Procesadores de Imagen para Cámaras DSLR

Transcripción

1 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Microprocesadores para Comunicaciones 27 de enero de 2009 Juan Carlos Molina Rojas

2 Índice 1. Introducción Cámaras DSLR Función del procesador de imagen Fabricantes de procesadores de imagen Procesadores de Canon DIGIC I DIGIC II DIGIC III Procesadores de Nikon EXPEED Procesadores de Olympus Procesadores de Sony Índice de figuras 1. Esquema de una cámara SLR Corte transversal de una DSLR de Canon Filtro de Bayer de colores primarios sobre un sensor de imagen Muestra de un segmento de fotografía con y sin reducción de la aberración cromática lateral Muestra de una fotografía en la que los puntos de enfoque se centran en un elemento focal concreto de la imagen Prueba de mejora con Proper Gamma III Technology Transformada de la imagen y prueba de mejora con Adv. Noise Filter III Technology Filtrado y prueba de mejora con Advanced Detail Reproduction Proceso de captura de imagen con una Sony α900 Dual BIONZ

3 1. Introducción En el presente trabajo se intentará hacer un acercamiento a los procesadores de imagen utilizados en fotografía profesional digital por las grandes compañías del sector para sus cámaras DSLR. Se estudiarán su función y sus características, y se comentarán ejemplos concretos de procesadores de imagen de algunos fabricantes, entre los que figuran Canon, Nikon, Olympus y Sony. Pero en primer lugar, qué es una cámara DSLR? 1.1. Cámaras DSLR Las cámaras DSLR Digital Single-Lens Reflex [1] son aquellas en las que se visualiza la imagen de las lentes frontales a través de un espejo mecánico y un pentaprisma. En la Figura 1 se puede observar el funcionamiento de este sistema: Figura 1: Esquema de una cámara SLR 1. Lentes frontales. La luz entra por las lentes frontales del objetivo y se comprime de forma óptica. Aquí se ajusta la abertura, que se refiere al hecho de dejar pasar más o menos luz abriendo o cerrando el diafragma. 2. Espejo Reflex. La luz se refleja hacia arriba con el espejo en reposo, es decir, cuando no se está tomando la fotografía, permitiendo al usuario ver exactamente lo que se ve a través del objetivo. Cuando se toma la fotografía, el espejo se levanta mecánicamente durante un periodo de tiempo, durante el cual la luz pasa al obturador del plano focal. 3. Obturador del plano focal. Este elemento es el que se encarga de controlar el tiempo durante el cual incidirá la luz sobre el elemento sensible. 4. Sensor. Es el elemento sensible, i.e. el que recibe la imagen que será posteriormente procesada. 5. Pantalla de enfoque. Donde se forma la imagen (foco) que se va a llevar al ojo humano. 3 Juan Carlos Molina

4 6. Lente de condensación. Comprime la imagen para poder ser recibida por el ojo humano. 7. Pentaprisma. Este elemento realiza unas reflexiones internas de la imagen, la cual se encuentra invertida por la reflexión en el espejo, para poder ser enviada finalmente al visor trasero. 8. Visor trasero. En concreto, las cámaras SLR digitales precisan de un mecanismo bastante más complicado que las analógicas, ya que una vez el sensor captura la imagen, se requiere un post-procesado de la misma, la cual es el principal objetivo del procesador de imagen. Además, la tendencia del mercado es a sacar cámaras más automatizadas, de modo que el enfoque y la exposición se ajusten automáticamente, para lo cual es necesario utilizar otro tipo de elementos que, a menudo, se encuentran bajo el control del procesador de imagen. En la Figura 2 se muestra un corte transversal de una DSLR de Canon, donde se pueden identificar algunos de estos elementos. Figura 2: Corte transversal de una DSLR de Canon 4 Juan Carlos Molina

5 1.2. Función del procesador de imagen En fotografía digital, los fotodiodos del sensor no reciben la información de color, sino que se recibe en escala de grises (a diferencia de las películas de 35mm). Por ello es necesario aplicar un filtro de colores primarios (filtro de Bayer) siguiendo un patrón en mosaico (Figura 3). Según Bayer, la información obtenida de los fotosensores verde es la luminancia, mientras que los fotosensores azul y rojo conforman la crominancia. Aquí entra la función principal del procesador de imagen, y es la de unificar la información de luminancia y crominancia de cada píxel (formato RAW) y utilizarla para interpolar la información de color y brillo (comprimida en JPEG o en formato TIFF). Figura 3: Filtro de Bayer de colores primarios sobre un sensor de imagen 5 Juan Carlos Molina

