پردازشگر تصویر DIGIC

موتور پردازشگر تصویر DIGIC چیست؟

قبل از این که بدانیم موتور پردازشگر تصویر چیست، بیایید ببینیم یک دوربین دیجیتال چگونه تصویر را ایجاد می کند.

دوربین دیجیتال چگونه تصویر تولید می کند: یک توضیح ساده

(1) نور منظره از طریق لنز وارد دوربین می شود.
(2) نور توسط سنسور گرفته می شود.
(3) سنسور تصویر، اطلاعات نور را به سیگنال های الکترونیکی کُد گذاری می کند.
(4) این سیگنال های الکترونیک توسط موتور پردازشگر تصویر، پردازش شده و به شکل عکس تبدیل می شوند. در دوربین های کانن، این موتور پردازشگر DIGIC نام دارد.

همان طور که در نمودار بالا نشان داده شده است، اصلی ترین وظیفه موتور پردازشگر دوربین کمک به سنسور تصویر برای ترجمه نور به تصویر است اما در واقع مسئله چیزی بیش از این هاست. دوربین های دیجیتال از اجزای متفاوتی ساخته شده اند. به عنوان مثال واحد شاتر و اجزایی که با لنز ارتباط برقرار می کنند همگی با هم کار می کنند، زیرا همه آن ها دستورالعمل های خود را از موتور پردازشگر تصویر که در واقع مغز یک دوربین دیجیتال است، دریافت می کنند.

تاریخچه DIGIC

شروع طراحی و سازماندهی پردازشگر DIGIC زمانی آغاز شد که کانن استفاده از پردازشگر LSI، که به صورت انبوه تولید می شد را متوقف کرد و تصمیم گرفت موتور پردازشگر مختص به خود را توسعه دهد. در آن زمان موتور پردازشگر جدید کانن قادر بود اطلاعات بیشتری را با سرعت بالاتری پردازش کند و راه را برای ساخت دوربین های پیشرفته تر و با وضوح بالاتر هموار کرد.

اولین دوربینی که مجهز به این پردازشگر شد PowerShot S10 بود که از آن در سال 1999 رونمایی شد. پس از چندین بار اصلاح، سرانجام از این پردازشگر در دوربین EOS 10D (رونمایی شده در سال 2003) به عنوان “DIGIC” استفاده شد.

آیا تا به حال فکر کرده اید هنگامی که عکس می گیرید درون دوربین چه اتفاقی می افتد؟

پردازشگر DIGIC، مغز چند کاره دوربین شما

در واقعیت، پردازشگر تصویر به غیر از ترجمه نور تابیده شده به سنسور و تبدیل آن به تصویر، کارهای زیاد دیگری نیز انجام می دهد.

برای مثال، زمانی که از حالت نوردهی خودکار به همراه فوکوس خودکار استفاده می کنید، هربار که دکمه شاتر را تا نیمه فشار می دهید، حداقل دو پردازش در حال انجام است که عبارتند از:

هنگامی که شاتر تا نیمه فشار داده می شود، موتور پردازشگر تصویر شروع به نورسنجی می کند. در این حالت، پردازشگر مناسب ترین تنظیمات نوردهی را با توجه به منظره محاسبه می کند و سپس با سایر اجزای مرتبط دوربین، برای اعمال بهترین تنظیمات ارتباط برقرار می کند.

زمانی که فوکوس خودکار را آغاز می کنید، پردازشگر تصویر DIGIC شروع به آنالیز اطلاعات می کند تا بتواند سوژه را شناسایی کرده و دنبال نماید. به طور هم زمان، پردازشگر با لنز ارتباط برقرار می کند تا مکانیسم داخلی لنز را حرکت داده و فوکوس را ایجاد نماید.

البته، این تمام کاری که پردازشگر انجام می دهد نیست. در حقیقت تازه شروع کار است. نمودار زیر نشان می دهد که قبل و بعد از فشار دادن دکمه شاتر، چگونه پردازشگر در هر گامی که برای ایجاد تصویر برداشته می شود نقش خود را ایفا می کند.

تعجب نکنید! این میزان از کار و پردازش برای هر عکسی که می گیرید انجام می شود.

