Los procesadores de imagen / video Nikon Expeed (a menudo llamados EXPEED ) son procesadores de medios para las cámaras digitales de Nikon . Llevan a cabo un gran número de tareas: el filtrado de Bayer , demosaicing , sensor de imagen correcciones / restas-marco oscuro , la imagen de ruido reducción , la nitidez de imagen , escalado de imagen , corrección gamma , mejora de la imagen / D-Lighting activo, el espacio de color de conversión, el submuestreo de croma , imágenes por segundo conversión, distorsión de la lente / aberración cromática corrección, compresión de imagen / codificación JPEG , la compresión de vídeo , pantalla / interfaz de vídeo de conducción, edición de imagen digital , detección de la cara , de procesamiento de audio / compresión / codificación de y almacenamiento de datos de ordenador / transmisión de datos .
El sistema multiprocesador de Expeed en una solución de chip integra un procesador de imagen en una arquitectura de procesador de múltiples núcleos , con cada núcleo de procesador único capaz de calcular muchas instrucciones / operaciones en paralelo . Se agregan interfaces de almacenamiento y visualización y otros módulos y un procesador de señal digital (DSP) aumenta el número de cálculos simultáneos. Un microcontrolador en chip de 32 bits inicia y controla el funcionamiento y las transferencias de datos de todos los procesadores, módulos e interfaces y puede verse como la unidad de control principal de la cámara.
En cada generación, Nikon utiliza diferentes versiones para sus DSLR / MILC profesionales y de consumo , mientras que sus cámaras compactas utilizan arquitecturas totalmente diferentes. Esto es diferente de, por ejemplo, Canons DIGIC : sus DSLR profesionales duplican los procesadores de su serie DSLR de consumo. El Expeed es un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) construido por Socionext específicamente para diseños de Nikon de acuerdo con las especificaciones de Nikon.
Tecnología
La Nikon Expeed se basa en los Socionext Milbeaut procesadores de imagen con 16 bits por pixel [1] multi-núcleo FR-V arquitectura del procesador, usando un altamente paralela pipeline arquitectura que permite eficiente hardware uso, aumentando el rendimiento y reducir el consumo de energía. Cada núcleo utiliza una palabra de instrucción muy larga de 256 bits de ocho vías (VLIW, MIMD ) y está organizado en una arquitectura de canalización superescalar de cuatro unidades ( Integer (ALU) -, punto flotante - y dos unidades de procesador de medios) que dan un rendimiento máximo de hasta 28 instrucciones por ciclo de reloj y núcleo. Debido a la instrucción simple de cuatro vías , unidades de procesador de vector de datos múltiples (SIMD) , los datos se procesan con hasta 112 operaciones de datos por ciclo y núcleo. [2]
Se utiliza un núcleo de microcontrolador Fujitsu FR RISC en chip de 32 bits para iniciar y controlar todos los procesadores, módulos e interfaces. [3] [4] [5] [6] [7] Las versiones Expeed designadas como EI-14x y Expeed 2 y 3 incluyen adicionalmente un motor de códec de video HD (basado en FR-V) y un DSP de 16 bits con encendido independiente -chip Harvard RAM de 4 bloques que se puede utilizar, por ejemplo, para procesamiento adicional de imágenes y audio . El Expeed 3 (FR) (EI-158/175) se basa en un Expeed 2 EI-154 mejorado con una velocidad de procesamiento mucho mayor.
Una nueva arquitectura en el Expeed 3 (ARM) ofrece una velocidad muy aumentada en su procesador de imagen (incluso con dos tuberías en el EI-160), su codificador de video H.264 y está controlado por un microcontrolador de arquitectura ARM de doble núcleo que reemplaza al Fujitsu FR. [8] [9]
Interfaz del sensor de imagen
Los sensores de imagen CMOS / CCD están conectados con circuitos integrados externos adicionales , controladores Nikon, con la excepción de la Nikon D3100 . [5] Esto se realiza mediante una interfaz mixta analógica / digital que controla el sensor digitalmente, pero recibe señales analógicas con convertidores analógicos a digitales (A / D) de 14 bits en paralelo . El Expeed variantes EI-142 y EI-158 uso Nikon ASICs para conectar todos a pantalla completa (FX) SLR digitales sensores y, además, la Nikon D300 / D300s con 12, los canales de señal de lectura analógica paralelas simultáneas. Principalmente debido a un mayor tiempo de estabilización , permite una mayor precisión de conversión en comparación con los cuatro canales de las Nikon D2X / D2X anteriores , Nikon D200 o Canon EOS 5D Mark II . [11] [12] [13] La lectura de seis canales es compatible con los modelos EI-149 y EI-154 utilizados en los modelos D90, D5000, D7000 y D5100.
