基于自适应曝光的CMOS图像传感器的设计与实现

　

概要：像素、多次曝光、多次采样重构、像素自调节多次曝光等技术。鉴于片上反馈系统对自适应调节快速实时等特点,针对实际视觉和工控测量应用等要求,本文从CMOS图传感器像素阵列的数字控制和预处理电路出发,以现有滚筒式曝光为背景,提出了一套通过自适应调节曝光和用户预设方式曝光的CMOS图像传感器系统,曝光时间可从1μs至65ms,在光电响应效率为1.0V/lux·s、可调增益为1和8bit模数转换器(ADC)情况下,探测光强范围可达到10-1～106lux,大幅提高现有CMOS图像传感器线性自适应响应能力。 2 自适应曝光判决算法 采用帧间的自适应曝光调节方式,即每帧内的像素点曝光时间一致,光照响应为线性曲线。根据帧内最大非饱和像素电压,以最小曝光时间T的倍数关系调节下一帧曝光时间,来适应环境照度及最大分辨率。每帧的曝光时间将通过接口实时传输给测量分析电路。具体判决算法为: CMOS图像传感器以T或用户设定时间开始曝光。当第1帧有效图像采集结束开始输出时,曝光控制系统将统计帧内指定区域的像素饱和数,并记录帧内最大非饱和像素电压,即当前曝光条件下图像传感器的最大分辨率。当帧内像素饱和数超过统计阈值,表明曝光过长,将缩短下一帧曝光时间;相反,判断最大非饱和像素电压是超出ADC输出量程1

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摘要：从硬件结构、曝光策略和模拟结果入手,在传统滚筒式曝光基础上,通过对用户设定区域像素饱和值的统计和曝光时间选择算法,提出了一种CMOS图像传感器大动态范围自适应曝光的设计。曝光时间可从1μs至65ms,探测光强范围达到10-1～106lux,设计将充分发挥现有像素性能,实现快速实时的自适应曝光需求。 关键词：自适应曝光;CMOS图像传感器(CIS);大动态范围 引言　　   　　CMOS图像传感器(CIS)具有集成度高、制做工艺通用、体积小、功耗低、无光晕等特点,在非接触无损测量及目标监控等方面,与较为成熟的CCD系统一样,发挥着越来越重要的作用。但由于CIS普遍采用光电二极管线性有源像素,动态响应范围较小。当前,提高其动态范围和自适应曝光调节成为关键问题。为提高CIS的动态范围和高分辨率,多采用对数像素、多次曝光、多次采样重构、像素自调节多次曝光等技术。 　　 　　鉴于片上反馈系统对自适应调节快速实时等特点,针对实际视觉和工控测量应用等要求,本文从CMOS图传感器像素阵列的数字控制和预处理电路出发,以现有滚筒式曝光为背景,提出了一套通过自适应调节曝光和用户预设方式曝光的CMOS图像传感器系统,曝光时间可从1μs至65ms,在光电响应效率为1.0V/lux·s、可调增益为1和8bit模数转换器(ADC)情况下,探测光强范围可达到10^-1～10⁶lux,大幅提高现有CMOS图像传感器线性自适应响应能力。   2         自适应曝光判决算法　　   　　采用帧间的自适应曝光调节方式,即每帧内的像素点曝光时间一致,光照响应为线性曲线。根据帧内最大非饱和像素电压,以最小曝光时间T的倍数关系调节下一帧曝光时间,来适应环境照度及最大分辨率。每帧的曝光时间将通过接口实时传输给测量分析电路。具体判决算法为:   　　CMOS图像传感器以T或用户设定时间开始曝光。当第1帧有效图像采集结束开始输出时,曝光控制系统将统计帧内指定区域的像素饱和数,并记录帧内最大非饱和像素电压,即当前曝光条件下图像传感器的最大分辨率。当帧内像素饱和数超过统计阈值,表明曝光过长,将缩短下一帧曝光时间;相反,判断最大非饱和像素电压是超出ADC输出量程1/2。当未超过时,表明曝光不够,由曝光调节表(表1)改变下帧曝光时间;否则按原有曝光时间继续曝光,曝光判决流程如图1所示。ADC输出与光照关系为 　　　　V=As(λ)Et           (1)     　　其中:E为当前光照度;S(λ)为像系相对光谱响应率;t当前曝光时间;A为可调放大器增益。　　   　　从表1可看出,当光照度骤升或骤降时,只要ADC输出仍在1/2LSB～255内,CMOS图像传感器可以在下一帧就调节到合适的曝光时间使输出值达到ADC半量程之上,实现2⁸E至E光照度变化的快速跟踪自适应。而在1/2LSB～1/256LSB内,自适应系统将可在2frame内达到跟踪。　 　 　　当光照度骤升到达像素饱和时,因无法判断曝光时间缩减程度,自适应系统将重新搜索从当前曝光时间至最小曝光时间内的最佳曝光时间,方案设计了3种搜索方式:曝光缩短为当前曝光时间t的1/256;曝光缩短为t的t1/2取整;曝光缩短为t的1/2。当调节曝光后的图像仍不满足要求时,将按照上述方式之一或曝光表1继续调整曝光时间。以曝光时间2²⁴T至2³T变化为例(10⁰～10⁶lux),介绍3种方式的搜索速度,方式1需4frame时间,方式2需3frame时间,方式3需21frame时间。由此可知,照度变化不大时,方式1较好;相反,方式2较好。因此针对不同应用情况,曝光系统将根据不同方式进行搜索。   3         自适应曝光电路设计　　   　　自适应曝光CMOS图像传感器系统在传统三管有源像素结构、滚筒式曝光和输出模式背景下,根据帧内最大非饱和像素电压,动态调节帧间曝光时间,避免了像素自适应曝光所需与像素阵列相当的RAM存储空间及多次曝光造成的响应曲线压缩,芯片控制复杂度和面积得到大幅降低。此外,该电路允许用户对图像曝光时间及饱和统计范围进行直接调整及控制。系统共包括6部分:像素阵列、8bitADC等模拟电路、饱和像素统计单元、像素扫描单元、曝光调节及时序控制单元,如图2示。 　　   3.1　像素饱和统计单元 　　像素值超过255称为饱和(数据采集为8bitADC),该部分主要完成对像素阵列内指定区域饱和像素值的统计。由于在特定场合(如夜间监视系统),零星灯光或反射光将造成图像部分像素出现饱和,如图3(a)区域a示。如果按照此饱和值调节曝光,将降低图像整体分辨率。因此,设计采用允许用户在图像任意位置设定任意大小的饱和统计区域及阈值的方法来避免上述干扰,如图3(a)中b为用户统计区域,即关注区域。

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