مزوّد الأخبار والترفيه: كيف يعمل التلفاز؟

يعد التلفاز بالتأكيد أحد أكثر القوى تأثيراً في عصرنا. من خلاله، يمكنك تلقي الأخبار والرياضة والترفيه والمعلومات والإعلانات التجارية. إذ يقضي الشخص العادي ما بين ساعتين إلى خمس ساعات يومياً لمشاهدته. لكن هل تساءلت يوماً كيف يعمل التلفاز؟ كيف تصل العشرات أو المئات من قنوات الفيديو بالحركة الكاملة إلى منزلك، ومجاناً في أغلب الحالات؟ كيف يقوم تلفزيونك بفك تشفير الإشارات لإنتاج الصورة؟ كيف ستغير الإشارات التلفزيونية الرقمية الجديدة الأشياء؟ إذا كان قد راودك أحد هذه الأسئلة، تابع القراءة لتتعرف على آلية عمل التلفاز خطوةً بخطوة.

التلفاز ودماغك

لنبدأ في البداية بملاحظة سريعة حول عقلك. هناك شيئان مدهشان في عقلك يجعلان التلفاز أمراً ممكناً. من خلال فهم هاتين الحقيقتين، تكتسب فكرة جيدة عن سبب تصميم أجهزة التلفزيون بالطريقة التي هي عليها.

المبدأ الأول هو؛ إذا قسمت صورة ثابتة إلى مجموعة من النقاط الملونة الصغيرة، فسيقوم عقلك بإعادة تجميع النقاط في صورة ذات معنى. هذا ليس بالأمر الهيّن، حيث سيخبرك بذلك أي باحث حاول برمجة جهاز كمبيوتر لفهم الصور. الطريقة الوحيدة التي يمكننا من خلالها رؤية ذلك يحدث هي تكبير حجم النقاط بحيث لا يمكن لأدمغتنا تجميعها.

معظم الناس الذين يجلسون بالقرب من شاشات أجهزتهم لا يستطيعون معرفة ماهية الصورة عندما تكون بكسلاتها مشوهة؛ فالنقاط أكبر من أن يتعامل معها عقلك. لكن إذا كنت تقف على بعد مترين إلى ثلاثة أمتار من شاشتك، فسيكون عقلك قادراً على تجميع النقاط في الصورة، وسترى بوضوح أنه وجه شخصٍ ما أو مشهداً ما. فمن خلال الوقوف على بُعد مسافةٍ معينة، تصبح النقاط صغيرة بما يكفي لدماغك لدمجها في صورة يمكن التعرّف عليها.

تعتمد كل من أجهزة التلفزيون وشاشات الكمبيوتر على هذه القدرة على دمج النقاط الملونة الصغيرة في الدماغ البشري لتقطيع الصور إلى آلاف العناصر الفردية. على شاشة التلفزيون أو الكمبيوتر، تسمى النقاط بـ«البكسل». قد تكون دقة شاشة الكمبيوتر 800×600 بكسل، أو ربما 1024×768 بكسل.

الميزة المدهشة الثانية للدماغ البشري المتعلقة بالتلفزيون هي أنه إذا قسمت مشهداً متحركاً إلى سلسلة من الصور الثابتة، وعرضت الصور الثابتة في تتابع سريع، فسيقوم الدماغ بإعادة تجميع الصور الثابتة في مشهد واحد متحرك. إذ يقوم عقلك بدمج نقاط كل صورةٍ معاً لتكوين صورٍ ثابتة، ثم دمج الصور الثابتة المنفصلة معاً في مشهدٍ متحرك. بدون هاتين القدرتين، لن يكون التلفاز كما نعرفه ممكناً.

راديو.. لكن ترافقه الصور

يرسل الراديو إشارةً صوتيةً تحمل المعلومات التي يتم بثها عبر الهواء، بينما يرسل التليفزيون إشارة صورة أيضاً. تحمل هذه الإشارات موجات الراديو والأنماط الكهربائية والمغناطيسية غير المرئية عبر الهواء بسرعة الضوء. يمكن تشبيه موجات الراديو التي تحمل معلومات بالأمواج على البحر التي تحمل راكبي الأمواج؛ فالأمواج هي موجات الراديو، وراكبي الأمواج هم المعلومات.