El D3100 utiliza una interfaz de sensor de Analog Devices con convertidores de analógico a digital integrados. El resultado es un rango dinámico solo al nivel de competidores como la Canon EOS 600D (de mayor precio) ; [14] más bajo que otras cámaras réflex digitales Nikon con la misma variante Expeed 2.
Los convertidores A / D Expeed EI-15x y EI-17x permiten una mayor frecuencia de reloj de lectura del sensor de imagen con una precisión mejorada del convertidor A / D, especialmente cuando se utiliza un muestreo de 14 bits. Los convertidores A / D Expeed utilizados para EI-149 o todos los EI-142 necesitan velocidades de reloj considerablemente reducidas (1.8 fps en Nikon D3X) para una mayor precisión, limitando, por ejemplo, el rango dinámico de la D3 en ISO bajos. [15] [16] [17]
El Expeed 3 (ARM) , utilizado por primera vez en la serie Nikon 1 , conecta un flujo de datos con 24 canales digitales (bus) , utilizando convertidores A / D integrados en el chip sensor de imagen. [18]
Procesador de video
La primera variante, EI-14x originalmente incluía un codificador de video capaz de procesar resolución VGA con 30 cuadros por segundo y codificación MPEG-4 . [4] El procesador de video basado en software realizado con procesadores FR-V permitió una reprogramación: [2] [19] [20] Al usar la codificación Motion JPEG con una frecuencia de cuadro de 24p, Nikon logró una resolución de video HD de 720p . Las ventajas son una fácil extracción de imágenes JPEG , sin artefactos de compensación de movimiento y baja potencia de procesamiento que permite una resolución más alta, y la desventaja es un tamaño de archivo más grande, casi alcanzando el límite de 2 GB (para una compatibilidad total) en 5 minutos. La Nikon D90 fue la primera DSLR con capacidad de grabación de video.
El Expeed 2 (variante EI-154) amplió enormemente las capacidades gracias a su codificador de video HD 1080p H.264 / MPEG-4 AVC . También ofrece una mayor frecuencia de reloj de lectura de señal analógica del sensor de imagen, lo que reduce la persiana enrollable . [15] [16] [17] [21]
En comparación con los competidores de Canon ( DIGIC , compresión "IPP" - equivalente a MPEG-2 [22] : solo un cuadro anterior analizado [23] [24] ), el Expeed 2 ofrece compresión de video también basada en cuadros B complejos ( bidireccional diferenciación entre fotogramas y predicción de movimiento ), que tiene la ventaja de una mayor calidad (menor desenfoque de movimiento basado en una mejor compensación de movimiento ) incluso con una relación de compresión significativamente mayor . [25] Esta compresión requiere una potencia de cálculo considerablemente mayor. [26] En 2012, la Canon 5D Mark III introdujo una compresión similar llamada "IPB". [23] También se introdujo "All-I", que utiliza los fotogramas I más simples (imágenes codificadas) sin procesar ninguna diferencia entre ellos, pero utiliza una compresión baja (alta velocidad de datos) y se comporta también en otros usos como la extracción de imágenes bastante similar al Motion JPEG utilizado anteriormente por Nikon. [27]
El Expeed 3 (FR) (variantes EI-158 y EI-175) no ofrece cambios significativos, pero introdujo las primeras DSLR para ofrecer salida de video sin comprimir (8 bits 4: 2: 2) a través de HDMI : Nikon D4 , Nikon D800 / D800E , Nikon D600 , Nikon D7100 y Nikon D5200 . El Expeed 3 (ARM) introdujo video de alta velocidad ( cámara lenta ) en su motor de video H.264 HD mejorado.
