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纵观一台数码相机的内部结构,如果拿它和PC比较的话,数码相机中的Micro CPU就是它的中央处理器,高速缓存就好比内存,我们用的各类存储卡就相当于硬盘。相机内部最大的一块电路板就好似电脑中的主板,最后五大件中的显卡其实在数码相机中就是它的影像处理器。今天就在数码相机商品化十年之际,飞羽就为大家说说数码相机“显卡”的故事。
Part 1:影像处理器发展三步走
当然飞羽这里所说的此“显卡”非彼“显卡”,这只是我们类比后赋予它的昵称。影像处理器在数码相机中的作用比不上显卡在PC系统中的作用,电脑中的显卡除了生成图像外,还能够输出图像到显示器上,性能更强劲的显卡还能够进行复杂的视频采集、压缩等处理,而数码相机中的影像处理器则没有如此强大的功能,它主要的功能就是在成像过程中对CCD蓄积下的电荷信息不断的进行必要的处理,输出影像到LCD上则是LCD Driver芯片的工作。
第一步,在数码相机商品化之初,数码相机内部的主电路板上没有一块可以被我们称之为“影像传感器”的芯片,那时的数码相机本身配备的影像传感器的像素数较低,操作性能也不是十分强大,因此Micro CPU就担负起了影像处理器的工作,所以用现在的眼光来看待当年的数码相机拍摄出的画质,还是略显粗糙,更多的时候对于数码新手使用而言,容易造成曝光不足或曝光过度的情况。当时在数码相机内部也没有单独的Flash-ROM芯片,也是在Micro CPU中集成了一个用于存储相机基本控制软件和算法的EPROM单元。
第二步,在这之后数码影像生产供应商逐渐加强了数码相机的一些操作特性,在这一时期中最典型的标志就是各厂商都从定焦傻瓜机型逐步转型到拥有少数手动操作性能的机型,一时间数码相机的功能大增,销售势头也成异常火爆之势,这自然而然的导致了相机控制软件体积的剧增。
因为厂商们普遍采取了把ROM单元分离出Micro CPU的做法,而且厂商们在数码相机发展上还走上了“可持续发展的道路”。随着数码相机的功能越强大,内部固有软件出现问题的几率也会增加。本着对消费者负责的态度,厂商有义务修复固有软件的潜在BUG,并增加对新外设的支持,亦或进一步挖掘机器的潜能,对性能做小幅的提升便成为可能。
因此供应商们发现通过分离EPROM单元转向采用可擦写的Flash-ROM,让用户自主的随时更新官方提供的最新的固件程序。即使这样影像传感器仍然作为Micro CPU的一个集成处理单元被包含在其中,但影像处理器已经跨出了与Micro CPU分裂的第一步,因为此时相机的算法软件已经和固件程序一并集成在Flash-ROM中了。
第三步,最后到了现阶段随着数码影像技术的创新与发展,赋予数码相机的功能越来越强大,影像传感器的像素数也越来越高,可玩性也越来越引诱消费者情不自禁的往腰包里掏。这时候低像素时代的电路设计对处理高像素拍摄的影像愈发显得力不从心,有实力的大厂摒弃了老套的电路设计方案,对数码相机内部的电路进行了有力的改革,故都实施了光学部分与运算电路部分两手抓的革新方案。
这时厂商们已经情形认识到除了增加像素数提升性能外,完全有必要把“影像处理器”单独作为一个方展方向,分裂出来排列在主电路板上了,同时各大厂都相继给影像处理器单独命名,并把数码相机中采用了自主产权的单独的影像处理器作为一个市场卖点,其中更有像佳能这样的厂商把自己独有的一系列影像数据按数据库存储的方式安置在影像处理器的内部,这样的电路构造更像是电脑系统中并行的双处理器工作方式:Micro CPU处理基本的操控指令,而影像处理器则处理与影像数据有关的任何操作。
Part 2:影像处理器相关工作原理
相信说道这里很多朋友都会问飞羽,影像处理器在数码相机内部到底是怎样工作的,不要着急,先来看如下的数码相机电路结构示意图:
图中蓝色部分代表了影像处理器中所包含的内容,其中最主要的就是进程处理器(PROCESS)、编码压缩器(JPEG)、数模转换器(DAC)。下面就请跟随飞羽来一同理解图中几条不同颜色走线的意义。
①最显眼的大红色粗线条,连接了数模转换器(DAC)与高速缓存(DRAM),也就是说在影像处理器处理影像时总是不断在高速缓存中存读必要的数据。比如白平衡处理(这里所说的白平衡并非相机中改变影像色系的设置功能,而是色彩还原的科学称法。)就是在这里进行的,因为被影像传感器(CCD)采集下的数据没有经过色彩还原时还是黑白的。
②大红色细线条表示在进行色彩还原时受到Micro CPU的控制,因此说在有了影像处理器以后相机内部的CPU只最为处理基本的操控指令存在。
③虚线条表示在DAC与DRAM进行信息交换的时候,PROCESS与JPEG同时也进行着各自的工作。PROCESS的作用是给影像信息的处理选择合适的效果与处理方式,而JPEG则是为了给最后生成JPG文件进行Jpeg编码压缩处理,这都是在影像处理器内部进行的。