حالا تصور کنید که اگر بخواهید با سرعت 10 فریم بر ثانیه عکسبرداری کنید، در این صورت فرآیند بالا باید 10 مرتبه و تنها در یک ثانیه انجام شود. هر چه وضوح سنسور تصویر بالاتر باشد اطلاعات بیشتری برای هر عکس ایجاد می شود که نیاز به پردازش دارند و این بار سنگین بر دوش پردازشگر می باشد. حال بهتر درک می کنیم که سریع و قدرتمند بودن موتور پردازشگر تصویر چه نقش حیاتی ای در کارایی دوربین ها دارد.

در طول سالیان گذشته روند ارتقاع پردازشگر تصویر DIGIC چگونه بوده است؟

2002	DIGIC	پردازش سیگنال را تنها با یک چیپ پردازشی انجام می دهد.
2004	DIGIC II	سریع تر، نویز کمتر
2006	DIGIC III	وضوح تصاویر بالاتر، پشتیبانی از تشخیص چهره
2008	DIGIC 4	وضوح تصویر بالاتر، سریع تر، قابلیت تشخیص حرکت
2011	DIGIC 5	کاهش نویز بیشتر، تراز سفیدی بهتر
2013	DIGIC 6	قابلیت ضبط ویدئو (Full HD/60p)
2016	DIGIC 7	وضوح تصویر بالاتر، عملکردهای بیشتر(رهگیری سوژه، شناسایی سوژه، پایداری تصویر)
2018	DIGIC 8	عملکردهای عکسبرداری ارتقاع یافته است و قابلیت ضبط ویدئو 4K را دارد.
2020	DIGIC X	قابلیت فیلمبرداری با کیفیت بالاتر از 4K، سریع تر، پشتیبانی از الگوریتم های یادگیری عمیق (شاخه ای از هوش مصنوعی)

پردازشگر DIGIC X : پشتیبانی از تکنولوژی یادگیری عمیق (شاخه ای از هوش مصنوعی)

جدیدترین پردازشگر DIGIC که DIGIC X می باشد، از تکنولوژی یادگیری عمیق به همراه انواع دیگر ارتقاع ها بهره می برد.

چرا برای اجرای الگوریتم های یادگیری عمیق نیاز به پردازشگر DIGIC X می باشد؟

یادگیری عمیق شاخه ای از یادگیری ماشین (Machine Learning) می باشد که از شبکه های عصبی چند لایه استفاده می کند تا ساختاری شبیه به ساختار مغز انسان را پیاده سازی نماید. استفاده از تکنولوژی یادگیری عمیق شتاب توسعه ی الگوریتم های تشخیص سوژه را بسیار افزایش داده است بنابراین این الگوریتم ها می توانند دامنه وسیع تری از انواع مختلف سوژه ها را با دقت بالاتری شناسایی نمایند.

تصویر بالا توسط دوربین EOS R7 و لنز RF600mm f/4L IS USM در دیافراگم f/4، سرعت شاتر 1/1600 ثانیه و ISO 100 گرفته شده است. یادگیری عمیق کمک کرده است تا الگوریتمی در DIGIC X آموزش داده شود تا بتواند پرنده را شناسایی کند.

دوربین نمی توان به خودی خود “یادگیری” را انجام دهد. این کار نیاز به توان پردازشی ای دارد که نمی توان سخت افزار مورد نیاز آن را در بدنه دوربین قرار داد. در عوض، نتیجه حاصل از آموزش الگوریتمی که در آزمایشگاه های یادگیری عمیق آموزش داده شده است، درون پردازشگر DIGIC X قرار داده شده است. اجرای این الگوریتم نیاز به مدارها و توان محاسباتی خاصی دارد که این ها درون DIGIC X وجود دارد.

دوربین هایی که به پردازشگر DIGIC X مجهز شده اند کدامند؟ و چه توانایی هایی دارند؟

دوربین EOS-1D X Mark III: اولین دوربین مجهز شده به DIGIC X

این اولین دوربینی است که به این نوع پردازشگر مجهز شده است. دوربین EOS 1D X Mark III می تواند از طریق یادگیری عمیق سر افراد را شناسایی کند. این ویژگی تکمیل کننده قابلیت تشخیص چهره است، که به قابلیت رهگیری سوژه در حالت هایی مانند عکاسی ورزشی که ممکن است چهره ورزشکار از دید خارج شود کمک زیادی می کند.