6 2. Fabricantes de procesadores de imagen A continuación se comentarán algunas características de los procesadores de imagen utilizados por los fabricantes más conocidos de cámaras DSLR. Hay que tener en cuenta que, debido al enorme secretismo que rodea a la tecnología puntera de cada compañía, la información existente sobre la arquitectura de estos procesadores de imagen es reducido, por lo que incluir un datapath o incluso algunas características que serían de gran interés en la asignatura (segmentación, vectorialidad, escalaridad, etc), me ha resultado finalmente imposible Procesadores de Canon Los procesadores de imagen de Canon se conocen bajo el nombre de DIGIC [2], de la cual existen ya 4 versiones a día de hoy en el mercado DIGIC I El primero de los procesadores de imagen de la familia DIGIC acrónimo de Digital Imaging Core no era en realidad un único procesador, sino que en la placa se componía de 3 elementos fundamentales: Procesador de Vídeo. Utilizado en las compactas para procesar video digital. Procesador de Imagen. Utilizado para la compresión de imagen exclusivamente. Unidad de control de la cámara. Utilizado para llevar el control del resto de elementos automatizados de la cámara, como el AF (autofocus), AE (autoexposure), etc. Canon, al igual que el resto de competidores, no indica explícitamente sobre qué tipo de arquitectura se basa el procesador DIGIC I, pero de forma extraoficial se puede concluir que se trata de un procesador compatible x86, concretamente un NEC V30 de 16 bits funcionando sobre Datalight ROM-DOS. Se trata además de información que coincide en el 100 % de los foros, y que supongo verídica dado que programadores no oficiales han realizado aplicaciones para esas cámaras utilizando código compilado para DOS. A modo de curiosidad cabe mencionar se han encontrado ficheros compilados para un MC68HC12 de Motorola en el firmware, los cuales se atribuyen al control de la cámara DIGIC II Resultó ser un salto generacional importante con respecto a DIGIC I, ya que unifica en un solo chip las 3 unidades anteriormente descritas. Se añade también un buffer mayor y una memoria DDR SDRAM, que agiliza el procesado de las imagenes y la toma en serie de éstas. Otro cambio importante se dio en la arquitectura del procesador. De un x86 se pasó a una arquitectura ARM de 32 bits sobre un sistema operativo basado en VxWorks. Sobre este hecho existe más información en internet, nada confirmado por Canon pero curiosamente mencionado en las notas de prensa de ARM (nunca explícito). 6 Juan Carlos Molina

7 DIGIC III La mayoría de las DSLR actuales de Canon funcionan con un DIGIC III, que aseguran mejora el rendimiento y el consumo de potencia del DIGIC II. Como funciones nuevas, se incluye la detección de caras para autoenfoque y autoexposición (de hasta 9 caras por foto), con una mejora sustancial en cuanto a la velocidad a la que se ajustan estos parámetros. Además, se mejora también el autoajuste del balance de blancos. Se mantiene la arquitectura basada en ARM de 32 bits, y aunque en un principio se siguió utilizando un sistema operativo basado en VxWorks, los últimos modelos ya vienen funcionando sobre un sistema operativo específico creado por Canon, llamado DRYOS. Cabe destacar que el modelo más potente de Canon, la Canon EOS-1DS Mark III, utiliza un procesador Dual DIGIC III. Lógicamente las características de la cámara se disparan, pero a cambio de un coste económico sustancial (8200e). Finalmente, en enero de 2009 ya se han empezado a utilizar los DIGIC 4 en las series EOS-5D y EOS-50D, pero cuya información sobre arquitectura o características quedó totalmente fuera de mi alcance Procesadores de Nikon Históricamente, los procesadores de Nikon no han recibido nunca nombre alguno, hasta sacó su último modelo incorporado en las Nikon D3 y D300: el procesador EXPEED [3] EXPEED Se trata de un concepto diferente al de otras compañías, y es que Nikon ajusta su EXPEED a las necesidades de cada cámara. No obstante, sigue algunas características comunes, que se enumeran a continuación [4]: Reducción de la aberración cromática lateral. Los sensores de resoluciones muy elevadas tienden a crear un efecto de aberración cromática en las áreas periféricas. Esto se ve intensificado por las propias lentes frontales, que tienen por su estructura una mayor precisión de la imagen en el centro. Esto hace que los bordes de la imagen se vean difuminados con colores primarios (Figura 4). Figura 4: Muestra de un segmento de fotografía con y sin reducción de la aberración cromática lateral 7 Juan Carlos Molina

