مبادئ الرؤية الليلية الرقمية

الرؤية الليلية الرقمية

1. التقاط الصور

المكون: مستشعرات الصور CCD/CMOS
الأساس العلمي: التأثير الكهروضوئي وفيزياء أشباه الموصلات
تبدأ الرؤية الليلية الرقمية بالتحويل الضوئي للفوتونات الساقطة.
عندما تصطدم الفوتونات بالثنائيات الضوئية في جهاز اقتران الشحنة (CCD) أو مستشعر الصور شبه الموصل المعدني أكسيدي التكميلي (CMOS)، فإنها تنقل طاقتها إلى الإلكترونات في الشبكة شبه الموصلة عبر التأثير الكهروضوئي.
يؤدي هذا إلى توليد أزواج من الإلكترونات والفجوات، مما ينتج تيارًا كهربائيًا يتناسب مع شدة الضوء الساقط.
تحدد كفاءة الكم (QE) مدى فعالية المستشعر في تحويل الفوتونات إلى إلكترونات، وهو أمر بالغ الأهمية بشكل خاص في ظروف الإضاءة المنخفضة.
تتحكم الحساسية الطيفية للمستشعر في قدرته على اكتشاف أطوال الموجات المرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR).
تنقل أجهزة CCD الشحنة عبر الشريحة إلى نقطة قراءة مشتركة، مما يوفر دقة عالية للصورة ولكن استهلاكًا أعلى للطاقة.
تحتوي مستشعرات CMOS على تضخيم ورقمنة مدمجة، مما يتيح قراءة بكسل تلو الآخر بشكل أسرع وأكثر كفاءة.
في الأساس، تقوم هذه المرحلة بترجمة الطاقة الضوئية منخفضة المستوى إلى إشارة كهربائية قابلة للتفسير رقميًا.

2. معالجة الإشارات

المكون: وحدة معالجة الصور (معالج الإشارة الرقمية - DSP)
الأساس العلمي: نظرية الإشارة الرقمية وخوارزميات تحويل الصور
تخضع الإشارات الكهربائية الضعيفة والمشوشة المحتملة من مستشعر الصورة إلى تحويل في الوقت الفعلي في DSP أو ASIC باستخدام خوارزميات معقدة للتصفية الرقمية والتحسين.
تتضمن العمليات النظرية الرئيسية ما يلي:

• تقليل الضوضاء عبر المرشحات المكانية (على سبيل المثال، التمويه الغاوسي، المرشحات الثنائية) أو المرشحات الزمنية (تصفية الضوضاء المعوضة عن الحركة) لقمع ضوضاء المستشعر العشوائية.

• تعزيز التباين من خلال معادلة الهيستوجرام أو تعيين النغمة التكيفية لتحسين رؤية التفاصيل في المناطق ذات الإضاءة المنخفضة.

• تصحيح جاما لضبط استجابة السطوع وتبسيط السطوع المتصور.

• غالبًا ما يتم تطبيق اكتشاف الحواف ونواة الشحذ لتحسين محيط الكائنات وتحسين التمييز بين الأهداف.
  تقوم هذه المرحلة بتحويل المدخلات الكهربائية الخام إلى صورة رقمية ذات نطاق ديناميكي عالي، مما يسمح بالتفسير الأمثل في ظل الإضاءة غير المثالية.

3. عرض الصورة وإخراجها

المكون: لوحة عرض OLED أو LCD
الأساس العلمي: التألق الكهربائي وتعديل البلورات السائلة
بمجرد معالجة بيانات الصورة الرقمية، يتم عرضها بصريًا من خلال وحدة العرض:

• في شاشات OLED (الصمام الثنائي العضوي الباعث للضوء)، تصدر بيكسلات الصورة الضوء عبر التلألؤ الكهربائي - انبعاث الفوتونات من أشباه الموصلات العضوية عند تعرضها لحقل كهربائي.

