孫小進(jìn)，李平安，黃秀亮（湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410200）

基于相對(duì)比率的高幀頻圖像采集器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

孫小進(jìn)*，李平安，黃秀亮
（湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410200）

為了在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍HDR（High Dynamic Range）圖像采集，提出一種基于檢測(cè)像素相對(duì)比率的新型圖像采集系統(tǒng)。提出的圖像采集器使用全差分電路檢測(cè)信號(hào)比，并通過(guò)基于數(shù)字計(jì)數(shù)器的緊湊列并行讀出電路捕捉像素的脈沖寬度調(diào)制輸出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的光電流比檢測(cè)像素方法，能獨(dú)立地捕捉局部場(chǎng)景特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：提出的COMS圖像傳感器性能較好，當(dāng)標(biāo)稱幀頻為9 600 frame/s時(shí)，提出的32像素×32像素陣列原型CMOS圖像傳感器消耗了4mW的功率；當(dāng)最大幀頻為24 000 frame/s時(shí)，此圖像傳感器消耗了6.8mW的功率。

CMOS圖像傳感器；高幀頻；HDR；相對(duì)采集；機(jī)器視覺(jué)

遙感、生物醫(yī)學(xué)成像、攝影和汽車(chē)等許多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域都需涉到及高動(dòng)態(tài)范圍HDR成像技術(shù)［1～3］。而具有高動(dòng)態(tài)范圍的機(jī)器視覺(jué)既能夠分辨捕捉場(chǎng)景中照明好的區(qū)域，也能夠分辨照明差的區(qū)域［4］。因此對(duì)于機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，HDR也是關(guān)鍵的因素之一。

傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器存在許多缺陷，其處理過(guò)程通常是將光生信號(hào)讀出，作為電壓值，然后通過(guò)集成發(fā)光二極體結(jié)電容上的光電流推算出電壓值，其輸出電壓的最大值由像素和讀出電路確定。因此，有用信號(hào)的物理飽和度限制了最大信號(hào)幅度，從而限制了動(dòng)態(tài)范圍。此外，由于集成了結(jié)電容上的光電流，有用信號(hào)的幅度也取決于發(fā)光二極體的積分時(shí)間。為了獲得較好的圖像信噪比SNR，可以通過(guò)調(diào)節(jié)積分時(shí)間，使帶有最大信號(hào)幅度的像素接近于輸出飽和。然而，如果被捕捉場(chǎng)景中的最大照明度變得非常高，黑暗區(qū)域?qū)?yīng)像素的輸出信號(hào)，很可能會(huì)降到噪聲基底水平以下，從而無(wú)法捕獲。此外，調(diào)節(jié)積分時(shí)間使幀頻與傳感器SNR之間達(dá)到一種權(quán)衡，這樣捕捉出現(xiàn)明顯移動(dòng)的場(chǎng)景會(huì)成為問(wèn)題。在許多應(yīng)用中，針對(duì)移動(dòng)場(chǎng)景情形去達(dá)到高動(dòng)態(tài)范圍是較難以實(shí)現(xiàn)的，其原因在于傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)讀取的是絕對(duì)信號(hào)值；此外，影響傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍因素還和單端工作電路有關(guān)，因?yàn)橄噍^于微分電路，單端電路對(duì)工藝變化和裝置不匹配更敏感。

總之，大多數(shù)傳統(tǒng)傳感器難以獲取高動(dòng)態(tài)范圍的原因是使用單端電路對(duì)絕對(duì)信號(hào)值進(jìn)行傳統(tǒng)采集。針對(duì)這種情況，相關(guān)學(xué)者提出了一些方法，如將梯度采集相機(jī)用于討論的動(dòng)態(tài)范圍高的應(yīng)用［5］。相比較于絕對(duì)信號(hào)采集，信號(hào)梯度采集能夠提供更好的結(jié)果，也能夠使微分運(yùn)算與現(xiàn)有空間邊緣檢測(cè)傳感器的運(yùn)算匹配［6，7］。然而，類似與傳統(tǒng)基于強(qiáng)度的傳感器，現(xiàn)有的相機(jī)仍會(huì)受到物理限制［8］。相較于場(chǎng)景的“黑暗”部分，相鄰像素的信號(hào)強(qiáng)度在場(chǎng)景照明好的部分差異更大，也會(huì)導(dǎo)致飽和、SNR及幀頻的權(quán)衡問(wèn)題產(chǎn)生［9］。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種空間像素相對(duì)采集方法，傳感器能夠直接檢測(cè)水平方向上與垂直方向上相鄰發(fā)光二極體輸出強(qiáng)度之間的比率。檢測(cè)時(shí)并未獲得絕對(duì)信號(hào)值。從理論上說(shuō)，如果捕捉場(chǎng)景的空間信息體現(xiàn)在像素比上，重建的場(chǎng)景是獨(dú)立于實(shí)際的場(chǎng)景照明。此外，相較于檢測(cè)絕對(duì)值，檢測(cè)比率與超大規(guī)模集成電路VLSI（Very Large Scale Integration）設(shè)計(jì)的本質(zhì)更相符。由于像素處理的原理跟傳統(tǒng)的方法不同（沒(méi)有“積分時(shí)間”），因此可以將場(chǎng)景的照明完全從可實(shí)現(xiàn)的幀頻中解耦，從而進(jìn)行高幀頻操作?！跋鄬?duì)像素”是全差分電路，可以降低對(duì)工藝變化的靈敏度。