8 Sistema de reconocimiento de escenas. Gracias a los 51 puntos de enfoque, el procesador determina en cada caso de qué tipo de fotografía se trata, y en consecuencia ajusta los parámetros de enfoque, exposición (abertura, velocidad de obturación y sensibilidad ISO) y flash adecuados. Figura 5: Muestra de una fotografía en la que los puntos de enfoque se centran en un elemento focal concreto de la imagen Mejor saturación de color y tono. En modelos previos al EXPEED, habían colores incompatibles en la misma imagen, por lo que la imagen comprimida perdía cierta calidad en la saturación de colores (la mejora se nota especialmente en los tonos cálidos de la piel y en los azules). Se especula que el EXPEED tiene una arquitectura MIPS, aunque esto solo se puede deducir a partir de una nota de prensa de MIPS Technologies sobre cámaras digitales [5] y de foros de discusión en internet Procesadores de Olympus Los procesadores de imagen de Olympus son los pertenecientes a la familia TruePic (TruePic, TruePic Turbo y TruePic III). Básicamente, cada nueva versión se ha limitado a mejorar las características del anterior, las cuales se muestran en la siguiente lista [6]: Proper Gamma Technology. Se trata de una mejora en el algoritmo de compresión que ajusta la corrección de gamma. En la Figura 6 se puede ver que la imagen adquiere un mejor ajuste de este parámetro en los nuevos algoritmos del TruePic III. Figura 6: Prueba de mejora con Proper Gamma III Technology Advanced Noise Filter Technology. Se trata de un sistema que realiza la transformada de fourier bidimensional y mediante el filtrado elimina los ruidos, no solo paso bajo, sino dejando también intactos los bordes de la imagen (altas frecuencias). 8 Juan Carlos Molina

9 Figura 7: Transformada de la imagen y prueba de mejora con Adv. Noise Filter III Technology Advanced Detail Reproduction. Esta nueva función del TruePic III permite tomar fotografías con un mayor grado de definición en los bordes. Como se puede observar en la Figura 8, el procesador detecta un borde y su dirección. A continuación realiza un filtrado paso-bajo de forma tangencial al borde y un filtrado paso-alto en la normal al borde. El resultado es una reducción de la falsa coloración (aberración cromática) a la vez que un suavizado de la imagen con mayor definición. Figura 8: Filtrado y prueba de mejora con Advanced Detail Reproduction Como último detalle, y pese a que prácticamente todas las DSLR producidas el año pasado ya incorporaban sistemas de autolimpieza, fue Olympus la primera que empezó a usar el sistema en 2003 (concretamente en la Olympus E-1 con el primer TruePic). Lo llamó SSWF SuperSonic Wave Filter, y consistía en un sistema de vibración por ultrasonidos para la eliminación de motas de polvo de 0.001mm (imperceptibles al ojo humano) que se depositan en el sensor bien por carga electrostática o bien por fuerza intermolecular. Cabe destacar que Nikon empezó a usar este sistema con el nacimiento del EXPEED en 2007, siendo la última de las grandes marcas en introducirlo en sus DSLR Procesadores de Sony Con toda seguridad, los procesadores de imagen de Sony son los que mayor secretismo atesoran en torno a su arquitectura y características técnicas. También resulta hasta cierto punto lógico, ya que los procesadores BIONZ son la última tecnología de Sony y no se limitan al terreno de las cámaras de fotografía, sino que por su soporte para manejar el formato de alta definición HD, se están utilizando en la última generación de cámaras de vídeo. En cuanto a sus características, se puede incluir un algoritmo de reducción de ruido y un sistema de estabilización de la imagen, además del mencionado sopoerte para HD. 9 Juan Carlos Molina

10 En los modelos más potentes de Sony (como el α900) se utiliza un Dual BIONZ, de modo que, tal y como se observa en la Figura 9, se realiza una reducción dual de ruido, es decir, aplicando dos veces el algoritmo específico para ello. Todo ello a una máxima velocidad de 5fps y a muy altas resoluciones (24,6 Megapíxel) [7]. Figura 9: Proceso de captura de imagen con una Sony α900 Dual BIONZ 10 Juan Carlos Molina

11 Referencias [1] Wikipedia, the free encyclopedia. [2] Canon DIGIC Technology. ctech article.asp?id=214\&tid=6. Consulta: [26 de Enero de 2009]. [3] Nikon D300 EXPEED Features. lineup/d300/artful/page1.htm. Consulta: [26 de Enero de 2009]. [4] Nikon EXPEED Features. lineup/d3/en/features/proven/. Consulta: [26 de Enero de 2009]. [5] MIPS Technologies, (artículo sobre cámaras digitales con MIPS). com/everywhere/digital-cameras/. Consulta: [26 de Enero de 2009]. [6] TruePic III Technology. true-pic/technology.html. Consulta: [26 de Enero de 2009]. [7] Sony α900 Features. Consulta: [26 de Enero de 2009]. 11 Juan Carlos Molina