基于自适应曝光的CMOS图像传感器的设计与实现

　

概要：像素点扫描判断工作(见图4示)。当完成1frame图像传输后,临时寄存器中存储的最大非饱和像素值将作为下一帧曝光时间选择的参考值。 3.3 曝光选择单元由8bit最小曝光寄存器、24bit曝光倍数寄存器、掩码电路和曝光判决电路组成,主要完成下一帧曝光时间的提取及选择。最小曝光寄存器存储CMOS图像传感器最小曝光时间,当系统时钟为20M时,最小曝光时间为1μs,寄存器值为14H;曝光倍数寄存器存储当前曝光时间与最小曝光时间的倍数值。在每帧Re2selectphase阶段(见图5),掩码电路将先完成对扫描单元临时寄存器值的分析及曝光时间提取工作,即根据非饱和电压值最高位产生下一帧曝光时间与最小曝光时间的倍数值(见表1第2列),该值将存储至曝光倍数寄存器中。随后,曝光判决电路将根据饱和统计单元的flag信号决定是否更改下一帧曝光时间。由上可知,曝光时间实际为最小曝光时间的2次幂,虽然这将造成图像分辨率的一定下降,但可避免为每个电压值设置曝光时间所需的128×8bit空间,从而降低电路复杂度。 4 像素复位曝光控制逻辑设计及分析 由于图像传感器系统为数模混合系统,而模拟信号抗噪声能力较弱,高速交变的数字信号将给模拟电路引入不必要的噪声,直接影响图像传感器的采集精

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      　　该单元主要由寄存器组、饱和侦测及统计电路组成。寄存器组记录用户指定区域的大小、位置以及统计阈值,未指定时使用默认值。饱和侦测电路采用模拟比较器结构,降低采用数字比较器时的大面积电路和计算延时,也避免了因反相器侦测饱和时的低精度。电路在每行像素数据输出时判断进入统计区域的像素电压,比较结果直接作为饱和统计计数器使能端驱动。当统计计数超过阈值时,表明被测图像光强已不满足用户要求,需缩短曝光时间。此时该统计单元将向曝光调整电路发出flag信号,开始曝光选择,电路结构见图3(b)示。   3.2        像素扫描单元　　 　　由8bit输出寄存器、临时寄存器、比较器及暂存控制逻辑组成。主要完成1frame图像中最大非饱和像素电压的寻找及存储。每行像素数据输出时,扫描单元在scanphase阶段实时完成像素点扫描判断工作(见图4示)。当完成1frame图像传输后,临时寄存器中存储的最大非饱和像素值将作为下一帧曝光时间选择的参考值。   3.3        曝光选择单元　　 　　由8bit最小曝光寄存器、24bit曝光倍数寄存器、掩码电路和曝光判决电路组成,主要完成下一帧曝光时间的提取及选择。最小曝光寄存器存储CMOS图像传感器最小曝光时间,当系统时钟为20M时,最小曝光时间为1μs,寄存器值为14H;曝光倍数寄存器存储当前曝光时间与最小曝光时间的倍数值。在每帧Re2selectphase阶段(见图5),掩码电路将先完成对扫描单元临时寄存器值的分析及曝光时间提取工作,即根据非饱和电压值最高位产生下一帧曝光时间与最小曝光时间的倍数值(见表1第2列),该值将存储至曝光倍数寄存器中。随后,曝光判决电路将根据饱和统计单元的flag信号决定是否更改下一帧曝光时间。由上可知,曝光时间实际为最小曝光时间的2次幂,虽然这将造成图像分辨率的一定下降,但可避免为每个电压值设置曝光时间所需的128×8bit空间,从而降低电路复杂度。   4         像素复位曝光控制逻辑设计及分析　　   　　由于图像传感器系统为数模混合系统,而模拟信号抗噪声能力较弱,高速交变的数字信号将给模拟电路引入不必要的噪声,直接影响图像传感器的采集精度,导致图像质量下降。所以设计在像素曝光、采集逻辑以及数模电路工作时序上做了一些改进:1)电路采用格雷编码,两相邻状态只有1bit不同,这将降低状态转换时信号跳变次数,减少数字噪声的引入。2)数字电路的工作时钟(workcycle)分为idle和work2个阶段,在像素采集阶段不翻转,保证模拟、数字电路分时工作,如图5所示。   4.1        像素曝光复位分析　　 　　曝光(积分)时间为相邻复位信号与采样信号的时间差。由于滚筒式曝光时序以行为单位,对像素阵列进行信号采样、处理和输出。1行内所有像素曝光处理为并行的,各行间像素曝光处理为串行的。因此,处理1行像素所需时间=曝光时间+数据处理时间+像素输出时间。复位曝光逻辑如图5所示,V_out为帧同步信号;H_out为行同步信号;H_rst为曝光复位信号;H(n)为第n行的行有效信号;H_rst(n)为第n行的曝光复位信号;P_out为输出像素时钟;P(n)为第n个像素有效信号。由图可知,曝光复位信号H_rst为行同步信号H_out相关信号,延迟时间=帧时间-曝光时间,即图5(a)中hold1或hold2部分。所以改变曝光时间是通过调节hold宽度来完成的,曝光寄存器实际存储着与曝光时间相应的hold值,1frame时间=曝光延迟时间(hold)+曝光时间(integrating)。 　　 　　曝光自适应时序图5(b)所示,第1行像素在完成第N+1帧曝光时间后(intergating1),将根据当前曝光选择单元的结果开始第N+2帧复位和新曝光长度(intergating2)的曝光,同时ADC将处理和输出第1行的第N+1帧的数据。因此,在第N帧光强变化的图像在第N+3帧才被记录下。造成该延迟主要有两种原因:1)曝光固有延时,曝光到采集数据最长需要1frame时间;2)帧间自适应调节固有延时,由于采用搜索整帧图像后确定曝光时间,当图像第n行采样电压时,第1行数据实际已按照原曝光时间开始采样,需要再等1frame时间,第1行才能采用新曝光时间。所以当t₁时刻光强发生变化时,曝光电路在t₂时刻才能选定新曝光时间,而以新曝光时间采集的图像在t₃时刻才能被记录,即该系统将存在最大3frame时间的固有延迟。但随着输出帧频的提高,该固有延时时间将能够相应减小。   4.2        像素复位曝光设计　　 　　上述曝光切换时序可看出,当2frame曝光时间改变较大时,不同曝光时间将存在叠交。如图5(b),第N+2帧第1行曝光复位发生在第N+1帧第n行曝光复位前(overlap段)。如利用1组复位曝光逻辑将引起控制混乱,因此设计采用2组曝光复位控制时序。当曝光时间不变时,复位计数器1将在延迟行同步信号的hold1时间被使能,开始从第1行至第n行的曝光复位,当完成1frame后,复位计数器1将停止工作,等待hold1时间后再次使能。当曝光时间调节时,如复位计数器1还未计满将继续工作,直至计满整帧。而此时hold寄存器将等待hold2时间后,开始使能复位计数器2。由于2组复位计数器不对同一行复位,因此前后2frame可在不同曝光时间下正常运行。如图4示,曝光调节信号(flag)将更新延迟值并使能另一组闲置曝光复位寄存器。   5            

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