أجهزة إلكترونيات

كيف يتم تشكيل الألوان رقميًا باستخدام مصابيح الليد LED في الشاشات

يزداد تعاملنا مع الشاشات الملونة يوم بعد يوم سواء استخدمت الشاشة لمتابعة الأخبار أو شبكات التواصل الاجتماعية أو مشاهدة البرامج التلفزيونية والأفلام السينمائية أو العمل أو التعلم عن بعد والاجتماعات واللقاءات. نحن الآن نتعامل مع شاشات بشكل كبير فمثلا انت تقرأ هذا المقال من خلال شاشة الجوال أو شاشة الكمبيوتر. تعرض هذه الشاشات الصور والافلام والنصوص بشكل ملون مما يعطي احساس جميل وجذاب.

هل تساءلت يوما كم عدد الألوان التي تقدمها لك الشاشة، وكيف تحولت الشاشات الملونة من طريقة العرض التناظرية إلى الرقمية وكيف تعرض الألوان؟ نعم، تستخدم معظم الشاشات الحديثة الآن مصابيح الليد LED وفي هذا المقال سوف نوضح كيف تتشكل الألوان رقميا باستخدام مصابيح الليد LED والكثير من المعلومات.

في الواقع يعتمد عدد الألوان المرئية على شاشة العرض على ما يعرف بعمق البت “bit-depth”، وعمق البت يعني مقدار البتات المستخدمة لكل بكسل على شاشة العرض. يمكن أن تعرض الشاشة ذات العمق 24 بت ما يصل إلى 16 مليون لون. أي أن كل بكسل من الشاشة له القدرة أن يوفر 16 مليون لون مختلف تصور!

اعلانات جوجل

ما المقصود بعمق البت وما معنى عدد البتات لكل بكسيل وماذا يعني عمق بت يساوي 24 كل هذه الامور سوف نوضحها في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء وبعد الانتهاء من قراءة المقال سوف تدرك حجم التقنية المستخدمة في عرض الألوان على أي من الشاشات المستخدمة.

ما هي البت Bit؟

في البداية دعونا نتعرف على البت Bit والتي تستخدم في تخزين المعلومات الرقمية ومعالجتها. البت هي أصغر وحدة حاملة أو ناقلة للمعلومة. جاء مصطلح البت ليعبر عن الارقام في نظام العد الثنائي، لان البت لا يمكن ان تكون الا من رقمين فقط وهما الـ 0 والـ 1. أي البت تمثل حالتين مختلفتين مثل الصح أو الخطأ أو تمثل نعم و لا أو تمثل حالة تشغيل وحالة إغلاق أو أي خاصية أخرى ذات قيمتين. فمثلا في العالم الرقمي تمثل الحالتي 0 و 1 بنبضة كهربية فمثلا يمكن اعتبار البت عمليا عبارة عن مفتاح كهربي إما مفتوح أو مغلق. وحيث اننا نتحدث عن مصابيح الليد يكون البت Bit المستخدم هنا عبارة عن حالتي المصباح اذا كان مضاء أو مطفي وهذا يعتمد على وجوده في حالة تشغيل أو لا من خلال فتح وإغلاق الدائرة الكهربية.

لنعتبر أن حالة التشغيل (ON) والتي يكون فيها مصباح الليد LED مضاء تمثل الحالة 1، ونعتبر أن حالة اغلاق الدائرة (OFF) والتي يكون فيها مصباح الليد LED مطفي تمثل الحالة 0. يسمى الرقمين 0 و 1 بالبت Bit.

إذا كانت وحدة عرض الصورة في الشاشة والتي سنعرفها بالبكسيل (سيأتي توضيح معناها في المقال) تعرض لونين فقط هما الابيض والأسود وهذا يعني أن لدينا مصباح ليد LED واحد فقط إما أن يكون في حالة التشغيل ويعطي اللون الأبيض عندما يكون في حالة التشغيل ON والتي تمثل رقميا بالقيمة 1 أو اللون الأسود عندما يكون في حالة (OFF) والتي تمثل رقميا بالقيمة 0، وهنا تتشكل الصورة على الشاشة من لونين فقط هما بالأبيض والأسود فقط.

كيف يتم تشكيل الألوان رقميًا باستخدام مصابيح الليد LED في الشاشات      كيف يتم تشكيل الألوان رقميًا باستخدام مصابيح الليد LED في الشاشات

هذه الصورة تتكون من لونين فقط هما الأبيض والأسود والمربعات الصغيرة التي تظهر هي وحدة الصورة الرقمية “البكسل” إما أن تكون ابيض او اسود في نظام عرض مكون من مصباح ليد واحد.

