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L’Image Signal Processor (ISP) combina hardware e software per trasformare i dati provenienti dal sensore della fotocamera digitale in un’immagine. L’ISP calcola il colore e la luminosità di ciascun pixel, aumenta la nitidezza e cerca di generare la massima qualità dell’immagine su telefoni cellulari, fotocamere mirrorless e DSLR, droni e altri dispositivi.
Cosa fa un ISP sulla fotocamera? (Immagine: Vitor Pádua / )
L’ISP può essere un chip separato, essere integrato nel sensore di immagine o essere incorporato nel SoC di un telefono cellulare, come fanno Qualcomm e Apple. I telefoni cellulari con più di una fotocamera di solito hanno più di un ISP. I processori di immagini possono lavorare insieme per regolare la profondità di campo, catturare colori più intensi e zoomare otticamente.
Come funziona il processore del segnale di immagine?
Il processore del segnale dell’immagine ottiene il colore di ciascun pixel e confronta questi valori con le informazioni dei pixel vicini. Quindi, un algoritmo calcola il colore corretto di ogni pixel attraverso l’interpolazione cromatica (demosaicing).
L’ISP analizza anche la foto nel suo insieme per determinare la luminosità e il contrasto corretti, spiega Urs Tillmanns, un esperto di fotografia austriaco.
Processore di segnale immagine nella fotocamera (immagine: Vitor Pádua / )
Dopo che la luce entra attraverso l’obiettivo della fotocamera, i sensori di immagine utilizzano un filtro colorato in modo che ogni pixel riceva solo una tonalità. Nel caso dei sensori CMOS, il filtro Bayer è il più comune, consentendo il passaggio solo dei colori RGB (rosso, verde e blu).
Il sensore converte le luci di ciascun colore in segnali elettrici, che vengono inviati al processore ISP. La fotocamera può anche portare un DSP (Digital Signal Processor) per assistere durante l’acquisizione di foto e video, riducendo il rumore dell’immagine e migliorando la profondità del colore.
Quali sono le assegnazioni del processore ISP?
L’ISP ricostruisce il colore, la luminosità e il contrasto di una scena utilizzando i dati forniti dal sensore di immagine. Esegue anche la riduzione del rumore, la correzione dell’obiettivo, la messa a fuoco, tra gli altri.
L’autonomia dell’ISP varia a seconda del produttore della fotocamera o dello smartphone. Ad esempio, Apple assegna automaticamente la priorità alle regolazioni, mentre i telefoni Android offrono maggiore libertà all’utente con la modalità Pro.
gestione del colore
Il processore del segnale dell’immagine rileva l’illuminazione ambientale per definire come verranno riprodotti i colori nella foto. Ci sono quattro componenti principali:
- Bilanciamento automatico del bianco (AWB): regola la tonalità dei colori in base al bianco impostato di default;
- esposizione automatica (AE): regola la luminosità e il contrasto controllando apertura, velocità dell’otturatore e ISO;
- Correzione gamma: regola l’intensità della luce nelle parti più chiare e più scure dell’immagine;
- Mappatura dei toni: genera immagini HDR espandendo la gamma dinamica della foto.
Dimostrazione dell’HDR in una fotografia con illuminazione diversa (Immagine: Vitor Pádua/Paulo Higa/)
riduzione del rumore
Il processore di immagini rimuove il rumore proveniente dal sensore. L’ISP regola i pixel il cui colore e luminosità sono molto diversi dagli altri pixel circostanti. Il rumore cromatico è correlato al colore; il rumore luminoso avvolge il bagliore.
La quantità di rumore è generalmente maggiore con valori ISO più elevati, tempi di esposizione più lunghi e temperature ambiente più elevate. Il lavoro dell’ISP può essere difficile in aree con dettagli molto fini: se vengono trattati come rumore dal processore, l’immagine perde in definizione e consistenza.
affilatura
L’ISP utilizza algoritmi per smussare i bordi e i contorni degli oggetti, rendendo l’immagine più nitida e dettagliata. Il processore esegue l’interpolazione per calcolare i valori di colore e luminosità di ciascun pixel e uniforma l’immagine per compensare eventuali deviazioni di colore nei singoli pixel.
Alcune fotocamere eseguono anche il pixel binning, trattando i pixel adiacenti come uno per una migliore nitidezza. L’ISP può influire sulla qualità della foto, a seconda della sua capacità di riconoscere i bordi degli oggetti e rimuovere artefatti indesiderati.
messa a fuoco automatica
L’ISP esegue la messa a fuoco automatica (AF) dell’immagine, per contrasto o per rilevamento di fase. In Contrast AF, calcola la messa a fuoco ottenendo il massimo contrasto cromatico attraverso tentativi ed errori. In Phase Detection AF, misura la distanza dal soggetto utilizzando i dati del sensore di profondità e regola la messa a fuoco con precisione.
L’ISP può includere anche la funzione di EIS (stabilizzazione elettronica dell’immagine), che utilizza il giroscopio per ridurre le vibrazioni nei video.
correzione delle lenti
Il processore ISP corregge i problemi che possono sorgere a causa di un obiettivo piccolo o di un sensore di immagine compatto, come ad esempio:
- aberrazione cromatica: distorsione del colore che delinea i bordi degli oggetti;
- distorsione geometrica: differenza rispetto alla geometria dell’oggetto reale causata dalla curvatura dell’obiettivo, dalla lunghezza focale o dall’angolo fotografico;
- vignettatura: scurire i bordi della foto;
- ombreggiatura: diminuzione graduale della luminosità, andando dal centro verso i bordi.
Queste distorsioni possono essere corrette con l’aiuto dell’intelligenza artificiale e dell’apprendimento automatico, come citano gli studi pubblicati da IEEE e Springer.
Quali sono i principali ISP produttori di processori?
Questi sono i principali produttori di ISP, secondo Precision Reports:
- Qualcomm
- SAMSUNG
- Braccio
- Fujitsu
- STMicroelectronics
- Tecnologie OmniVision
- Elettronica Renesas
- La tua elettronica
- Semiconduttori NXP
Questi sono i principali ISP per fotocamere mirrorless e DSLR:
- Canon Digic
- Nikon Expeed
- Olympus TruePic
- Motore Venere Panasonic
- Pentax Primo
- Sigma Vero
- Sony Bionz
I processori di immagini sono utilizzati nei telefoni cellulari (un settore in cui gli ISP stanno acquisendo maggiore importanza con l’evoluzione della fotografia computazionale), nell’industria automobilistica, nelle telecamere di sicurezza. Il mercato degli ISP dovrebbe muovere 4,3 miliardi di dollari nel 2024, secondo la società di consulenza Yole Intelligence.
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