• في لوحات LCD (شاشة الكريستال السائل)، تقوم جزيئات الكريستال السائل بتدوير الضوء المستقطب عند تطبيق مجال كهربائي، مما يؤدي إلى تعديل الضوء من مصدر الإضاءة الخلفية.
  يتم مزامنة ترميز اللون والسطوع مع بيانات الإشارة الرقمية لإعادة إنشاء تمثيل في الوقت الحقيقي للمشهد الملتقط.
  تتيح إعدادات التباين والسطوع والجاما القابلة للتعديل التكيف مع احتياجات المستخدم وإضاءة البيئة.

4. الإضاءة بالأشعة تحت الحمراء

المكون: مجموعة مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء
الأساس العلمي: فيزياء التألق الكهربائي في الحالة الصلبة والأشعة تحت الحمراء القريبة
في البيئات الخالية من الضوء المحيط، يكون الإضاءة النشطة ضرورية.
تصدر مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء ضوءًا بأطوال موجية تتراوح بين 800 إلى 950 نانومتر، وهي غير مرئية للعين البشرية ولكن يمكن اكتشافها بواسطة أجهزة استشعار الصور.
تعمل هذه المصابيح من خلال إعادة التركيب الإشعاعي، حيث تتحد الإلكترونات والثقوب في مادة شبه موصلة، مما يؤدي إلى إصدار الفوتونات.
يتم ضبط الطول الموجي عن طريق اختيار المواد ذات طاقات فجوة النطاق المحددة (على سبيل المثال، GaAs أو InGaAs).
يتم التحكم في فعالية الإضاءة من خلال قانون التربيع العكسي وانعكاسية السطح، والتي تملي كيفية انعكاس الضوء تحت الأحمر من الأشياء وعودته إلى المستشعر.
يخلق هذا الإشعاع غير المرئي مجال ضوء نشط، مما يجعل التقاط الصور السلبية ممكنًا حتى في الظلام الدامس.

5. تحسين الصورة والمعالجة اللاحقة

المكون: DSP المتقدم أو ASIC المضمن
الأساس العلمي: التصوير الحاسوبي وخوارزميات التحسين في الوقت الفعلي
في أنظمة الرؤية الليلية الرقمية، بالإضافة إلى معالجة الإشارات الأساسية، هناك مرحلة متقدمة من التحسين الحسابي:

• يمكن أن يؤدي تحسين الصورة من خلال الاستيفاء أو خوارزميات الدقة الفائقة إلى استنتاج تفاصيل ذات دقة أعلى.

• تضمن إزالة الضوضاء من الحافة الحفاظ على الميزات الهيكلية المهمة.

• يمكن استخدام الترشيح الطيفي لعزل وتعزيز أطوال موجية محددة (على سبيل المثال، التمييز بين النباتات والمعادن).

• يمكن لخوارزميات تحليل المشهد في الوقت الفعلي تصنيف الميزات وتوضيحها (على سبيل المثال، اكتشاف الحركة، وتحليل التباين الحراري).
  وتستفيد هذه الأنظمة من تقنيات الرؤية الآلية، مما يؤدي إلى تحسين ليس فقط الرؤية ولكن أيضًا القدرة على تفسير المشهد، وهو أمر بالغ الأهمية في تطبيقات المراقبة والتكتيكات.

---

II. مقارنة علمية: الرؤية الليلية الرقمية مقابل الرؤية الليلية التقليدية

أ. آلية التشغيل الأساسية

الرؤية الليلية التقليدية (أنبوب تكثيف الصورة – IIT)
بناءً على بصريات الإلكترون وتضخيم الضوء عبر لوحات القنوات الدقيقة (MCP).
تصطدم الفوتونات بالمهبط الضوئي، مما يؤدي إلى إطلاق الإلكترونات من خلال التأثير الكهروضوئي الخارجي.
يتم مضاعفة الإلكترونات من خلال MCP، ثم يتم تحويلها مرة أخرى إلى فوتونات على شاشة الفوسفور، والتي يمكن للمستخدم رؤيتها.
تعمل هذه العملية التناظرية على تضخيم الضوء الموجود، لكن أداءها يكون محدودًا عندما لا تتوفر أي فوتونات (أي الظلام الدامس).