Variantes
Socionext especifica cada generación de Milbeaut con diferentes números de procesadores. Nikon no da detalles, pero utiliza diferentes procesadores designados en sus líneas profesionales y de consumo. Aunque el Milbeaut ( Expeed ) se utiliza en diferentes diseños de Nikon y por otros fabricantes, el software / firmware especifica muchas de sus funciones y detalles y la cantidad de procesadores o módulos incluidos puede variar en este ASIC .
Expeed
Utilizada por primera vez en la Nikon D3 y Nikon D300 en 2007, la Expeed se usó más tarde en las Nikon D3X , Nikon D700 y Nikon D300 , marcadas como EI-142, y la variante de línea de consumo con núcleos de procesador reducidos en las Nikon D90 y Nikon D5000 . marcado EI-149. Se basa en un procesador de imágenes Socionext Milbeaut con codificador de video 720p Motion JPEG, DSP y núcleo FR-80 (versiones EI-14x). Utiliza una tecnología de proceso de 90 nanómetros .
La variante EI-137 en Nikon D60 y Nikon D3000 , que también se encuentra en Nikon D40 , Nikon D40x y Nikon D80 [6] , se basa en la antigua Milbeaut M-3 en tecnología de 180 nanómetros (como todos los anteriores Expeed / Milbeaut desde 2001), incluye un núcleo FR-71 con solo 12 bits, lectura de sensor de imagen de dos canales, sin DSP, memoria más lenta y un conjunto de funciones reducido. [28]
Expeed 2
El codificador de video 1080p H.264 / MPEG-4 HD, la detección de rostros mejorada , la reducción del ruido de la imagen y la corrección de la distorsión de la imagen [29] son las principales características mejoradas en comparación con EI-14x Expeeds . [3] Se utiliza en la Nikon D7000 , [30] Nikon D3100 y Nikon D5100 y Nikon con la marca EI-154. [31] Aunque la frecuencia del reloj de lectura del sensor de imagen se ha incrementado en un factor de 1,75, la precisión del convertidor A / D ha mejorado, especialmente cuando se utiliza 14 bits. El rendimiento del procesador de imagen aumenta, logrando una mayor velocidad de fotogramas de disparo continuo incluso cuando se activa la reducción de ruido ISO alta o D-Lighting activo. Los Expeed EI-15x están controlados por un núcleo FR-80 / FR-81 integrado. El consumo de energía también se reduce con el proceso Socionext de 65 nm.
Expeed 2 (rebautizado como Expeed 1)
El procesador Nikon D3s [32] , aunque se llama Expeed 2, utiliza casi el mismo procesador EI-142 que la anterior D3 / D3X [33] y presenta, por ejemplo, solo vídeo Motion JPEG de 720p. Ofrece la misma interfaz de sensor de imagen con idéntica velocidad y precisión del convertidor A / D, lo que limita el rango dinámico de la D3 a 200 y especialmente a 100 ISO por debajo de la D7000 / D5100. [15] [16] [34]
Expeed C2
Variante utilizada en algunas cámaras compactas Coolpix . Las cámaras compactas Nikon más económicas utilizan procesadores de imagen / video Sanyo o Zoran Coach; ambos con una tecnología completamente diferente y un firmware diferente en comparación con el Expeed . [6]
Expeed 3
Expeed 3 (FR)
En comparación con el Expeed 1 anterior (EI-142), ofrece las mismas mejoras que el Expeed 2 EI-154 con el proceso Socionext de 65 nm, incluida una mayor precisión del convertidor A / D y la velocidad del reloj de lectura de la señal analógica del sensor de imagen, lo que reduce la persiana. [15] [16] [17] [21] La potencia informática aumenta considerablemente. Marcada como EI-158, esta variante es utilizada por la Nikon D4 y la Nikon D800 . [35] [36] El EI-158 fue el primer Expeed en ofrecer salida de video sin comprimir (8 bits 4: 2: 2) a través de HDMI.
La Nikon D600 (desmontaje [37] ), Nikon D3200 y Nikon D5200 (desmontaje [38] ) utilizan un Expeed 3 (EI-175, marcado de forma diferente ML-1131 en la D5200), que es, según Nikon, el mismo que se utiliza para las series D4 y D800. [5] [39] Su arquitectura se acerca a la variante Expeed 2 EI-154 con algunas mejoras como la memoria DDR3 y con mayor potencia de cálculo. La D5200 usa un paquete en paquete con una SDRAM DDR3 de 4 Gbit en la parte superior.