يتكوّن التلفاز بشكلٍ رئيسي من ثلاثة أجزاء؛ كاميرا التلفزيون التي تحول الصورة والصوت إلى إشارة، وجهاز الإرسال التلفزيوني الذي يرسل الإشارة عبر الهواء، وجهاز استقبال التلفزيون -الجهاز الموجود في منزلك أو مكان عملك- الذي يلتقط الإشارة ويعيدها إلى صورةٍ وصوت.

ينشئ التلفزيون صوراً متحركةً عن طريق التقاط صوراً ثابتةً بشكلٍ متكرر، وعرض هذه الإطارات على عينيك بسرعةٍ بحيث تبدو وكأنها تتحرك. فالتلفزيون هو أشبه بكتابٍ إلكتروني تتصفح صفحاته بسرعةٍ فائقة. تومض الصور على الشاشة بسرعةٍ كبيرةٍ لدرجة أنها تندمج معاً في عقلك لتكوين صورةً متحركة، على الرغم من أنها في الحقيقة الكثير من الصور الثابتة تُعرض واحدةً تلو الأخرى.

عندما تم تطوير التلفزيون لأول مرة، كان كل ما يمكنه التعامل معه هو الصور بالأبيض والأسود، وكافح المهندسون لمعرفة كيفية التعامل مع اللون أيضاً، وهي مشكلة أكثر تعقيداً. لكن يخبرنا علم الضوء الآن أنه يمكن صنع أي لون من خلال الجمع بين مزيج من الألوان الأساسية الثلاثة؛ الأحمر والأخضر والأزرق. لذا، كان سر صناعة التلفزيون الملون هو تطوير كاميرات يمكنها التقاط إشاراتٍ منفصلة بتلك الألوان، وأنظمة إرسال يمكنها إرسال إشاراتٍ ملونة عبر الهواء، وأجهزة استقبال يمكنها إعادتها إلى صورة متحركة متعددة الألوان.

كاميرات التلفزيون

يمكننا رؤية الأشياء لأنها تعكس الضوء في أعيننا. إذ تقوم الكاميرا الثابتة العادية بتصوير الأشياء عن طريق التقاط هذا الضوء على فيلم حساس للضوء، أو باستخدام كاشف الضوء الإلكتروني في حالة الكاميرا الرقمية، لالتقاط لقطةٍ سريعة ٍلظهور شيء ما في لحظة معينة. لكن تعمل كاميرا التلفزيون بطريقة مختلفة؛ إذ يجب أن تلتقط لقطةً جديدةً أكثر من 24 مرة في الثانية لخلق وهم «الصورة المتحركة».

ما هي أفضل طريقة لالتقاط صورة بواسطة كاميرا التلفزيون؟ إذا سبق لك أن حاولت نسخ لوحةٍ فنيةٍ من جدار معرض فني إلى دفتر ملاحظات، فستعرف أن هناك العديد من الطرق للقيام بذلك. تتمثل إحدى الطرق في رسم شبكةٍ من المربعات في دفتر ملاحظاتك، ثم نسخ التفاصيل بشكلٍ منهجي من كل منطقةٍ من الصورة الأصلية إلى المربع المقابل للشبكة. يمكنك العمل من اليسار إلى اليمين ومن أعلى إلى أسفل، ونسخ كل مربعٍ في الشبكة بدوره.

تعمل كاميرا التلفزيون القديمة على هذا النحو تماماً عندما تقوم بتحويل الصورة إلى إشارةٍ للبث، فهي تنسخ خطاً فقط من الصورة التي تراها في كل مرة. تقوم أجهزة الكشف عن الضوء داخل الكاميرا بمسح الصورة خطاً تلو خط، تماماً كما تعمل العينين عند مشاهدة لوحةٍ فنية. هذه العملية، التي تسمى «المسح النقطي»، تحول الصورة إلى 525 أو 625 خطاً مختلفاً من الضوء الملون، بحسب نظام البث، يتم بثها عبر الهواء إلى منزلك كإشارة فيديو. في الوقت نفسه، تلتقط الميكروفونات في استوديو التلفزيون الصوت الذي يتماشى مع الصورة. ويتم إرسال هذا إلى جانب معلومات الصورة كإشارةٍ صوتية منفصلة.