توضيح للدايود والليد LED

قبل التقدم أكثر في موضوع اظهار الالوان الرقمية في شاشات العرض باستخدام مصابيح الليد LED نحن بحاجة أن نعرف بعض التفاصيل عن الدايود diode أو الصمام الثنائي وهو عبارة عن اداة تعمل مثل صمام القلب الذي يسمح بتدفق الدورة الدموية من الأذين إلى البطين في القلب ولا تسمح بعودته. ويقوم الصمام الثنائي بالنسبة للتيار الكهربي بنفس وظيفة صمام القلب حيث يسمح للتيار الكهربائي بالمرور في اتجاه ولا يسمح في الاتجاه المعاكس. لمزيد من المعلومات حول فكرة عمل الدايود انظر هنا

كيف يتم تشكيل الألوان رقميًا باستخدام مصابيح الليد LED في الشاشات

الصمام الثنائي الفراغي والصمام الثنائي شبه الموصل

اعلانات جوجل

عندما يكون الدايود متصلا مع مصدر الطاقة الكهربائية في حالة انحياز امامي يتدفق التيار ولكن إذا ما تم عكس اتجاه التيار يكون الدايدود في حالة انحياز عكسي ولا يسمح بمرور التيار الكهربي. وبالتالي، يمكن اعتبار الدايود الصمام الثنائي على أنه مفتاح التبديل، والذي يكون عند تشغيله في حالة 1 (للأمام) وعند إيقاف التشغيل يكون في حالة 0 (عكسي).

يمكن هندسة وتصنيع دايودات قادرة على إصدار الضوء عند مرور التيار الكهربي بها وتسمى، هذه بـ دايود باعث للضوء (LED) والتي هي اختصار لـ Light Emitting Diode. انظر على هذا الموضوع لمزيد من التفاصيل. عندما يكون LED متحيزًا للأمام، فإنه ينبعث منه الضوء (يعتمد اللون على المادة المصنوعة منها). يتوقف LED عن التوهج عندما يكون متحيزًا عكسيًا.

كيف يتم تشكيل الألوان رقميًا باستخدام مصابيح الليد LED في الشاشات

أصبحت مصابيح LED جزءًا لا يتجزأ من الإلكترونيات

أدى التقدم في فيزياء الحالة الصلبة إلى تطوير مصابيح ليد LED قادرة على إصدار ألوان الأحمر (R) والأخضر (G) والأزرق (B). وهي الألوان الأساسية في تكوين أي صورة ملونة على شاشات العرض وهذه الألوان تعرف بالاختصار RGB، لأن هذه الألوان الثلاثة تشكل جميع شاشات الألوان الرقمية المتوفرة في السوق تقريبًا، من هاتفك الذكي إلى تلفزيونك الذكي المفضل!

كيف يتم تشكيل الألوان رقميًا باستخدام مصابيح الليد LED في الشاشات

تركيب مصباح الليد LED

اعلانات جوجل

الحصول على ألوان جديدة من الألوان الأساسية RGB

أثناء الرسم بالالوان المائية أو الزيتية، لا بد أنك لاحظت أو شاهدت أن مزج لونين يولد لونًا جديدًا. على سبيل المثال، يؤدي المزج بين اللونين الأزرق والأصفر إلى الحصول على اللون الأخضر، بينما ينتج اللون الأحمر مع الأبيض اللون الوردي. يستخدم مبدأ مشابه أيضًا في إنشاء ألوان رقمية. يؤدي تغيير شدة R و G و B وخلطها إلى إنشاء مليارات من تركيبات الألوان.

كيف يتم تشكيل الألوان رقميًا باستخدام مصابيح الليد LED في الشاشات

المزج الجمعي لـ RGB يولد ألوانًا أخرى

للتوضيح أكثر دعنا نقدم 3 حالات مختلفة

اعلانات جوجل

الحالة الأولى

يتوفر مصباح LED واحد فقط. وبالتالي، هناك حالتان فقط ممكنتان (تشغيل أو إيقاف) أو (ON  OFF). هذه شاشة 1 بت.

اعلانات جوجل

الحالة الثانية

استثمر المزيد واشتري مصباح ليد LED آخر. يتوفر لديك الآن مصباحان LED، مع كل مصباح LED في حالة التشغيل أو الإيقاف. العدد الإجمالي للتركيبات 22 = 4 أي يكون لدينا شاشة باربعة الوان. ويسمى هذا بشاشة 2 بت.

هم (ON  ON)؛ (ON  OFF)؛ (OFF  ON)؛ (OFF OFF).

اذا يكون لدينا أربعة ألوان باستخدام مصباحين ليد LED.

الحالة الثالثة

افترض أن شخصًا ما قد منحك مصباح LED ثالث. وتم دمج المصباح الجديد مع الاثنين الآخرين، وبالتالي يكون لدينا عدد من التركيبات الممكنة من التشغيل والايقاف يساوي 23 = 8. وهذه الشاشة هي شاشة عرض 3 بت.

(ON ON ON)؛ (ON ON OFF)؛ (ON OFF ON)؛ (OFF ON ON) ؛ (OFF OFF ON): (OFF ON OFF) ؛ (ON OFF OFF) ؛ (OFF OFF OFF).

اذا يكون لدينا ثمانية ألوان باستخدام ثلاثة مصابيح LED.

بشكل عام،

عدد الألوان الممكنة، N = Sn ،

حيث ان

n = عدد المصابيح المتاحة.

