כל סלפי או צילום נוף? דמיינו שאתם מגיעים למקום מופלא כמו נס ציונה ומחליטים לצלם את הפלא. יצירת התמונה מבוססת על תהליך שנקרא הדמיה. ההדמיה היא מיפוי של עצם מואר למישור התמונה. כל נקודה בתמונה מתאימה לנקודה על העצם המצולם. עצם מואר יחזיר אור לכיוון העדשה, ועדשת המצלמה תאסוף ותמקד את האור ליצירת התמונה. העצם יכול להיות מואר על ידי מקור אור כמו פנס או השמש. האור הפוגע בעצם מפוזר לסביבה בהתאם למאפייני פני השטח שלו. דמיינו לדוגמה זרם מים שיוצא מצינור ופוגע בחפץ מסוים; לאחר הפגיעה בחפץ, המים ניתזים בהתאם לצורת החפץ. מידת החספוס וכן סוג החומר משפיעים על כיוון האור המוחזר מפני השטח של העצם ועל עוצמתו. האור המוחזר מהעצם ייאסף אל חיישן המצלמה ולאחר מכן יציג לנו את העצם שהגיע ממנו [1]. הפוטונים הם חלקיקים של אור. כמות הפוטונים שתיקלט בחיישן תקבע את עוצמת הבהירות של הפיקסלים.

דמיינו שאתם קרן אור (או פוטון). לפני הכניסה לחיישן המצלמה, אתם עוברים דרך מערכת עדשות וחלקים מכניים נוספים אשר מטרתם למקד את האור ולהגבילו. כמו בבישול, צריך להיות מדויקים: אם ייכנס אל החיישן יותר מדי אור - התמונה "תישרף" (תהיה רווייה), אבל מעט מדי אור יגרום לתמונות חשוכות שלא נוכל להבחין בהן בין פרטים (והתמונה לא תהיה טעימה, או נעימה לעין) [2]. במצלמות דיגיטליות האור ממוקד אל החיישן והמצלמה עוברת תהליך שנקרא פיקסליזציה [3]. תהליך זה הופך את המראה הרציף הנראה בחוף הים היפהפה למשבצות בתמונה דיגיטלית המכונות פיקסלים. אז איך בעצם מתקבלת תמונה? דמיינו שאתם מחלקים את האזור המצולם באמצעות רשת שתי וערב - מתקבלת טבלת צבעים. המשבצות או התאים בטבלה מתארים למעשה  את החיישן. כל תא באותה טבלה מכיל מידע שנאסף מאזור מסוים בסצנה שלנו. אלו למעשה הפיקסלים (לא, אנחנו לא מתכוונים לסרט המטופש עם אדם סנדלר [4]).

תמונה מס' 1 - המחשה של פיקסליזציה של תמונה. כל ריבוע בתמונה הוא תא (פיקסל) בגודל של כמה מיקרונים, אשר נחשף לאור שהגיע מכיוון מסוים.

איכות התמונה הדיגיטלית תלויה בגאומטריית החיישן ובמערכת האופטית של המצלמה. צפיפות נמוכה יותר של פיקסלים תגרום לתמונה "מפוקסלת" המורכבת מצבעים שאינם רציפים או נעימים למראה. דמיינו שטח של מטר על מטר שאפשר לתאר בעזרת 100 ריבועים בגודל בינוני, או לחלופין בעזרת 10000 ריבועים קטנים יותר.

תמונה מס' 3-2 - מימין התמונה המקורית, ומשמאל התמונה כשהיא מתוארת באמצעות פחות פיקסלים. במקרה זה, כל תא בתמונה גדול יותר, וכתוצאה מכך הפרטים חדים פחות.

האור שנאסף בכל פיקסל עובר תהליך המרה לאות חשמלי בעזרת רכיב שנקרא פוטו-דיודה. רכיב זה ממיר את הפוטונים המתקבלים בגלאי לאלקטרונים. בגלל אופיים הקוונטי של פוטונים, הסיכוי הסטטיסטי של פוטון שפגע בגלאי להיות מומר לאות חשמלי (לאלקטרון) נמוך מ-1. סיכוי זה נקרא יעילות קוונטית, והוא בעצם מבטא את היעילות של התקנים אלקטרו-אופטיים בהמרת אור לצורת אות אחרת. יעילות זו תלויה באנרגיה של הפוטון ונעה לרוב בין 50% ל-80%. אות זה נאגר לאחר מכן ברכיב חשמלי שנקרא קבל. ככל שכמות האור הנאגרת גדולה יותר, האות החשמלי יהיה עוצמתי יותר ונקבל פיקסל בהיר יותר [5]. 

בשלב זה נבחין בין חיישנים מונוכרומטיים לצבעוניים. חיישן מונוכרומטי יפיק תמונה בגווני אפור, ולעומת זאת כדי להפיק תמונה צבעונית נצטרך למקם פילטר נוסף על הפיקסלים, כדי להבדיל בין צבעים שונים ולא רק בין עוצמות שונות של הארה.

המידע המתקבל בסוף התהליך מיוצג במחשב על-ידי אוסף של ביטים. בתהליך העיבוד הדיגיטלי אפשר לפרוס אותו למערך דו-ממדי שייצג את התמונה הדיגיטלית [6]. הבעיה היא שתמונה זו מכילה רעשים מסוגים שונים שקשורים בתהליך הצילום שלה. גם כאן מגיעה המתמטיקה לעזרתנו: אפשר לסנן את הרעשים בעזרת כלים מעולם הסטטיסטיקה כמו מסנן ממצע [7], מסנן גאוסי [8], מסנן המבוסס על למידה עמוקה [9] ועוד. לאחר שהתמונה ברורה, חדה ונקייה, נוכל להשתמש בה בכלים של ראייה ממוחשבת בשלל אפליקציות: זיהוי עצמים, זיהוי פנים, הפרדת רקע ועוד. במצלמות הטלפונים הסלולריים הנפוצים פועלים אלגוריתמים רבים אשר מסדרים לנו את התמונות לפי הנוכחים בהן, הופכים תמונות לחדות יותר, יוצרים תמונות פנורמה רחבות ואף מוסיפים אוזניים של שפן ואף של כלבלב (לחובבי הז'אנר).

אז כך נוצרת תמונה דיגיטלית, מקרני אור השמש או נורת הפלורסנט ועד ללחיצה על הכפתור הגורלי שישמור לנו בנייד תמונת סלפי בלתי נשכחת מהפאב השכונתי. לא לשכוח לתייג ולהוסיף את הכיתוב #SummerVibes.

עריכה: שיר רוזנבלום-מן

מקורות לקריאה נוספת:

[1] כיצד מצלמה עובדת, טיפים לצלמים מתוך האתר Creative live

[2] כיצד מצלמה עובדת, מתוך האתר ExplainThatStuff

[3] הסבר נוסף על תהליך פיקסליזציה מתוך האתר Techopedia

[4] טריילר הסרט פיקסל עם אדם סנדלר

[5] הסבר על אופן העבודה של קבל חשמלי, מתוך ערוץ היוטיוב The Engineering Mindset

[6] פוסט במדע גדול, בקטנה בנושא צבעים בתמונות דיגיטליות

[7] פוסט במדע גדול, בקטנה בנושא מסנן ממצע

[8] פוסט במדע גדול, בקטנה בנושא מסנן גאוסי

[9] פוסט במדע גדול, בקטנה בנושא למידה עמוקה