لكن لم تعد كاميرات التلفزيون الحديثة تعالج الصور بهذه الطريقة بعد الآن. بدلاً من ذلك، وكما هو الحال في كاميرات الفيديو وكاميرات الويب، أصبحت تركّز عدساتها المشهد الذي يتم تصويره على شرائح صغيرة مستشعرة للصور، والتي تحول نمط الألوان إلى إشاراتٍ رقميةٍ وكهربائية. وفي حين أن كاميرات المسح التقليدية تستخدم 525 أو 625 خطاً فقط، فإن شرائح استشعار الصور في كاميرات «HDTV» -التلفزيون عالي الدقة- اليوم تحتوي عموماً على 720 أو 1080 خطاً لالتقاط المزيد من التفاصيل.

تحتوي بعض الكاميرات على مستشعر صورة واحد يلتقط جميع الألوان مرةً واحدة، ولدى البعض الآخر ثلاث إشاراتٍ منفصلة، تعمل على التقاط إشاراتٍ باللون الأحمر والأزرق والأخضر؛ الألوان الأساسية التي يمكن من خلالها صنع أي لون على جهاز التلفزيون الخاص بك.

أجهزة الإرسال التلفزيونية

كلما صرخت بصوتٍ أعلى، كان من الأسهل سماع شخصاً ما عن بعد. فالأصوات الصاخبة تصنع موجاتٍ صوتيةٍ أكبر لها القدرة على الانتقال لمسافةٍ أبعد قبل أن تمتصها الأدغال والأشجار وكل الأشياء من حولنا، وينطبق الشيء نفسه على موجات الراديو.

لجعل موجات الراديو قوية بما يكفي لنقل صور الراديو والتلفزيون لأميالٍ عديدة من محطةٍ تلفزيونية إلى منزل شخص ما، فأنت بحاجة إلى جهاز إرسال قوي حقاً. يكون هذا عادةً هوائي عملاق، غالباً ما يتم وضعه على قمة تل حتى يتمكن من إرسال الإشارات إلى أقصى حدٍّ ممكن.

لا يتلقى الجميع إشاراتٍ تليفزيونية تنتقل عبر الهواء بهذه الطريقة. فإذا كان لديك تلفزيون يعمل بالكابل، فإن الصور التلفزيونية لديك يتم نقلها إلى منزلك عبر كابل ألياف ضوئية يوضع أسفل شارعك. أما إذا كان لديك تلفزيون متصل بالأقمار الصناعية، فإن الصورة التي تراها قد ارتدت إلى الفضاء وعادت كل تنتقل من بلدٍ إلى آخر.

مع البث التلفزيوني التقليدي، يتم إرسال إشارات الصورة في شكلٍ تناظري؛ أي تنتقل كل إشارةٍ كموجةٍ تتحرك صعوداً وهبوطاً. لكن تتحول معظم البلدان الآن إلى التلفزيون الرقمي؛ الذي يعمل بطريقةٍ مشابهةٍ للراديو الرقمي؛ حيث تنتقل الإشارات في شكلٍ مشفر عددياً. ويمكن إرسال العديد من البرامج بهذه الطريقة، وبصفةٍ عامة، تكون جودة الصورة أفضل، لأن الإشارات تكون أقل عرضةً للتداخل أثناء انتقالها.

أجهزة الاستقبال التفلزيونية

لا يهم حقاً كيفية وصول إشارة التلفاز إلى منزلك. فبمجرد وصولها، يتعامل جهاز التلفزيون الخاص بك مع الأمر بنفس الطريقة تماماً، سواء كانت تأتي من هوائي على السطح، أو من كابل يعمل تحت الأرض، أو من طبق الأقمار الصناعية في الفناء الخلفي أو على السطح أيضاً.

وبنفس الطريقة التي تحوّل بها كاميرا التلفزيون الصورة التي تنظر إليها إلى سلسلةٍ من الخطوط التي تشكل إشارة التلفزيون الصادرة، يقوم جهاز التلفزيون بنفس العملية في الاتجاه المعاكس لتحويل الخطوط في الإشارة الواردة مرةً أخرى إلى صورةً مطابقةً للمشهد الذي صورته الكاميرا.

