آشنایی جامع با پردازنده سیگنال تصویری (ISP) در دوربین‌ها

آیا تا به حال به این اندیشیده‌اید که دوربین‌ها چگونه تصاویر را با کیفیت بالا و در شرایط نوری مختلف ثبت می‌کنند؟ بسیاری از ما ممکن است این فرآیند را ساده و پیش پا افتاده بدانیم، اما تکنولوژی پیشرفته‌ای در پشت این عملیات نهفته است. یکی از اجزای کلیدی در این فرآیند، پردازنده سیگنال تصویر (ISP) است که به بهبود کیفیت تصاویر کمک می‌کند. در این مطلب، با تکنولوژی پیچیده و قابلیت‌های پیشرفته ISP آشنا خواهیم شد و بررسی خواهیم کرد که چگونه این پردازنده‌ها نقش مهمی در ثبت تصاویر شفاف و دقیق ایفا می‌کنند.

با رشد روزافزون استفاده از دوربین‌ها در کاربردهای متعدد، اهمیت کیفیت تصویر و قابلیت‌های نوین به مراتب بیشتر شده است. پردازنده سیگنال تصویر ISP نقش کلیدی در این تحول ایفا می‌کند. این پردازنده با مدیریت دریافت نور از سنسور و پردازش آن به تصویر با کیفیت، بار پردازشی سنگینی را بر دوش می‌گیرد. ISP با قابلیت‌های پیشرفته‌ای مانند حذف نویز و بهبود رنگ‌ها، تجربه بصری کاربران را بهبود می‌بخشد و دوربین‌ها را به ابزاری کارآمدتر برای کاربردهای مختلف تبدیل می‌کند.

پردازنده سیگنال تصویری (ISP) وظیفه پس پردازش سیگنال‌های خروجی سنسور تصویر (Image Sensor) مانند کاهش نویز و تنظیم HDR را بر عهده دارد. همچنین فرایندهای دیگری مانند تشخیص چهره و تشخیص صحنه نیز توسط این پردازنده انجام می‌شوند.

در این مقاله با ISP ها و جزئیات آن‌ها بیشتر آشنا می‌شویم و خواهیم دید که چه چیزی باعث می‌شود که این دوربین‌ها برای کاربردهای مختلی مانند دوربین‌های دیجیتال با کیفیت بالا، دوربین‌های ورزشی، دوربین‌های نظارتی، تلفن‌های هوشمند و تصویر برداری صنعتی مناسب باشند. بیایید ابتدا با بعضی واژگان و اصطلاحات تخصصی در تصویر برداری دوربین‌ها آشنا شویم.

چند اصطلاح تخصصی

تصویر خام (Raw Image)

تصویر خام به نسخه‌ی فشرده نشده از فایل تصویر گفته می‌شود. به این دلیل به آن‌ها تصاویر خام گفته می‌شود که این تصاویر هنوز پردازش نشده‌اند و با این حال، تمامی اطلاعات لازم برای پردازش تصویر را در خود دارند.

تصاویر YUV

در واقع YUV یک سیستم رمزنگاری تصاویر است که بخشی از خط لوله (Pipeline) تصاویر رنگی می‌باشد. این سیستم تصاویر رنگی را به گونه‌ای رمزنگاری می‌کند که پهنای باند مورد نیاز کاهش یابد.

سنسور تصویر

گونه‌ای از سنسورهای تصویر می‌باشد که از یک آرایه از پیکسل‌ها تشکیل می‌شود و در آن یک تشخیص‌دهنده تصویر (Image Detector) و یک تقویت‌کننده فعال (Active Amplifier) وجود دارد. این سنسورها به صورت گسترده‌ای در صنعت دوربین‌های دیجیتال، از گوشی‌های موبایل گرفته تا دوربین‌های مداربسته و وبکم‌ها استفاده می‌شوند.

الگوی بایر (Bayer Pattern)

الگوی بایر یک آرایه از فیلترهای RGB بر روی شبکه‌های مربعی از سنسور تصویر است. چینش دقیق این الگو که شامل رنگ‌های قرمز، آبی و سبز است، خود از میلیون‌ها فوتوسایت حساس به نور تشکیل شده‌اند که همگی بر روی سطح چیپ سنسور قرار دارند.

سنسور تصویر (Image Sensor)

دستگاهی است که وقتی نور به لنز دوربین وارد می‌شود، آن را ضبط کرده و سیگنال‌های الکتریکی آن را به تصاویر دیجیتال تبدیل می‌کند.

خط لوله پردازنده سیگنال تصویر (ISP)

روشی برای تبدیل عکس به فرم دیجیتالی آن با استفاده از عملیات‌هایی مانند موزاییک زدایی (Demosaicing)، کاهش نویز، نوردهی خودکار، فوکوس خودکار، تنظیم سفیدی خودکار، تیز کردن لبه تصاویر، تصاویر دیجیتال را پردازش کرده و کیفیت آن‌ها را بهبود می‌بخشد.

نوردهی خودکار (Auto Exposure) و تنظیم سفیدی خودکار (Auto White Balance)

این دو پروسه، نور محیط که به طور دائم در حال تغییر است را تشخیص داده و تنظیمات دوربین را به نحوی تغییر می‌دهند که نور و رنگ مناسبی داشته باشد.

سنسور دوربین‌های دیجیتال چگونه کار می‌کند؟

راحت‌ترین راه برای فهمیدن نحوه کار سنسور دوربین این است که وقتی شاتر دوربین باز می‌شود، فوتون‌های نور وارد شده و به سنسور دوربین برخورد می‌کنند. از برخورد فوتون‌ها با سنسور، سیگنال الکتریکی تولید می‌شود که پردازنده درون دوربین، آن را خوانده و رنگ‌ها را تشخیص می‌دهد.