好了说到这里大家对影像处理器包含哪几个主要部分,以及各主要部分在数码相机影像处理时分担哪些工作都已经心里清楚了,那么下面就接着来了解市场上一些叫得出名字的影像处理器各自都有哪些性能特征吧。
Part 3:主流影像处理器一览
1、佳能DIGIC处理器
毫无疑问在这个环节中,佳能的DIGIC芯片处于当之无愧的老大的地位,正是由于佳能抛出了DIGIC设计思想,才有了下文两种影像处理器的跟风出现,可以毫不夸张的说DIGIC使质量影像理念再一次得以淋漓尽致的体现,开创了数码影像的新纪元。
DIGIC为有着深厚光学技术背景的佳能公司开发出第三代影像处理器技术,也是佳能第一次为一颗影像处理器进行命名,可见佳能对这颗处理器寄予了厚望。通过整合CCD控制,AE/AF/AWB(测光/对焦/自动白平衡),信号处理,JPEG压缩,存储卡控制和LCD屏幕显示这6个关键环节,可以拍出高质量的图片。在信号处理时,相同的复杂算法比其他品牌处理时间更短。并且在处理过程中不会给照片增加噪声,这是因为佳能在芯片的设计时就充分考虑到噪声的问题。DIGIC处理器还可以更好的利用缓存,在缓存中可以快速的把RAW转换成JPEG影像。
DIGIC专门针对佳能数码相机进行设计,结合了佳能摄影人多年的摄影技术。其中的精华技术就是被称之为isaps space的智能场景分析技术,但在使用中给飞羽印象最深的就是配备了该芯片的佳能数码相机的测光异常准确,其他的感觉倒不是十分明显。
2、松下Venus处理器
3、索尼真实影像处理器(Real Imaging Processor)
第一次了解索尼的影像处理器是从它发布怪兽F828开始的,该处理器随索尼的专利技术4color CCD一起发布。该处理器采用0.13mm工艺,具有1300万个晶体管,主频达到54MHz比以往的产品提高了一倍,拥有先进的电子工艺和时钟管理技术,明显提高了处理速度、降低了耗电量,能有效减少拍摄间隔时间。
4、奥林巴斯TruePic TURBO影像处理器
与索尼真实影像处理器一样,首先运用在自己的800万像素机型C-8080 Z中,选择使用'TruePic TURBO'这个名称, 意在表达“真实”的质量和“涡轮”般速度的保证,从图标上也可以看出把画质与处理能力放在头等两个位置上。
看见佳能推出了DIGIC芯片,松下也马不停蹄的专门研发了自己的影像处理芯片——维纳斯引擎(Venus Engine)。维纳斯引擎不仅可以提高斜线方向的解像度,平滑颜色过渡,减少暗部的噪点,还可以进行多任务并行处理,提高连拍速度。勿庸置疑,维纳斯芯片伴随着松下FZ-1的热销,也逐渐被数码爱好者所接受。维纳斯对FZ-1的性能提升肯定是有帮助的,但至少没有明显到让我们消费者察觉出。
其中包含了三个重要设计思想:1、精确伽玛调整技术 II ,传统系统从CCD接受彩色滤波输入信号、并且同时对彩色信号和亮度信号实施同样的灰度系数调整,而奥林巴斯精确伽玛调整技术II将彩色信号和亮度信号分开来,分别单独计算每种信号的最佳调整系数。这样的结果,使相机分辨细微色调变化的能力得到极大提高,同时,被摄物体的颜色得到忠实还原。2、高级 SF 滤波技术 ,专业 SF 滤镜采用以独特的奥林巴斯图像信号分析技术为基础的专业滤波处理技术筛选图像数据的特定频率,提高了高分辨率清晰度、加强了图像的细节。3、专业降噪滤镜 II ,采用全新开发技术比先前采用的滤镜技术更精确地判别图像信号和噪点。通过保持来自CCD的高分辨率镜头硬像信号数据的清晰度而只抑制外来的无用信号,提高了各单个图像元素的边缘清晰度。
结语
从目前的情况看来佳能DIGIC处理在佳能产品线中应用是最完善的,不光是数码相机用,佳能的数码摄像机也用上了该处理器,而且对于佳能傲视群雄的数码单反相机都已经升级到了DIGIC II处理器。松下现在也是把自家的维纳斯处理器用在了全线数码相机上,但是作为数码摄像机的一线厂商还是没有在松下DV上见到该芯片的踪影。至于索尼的真实影像处理器,现在也是配备在了F828之后发布的所有机型上,但索尼品牌的DV仍然鲜见它的踪影,奥林巴斯也是仅在C-8080后面发布的机型上使用了自主开发的影像处理芯片。
饮冰子观点:纵观当今数码相机市场,各品牌相机之间的竞争早已摆脱仅仅是光学器件为核心的竞争模式。一部好的数码相机,除了要配备高素质的光学器件以及CCD(COMS)等感光元件外,更重要的是它配备什么样的“芯”。如今我们可以不必谦虚的把影像处理器比喻为一台数码相机的大脑,正是有了它一台数码相机才能良好的运转。可喜的是,各大影像厂商在此领域都加大了研发投入,因此我们看见了先如今各大影像处理器百家争鸣的局面。我们期待各大影像厂商能够再接再厉,为消费者最终的需求做出更优秀的数码相机。
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