دوربین EOS R5 و EOS R: تشخیص حیوانات از طریق یادگیری عمیق

دوربین های EOS R5 و EOS R6 با بهره گیری از تکنولوژی یادگیری عمیق قابلیت تشخیص چشم ها، صورت و تمام بدن گربه ها، سگ ها و پرندگان را دارند.

دوربین های EOS R3، EOS R7، EOS R10 و فراتر

دوربین EOS R3 با بهره گیری از یادگیری عمیق از موارد زیر پشتیبانی می کند:

تشخیص موتور های ورزشی
تشخیص بدن انسان
تشخیص سر ورزشکاران ورزش های زمستانی که سر خود را با عینک و کلاه ایمنی پوشانده اند.
تشخیص چشم ارتقاع یافته

دوربین EOS R3، EOS R7، EOS R10 علاوه بر مواردی که ذکر شد، از تکنولوژی یادگیری عمیق برای ارتقاع دقت تراز سفیدی خودکار بهره می برند.

دوربین های مجهز به DIGIC X چه چیزهایی را می توانند شناسایی کنند؟

سوژه	اجزایی که شناسایی می شوند	EOS R3	EOS R5/R5 C	EOS R	EOS R7/R10	EOS-1D X Mark III
افراد	چشم ها/صورت/سر	بله	بله	بله	بله	بله
افراد	بدن	بله	بله	بله	بله	خیر
سگ/گربه/پرنده	چشم/صورت/تمام بدن	بله	بله	بله	بله	خیر
لوازم نقلیه 4 چرخ/ لوازم نقلیه 2 چرخ	کل وسیله نقلیه/اجزای آن	بله	بله	بله	بله	خیر

عکسبرداری پیوسته با سرعت بالا و دنبال کردن دقیق سوژه

پردازنده DIGIC X در عکسبرداری پیوسته چه کار می کند؟

نمودار پردازشی ای که قبل تر نشان داده شد را به خاطر می آورید؟ در حین عکسبرداری پیوسته، آن نمودار برای هر تک عکسی که گرفته می شود تکرار می شود. علاوه بر این، پردازشگر، محاسباتی را نیز برای پیشبینی مکان سوژه در حال حرکت و در فوکوس نگه داشتن آن انجام می دهد. در دوربین هایی که از تکنولوژی فوکوس خودکار مبتنی بر یادگیری عمیق استفاده می کنند، علاوه بر پردازش هایی که ذکر شد، الگوریتم یادگیری عمیق نیز اجرا می شود که اجرای آن نیاز به توان محاسباتی بالایی دارد.

در حال حاضر دوربین EOS R3 دارای بالاترین سرعت عکسبرداری پیوسته در میان تمامی دوربین های کانن است. سرعت عکسبرداری پیوسته این دوربین در وضوح کامل تصاویر، زمانی که شاتر آزاد می شود، تا 30 فریم بر ثانیه با شاتر الکترونیک می باشد. با به روزرسانی نرم افزار داخلی دوربین که در جولای 2022 معرفی شد، سرعت تا 195 فریم بر ثانیه (برای تا 50 شات) در دسترس می باشد.

تصور کنید، کل فرآیند ثبت تصویر که پیش تر معرفی شد، 50 بار در کمتر از یک ثانیه انجام می شود. این شاهدی بر سرعت و قدرت بالای DIGIC X می باشد.

	تعداد پیکسل تصویر	شاتر مکانیکی (حداکثر سرعت)	شاتر الکترونیکی (حداکثر سرعت)
EOS-1D X Mark III	20.1MP	16 fps	20 fps
EOS R3	24.1MP	12 fps	195 fps
EOS R5/R5 C	45.0MP	12 fps	20 fps
EOS R6	20.1MP	12 fps	20 fps
EOS R7	32.5MP	15 fps	30 fps
EOS R10	24.2 MP	15 fps	23 fps

سنگ بنای کیفیت تصویر

بعد از اینکه عکس گرفتید موتور پردازشگر تصویر چه کار می کند؟

بیایید فرآیندی را که در ابتدای این مقاله بیان کردیم مرور نماییم. در گام 4 از فرآیند ذکر شده، پیچیدگی زیادی وجود دارد. اگر بخواهیم ساده تر نگاه کنیم، شبیه فرآیند زیر است:

اطلاعات خام (RAW)، در واقع معادل دیجیتالی شده ی نگاتیو فیلم های قدیمی است که قبل از این که بتوان آن ها را به صورت یک عکس دید نیاز به پردازش های دیجیتالی دارند. کنترل سنسور تصویر، خواندن سیگنال های الکترونیکی و ساخت تصاویر دیجیتال، همگی بر عهده پردازشگر تصویر می باشد.