الرؤية الليلية الرقمية
يعتمد على التصوير الرقمي المباشر باستخدام أجهزة استشعار CCD/CMOS والإضاءة بالأشعة تحت الحمراء.
يتم تحويل الفوتونات مباشرة إلى إشارات رقمية ومعالجتها خوارزميًا، بشكل مستقل عن بصريات الإلكترون التناظرية.

ب. الحساسية والقدرة على التكيف

تعتبر أجهزة IIT حساسة للضوء المرئي ولكن ليست كلها قادرة على اكتشاف الأشعة تحت الحمراء القريبة.
يمكن أن تكون المستشعرات الرقمية واسعة النطاق (مرئي + NIR)، مع إمكانية ضبط الأداء عبر البرامج والأجهزة.

ج. المعالجة والوظائف

إن الأجهزة التقليدية مقيدة بطبيعتها التناظرية - فهي محدودة في المعالجة والتخزين والواجهة.
تدعم الأنظمة الرقمية ميزات متقدمة مثل:

• تسجيل الفيديو (عبر الذاكرة المتكاملة أو الواجهات الخارجية)

• تحليلات في الوقت الحقيقي

• النقل اللاسلكي

• التعرف بمساعدة الآلة

---

أعمال التصوير الحراري للرؤية الليلية

لا تستخدم أجهزة الرؤية الليلية ذات التصوير الحراري الضوء بالطريقة التي تستخدمها أجهزة الرؤية الليلية التقليدية.
وبدلاً من ذلك، فإنها تكتشف الحرارة (الأشعة تحت الحمراء) التي تأتي من كل شيء - الناس والحيوانات والآلات والمباني - وتحول تلك الحرارة غير المرئية إلى صورة يمكنك رؤيتها.
فيما يلي نظرة خطوة بخطوة على كيفية عمل كل جزء من الجهاز معًا لجعل ذلك ممكنًا:

1. استشعار الحرارة - المستشعر الحراري

ميكروبولوميتر (مستشعر حراري)
كل شيء حولنا يصدر حرارة، حتى في الظلام.
الميكروبولومتر هو جهاز استشعار داخل الجهاز يكتشف هذه الحرارة، حتى لو كان الفرق صغيرًا.
فهو يتكون من آلاف الوحدات الصغيرة التي تسمى بالبكسل.
يمتص كل بكسل الحرارة من أي شيء يشير إليه.
عندما يمتص الحرارة، يتغير قليلاً في درجة حرارته، مما يسبب تغييراً في مقاومته الكهربائية.
هذا التغيير هو كيف يعرف الجهاز مدى سخونة أو برودة كل جزء من المشهد.
يتم تحويل هذه المعلومات الحرارية إلى إشارة - مثل خريطة درجة الحرارة المكونة من قياسات كهربائية صغيرة.

2. تحويل الإشارة - من التناظرية إلى الرقمية

محول من تناظري إلى رقمي (ADC)
تظل الإشارة الصادرة من المستشعر الحراري عبارة عن جهد مستمر فقط.
لذا، يتدخل المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) في:

• قم بقياس هذه الإشارات الكهربائية بسرعات عالية جدًا (عدة مرات في الثانية).

• تحويل كل قياس إلى رقم رقمي.
  الآن، بدلاً من الإشارات الغامضة، أصبح النظام يحتوي على شبكة من قيم درجة الحرارة الرقمية، واحدة لكل بكسل.
  تمثل هذه الأرقام الرقمية مدى سخونة أو برودة كل جزء من الصورة - وهذا ما تستخدمه المرحلة التالية لبناء الصورة الفعلية.

3. معالجة الصورة - جعلها واضحة

معالج الصور (DSP أو FPGA)
في هذه المرحلة، يتوفر لدى الجهاز بيانات حرارية خام - صورة رقمية مكونة من قيم حرارية - ولكن ليس من السهل رؤيتها أو فهمها حتى الآن.
وهنا يأتي دور معالج الصور.
هذا هو الجزء الذي يُجري عملية سحرية فورية لتحويل الأرقام إلى صورة واضحة. إليك ما يفعله:

أ. تحسين التباين
قد تكون فروق درجات الحرارة في المشهد ضئيلة جدًا، لذا قد تبدو الصورة باهتة أو باهتة. المعالج:

• ينشر نطاق درجة الحرارة بصريًا.