S = عدد الحالات الممكنة لمصباح الليد LED (إما تشغيل أو إيقاف والتي تساوي 2).

البكسل: أساس تكوين الشاشة

ذكرنا سابقا في هذا المقال ان البكسل، ونحتاج الآن لنتقدم في الموضوع ان نفهم ما هو البكسل. تتكون شاشة العرض الرقمية من آلاف النقاط الصغيرة التي تسمى البكسل. البكسل بالنسبة لشاشة العرض مثل الذرة بالنسبة للعنصر. إنها أصغر وحدة في الشاشة. تستخدم شاشة 8 بت ثمانية مصابيح LED لكل بكسل، وبالتالي فإن العدد الإجمالي للألوان الممكنة في شاشة 8 بت هو 28 = 256! لاحظ كيف يزداد عدد الألوان الممكنة بأس 2. كلما زاد عدد مصابيح LED، وهذا يعني زيادة في تفاصيل الصورة.

ماذا نعني بشاشة 8 بت؟

يتم تلوين كل بكسل بواسطة 8 مصابيح LED، أي أن كل بكسل يمكن أن يولد أيًا من 28 = 256 لونًا. تؤدي زيادة عدد وحدات البكسل لكل إنش مربع (دقة الشاشة) إلى زيادة تفاصيل الصورة (قدرة تكبير أفضل). على سبيل المثال، تبلغ دقة 5 ميجابكسل (Mega Pixel) خمسة ملايين بكسل تشكل شاشة العرض. يمكن لكل من تلك الخمسة ملايين بكسل عرض أي من 256 لونًا في شاشة 8 بت. لمزيد من المعلومات حول دقة الشاشة اطلع على هذا الموضوع

افترض أن ثمانية مصابيح LED مرتبة حسب اللون من اليسار إلى اليمين. على أقصى اليسار يوجد اللون R وفي أقصى اليمين يقع اللون B في حين أن لون G يقع بينهما. يوضح الجدول التالي كيفية تخصيص الألوان للبتات. عداد البت (LED index) هو رقم مصباح الليد LED من اليسار.

مثال a

عداد البت (LED Index) 0 1 2 3 4 5 6 7
اللون المقابل R R R G G G B B

(ملاحظة: يمكن أن يتنوع توزيع الألوان وفقًا لمتطلبات الصورة. ما سبق هو حالة معينة كمثال.)

مثال b

عداد البت (LED Index) 0 1 2 3 4 5 6
اللون المقابل R R G G B B B

يؤدي تغيير حالة التشغيل / الإيقاف (ON/OFF) وشدة كل مصابح ليد LED إلى إنتاج ألوان مختلفة. إذا تم إيقاف تشغيل مصابيح 3 و 4 و 5 في المثال a (على سبيل المثال يكون اللون G مطفي وبقية مصابيح الليد LED وهم اللونين R و B قيد التشغيل)، فسيكون لون هذا البكسل في شاشة العرض يظهر باللون البنفسجي. يعتمد حدة اللون البنفسجي على شدة مصابيح R و B.

كيف يتم تشكيل الألوان رقميًا باستخدام مصابيح الليد LED في الشاشات

256 لونًا تم إنشاؤها بواسطة 8 بت

يتم تعيين قيمة عددية لكل لون من الـ 256 لونًا من 0 إلى 255، حيث يمثل 0 حالة إيقاف التشغيل لجميع مصابيح LED (أسود) ويمثل 255 حالة التشغيل لجميع مصابيح LED (أبيض). يسرد الجدول التالي كل الألوان في نظام 8 بت.

شاشات العرض أحادية اللون مقابل الشاشات الملونة

إذا تم تشغيل كل بكسل بواسطة مصابيح LED تنبعث منها نفس اللون، فستكون الصورة أحادية اللون. إذا تم تشغيل كل بكسل بواسطة مصابيح LED تصدر ألوانًا مختلفة (R و G و B) ، فإن الشاشة تكون لونية.

تستخدم شاشات True Color 24-bit عدد 8 بت لكل من R و G و B. كل لون يسمى قناة. وبالتالي، يمكن الحصول على 256 لونًا لكل قناة في بكسل واحد. إجمالي عدد الألوان المقدمة بواسطة بكسل واحد يمكن حسابه من خلال 256*265*265 ويساوي 16,777,216. أي أن شاشة العرض التي نستخدمها هي من النوع True Color 24-bit تقدم لنا 16777.216 لونًا مختلفًا. للمقارنة، يمكن للعين البشرية اكتشاف حوالي 10 ملايين لون مختلف.

قارن بين طريقة عرض الألوان في الشاشات وكيف تلتقط كاميرا الجوال الرقمية الألوان من خلال هذا المقال كيف تعمل الكاميرا الرقمية

هكذا تعاونت الفيزياء مع هندسة الحاسوب في إنتاج شاشات فائقة الدقة وكل وحدة بكسل منها تستطيع ان تعرض 16 مليون لون مختلف لتعطي صور في غاية الروعة والجمال.

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى