一種智能化高幀速視覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)方案概述

陳鐵健 楊鈾 侯晶迪

摘 要 智能化高幀速視覺(jué)傳感器系統(tǒng)是高端消費(fèi)電子及智能制造裝備的核心關(guān)鍵，也是當(dāng)前一個(gè)極其活躍的研究領(lǐng)域。針對(duì)當(dāng)前研究的不足，結(jié)合視覺(jué)傳感器的發(fā)展歷程，本文提出了一種新型的智能化高幀速視覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)方案，通過(guò)采用新型的像素結(jié)構(gòu)及片上集成處理單元，大幅提升獲取圖像的質(zhì)量以及實(shí)時(shí)圖像處理能力。

關(guān)鍵詞 視覺(jué)傳感器;數(shù)字像素;智能傳感器

引言

智能化高幀速視覺(jué)傳感器是高端消費(fèi)電子和智能制造裝的核心關(guān)鍵，也是世界各大技術(shù)強(qiáng)國(guó)競(jìng)相投入的前沿研究領(lǐng)域。目前，大多數(shù)實(shí)用的智能化視覺(jué)系統(tǒng)都需要進(jìn)行基礎(chǔ)研究，自行設(shè)計(jì)芯片以及軟件系統(tǒng)。我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)由于受到國(guó)外技術(shù)封鎖，往往局限于對(duì)已有的芯片組合，甚至在印刷電路板基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)，這樣整個(gè)系統(tǒng)的功能開(kāi)發(fā)會(huì)受到芯片性能的限制，系統(tǒng)的成本、重量和性能都難以得到突破。

針對(duì)這一問(wèn)題，結(jié)合國(guó)際前沿技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，在芯片級(jí)上來(lái)設(shè)計(jì)智能高速視覺(jué)傳感器系統(tǒng)，掌握關(guān)鍵技術(shù)，在國(guó)際前沿水準(zhǔn)上研發(fā)智能化高速視覺(jué)系統(tǒng)是目前的當(dāng)務(wù)之急。針對(duì)這一迫切需求，本文結(jié)合視覺(jué)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)，提出了一種新型的智能化高幀速視覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)方案，通過(guò)采用新型的數(shù)字像素結(jié)構(gòu)，并且在片上集成處理單元;滿足未來(lái)無(wú)人駕駛、自主導(dǎo)航、海底探測(cè)等領(lǐng)域中對(duì)高精度環(huán)境感知與建模的需求。

1視覺(jué)傳感器發(fā)展歷程及趨勢(shì)

CMOS APS相對(duì)無(wú)源像素傳感器結(jié)構(gòu)在像素單元里增加了有源放大管，極大減小了讀出噪聲并且提升了讀出速度;同時(shí)APS量子效率比較高，并且采用了新的消噪技術(shù)，輸出圖信號(hào)質(zhì)量較高，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段。CMOS DPS結(jié)構(gòu)的像素單元讀出為數(shù)字信號(hào)，因此讀出速度極快，具有電子快門(mén)的效果，非常適合高速應(yīng)用。高速圖像處理主要依賴(lài)于并行計(jì)算技術(shù)，以及對(duì)算法的優(yōu)化和并行化。在高速圖像處理方面，多處理單元和片上系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成為趨勢(shì)。德州儀器公司（TI）已經(jīng)推出了整合了基于超長(zhǎng)指令字節(jié)高速DSP（Digital Signal Processor）和ARM（Advanced RISC Machine）的片上多處理單元SoC（System On Chip）。目前國(guó)際上已經(jīng)有一些經(jīng)過(guò)優(yōu)化的機(jī)器視覺(jué)算法庫(kù)，已經(jīng)開(kāi)始研究多線程和并行計(jì)算在圖像處理尤其是圖像識(shí)別技術(shù)、目標(biāo)跟蹤技術(shù)上的應(yīng)用[1]。

2智能視覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)方案

結(jié)合視覺(jué)傳感器的發(fā)展歷程及趨勢(shì)，面向適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境及氣象條件的具體需求，本文提出的智能高幀速CMOS視覺(jué)傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

整個(gè)系統(tǒng)將感光元件、處理單元、存儲(chǔ)器、通信接口集成在一個(gè)片上系統(tǒng)中。其中像素陣列用于對(duì)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)輸入的外界環(huán)境進(jìn)行感光，并經(jīng)過(guò)讀出形成數(shù)字圖像;處理單元對(duì)獲取的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)并行處理，處理程序放在存儲(chǔ)器中，可以實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)讀取、圖像預(yù)處理、圖像識(shí)別、目標(biāo)跟蹤等功能;傳感器之間可以通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳感器間以及與主機(jī)的通信，同時(shí)用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或操作界面設(shè)計(jì)傳感器的工作流程。

在視覺(jué)傳感器獲得圖像的過(guò)程中，成像對(duì)象的反射光經(jīng)過(guò)光闌和濾光陣列處理，不同波長(zhǎng)的光在感光陣列上轉(zhuǎn)化為電信號(hào);并經(jīng)過(guò)固定圖像噪聲校正、亮度控制、噪聲去除、抗混疊差值縮放、空間形變?nèi)コ冗^(guò)程，恢復(fù)出圖像信息;最終通過(guò)編碼，將圖像數(shù)據(jù)輸出[2]。

在提出的圖像傳感器設(shè)計(jì)方案中，像素陣列、曝光控及處理邏輯是其中的關(guān)鍵部件，下面分別對(duì)這些關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。

（1）像素陣列設(shè)計(jì)

整個(gè)像素陣列采用數(shù)字像素設(shè)計(jì)，在每個(gè)像素上，集成光電二極管、電荷存儲(chǔ)單元、像素級(jí)ADC/鎖存器、處理單元及存儲(chǔ)器等彈藥;同時(shí)，片上還集成曝光控制系統(tǒng)、片上處理系統(tǒng)及讀出電路等。

在工作過(guò)程中，光電探測(cè)器在多重采樣電路的控制下復(fù)位，然后對(duì)電荷進(jìn)行累積;然后在曝光控制信號(hào)的控制下進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，并且將數(shù)字量進(jìn)行處理和保存，與傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器只有有限行列AD轉(zhuǎn)換器不同;同時(shí)由于具有像素級(jí)AD轉(zhuǎn)換器，讀出噪聲和固定圖形噪聲都被削弱了。它的另一個(gè)好處是的可以單獨(dú)對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)的值進(jìn)行處理，使得整個(gè)成像系統(tǒng)很靈活。

（2）曝光控制

由于測(cè)量光強(qiáng)的變化，傳感器要有很強(qiáng)的適應(yīng)性才能夠保證采集到圖像的質(zhì)量，通常采用動(dòng)態(tài)范圍DR（Dynamic Range）來(lái)表征傳感器的適應(yīng)能力。

在整個(gè)曝光方案中，增益控制分為數(shù)字增益區(qū)域、復(fù)合控制區(qū)域以及進(jìn)光量調(diào)節(jié)區(qū)域。當(dāng)光強(qiáng)較弱時(shí)，所有數(shù)據(jù)都沒(méi)有達(dá)到最大值，在這種情況下，通過(guò)給每一個(gè)像素值乘以一個(gè)大于1的數(shù)，保證測(cè)量滿量程。當(dāng)光很強(qiáng)時(shí)，通過(guò)調(diào)整進(jìn)光量來(lái)使測(cè)量值落在合適的范圍內(nèi)。

（3）圖像處理單元

片上圖像單元能夠完成對(duì)圖像的后處理，首先采用雙采樣電路對(duì)像素陣列進(jìn)行采樣，并通過(guò)前置放大、顏色差值、RGB增益調(diào)節(jié)、顏色校正、紅綠標(biāo)定的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)白平衡;然后通過(guò)Gamma校正、顏色空間轉(zhuǎn)換等方式，輸出完整的數(shù)字圖像。對(duì)當(dāng)前獲取圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將統(tǒng)計(jì)信息用于自動(dòng)增益控制和自動(dòng)白平衡[3]。

3智能視覺(jué)傳感器應(yīng)用

由于視覺(jué)傳感器安裝位置的限制，通常視覺(jué)傳感器獲得的圖像只能夠反應(yīng)某一個(gè)方向的信息，為了能夠全面地反映多個(gè)方向的信息以及與其他傳感裝置接口，通常在不同方位安裝多個(gè)視覺(jué)器，并采用高速網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)傳感器與圖像處理系統(tǒng)，構(gòu)成圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)，

4結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合圖像傳感器的發(fā)展趨勢(shì)，提出了一種新型的智能化高幀速視覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)方案。對(duì)于攻克芯片級(jí)視覺(jué)傳感關(guān)鍵技術(shù)，提升我國(guó)高端電子消費(fèi)、智能制造及國(guó)防科技工業(yè)具有重大帶動(dòng)和促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 倪景華，黃其煜.CMOS圖像傳感器及其發(fā)展趨勢(shì)[J].光機(jī)電信息，2008（5）：28-33.

[2] 潘銀松.像素級(jí)CMOS數(shù)字圖像傳感器的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.

[3] 付賢松.CMOS圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展技術(shù)的研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

作者簡(jiǎn)介

陳鐵?。?985-），男，河南內(nèi)鄉(xiāng)人;學(xué)歷：博士，職稱(chēng)：副研究員，現(xiàn)就職單位：北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，研究方向：機(jī)器視覺(jué)技術(shù)研究。