نقش پردازشگر تصویر در دانش رنگ

سنسور تصویر به خودی خود “کور رنگ” است. سنسور تنها می تواند قدرت نوری که به آن می رسد را تشخیص دهد اما توانایی تشخیص رنگ ها را ندارد. رنگ تصاویر اصولاً به این صورت بدست می آید:

یک فیلتر آرایه رنگ RGB در جلوی سنسور قرار دارد که نور را به رنگ های مجزای قرمز (R)، سبز (G) و آبی (B) تفکیک می کند. سنسور تصویر به خودی خود قابلیت تفکیک رنگ ها را ندارد اما می تواند قدرت هر مؤلفه ی نور را بدست آورد. سپس این مؤلفه ها به صورت سیگنال الکتریکی به پردازشگر تصویر منتقل می شود. این سیگنال های الکتریکی نیز به صورت یک فایل RAW دیجیتال کُد گذاری می شوند.
یک الگوریتم Debayering (یا Demosaicing) وجود دارد که پردازشگر تصویر از آن استفاده می کند تا اطلاعات G، R، و B که از سنسور تصویر دریافت می شود را پردازش کرده و رنگ های تصویر را بازسازی نماید.

این دو گام، دو مؤلفه ی اساسی است که از آن به عنوان “دانش رنگ” دوربین یاد می شود. این که رنگ های تصویر به چه میزان صحیح و دقیق باشند به صورت مستقیم وابسته به توانایی پردازشگر تصویر در کنترل درست اطلاعات می باشد.

ایجاد RAW و پردازش کردن

هنگامی که پردازشگر به صورت دیجیتالی اطلاعات RAW را تولید می کند (معمولاً پردازشی 14 بیتی است که شامل اجرای الگوریتم Demosaicing بر روی اطلاعات RGB به منظور بازسازی رنگ ها می باشد.) در همین زمان، عملکردهای کاهش نویز و تنظیم شفافیت، کنتراست، توناژ رنگ و تراز سفیدی نیز انجام می شود.

دوربین EOS R3 با استفاده از الگوریتم کاهش نویز جدید موجود در DIGIC X توانسته است به سرعت ISO تا 102400 دست پیدا کند.

پردازشگر تصویر DIGIC، پس-پردازش هایی نیز برای اصلاح ظاهر بصری و افزایش کیفیت تصاویر را با سرعت بالا انجام می دهد. این پردازش ها عبارتند از:

اصلاح انحراف لنز
فیلترهای خلاق
ادغام HDR در دوربین
نوردهی های چندگانه

هنگامی که تصویر به یک عکس JPEG با 8 بیت یا HEIF با 10 بیت تبدیل شود، کار پردازش تصویر به پایان می رسد و عملیات نوشتن بر روی کارت حافظه آغاز می شود. هم اکنون می توان درک کرد که چرا تصاویر JPEG یا HEIF که مستقیم از دوربین بدست می آیند بسیار بهتر از فایل های RAW به نظر می رسند.

HDR PQ HEIF: تصاویر HDR تنها با یک بار نوردهی

معمولاً ایجاد یک تصویر HDR (دامنه پویایی بالا) بر روی یک فایل JPEG با 8 بیت، نیاز به ادغام چندین عکس با نوردهی براکتی دارد. با این وجود، با یک دوربین EOS مجهز به DIGIC X، می توانید این کار را به وسیله ثبت کردن در HDR PQ HEIF ده بیتی، تنها با یک نوردهی انجام دهید.

دوربین EOS R3 با استفاده از الگوریتم کاهش نویز جدید موجود در DIGIC X توانسته است به سرعت ISO تا 102400 دست پیدا کند.