زمانی که دریافت نور پایان می‌یابد، فوتون‌هایی که به هر کدام از فوتوسایت‌ها رسیده‌اند، به صورت سیگنال الکتریکی پردازش می‌شوند که قدرت این سیگنال الکتریکی با توجه به تعداد فوتون‌های دریافت شده متغیر است. در نهایت این اطلاعات در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند تا تصویر تشکیل شود.

دریافت تصویر رنگی از طریق تبدیل بایر

فیلتر بایر یکی از بخش‌های اصلی سنسور تصویر دوربین‌های دیجیتال است. سنسورهای بایر از یک استراتژی ساده پیروی می‌کنند: دریافت رنگ‌های قرمز، سبز و آبی در هر یک از فوتوسایت‌ها به گونه‌ای که تعداد فوتوسایت‌های سبز، دو برابر رنگ‌های قرمز و آبی باشد. دلیل آن این است که چشم انسان نسبت به نور سبز حساسیت بیشتری دارد.

مقدار هر یک از فوتوسایت‌ها با یکدیگر ترکیب شده و در نهایت از طریق پروسه‌ای به نام موزاییک زدایی (Demosaicing) یک پیکسل تمام رنگ تولید می‌کند. پس از آن با پردازشات بیشتر در خط لوله ISP، کیفیت بالای تصویر پدید می‌آید.

پردازنده سیگنال تصویر (ISP) چیست و تنظیم کردن آن به چه معناست؟

برای تبدیل یک تصویر خام بدست آمده از سنسور به یک تصویر با کیفیت بالا، پردازش های زیادی نیاز است که انجام شود. در اینجا ISP وارد میدان می‌شود. پردازنده سیگنال تصویر یک پردازنده مخصوص است که تصویر خام را از سنسور دوربین دریافت کرده و آن را به یک تصویر قابل استفاده تبدیل می‌کند.

کاهش نویز

تصاویر دیجیتال در طول پروسه ساخته شدن (از تصویر خام به تصویر قابل استفاده) در مواجهه با نویزهای متعددی قرار می‌گیرند که باعث ایجاد تغییرات ناگهانی در مقدار پیکسل‌ها و عدم همخوانی تصویر ایجاد شده با صحنه اصلی می‌شود. در این مرحله، روش‌های حذف نویز یا Denoising بر روی تصویر اعمال می‌شود که باعث از بین رفتن نویز و ایجاد تصویر شفاف می‌شود.

تنظیم رنگ سفید و تصحیح رنگ

برای نزدیک کردن رنگ تصاویر به رنگ واقعی آن‌ها، عملیات‌های پردازشی مختلفی برای اعمال ماتریس تصحیح رنگ (Color Correction Matrix) روی تصاویر دوربین‌های دیجیتال انجام می‌شود. انجام این کار باعث تنظیم رنگ تصویر متناسب با فضای رنگ خروجی می‌شود.

اصلاح سایه لنز

این پروسه برای تنظیم روشنایی و رنگ بخش‌های غیر یکنواخت تصویر در بخش‌های حاشیه‌ای صورت می‌گیرد.

تصحیح پیکسل‌های ناقص

پیکسل‌های ناقص روی سنسور تصویر اصلاح می‌شوند.

تصحیح گاما

با تغییر مقدار بافر فریم در نمایشگرهای خروجی، غیرخطی بودن شدت نسبی را جبران می‌کند.

نگاشت محلی تن (Tone)

نوردهی‌های مختلف با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا کنتراست محلی در بخش‌های ناهمسان صحنه‌های HDR افزایش یابد.

نوردهی خودکار

نور تصویر با توجه به میزان نور دریافت شده در سنسور دوربین به طور خودکار تنظیم می‌شود.

فوکوس خودکار

فوکوس خودکار تیزی لبه‌ها در تصویر را به طور خودکار افزایش می‌دهد که باعث بهبود ظاهر تصویر می‌شود. این پروسه به وسیله‌ی تنظیم موقعیت لنز از طریق کنترل موتور انجام می‌شود.

کلام پایانی در مورد پردازنده سیگنال تصویری (ISP) در دوربین های مدار بسته

اکنون می‌دانیم که ISP چیست و چه وظیفه‌ای را در دوربین‌های مداربسته ایفا می‌کند. پیکسل‌های سنسور دوربین، به طول موج نور دریافتی حساس هستند و از این طریق رنگ‌ها را دریافت کرده و در نهایت از طریق فیلترهای موجود، رنگ‌ها تنظیم می‌شوند. پس از آن پردازنده ISP عملیات موزاییک زدایی را انجام می‌دهد. این پروسه در واقع به این صورت است که با میزان قرمز، سبز و آبی بودن هر پیکسل با توجه به پیکسل‌های کناری آن حدس زده می‌شود.

علاوه بر این، ISP تنظیمات دیگری روی تصویر از قبیل فوکوس خودکار، تنظیم نوردهی و نور سفید و همچنین کاهش نویز، اصلاح سایه لنز، تصحیح رنگ پیکسل‌ها و تبدیل فضاهای رنگی را انجام می‌دهد. در نهایت داده‌های بایر را تبدیل به تصویری قابل ذخیره‌سازی، انتشار و پردازش می‌کند.

برای کسب اطلاعات بیشتر و ثبت‌نام در دوره‌های آموزش دوربین مدار بسته آی‌پی و رادیو میکروتیک در آکادمی وجودی، می‌توانید با شماره 02128421958 تماس بگیرید و با مشاوران ما در ارتباط باشید. آنها به شما در انتخاب بهترین دوره‌ها و پاسخ به سوالاتتان کمک خواهند کرد. موفق باشید!