Il Processore di Immagine

by / mercoledì, 10 aprile 2019 / Published in Alta Fotografia, Fotografia, Il blog

 

Il “Cervello” della fotocamera digitale: il Processore di Immagini

una componente troppo spesso sconosciuta o dimenticata

 

Per analizzare il funzionamento del processore iniziamo vedendo lo schema di una fotocamera digitale e per procede facilmente lo esemplifichiamo in una serie di blocchi funzionali. Questo tipo di analisi in elettronica è chiamata del tipo top-down.

Schema esemplificativo dei circuiti elettronici presenti in una fotocamera digitale: l’immagine attraversa prima l’obbiettivo e dopo l’otturatore per raggiunge il sensore dove viene convertita in un segnale elettrico. Il processore gestisce la corretta sequenza di controllo e dopo le opportune elaborazioni salva la foto acquisita

Il primo blocco è l’obiettivo, il dispositivo ottico che permette di convergere la luce in modo corretto sul sensore di acquisizione, e la circuiteria di controllo della messa a fuoco dell’immagine.

Il secondo blocco è l’otturatore, formato dai congegni elettro-meccanici che permettono il passaggio delle corretta quantità di luce che deve giungere sul sensore per avere una buona esposizione della scena. Ognuno di questi due blocchi deve essere comandato da degli opportuni controllori alla diretta dipendenza del processore di immagine.

Il blocco successivo è il sensore di immagine che trasforma la luce della scena correttamente ripresa in una serie di segnali elettrici per le successive operazioni. In questa fase viene creata un’immagine digitale anche se il suo formato è solo parzialmente utilizzabile. Questa immagine prima di poter essere utilizzata ha bisogno di ulteriori aggiustamenti da parte del processore.

Utilizzando il software, che è residente nella ROM, il processore provvede all’elaborazione dell’immagine in un formato direttamente utilizzabile e alla sua successiva memorizzazione su una memoria SDRAM (Memory Card). Il processore deve svolgere una grossa quantità di elaborazioni. Uno dei tanti compito del processore, ad esempio, è aggiungere i meta dati (data, autore, posizione GPS, etc.) alla fotografia.

Il processore, o CPU (Central Processing Units) è quindi un processore di segnali digitali specializzato per l’elaborazione delle immagini ad alta velocità.

Nella fotografia digitale, specie in quella professionale, il processore è quindi un componente fondamentale per l’intero sistema. All’aumentare delle prestazioni richieste alla fotocamera (ad esempio la velocità di scatto nella foto sportiva o la gestione di video di qualità sempre maggiore) è stato necessario aumentare la potenza di calcolo e la velocità di esecuzione delle operazioni.

Mentre nelle analogiche era verso le ottiche che si facevano ricerche tecnologiche avanzate nel digitale è l’elettronica al centro della ricerca. Per poter essere competitivi i produttori hanno investito molto nella ricerca di nuove tecnologie per le fotocamere digitali.

Il processore è formato dalla CPU (elaboratore), dal una memoria temporanea (SDRAM) e da una ROM. Riceve dati dal Sensore e li scrive nella Memory Card. Presenta tipicamente verso l’esterno alcune interfacce: una porta USB, una porta HDMI ed una porta Video.

Possiamo vedere che il processore possiede molte caratteristiche in comune con il computer, pur essendo specializzato solo a catturare le immagini. Le componenti principali utilizzate sono però le stesse. Grosse differenze le troviamo nella miniaturizzazione più spinta della fotocamera e nella diversa dissipazione del calore; i due problemi sono contrapposti ed i costruttori devono applicare delle soluzioni di compromesso.

Le dimensioni della fotocamera sono più piccole e l’alimentazione è prelevata da una batteria con tensione tipicamente di pochi Volt ed una potenza dell’ordine delle decine di Watt mentre il computer utilizza la tensione di rete di 220 Volt ed è fornito di alimentatori che possono dare potenza per centinaia di Watt. Di solito vengono raffreddati mediante delle ventole che ovviamente non possono essere installate in una fotocamera. Il computer viene quindi costruito con una tecnologia a 22 nanometri, ed anche meno, mentre la tecnologia del processore al momento attuale arriva a 65 nanometri. I dispositivi fotografici quindi occupano un area di silicio tre volte più grande.

Come per il computer per esportare le informazione il processore utilizza normalmente una porta USB, una porta HDMI o in taluni casi un segnale Wireless. È presente anche una uscita video per vedere direttamente i filmati su un televisore con questa interfaccia.

Analizziamo lo schema del processore EXPEED che ricalca lo schema di Milbeaut (questo processore è montato sulle fotocamere Nikon). Possiamo evidenziare sette blocchi funzionali: i due blocchi di acquisizione delle immagini, il blocco di codifica JPEG, un DSP (Digital Signal Processing) per le operazioni di riconoscimento delle scene, due diversi blocchi, ognuno per il formato richiesto, di esportazione della scena, ed infine il blocco di elaborazione vero e proprio.

