Digitály s několikaletou výdrží?
14.12.2005, Petr Hájek, článek
Tým vědců z Rochesterské univerzity vyvinul prototyp CMOS senzoru, který vyžaduje k sejmutí obrázku v porovnání s běžnými čipy zlomek energie, tím ovšem nápady týmu nekončí - zjistili také, že šikovným rozvržením snímacích prvků lze výrazně zredukovat výpočetní náročnost komprese obrázku, což se opět podepíše na dramatickém snížení spotřeby.
Pozn. Všechny uvedené snímky níže jsou pouze ilustrativní.
Další významný průlom na poli digitální fotografie se na Rochesterské univerzitě pomalu stává realitou. První snímací čipy před několika lety zrevolucionizovaly oblast klasické fotografie a nyní jsou pro změnu revolucionizovány samotné čipy. Dvě patentované technologie mají již záhy zajistit, aby si dosud na energii vcelku náročné snímače již brzy řekly pouze o zlomek dnes běžně spotřebované energie za současného sejmutí kvalitnějšího obrázku. Obojí má také přispět k další miniaturizaci a řádově větší výdrži, která by se v extrémním případě mohla pohybovat i v měřítku několika let práce na jedno nabití.
Ale obraťme již pozornost k vlastním technologiím - tým vedený dvěma vědci (Mark Bocko, professor of electrical and computer engineering + Zeljko Ignjatovic, assistant professor of electrical and computer engineering), vytvořili prototyp snímacího prvku, který digitalizuje každý pixel samostatně a právě pracují na druhé technologii, která má zajistit kompresi obrázku s mnohem méně operacemi, nežli je tomu u dnešních nejlepších kompresních technik. "Tyto dvě technologie mohou pracovat samostatně či kooperativně, tak či tak bude kladným výsledkem výrazné snížení energie potřebné k sejmutí digitálního obrázku," říká Bocko. "První je evoluční, posunuje stávající postupy dále, druhá se může ukázat jako revoluční, protože jde o úplně nový způsob přemýšlení nad tím, jak zpracovat snímek."
První vyvíjená technologie integruje oversampling "sigma-delta" analog-to-digital converter na každý pixel CMOS senzoru. Předchozí pokusy o tuto on-pixel konverzi většinou ztroskotaly na tom, že potřebovaly příliš mnoho tranzistorů, takže pro vlastní chytání světla již nezbývalo mnoho prostoru, nový design používá pouze 3 tranzistory na pixel, což znamená, že téměř polovina plochy pixelu sbírá světlo. První testy ukázaly, že při snímání videa s framerate 30 fps si snímač vystačil jen s 0,88 nW na pixel - to je 50x méně, nežli je v branži u CMOSů obvyklé. Jako by toho nebylo již tak dost, tento senzor trumfuje své kolegy rovněž v dynamickém rozsahu (rozdíl mezi nejjasnějším a nejtlumenějším zachytitelným světlem, jistě znáte z vlastních snímků za jasného dne "přepálená" místa bez kresby - obloha, okna při focení doma etc.), který není pro CMOSy obvyklých 1:1 000, ale 1:100 000.
Druhá technologie také příjemně překvapila vědeckou veřejnost, a to díky postupu jménem "Focal Plane Image Compression," Bocko a Ignjatovic totiž zjistili, jak uspořádat fotodiody na snímacím čipu tak, že komprese sejmutého obrázku spotřebuje pouze 1 % výkonu obvykle na tuto operaci potřebného. Běžně jsou světlocitlivé fotodiody na čipu uspořádány do mřížky, řekněme 1 000 x 1 000 pixelů, obrázek se sejme a každá fotodioda podá informaci o množství světla, které posbírala, CPU v digitálu poté aktivuje komplexní algoritmy, které z tohoto, řekněme 10megabytového RAWu, udělají soubor mnohem menší velikosti za jistou cenu ztráty kvality. Tato komprese je z hlediska úložného prostoru sice velmi praktická, ale naneštěstí vyžaduje mnoho výpočetní síly a tudíž i energie. Oba vědci objevili způsob, jak lze šikovným rozmístěním fotodiod proces zjednodušit. Normální cestou je při tvorbě JPEGu výpočet nazvaný diskrétní kosinová transformace, která v mezivýsledku pracuje s hodnotami funkce kosinus mezi -1 a +1, což znamená, že výpočet vyžaduje práci s non-integer hodnotami a tím pádem je náročnější na výkon. Vědci ale umístili snímače pouze na taková místa, kde je hodnota kosinových vln rovna právě 1, jedničkou jak známo násobit nemá příliš cenu, takže v konečném důsledku je počet celkově nutných operací i jejich náročnost výrazně nižší.