Expeed 3 (BRAZO)
En la serie Nikon 1, septiembre de 2011, Nikon introdujo una nueva arquitectura muy modificada: la unidad de control principal utiliza un microcontrolador ARM que requiere un nuevo firmware en comparación con el microcontrolador Fujitsu FR totalmente diferente utilizado en todos los procesadores anteriores Milbeaut y Expeed . También es el primer Expeed que utiliza la lectura del sensor de imagen digital; no se necesita una interfaz de sensor de imagen analógica. En las cámaras Nikon 1 presentadas en septiembre de 2011, utiliza 1 GB de RAM DDR2 rápida empaquetada en chips de 2x 4 Gbit. Nikon con la marca EI-160, fabricada en el proceso Socionext 65 nm.
Los motores de procesamiento de imágenes de doble núcleo de alta velocidad con un récord mundial (afirmación de Nikon) de 600 megapíxeles por segundo de velocidad, motor de video H.264 HD mejorado y controlado por un microcontrolador ARM de doble núcleo son las principales mejoras. [9] [18] [40] Su alta velocidad permite la velocidad más rápida del mundo (afirmación de Nikon) de 60 cuadros por segundo (10 fps con enfoque automático completo ).
Expeed 3A
El Expeed 3A , un sucesor del Expeed 3 EI-160 utilizado en la serie Nikon 1, se lanzó por primera vez en la Nikon 1 V2 y presenta principalmente un récord mundial de velocidad de procesamiento de imágenes de hasta 850 megapíxeles por segundo. [41] Esto permite una velocidad de 60 fotogramas por segundo (15 fps con enfoque automático completo ) incluso con el nuevo sensor de imagen de 14 megapíxeles . Está desarrollado exclusivamente para cámaras Nikon 1. [42]
Expeed 4
Expeed 4 utiliza un procesador con controlador central ARM , y se utiliza en Nikon D810 , Nikon D750 , Nikon D5300 , Nikon D5500 , Nikon D5600 , Nikon D3300 , Nikon D3400 , Nikon D3500 y Nikon D7200 . Ofrece captura de video Full HD (1080p) a 50/60 fps con autoenfoque de detección de contraste mejorado y autoenfoque de vista previa en vivo . Incluye todas las funciones de Expeed 3 (FR) y versiones anteriores de Expeed, además de que consume menos energía.
El procesador de la Nikon D4S es idéntico al de la Nikon D4, marcado como EI-158, y utiliza su potencia de procesamiento con un software mejorado que permite la captura de video de 1080p a 50/60 fps, fotos de 11 fps con enfoque automático mejorado, nueva reducción de ruido con algoritmo variable de contenido de imagen (adaptable al contexto) [43] [44] y otras mejoras. [45] [46]
Expeed 4A
La versión 4A se utiliza en Nikon 1 V3 , Nikon 1 J4 y Nikon 1 S2 .
Expeed 5
Nikon anunció el motor de procesador EXPEED 5 en sus nuevas cámaras insignia DX y FX Nikon D500 y Nikon D5 en CES 2016, (Las Vegas, 5 de enero de 2016) [47] y también se utiliza en la Nikon D7500 y D850 . [48]
Expeed 5A
El motor de procesamiento de imágenes EXPEED 5A se vio por primera vez en la Nikon 1 J5 , que se anunció el 2 de abril de 2015. [49] En la Nikon 1 J5 es capaz de 4k Ultra HD (3840 * 2160) a 15 fps, Full- HD (1920 * 1080) a 60 fps, HD (1280 * 720) a 120 fps, 800 x 296 a 400 fps y 400 x 144 a 1200 fps. Puede manejar fotos en ráfaga de 20MP a 20 fps con enfoque automático en cada cuadro, e incluso 60 fps con enfoque automático fijo en el primer cuadro, pero tenga en cuenta que el tamaño del búfer aún se desconoce y probablemente sea muy pequeño.
