Procesadores de Imagen para Cámaras DSLR

Procesadores de Imagen para Cámaras DSLR
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
Índice
1. Introducción
1.1. Cámaras DSLR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Función del procesador de imagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2. Fabricantes de procesadores
2.1. Procesadores de Canon . .
2.1.1. DIGIC I . . . . . .
2.1.2. DIGIC II . . . . .
2.1.3. DIGIC III . . . . .
2.2. Procesadores de Nikon . .
2.2.1. EXPEED . . . . .
2.3. Procesadores de Olympus
2.4. Procesadores de Sony . . .
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imagen
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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 fotografı́a con y sin reducción de la aberración
cromática lateral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Muestra de una fotografı́a 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 . . . . .
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Índice de figuras
1.
2.
3.
4.
5.
6.
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8.
9.
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Procesadores de Imagen para Cámaras DSLR
1.
Introducción
En el presente trabajo se intentará hacer un acercamiento a los procesadores de imagen
utilizados en fotografı́a profesional digital por las grandes compañı́as del sector para sus
cámaras DSLR. Se estudiarán su función y sus caracterı́sticas, 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. Aquı́ 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 fotografı́a, permitiendo al usuario ver exactamente
lo que se ve a través del objetivo. Cuando se toma la fotografı́a, 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.
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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
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1.2.
Función del procesador de imagen
En fotografı́a digital, los fotodiodos del sensor no reciben la información de color,
sino que se recibe en escala de grises (a diferencia de las pelı́culas 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.
Aquı́ entra la función principal del procesador de imagen, y es la de unificar la información
de luminancia y crominancia de cada pı́xel (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
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2.
Fabricantes de procesadores de imagen
A continuación se comentarán algunas caracterı́sticas 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 tecnologı́a
puntera de cada compañı́a, la información existente sobre la arquitectura de estos procesadores de imagen es reducido, por lo que incluir un datapath o incluso algunas caracterı́sticas que serı́an de gran interés en la asignatura (segmentación, vectorialidad, escalaridad, etc), me ha resultado finalmente imposible.
2.1.
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 dı́a de hoy en el mercado.
2.1.1.
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 componı́a
de 3 elementos fundamentales:
Procesador de Vı́deo. 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 explı́citamente 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 verı́dica 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.
2.1.2.
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 explı́cito).
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2.1.3.
DIGIC III
La mayorı́a 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 especı́fico 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 caracterı́sticas 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 caracterı́sticas quedó totalmente fuera de mi alcance.
2.2.
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].
2.2.1.
EXPEED
Se trata de un concepto diferente al de otras compañı́as, y es que Nikon ajusta su
EXPEED a las necesidades de cada cámara. No obstante, sigue algunas caracterı́sticas
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 fotografı́a con y sin reducción de la aberración
cromática lateral
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Sistema de reconocimiento de escenas. Gracias a los 51 puntos de enfoque, el procesador determina en cada caso de qué tipo de fotografı́a 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 fotografı́a 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, habı́an colores
incompatibles en la misma imagen, por lo que la imagen comprimida perdı́a 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.
2.3.
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 caracterı́sticas 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).
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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
fotografı́as 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 consistı́a 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.
2.4.
Procesadores de Sony
Con toda seguridad, los procesadores de imagen de Sony son los que mayor secretismo
atesoran en torno a su arquitectura y caracterı́sticas técnicas. También resulta hasta cierto
punto lógico, ya que los procesadores BIONZ son la última tecnologı́a de Sony y no se
limitan al terreno de las cámaras de fotografı́a, sino que por su soporte para manejar el
formato de alta definición HD, se están utilizando en la última generación de cámaras de
vı́deo.
En cuanto a sus caracterı́sticas, se puede incluir un algoritmo de reducción de ruido
y un sistema de estabilización de la imagen, además del mencionado sopoerte para HD.
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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 especı́fico para ello. Todo ello a una máxima velocidad
de 5fps y a muy altas resoluciones (24,6 Megapı́xel) [7].
Figura 9: Proceso de captura de imagen con una Sony α900 Dual BIONZ
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Referencias
[1] Wikipedia, the free encyclopedia. http://www.en.wikipedia.org/.
[2] Canon DIGIC Technology. http://www.canon.ca/digitalphotography/english/
ctech article.asp?id=214\&tid=6. Consulta: [26 de Enero de 2009].
[3] Nikon D300 EXPEED Features. http://imaging.nikon.com/products/imaging/
lineup/d300/artful/page1.htm. Consulta: [26 de Enero de 2009].
http://chsvimg.nikon.com/products/imaging/
[4] Nikon EXPEED Features.
lineup/d3/en/features/proven/. Consulta: [26 de Enero de 2009].
[5] MIPS Technologies, (artı́culo sobre cámaras digitales con MIPS). http://www.mips.
com/everywhere/digital-cameras/. Consulta: [26 de Enero de 2009].
[6] TruePic III Technology.
http://www.olympus-esystem.com/dea/technology/
true-pic/technology.html. Consulta: [26 de Enero de 2009].
[7] Sony α900 Features. http://www.sony.net/Products/dslr/a900/features.html.
Consulta: [26 de Enero de 2009].
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