 

Schema a blocchi del processore EXPEED che ricalca lo schema di Milbeaut: i primi due blocchi provvedono all’acquisizione dell’immagine e alla sua elaborazione secondo gli algoritmi scelti dal processore o impostati dal fotografo. Se necessario per esportarla, la scena è convertita in un formato compatibile con la porta utilizzata. Tutte le operazioni di elaborazione sono svolte dalle due unità di calcolo

Il processore preleva il firmware dalla ROM (in realtà è una EPROM) ed è pronto per funzionare. Quando il fotografo scatta la fotografia vengono controllate l’esposizione e la messa a fuoco. Il sensore CMOS acquisisce l’immagine secondo le sue caratteristiche e converte l’informazione analogica in una serie di segnali digitali che raggiungono finalmente l’elaboratore. Questi provvedere ad elaborare la foto secondo le scelte del fotografo o applica alcune delle funzioni per cui è stato programmato (ad esempio le immagini in HDR). Per queste operazioni utilizza la memoria interna (dopo una raffica di fotogrammi la fotocamera non permette ulteriori scatti poiché deve prima salvare le immagini acquisite e poi rendere di nuovo disponibile la memoria). Infine per rendere i dati permanenti li salva dentro la Memory Card. (CF (Compact Flash) o SD (Secure Digital)).

Il processore deve svolgere, in modo adeguato, molte funzioni nella fotocamera. Analizziamo in dettaglio le sue funzioni:

  • Demosaicizzazione: come già detto in un predente articolo la maggior parte dei sensori di immagine di tipo CMOS usano lo schema di Bayer per la registrazione del colore (fanno eccezione i sensori di tipo Foveon). Il sensore è formato da una matrice di fotodiodi che a gruppi di 4 sono ricoperti da filtri di diversi colori. Dopo l’acquisizione dei singoli colori il processore ne ricombina i diversi segnali fino a ricostruire l’immagine finale. Questo processo è detto di demosaicizzazione, che spesso comprende anche la correzione di gamma; in questo modo vengono ottimizzate alcune caratteristiche della fotografia.

  • Riduzione del rumore: il rumore è una componente non voluta nei circuiti elettronici ma purtroppo sempre presente. Nel caso della fotografia digitale l’errore si presenta sotto forma di punti con il colore o con la luminanza sbagliate. Il rumore aumenta in funzione dell’aumento della temperatura del sensore, all’aumentare dei tempi di esposizione o degli ISO. Quando il segnale proveniente dal sensore viene amplificato purtroppo viene amplificato anche il rumore. Il processore applica degli algoritmi che permettono di riconoscere il disturbo e conseguentemente se ne può ridurre l’effetto.

  • Nitidezza: La nitidezza di un’immagine dipende per la maggior parte dalla regolazione del contrasto visibile sui contorni. Il processore utilizza degli algoritmi di riconoscimento del contorno e successivamente ne regola il contrasto per migliorare la nitidezza percepita dell’immagine.

  • Riconoscimento della scena: diversi processori sono in grado di riconoscere la scena che è catturata dall’obiettivo per adeguare di conseguenza i parametri dello scatto necessari alla corretta esposizione. Alcuni processori riescono anche a riconoscere i volti dei soggetti fotografati, in questo modo si possono esaltare dei dettagli che altrimenti sarebbero stati perduti.

  • regolazioni automatiche: molto spesso vengono lasciate all’automatismo della fotocamera alcuni parametri che altrimenti dovrebbero essere fissati dal fotografo. Ad esempio la sensibilità ISO o il bilanciamento del bianco, la fotocamera analizza la scena ed il processore fissa di conseguenza le scelte migliori.

Ad esempio, per la Canon EOS 6D nelle caratteristiche tecniche alla voce Elaborazione delle immagini troviamo le seguenti voci:

  • Priorità tonalità chiare: le tonalità chiare sono enfatizzate rispetto a quelle scure

  • Ottimizzatore automatico: si possono regolare l’illuminazione, lo stile della foto, il bilanciamento automatico del bianco

  • Riduzione rumore per le lunghe esposizioni: il rumore nelle immagini digitali aumenta quando i tempi di esposizione si allungano.

  • Riduzione rumore alla alte sensibilità ISO: il rumore nelle immagini digitali aumenta quando aumenta la sensibilità ISO.

  • Riduzione rumore per multiscatto: il rumore aumenta quando selezioniamo la funzione delle esposizioni multiple, ogni esposizione introduce ulteriore rumore.

  • Correzione automatica dell’illuminazione periferica dell’obiettivo: vengono compensati alcuni difetti dell’obiettivo montato (se le informazioni sono presenti nell’obiettivo)

  • Correzione cromatica:

  • Ridimensionamento a M, S1, S2 o S3: la fotocamera permette di ridurre la dimensione delle immagini. Da una immagine scattata ad alta risoluzione si possono ricavare delle immagini di risoluzione via via più piccole.