Expeed 6
Nikon anunció el motor del procesador Expeed 6 el 23 de agosto de 2018. [50] Aparece en sus cámaras Nikon Z 7 , Nikon Z 6 , Nikon Z 50 , Nikon D780 y Nikon D6 . Las dos EXPEED 6 se encuentran en la Nikon Z 6II y la Nikon Z 7II . [50] [51]
Pre-Expeed
DSLR no oficiales Expeed
La variante del procesador Expeed EI-137 se encuentra en la Nikon D40, Nikon D40x y Nikon D80, al igual que oficialmente en las Nikon D60 y Nikon D3000 lanzadas más tarde.
Primeras réflex digitales
Las DSLR anunciadas antes de agosto de 2006 no contienen procesadores denominados Expeed (por ejemplo, procesador Nikon D70 / D70s: EI-118), aunque eso no significa que estos procesadores utilicen una arquitectura diferente. [52] O el procesador Nikon D200 (EI-126) utiliza el mismo firmware, pero muy ampliado, que el de la D80 ("Expeed" no oficial).
(Co) procesadores adicionales
Como procesador de entrada / salida (E / S), Nikon utiliza microcontroladores externos de 32 bits para conectar sensores y pantallas adicionales : visor , pantalla superior , flash ( Speedlight ) / zapata , motores de obturador / apertura , sensores de medición / enfoque automático y lente / empuñadura de batería / control de batería . Las variantes utilizadas son el Fujitsu FR en la serie Expeed EI-14x, que cambió a la arquitectura MIPS en las series Expeed EI-15x y EI-17x. La serie profesional utiliza dos o más controladores Hitachi / Renesas H8SX . Las antiguas DSLR usaban microcontroladores H8S . [53]
El Expeed basado en ARM de la serie Nikon 1 con su núcleo ARM dual no necesita procesadores de E / S adicionales. [54] La serie Nikon 1 también incluye un procesador gráfico Epson .
Firmware alternativo
Al igual que con las cámaras digitales Canon modificadas con CHDK o Magic Lantern basadas en procesadores DIGIC , un grupo de programadores llamado "Nikon Hacker" desarrolla firmware personalizado , [5] haciendo un progreso reciente incluyendo un emulador FR para algunas DSLR. [55] [56] [57] Se demostró que Nikon usa el entorno de desarrollo integrado Softune junto con un kernel µITRON en tiempo real . [52] Actualmente hay algún firmware modificado disponible que elimina principalmente el video basado en el tiempo y las restricciones de archivos NEF sin comprimir, [58] pero no hay firmware alternativo estable disponible, ya que el proyecto aún se encuentra en un estado inicial.
Las actualizaciones de firmware suministradas por Nikon normalmente incluyen el firmware A para el procesador de E / S y el firmware B para controlar Expeeds mediante microcontroladores FR integrados (diferente para el Expeed 3 basado en ARM ).
Tareas del proyecto
Además de un análisis general del hardware y software de las cámaras D7000, D5100 y D3100 y más nuevas, [59] el proyecto se centra en:
- Eliminación de las restricciones de tiempo de video de 5 minutos: hay algunos firmware modificados disponibles [58]
- Video de 1080p de alta calidad con hasta 64 Mbps
- Video sin comprimir (salida HDMI limpia) para la D5100 y otros
- Archivos NEF sin comprimir [58]
- Modificaciones del adaptador móvil inalámbrico WU-1a para que sea utilizable para otras cámaras
- Análisis y descifrado de la comunicación de la batería Nikon
- Análisis del transmisor inalámbrico WT-3 y su comunicación
- Eliminación del bloqueo de batería de terceros que Nikon introdujo con algunas de las últimas versiones de firmware
- Desarrollo de un emulador Nikon [60]
El registro de cambios [61] muestra el firmware también para las variantes más nuevas como D800, D610, D5200 y D3200.
Hack sin procesar DIAG
Esto no fue un truco de firmware, sino un método (Photopc - control de cámara digital [62] ) que llama a un modo de diagnóstico ya implementado en algunas cámaras Nikon Coolpix antiguas con procesadores Fujitsu Sparclite . Usando este modo, podrían escribir imágenes sin procesar .
Ver también
- Canon DIGIC
- Sony BIONZ
- Sony Exmor
Referencias
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