Процессор для обработки сигнала

Процессор для обработки сигнала (DSP) переводит аналоговый уровень яркости каждого пикселя в дискретную цифровую величину.

При аналогово-цифровой конвертации увеличение количество бит обычно приводит к повышению разрешения и точности выборки. Истоки этого следует искать в природе атома кремния. Кремний представляет собой наиболее распространенный на Земле элемент и является основным составляющим песка. Он имеет очень интересную особенность - относится к группе элементов, называемых "полупроводниками", потому, что в зависимости от наличия или отсутствия одного электрона на внешней орбите атома они могут проводить, а могут и не проводить электрический ток. Если электрон присутствует, то кремний будет проводить электричество, если электрона нет, то этот элемент будет непроводником.

На двух состояниях атома кремния основаны все современные компьютеры и цифровые медиаустройства. Инженеры, используя эти необычные свойства кремния, присваивают атому, на внешней орбите которого присутствует электрон, значение 1, а атому, у которого электрон отсутствует - значение 0. Поэтому компьютеры и цифровые процессоры сигнала видеокамер способны считывать только в двоичной системе (Base 2) и выполняют сложнейшие расчеты в соответствии с относительной проводимостью бесчисленных миллиардов атомов кремния.

Чтобы понять, что такое цифровой процессор сигналов видеокамеры, нужно четко понимать, что атом кремния может существовать только в одном из двух состояний: ноль или единица. Никаких иных оттенков или нюансов быть не может.

Давайте рассмотрим, как работает однобитный цифровой процессор сигналов. Пиксели, аналоговые значения которых составляют от 0% до 50%, он округляет до черного цвета, а пиксели со значениями от 51% до 100% - до белого. Естественно, что такой процессор не в состоянии обеспечить хороших результатов.

Использование второго бита для описания яркости пикселя существенно улучшает точность выборки. В этом случае пиксели могут принимать одно из четырех значений: 0-0, 0-1, 1-0 или 1-1. Легендарная бытовая видеокамера с 2-битным цифровым процессором сигнала, которая была выпущена в 1989 г., вызвала много шума, так как она обеспечивала значительно лучшее разрешение.

В современных моделях цифровых видеокамер используются 10-, 12- или 14-битные процессоры. Чем больше количество бит, с помощью которых описывается пиксель, тем выше точность выборки. Цифровые процессоры сигналов на одном бите могут описывать пиксель только одной или двумя величинами, а 12-битный цифровой процессор, который используется в некоторых моделях JVC, позволяет получать ошеломляющее количество значений - 4096. Подобная точность выборки еще несколько лет назад казалась недостижимой. Она отражает общую тенденцию к повышению разрядности в битах для процессоров, использующихся в цифровых камерах среднего и высшего уровня.

Цифровые видеокамеры с 10-битным процессором могут описать каждый пиксель выборки с помощью 1024 возможных значений, а 8-битные модели, которыми оснащаются подавляющее большинство цифровых видеокамер, представленных на рынке, должны обходиться только 256 значениями.

Конечно, при оценке работы видеокамеры только на разрядности процессора зацикливаться не следует. Существует и ряд других факторов, имеющих столь же большое значение. Несмотря на кажущуюся логичность, некоторые специалисты оспаривают преимущества, которые дает увеличение разрядности процессора. В качестве аргумента они выдвигают тот факт, что человеческий глаз способен различать вариации, содержащие не более 230-250 пикселей на выборку, поэтому, по их мнению, создание видеокамер с разрешением, существенно превышающим эти значения, нет смысла. Они считают, что вполне достаточно 8-битного процессора, а стремление оснастить цифровые видеокамеры самыми совершенными процессорами - всего лишь хитроумный маркетинговый ход.

Тем не менее, на практике доказано, что 12-битный процессор может существенным образом расширить динамический диапазон видеокамеры. При яркости самой яркой точки в сцене 100%, 12-битный цифровой процессор теоретически способен увеличит ее в четыре раза. Это приводит к увеличению числа распознаваемых деталей в ярко освещенных зонах, что с точки зрения оператора цифровой видеокамеры может толковаться как очень полезная функция. Обратите внимание, что эта выборка производится в аналоговом пространстве до аналогово-цифровой конвертации.

ПЗС-матрица цифровой видеокамеры захватывает значительно больше информации, чем в конечном итоге записывается на пленку. Видеокамеры с 10-, 12- и 14-битными цифровыми процессорами сигнала сжимают ярко освещенные детали, чтобы уложиться в полосу частот, соответствующую формату DV. В затемненных участках, красный, зеленый и синий цвета сжимаются не равномерно, что может привести к некоторым весьма значительным цветовым сдвигам. Апельсины на этом изображении выглядят как лимоны, в результате более высокого коэффициента сжатия красного на ярко освещенных участках.