  • Elaborazione delle immagini RAW (solo durante la riproduzione delle immagini):

  • Esposizione multipla: si possono combinare più scatti in una sola fotografia

  • Immagini HDR: immagini ad ampia gamma dinamica

A – processore utilizzato da Canon

B – processore utilizzato da Nikon

C – processore utilizzato da Sony

Vediamo i processori, ed alcune delle poche caratteristiche che sono disponibile, per i vari marchi dei costruttori di fotocamere (ovviamente non consideriamo i vari modelli ma ci riferiamo, per quanto possibile, ai modelli al top della gamma):

  • Canon – processore DIGIC (modello DIGIC 6+ / doppio processore)

  • Casio – processore EXILIM (modello Engine HS 3)

  • Epson – processore EDiART

  • Konica Minolta – processore SUPHEED (modello SUPHEED II)

  • Leica – processore MAESTRO (modello MAESTRO II / basato sul processore Milbeaut prodotto da Fujitsu)

  • Nikon – processore EXPEED (modello EXPEED 4 / basato sul processore Milbeaut prodotto da Fujitsu)

  • Olimpus – processore TruPic (modello TruPic VI / basato sul processore MN103 prodotto da Panasonic)

  • Panasonic – processore Venus engine (modello Venus IX / basato sul processore MN103 prodotto da Panasonic)

  • Pentax – processore PRIME (modello PRIME 3)

  • Samsung – processore DRIMe (basato sul processore Exynos prodotto da Samsung)

  • Sanyo – processore Platinum engine

  • Sharp – processore ProPix

  • Sony – processore BIONZ (modello BIONZ X)

La fotocamera Canon EOS 7D utilizza due processori per aumentare le proprie prestazioni

Tra le poche informazioni aggiuntive abbiamo trovato che:

  • per i processori utilizzati da Canon: nel processore DIGIC 2 le immagini sono memorizzate a 14 bit utilizzando 16284 colori per canale e vengono processate alla velocità di 40 Megabit al secondo. Nel processore DIGIC 3 la velocità è salita a 50 Megabit al secondo. Nel modello Canon EOS 1D Mark IV sono utilizzati 2 processori DIGIC 5+ per elaborare le immagini ed un DIGIC 4 è dedicato a gestire il sistema di autofocus. Al processore DIGIC 5+ viene affiancato un buffer di memoria DDR-SDRAM.
  • per i processori utilizzati da Nikon: il processore EXPEED 2 era prodotto da Analog Devices con la sigla AD9974 e su ogni fotocamera veniva utilizzati sei processori (due per ogni colore primario). Il processore converte i segnali analogici provenienti dal sensore in un formato digitale a 14 bit ma l’elaboratore ha 16 bit per le operazioni interne. Inoltre al suo interno implementava diverse funzioni aggiuntive come ad esempio il riconoscimento automatico della scena. il processore EXPEED 3, utilizza la stessa architettura del suo predecessore. Il processore è realizzato con la tecnologia per i circuiti integrati a 65 nanometri secondo l’architettura FR. Al processore EXPEED viene affiancato un buffer di memoria di tipo DDR3 da 4 Gigabyte. Il processore è realizzato dal costruttore Fujitsu.
  • per i processori utilizzati da Pentax: il processore PRIME (PENTAX Real Image Engine) II utilizza un convertitore a 14 bit ed è affiancato a delle memorie RAM DDR2 con una velocità di trasferimento di 1 Gigabyte al secondo. il processore PRIME III possiede una velocità di funzionamento di 25 Megabit al secondo.
  • per i processori utilizzati da Sony: il processore d’immagine BIONZ ha un convertitore analogico digitale a 14 bit. Il processore d’immagine BIONZ X ha triplicato la velocità di elaborazione rispetto al suo predecessore.

Scheda interna di una fotocamera Canon EOS 5D su cui si vede il processore di immagini

Oltre alle caratteristiche intrinseche del processore sono molto importanti il sistema operativo ed i software che vengono utilizzati per gestire l’elaboratore delle immagini. Questi software sono memorizzati dentro una memoria ROM all’interno della fotocamera, naturalmente ogni fotocamera ha delle caratteristiche diverse e di conseguenze avremo bisogno di software personalizzati. Bisogna inoltre ricordarsi di aggiornare costantemente questi software, i costruttori di fotocamere danno sempre la possibilità di scaricare gli aggiornamenti: il FIRMWARE. Per l’esempio già citato il firmware è alla versione 1.1.4 .

Esemplificazione di una fotocamera mirrorless. In basso a destra si vede, dopo il percorso ottico della luce, il sensore di immagine. Nella parte sinistra è evidenziata la scheda elettronica con il processore di immagine.

Da quanto detto possiamo concludere che i costruttori di fotocamere danno pochissime informazioni sul processore di immagine e sulle sue caratteristiche. Questa carenza è probabilmente legata ai processi industriali che i produttori non desiderano rendere pubblici ma sarebbe una buona cosa per gli utenti conoscere meglio le funzioni che il processore offre.

 

FRANCESCO

questo articolo è stato pubblicato sulla rivista FOTOGRAFARE 1 (Gennaio) del 2015 nella rubrica di ALTA FOTOGRAFIA.

P.S. Visto il tempo trascorso dalla pubblicazione va precisato che l’impianto tecnico dell’articolo è sempre valido ma risulteranno poco attendibili le eventuali ricerche di mercato o le scansioni temporali dei prodotti fotografici citati nel medesimo.

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