• يجعل المناطق الدافئة تبدو أكثر دفئًا والمناطق الباردة تبدو أكثر برودة.
  يساعدك هذا على رؤية الحواف أو الأشياء أو الكائنات الحية بوضوح والتي قد تتداخل مع الأشياء الأخرى.

ب. تقليل الضوضاء
يمكن للتقلبات الكهربائية الصغيرة أن تخلق بقعًا عشوائية أو "ثابتة" في الصورة.
يستخدم المعالج برنامجًا خاصًا لتسوية هذه المشكلة دون إزالة التفاصيل الحقيقية.

ج. التصحيح غير المنتظم (NUC)
لا تتفاعل كل بكسل في المستشعر بنفس الطريقة - فقد يكون بعضها ساطعًا للغاية أو داكنًا للغاية.
يقوم المعالج بتصحيح هذه الاختلافات حتى تبدو الصورة بأكملها متساوية ومتوازنة.

د. أوضاع الألوان (تعيين الألوان الزائفة)
نظرًا لأننا لا نستطيع "رؤية" الحرارة فعليًا، يقوم المعالج بتعيين الألوان أو الظلال لدرجات الحرارة المختلفة.

• الأبيض الساخن: تظهر المناطق الساخنة باللون الأبيض، والمناطق الباردة باللون الأسود.

• أسود ساخن: عكس الأبيض الساخن.

• لوحات الألوان: مثل "قوس قزح" أو "قوس قزح الحديدي"، باستخدام الألوان لإبراز التفاصيل.
  لا تؤدي أوضاع الألوان هذه إلى تغيير البيانات - بل إنها تجعل من السهل على عينيك ودماغك التعرف على الأنماط والاختلافات.
  تحدث هذه العملية برمتها بسرعة كبيرة، لذا فإن ما تراه على الشاشة يحدث في الوقت الفعلي، أثناء اكتشافه.

4. عرض الصورة - إظهار ما يراه المستشعر

الجزء الرئيسي: شاشة OLED أو LCD
بمجرد معالجة الصورة وتحسينها، سيتم إرسالها إلى الشاشة على جهازك.
تنتج شاشة OLED (الصمام الثنائي العضوي الباعث للضوء) ضوءها الخاص وتعرض صورًا حادة ذات تباين عالٍ.
تستخدم شاشة LCD (شاشة الكريستال السائل) الإضاءة الخلفية والمرشحات لعرض الصورة.
يقوم كلا النوعين من الشاشات بإضاءة وحدات بكسل فردية استنادًا إلى بيانات الحرارة المعالجة، مما يؤدي إلى إنشاء الصورة الحرارية التي تراها.
يمكنك عادةً ضبط السطوع والتباين، وحتى التبديل بين أوضاع الألوان لتناسب محيطك.

5. ميزات إضافية - أكثر من مجرد عرض

الأجزاء الرئيسية: متحكم مدمج، تخزين، نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، واي فاي، وما إلى ذلك.
تتضمن العديد من أجهزة التصوير الحراري الحديثة ميزات ذكية لمزيد من الراحة والوظائف:

• تسجيل الصور والفيديو – احفظ ما تشاهده.

• Wi-Fi أو Bluetooth – قم بتوصيل العرض الحراري بهاتفك أو جهازك اللوحي.

• وضع علامات GPS – قم بتحديد موقع ملاحظاتك.

• تحديد المدى بالليزر - قياس مدى بعد جسم ما.
  يتم التحكم في كل هذه الميزات عن طريق جهاز داخلي يسمى المتحكم الدقيق.
  يقوم بتشغيل برنامج متخصص لإدارة كل وظيفة بسلاسة أثناء استخدام الجهاز.