اقرأ أيضاً: طاقة مستدامة: كيف تعمل الطاقة الشمسية بالضبط؟

أنبوب أشعة الكاثود

يعتمد عدد قليل من أجهزة التلفاز المستخدمة اليوم على جهاز يعرف باسم «أنبوب أشعة الكاثود»؛ أو أنبوب الأشعة المهبطية، لعرض الصور. يتم استخدام مصطلحي «الأنود» -المصعد- و «الكاثود» -المهبط- في الإلكترونيات كمرادفات للأطراف الموجبة والسالبة. على سبيل المثال، يمكنك الإشارة إلى الطرف الموجب للبطارية باعتباره الأنود والطرف السالب على أنه الكاثود.

في أنبوب أشعة الكاثود، يكون «الكاثود»؛ هنا عبارةً عن خيوطاً ساخنة -لا تختلف عن الشعيرة الموجودة في المصباح الكهربائي العادي-. يتم تسخين ذلك الفتيل في فراغٍ يتم إنشاؤه داخل أنبوب زجاجي. أما الشعاع هو تيارٌ من الإلكترونات التي تُصبّ بشكلٍ طبيعي من الكاثود الساخن في الفراغ.

الإلكترونات سالبة، والأنود موجب، لذلك، فهو يجذب الإلكترونات المتدفقة من الكاثود. ففي أنبوب أشعة الكاثود الخاص بالتلفزيون، يتم تركيز تيار الإلكترونات في حزمةٍ ضيقة، ثم يتم تسريعها بواسطة أنود مسرّع. تنتقل هذه الحزمة الضيقة عالية السرعة من الإلكترونات عبر الفراغ الموجود في الأنبوب وتصطدم بالشاشة المسطحة في الطرف الآخر من الأنبوب. هذه الشاشة مغطاة بالفوسفور؛ الذي يضيء عند اصطدام حزمة الإلكترونات به.

أما مِلفات التوجيه؛ هي ببساطة مِلفات نحاسية قادرة على إنشاء مجالات مغناطيسية داخل الأنبوب، وتستجيب لها حزمة الإلكترونات. تخلق مجموعةً من المِلفات مجالاً مغناطيسياً يحرك الحزمة عمودياً، بينما تقوم مجموعة أخرى بتحريك الحزمة أفقياً. ومن خلال التحكم بالجهد الكهربائي في المِلفات، يمكنك وضع حزمة الإلكترونات في أي نقطة على الشاشة.

والفوسفور؛ هو أي مادة تصدر ضوءاً مرئياً عند تعرّضها للإشعاع. وقد يكون الإشعاع عبارةً عن ضوء فوق بنفسجي، أو شعاع -أي حزمة- من الإلكترونات. أي لون فلوري هو في الحقيقة فوسفور، إذ تمتص الألوان الفلورية الضوء فوق البنفسجي غير المرئي، وينبعث منها ضوء مرئي بلونٍ مميز.

في أنبوب أشعة الكاثود، يغطي الفوسفور الجزء الداخلي من الشاشة. عندما تضرب شعاع الإلكترونات الفوسفور، فإنه يجعل الشاشة تتوهّج. في الشاشة ذات اللونين الأبيض والأسود، يوجد فسفور واحد يضيء باللون الأبيض عند ضربه. أما في الشاشة الملونة، توجد ثلاثة فوسفورات مرتبة على هيئة نقاط أو خطوط تنبعث منها أضواء باللون الأحمر والأخضر والأزرق. ويكون هناك أيضاً ثلاث حزمٍ إلكترونية لإلقاء الضوء على الألوان الثلاثة المختلفة معاً، مما يشكل صورةً مرئيةً متفاوتة التلوين.

هناك الآلاف من الفوسفورات المختلفة التي تمّ تشكيلها. وهي تتميز بلون انبعاثها وطول الفترة الزمنية التي يستمر فيها الانبعاث بعد الإثارة.

اقرأ أيضاً: صديق الصيف المفضل: إليك كيف يعمل المكيف

إشارة التلفزيون الملون

تبدأ إشارة التلفزيون الملون في الظهور تماماً مثل الإشارة بالأبيض والأسود. لكن تتم إضافة إشارة «تشبّع لوني» إضافية عن طريق تركيب موجة جيبية بتردد «3.579545 ميجاهرتز» على الإشارة القياسية بالأبيض والأسود. وبعد نبضة المزامنة الأفقية بشكلٍ مباشر، تتم إضافة ثماني دورات من الموجة الجيبية ذات تردد «3.579545 ميجاهرتز» على شكل انفجارٍ لوني.

