什么是DIGIC？读懂图像处理引擎

2022-09-28季分

电脑报 2022年37期

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无论是数码相机还是智能手机，一台影像设备的性能取决于许多因素——图像传感器、镜头等等。其中，最重要的就是图像处理引擎，它涉及摄影过程中几乎所有的功能和环节。

在我们了解图像处理引擎的作用之前，让我们先看看数码相机是如何创建图像的。首先，来自场景的光线通过镜头进入相机，光由图像传感器收集，图像传感器将光中的信息编码为电信号。

这些电信号经过图像处理引擎处理，形成数字图像。比如在佳能EOS相机中，这种图像处理引擎称为DIGIC，索尼的相机则采用Bionz影像处理器，各家的技术称谓不同但殊途同归，目的只有一个：适应日益增长的需求。比如高速处理高分辨率的图像，可以在进行高感光度拍摄时进行降噪，并提高自动对焦、自动曝光、自动白平衡、色彩还原及其他功能的速度和精确度，输出更高的图像质量等等。

数码相机图像处理引擎的主要工作是帮助图像传感器将光线转换为数字图像。但它不仅仅如此。数码相机由不同的组件组成，例如快门单元和与镜头通信的部件，它们一起工作，因为它们从相机的“大脑”——图像处理引擎接收指令

DIGIC图像处理引擎起源于佳能打破使用大规模生产的LSI（大规模集成）处理器的规范，决定开发自己的芯片。由此产生的突破性“成像引擎”能够高速处理更多数据，并为更快速、更高分辨率的相机铺平了道路。

第一台搭载该成像引擎的相机是1999年发布的PowerShot S10，经过多轮细化，最终被整合到EOS 10D（2003年发布）中，命名为“DIGIC”。其实那个时候，人们只是认为相机内部发生了改变，数字化的芯片成了相机的多任务大脑。实际上，图像处理引擎所做的不仅仅是将图像传感器捕获的光转换为数字图像。例如，当我们在启用 AF（自动对焦）的自动曝光模式下半按快门按钮时，至少已经有两个过程在进行：

半按快门按钮时，图像处理引擎开始测光。从那里，它计算场景的最佳曝光设置，然后与相关部分进行通信以相应地调整设置。当启动 AF 时，DIGIC 会分析来自图像传感器的信息以检测和跟踪对象。同时与镜头通信，移动镜头内部的对焦机构，建立对焦。当然，这并不是 DIGIC 所做的一切，这只是一个开始。

如果你每秒拍摄 10 帧，上面的过程必须在一秒钟内重复 10 次。图像传感器分辨率越高，每次拍攝要处理的数据越多，处理器的负担也就越重。这就是为什么快速、强大的图像处理引擎对于更好的相机性能至关重要。

DIGIC发展史，第十代芯片应用在EOS R7和EOS R10上（2022年5月24日发布）

DIGIC 的最新版本是 DIGIC X，它支持深度学习技术以及其他各种改进，为什么深度学习技术需要 DIGIC？

因为深度学习是一种机器学习形式，它利用多层人工神经网络，这些人工神经网络基于人脑中的相似结构。深度学习技术的使用加快了主题识别算法的发展，使其能够以更高的准确性检测更广泛的主题类型。

相机无法自行“学习”：这需要比相机机身更多的处理能力。所以它们装载了在开发实验室学习所产生的深度学习算法，电路和处理能力就能用在实战上。

那么连拍时DIGIC有什么作用？要知道，相机在连拍期间，每次拍摄都会重复该流程。比如EOS R3 拥有所有EOS相机中最快的连拍能力：使用电子快门时最高可达 30 fps 的全分辨率图像，使用固件更新 1.2 时最高可达 195 fps（最多 50 张照片），这个数据吞吐量相当大，对芯片要求巨高，否则可能你释放快门后，写入存储卡会宕机。

R7 + RF600mm f/4L IS USM @ f/4， 1/1600秒， ISO 100，比如深度学习有助于在配备 DIGIC X 的相机中训练算法以识别鸟

RAW 数据就像胶片负片的数字版本——在我们查看图像之前需要进行数字冲洗（处理）。它是 DIGIC 图像处理引擎，控制图像传感器，读取电信号，进行数字图像显影。

就其本身而言，图像传感器是“色盲”——它只能捕获有关到达它的光强度的信息，但不能捕获颜色。获得彩色图像主要是由于：

1.位于图像传感器前面的RGB 滤色器阵列（CFA），将光过滤成单独的红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）分量。图像传感器本身无法区分颜色，但它可以捕获每个组件中的光强度，然后将其作为电信号传输到图像处理器。这些信号也在 RAW 文件中编码为数字数据。

2. Debayering（或去马赛克）算法，图像处理引擎使用该算法处理来自图像传感器的 R、G 和 B 数据，然后渲染图像中的颜色。

许多摄影爱好者存在相机“色彩科学”的论调，即直接从相机渲染颜色的好坏反映了图像处理引擎处理颜色数据的好坏，其实这类判断手法毫无依据。

当DIGIC对RAW 数据进行数字化处理时，它通常会进行 14 位处理，包括对RGB 数据进行去马赛克以“重建”颜色。同时，它还进行降噪，调整锐度、对比度、色调和白平衡。现在的DIGIC芯片都具备降噪处理算法，有些能控制102400原生 ISO 感光度的噪点。

DIGIC还进行后期处理，以提高直出相机图像的质量和视觉外观。其中包括应用：镜头像差校正、创意滤镜、相机内 HDR 合并和多重曝光。当图像转换为JPEG（8 位）和/或 HEIF（10 位）、压缩并写入存储卡时，图像处理完成，现在你知道直接出相机的JPEG或HEIF文件在第一眼上为什么那么艳丽，感觉比RAW文件好看得多了吧？

如今，高分辨率视频录制已成为所有数码相机的必备功能，但是由于每帧中的数据量很大，因此要捕获高质量、高分辨率的视频需要巨大的处理能力

在DIGIC 7之前，佳能在开发其图像处理引擎时主要优先考虑静态摄影。但是，从 DIGIC 8 开始，它开始更多地关注与视频相关的处理功能。从 4K 拍摄到支持更多视频功能，这使得相机具有比以前更好的视频功能。

比如一个4K DCI/UHD的影像帧分别为8.85百万像素和8.3百万像素，为每一帧重新计算自动对焦和自动曝光，需要拍摄60 fps的视频，这个处理流程每秒要重复60次。4K分辨率可能现在看起来不大，但事实上8K帧的数据量是4K帧的四倍，这就很考验DIGIC X的能力。