Členové týmu momentálně pracují na dalším prototypu, který v sobě bude integrovat obě tyto technologie. Tvůrci zamýšlí, že se nové čipy nejprve objeví v bezpečnostních bezdrátových kamerách, po dalším vývoji a úpravách čipu by se měla ukázat i verze spotřebitelská mířící mezi digitální fotoaparáty a chytré telefony.
Další významný průlom na poli digitální fotografie se na Rochesterské univerzitě pomalu stává realitou. První snímací čipy před několika lety zrevolucionizovaly oblast klasické fotografie a nyní jsou pro změnu revolucionizovány samotné čipy. Dvě patentované technologie mají již záhy zajistit, aby si dosud na energii vcelku náročné snímače již brzy řekly pouze o zlomek dnes běžně spotřebované energie za současného sejmutí kvalitnějšího obrázku. Obojí má také přispět k další miniaturizaci a řádově větší výdrži, která by se v extrémním případě mohla pohybovat i v měřítku několika let práce na jedno nabití.
Ale obraťme již pozornost k vlastním technologiím - tým vedený dvěma vědci (Mark Bocko, professor of electrical and computer engineering + Zeljko Ignjatovic, assistant professor of electrical and computer engineering), vytvořili prototyp snímacího prvku, který digitalizuje každý pixel samostatně a právě pracují na druhé technologii, která má zajistit kompresi obrázku s mnohem méně operacemi, nežli je tomu u dnešních nejlepších kompresních technik. "Tyto dvě technologie mohou pracovat samostatně či kooperativně, tak či tak bude kladným výsledkem výrazné snížení energie potřebné k sejmutí digitálního obrázku," říká Bocko. "První je evoluční, posunuje stávající postupy dále, druhá se může ukázat jako revoluční, protože jde o úplně nový způsob přemýšlení nad tím, jak zpracovat snímek."
První vyvíjená technologie integruje oversampling "sigma-delta" analog-to-digital converter na každý pixel CMOS senzoru. Předchozí pokusy o tuto on-pixel konverzi většinou ztroskotaly na tom, že potřebovaly příliš mnoho tranzistorů, takže pro vlastní chytání světla již nezbývalo mnoho prostoru, nový design používá pouze 3 tranzistory na pixel, což znamená, že téměř polovina plochy pixelu sbírá světlo. První testy ukázaly, že při snímání videa s framerate 30 fps si snímač vystačil jen s 0,88 nW na pixel - to je 50x méně, nežli je v branži u CMOSů obvyklé. Jako by toho nebylo již tak dost, tento senzor trumfuje své kolegy rovněž v dynamickém rozsahu (rozdíl mezi nejjasnějším a nejtlumenějším zachytitelným světlem, jistě znáte z vlastních snímků za jasného dne "přepálená" místa bez kresby - obloha, okna při focení doma etc.), který není pro CMOSy obvyklých 1:1 000, ale 1:100 000.
Druhá technologie také příjemně překvapila vědeckou veřejnost, a to díky postupu jménem "Focal Plane Image Compression," Bocko a Ignjatovic totiž zjistili, jak uspořádat fotodiody na snímacím čipu tak, že komprese sejmutého obrázku spotřebuje pouze 1 % výkonu obvykle na tuto operaci potřebného. Běžně jsou světlocitlivé fotodiody na čipu uspořádány do mřížky, řekněme 1 000 x 1 000 pixelů, obrázek se sejme a každá fotodioda podá informaci o množství světla, které posbírala, CPU v digitálu poté aktivuje komplexní algoritmy, které z tohoto, řekněme 10megabytového RAWu, udělají soubor mnohem menší velikosti za jistou cenu ztráty kvality. Tato komprese je z hlediska úložného prostoru sice velmi praktická, ale naneštěstí vyžaduje mnoho výpočetní síly a tudíž i energie. Oba vědci objevili způsob, jak lze šikovným rozmístěním fotodiod proces zjednodušit. Normální cestou je při tvorbě JPEGu výpočet nazvaný diskrétní kosinová transformace, která v mezivýsledku pracuje s hodnotami funkce kosinus mezi -1 a +1, což znamená, že výpočet vyžaduje práci s non-integer hodnotami a tím pádem je náročnější na výkon. Vědci ale umístili snímače pouze na taková místa, kde je hodnota kosinových vln rovna právě 1, jedničkou jak známo násobit nemá příliš cenu, takže v konečném důsledku je počet celkově nutných operací i jejich náročnost výrazně nižší.
Členové týmu momentálně pracují na dalším prototypu, který v sobě bude integrovat obě tyto technologie. Tvůrci zamýšlí, že se nové čipy nejprve objeví v bezpečnostních bezdrátových kamerách, po dalším vývoji a úpravách čipu by se měla ukázat i verze spotřebitelská mířící mezi digitální fotoaparáty a chytré telefony.