بعد هذه الدورات الثماني، يشير تحوّل الطور في إشارة التلوّن إلى اللون المراد عرضه. وسعة الإشارة تحدد التشبّع. فيما يلي العلاقة بين اللون والمرحلة على طول الموجة:

• انفجار (تشويش) = 0 درجة
• أصفر = 15 درجة
• الأحمر = 75 درجة
• أرجواني = 135 درجة
• أزرق = 195 درجة
• سماوي = 255 درجة
• أخضر = 315 درجة

يقوم التلفزيون الأبيض والأسود بتصفية وتجاهل إشارة التلوّن تلك، بينما يلتقطها التلفزيون الملون من الإشارة الكلية ويفك تشفيرها، جنباً إلى جنب مع إشارة الكثافة العادية، لتحديد كيفية تعديل حزم الألوان الثلاثة.

كيف يعمل التلفاز ذو الشاشة المسطحة

من الصعب جداً العثور على تلفزيونات أنبوب أشعة الكاثود اليوم. نظراً لأنها تعتمد على التكنولوجيا التناظرية، ومعظم البلدان تتحول الآن إلى الرقمية، فإن هذه التلفزيونات أصبحت قديمةً بشكلٍ أساسي ما لم تستخدم محولاً؛ يسمى جهاز فك التشفير، والذي يسمح لها بالتقاط البث الرقمي. لذا، أصبح معظم الأشخاص يستخدمون شاشاتٍ مسطحة بدلاً من ذلك، باستخدام واحدة من ثلاث تقنيات مختلفة؛ «LCD» أو «البلازما» أو «OLED».

تحتوي أجهزة تلفزيون «LCD»؛ أي شاشة الكريستال السائل، على ملايين البكسلات التي يمكن تشغيلها أو إيقاف تشغيلها إلكترونياً لإنشاء صورة. يتكون كل بكسل من ثلاث وحدات بكسل فرعية أصغر باللون الأحمر أو الأخضر أو الأزرق. يمكن تشغيلها وإيقاف تشغيلها بشكلٍ فردي عن طريق البلورات السائلة؛ وهي مفاتيح ضوئية مجهرية فعالة تعمل على تشغيل وحدات البكسل الفرعية أو إيقاف تشغيلها عن طريق الالتواء. نظراً لعدم وجود أنبوب أشعة الكاثود وشاشة الفوسفور، فإن شاشات «LCD» تكون أكثر إحكاماً وكفاءةً في استخدام الطاقة من أجهزة استقبال التلفزيون القديمة.

أما شاشة البلازما، فهي تشبه في عملها شاشة «LCD»، لكن كل بكسل فيها هو مصباح فلوري مجهري يتوهّج بالبلازما. البلازما؛ هي شكلٌ ساخنٌ جداً من الغاز تتفكك فيه الذرات لتكوين إلكترونات سالبة الشحنة وأيونات موجبة الشحنة. تتحرك جميعها بحرّية، وتنتج وهجاً ضوئياً كلما اصطدمت. يمكن صنع شاشات البلازما بحجمٍ أكبر بكثير من التلفزيونات العادية ذات أنبوب أشعة الكاثود، لكنها أيضاً أغلى بكثير.

لكن إذا كنت تريد تلفازاً أكثر رقة، فربما تختار جهازاً يستخدم تقنية «OLED». تعمل هذه الأجهزة بشكلٍ يشبه مصابيح «LED» العادية؛ أي تنتج الضوء باستخدام واحد أو أكثر من الثنائيات الباعثة للضوء، والثنائي الباعث للضوء ؛ هو مصدر ضوئي مصنوع من مواد أشباه الموصلات تبعث الضوء حينما يمر خلاله تيار كهربائي. لكنها مصنوعةً من البلاستيك العضوي القائم على الكربون بدلاً من أشباه الموصلات التقليدية. شاشات «OLED» رفيعة جداً؛ إذ تبلغ سماكتها بضعة ملليمترات فقط، وألونها زاهيةً جداً، وتستخدم طاقةً أقل بكثير من شاشات «LCD» المكافئة.