قدرت پردازشی که ویدئو 8K را امکان پذیر می سازد.

این روزها، ضبط ویدئو با کیفیت بسیار بالا تبدیل به یک عملکرد ضروری برای دوربین ها شده است. با این وجود، به دلیل میزان اطلاعات بسیار زیادی که برای پردازش هر فریم از این ویدئوها لازم است، نیاز به توان پردازشی عظیمی می باشد.

تا DIGIC 7، کانن وقتی موتور پردازشگر تصویر طراحی می کرد، اولویت اصلی خود را به عکاسی اختصاص داده بود. با این حال از DIGIC 8 به بعد، تمرکز خود را بر روی پردازش عملکردهای مرتبط با فیلمبرداری نیز قرار داد. این کار باعث ظهور دوربین هایی با توانایی بالاتری در فیلمبرداری نسبت به قبل و پشتیبانی از ویژگی های بیشتری برای ضبط ویدئوهای 4K شد.

خصوصیات کلیدی ویدئوهای دوربین های مجهز به DIGIC X

	بالاترین میزان وضوح	نمونه برداری 4Kشده	نرخ فریم بالا
EOS-1D X Mark III	5.5K DCI RAW 60P	From 5.5K	4K 120P
EOS R3	6K DCI RAW 60P	From 6K	4K 120P
EOS R5	8K DCI RAW 30P	From 8.2K	4K 120P
EOS R5 C	8K DCI RAW 60P	From 8.2K	4K 240P
EOS R6	4K UHD IPB 60P	From 5.1K	FHD 120P
EOS R7	4K UHD IPB 60P	From 7K	FHD 120P
EOS R10	Cropped 4K UHD IPB 60P	–	FHD 120P

یک فریم 4K DCI/ UHD به ترتیب 8.85 و 8.3 مگاپیکسل است. دلیل اینکه میزان مگاپیکسل ثبت شده از عکس های ثابت که از همین دوربین گرفته می شود کمتر است این است که فوکوس خودکار و نوردهی باید برای هر تک فریم به صورت جداگانه محاسبه شود. این بدان معنی است که نمودار فرآیند کار که در ابتدا به آن اشاره کردیم در حین فیلمبرداری با 60 فریم بر ثانیه باید 60 بار در کمتر از یک ثانیه تکرار شود. پردازش 60 فریم در ثانیه در حداکثر مگاپیکسل، امکان پذیر نیست بنابراین میزان مگاپیکسل کاهش یافته است.

گمان نکنید از آنجایی که 4K کوچک است، (تقریباً تمام دوربین های مجهز به DIGIC X می تواند فیلمبرداری نمونه گیری شده 4K انجام دهند) به این معنی است می توانند به سادگی بیشتر از 4K را مدیریت کنند. در حقیقت، یک فریم 8K چهار مرتبه بزرگتر از یک فریم 4K است. دوربین EOS R5 C قابلیت ضبط 8K DCI 60p RAW را دارد. این نیز نشانگر قابلیت های DIGIC X می باشد.

خلاصه: پردازشگر تصویر DIGIC، هسته ی کارایی دوربین

زمانی که در مورد کارایی یک دوربین بحث می شود، بسیاری از افراد به ویژگی هایی مانند دامنه پویایی سنسور تصویر توجه می کنند. با این وجود، نباید پردازشگر تصویر را نادیده بگیریم زیرا کیفیت نهایی تصویر در نهایت به کارایی پردازشگر تصویر وابسته است.

در کمپانی کانن سال هاست که برای دستیابی به کیفیت تصویر بالاتر، اصلاحات گسترده ای بر روی پردازشگر تصویر DIGIC صورت گرفته است. جدید ترین نسخه پردازشگر تصویر کانن DIGIC X می باشد که در طراحی آن هم به عکاسی و هم فیلمبرداری توجه شده است. با اضافه شدن مدار تخصصی برای پردازش الگوریتم ها یادگیری عمیق و همچنین ارتقاع هایی که سبب افزایش سرعت پردازش های مختلف شده است، در واقع هسته اصلی برای ایجاد کیفیت تصویر استثنایی و تجربه یک عکاسی عالی فراهم شده است.