1　相對(duì)成像的概念

圖1為相對(duì)成像概念的原理圖。圖1（a）是一個(gè)來(lái)自傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的長(zhǎng)期曝光（即長(zhǎng)積分時(shí)間）圖像。長(zhǎng)期曝光圖像能夠恰當(dāng)?shù)胤直娉鰣?chǎng)景中的黑暗區(qū)域。但是，在明亮區(qū)域內(nèi)，對(duì)應(yīng)的像素會(huì)飽和，并且模式信息會(huì)丟失。短期曝光圖像（即短積分時(shí)間，圖1（b））可以分辨出明亮區(qū)域的式樣，但是會(huì)丟失黑暗區(qū)域的信息。相對(duì)成像會(huì)檢測(cè)出垂直方向上相鄰像素和水平方向上相鄰像素（發(fā)光二極體）的比率。我們對(duì)垂直比率與水平比率之間的平均值進(jìn)行計(jì)算，圖1（c）是結(jié)果，可以同時(shí)分辨出明亮區(qū)域和黑暗區(qū)域（兩個(gè)矩形框）。由于傳感器飽和（圖1（a）中矩形），長(zhǎng)期曝光圖像無(wú)法分辨出明亮區(qū)域，而短期曝光圖像無(wú)法分辨出黑暗區(qū)域（圖1（b）、1（c）中矩形）。

圖1　傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器的圖像和MATLAB模擬的相對(duì)成像

2　提出的基于相對(duì)比率的像素采集

圖2是相對(duì)比率像素采集的原理圖。在每個(gè)像素內(nèi)此原理圖被復(fù)制兩次，一次用于垂直方向，另一次用于水平方向。通過(guò)使用跨導(dǎo)線性電路技術(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)間模擬處理電路［10，11］。晶體管M1、M2、M3和M4構(gòu)成了跨導(dǎo)線性環(huán)。在環(huán)內(nèi)，MOS晶體管的柵源電壓滿足下列公式：

圖2　相對(duì)比率像素采集的原理圖

設(shè)所有晶體管（M1～M4）的漏源電流足夠?。ù蠹s在10 nA范圍內(nèi)），所有4個(gè)晶體管在弱反型區(qū)下運(yùn)作，則弱反型區(qū)工作的NMOS裝置的漏源電流可表示為：

其中，nn是NMOS晶體管閾下的斜率系數(shù)，μn是電荷載子（電子）有效移動(dòng)率，Cox是每個(gè)單位面積的柵氧化層電容，W是物理的NMOS柵寬，Leff是有效柵長(zhǎng)，VT0是晶體管的閾值電壓（室溫下的標(biāo)稱值）。從公式（2），可得出下列2個(gè)公式：

聯(lián)合式（1）、式（3）或式（4），可得出：

將跨導(dǎo)線性環(huán)晶體管M1～M4設(shè)計(jì)成相同的柵尺寸，從而I0，1=I0，2=I0，3=I0，4。因此有：

從圖 2可看出，其中 IDS，1=Iout+、IDS，2=Iout-、

IDS，3=IPD+以及 IDS，4=IPD-（IPD+和 IPD-是對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極體電流）。因此，基于式（6），發(fā)光二極體電流之間的比率可表示為：

由于不存在傳統(tǒng)的（發(fā)光二極體）積分時(shí)間。因此由輸出電流（Iout+和Iout-）的比率確定像素輸出，且輸出電流（Iout+和Iout-）由偏置電流Ibias設(shè)置。因此可以在高速條件下可進(jìn)行比率采集而不需要滾動(dòng)快門(mén)輸送像素積分次數(shù)（如同傳統(tǒng)光柵掃描所做）。用列并行的方式讀取像素，同時(shí)讀取了像素的完整行。當(dāng)選擇讀出像素的某一行時(shí)，設(shè)置選擇信號(hào)為較高數(shù)值，并且關(guān)閉預(yù)先向寄生電容器Cpar+和Cpar-充電的晶體管。電流Iout+和Iout-開(kāi)始向寄生電容器放電。當(dāng)寄生電容器的電壓到達(dá)了逆變器的切換點(diǎn)時(shí)，逆變器會(huì)轉(zhuǎn)換輸出電壓。圖3為對(duì)應(yīng)的波形。假設(shè)IPD+＞IPD-，意味著Iout+＜Iout-，進(jìn)一步表示為寄生電容器Cpar+放電的速度比寄生電容器Cpar-慢（見(jiàn)圖3）。因此，通過(guò)電容器Cpar-的電壓首先到達(dá)了逆變器的切換點(diǎn)（Vth）），在負(fù)像素輸出條件下發(fā)生了轉(zhuǎn)換。此轉(zhuǎn)換向讀出計(jì)數(shù)器發(fā)送信號(hào)開(kāi)始計(jì)數(shù)過(guò)程（T0）。由于 Cpar+的放電速度比 Cpar-慢（因?yàn)镮PD+＞IPD-），通過(guò)電容器Cpar+的電壓在Tc-r時(shí)間內(nèi)到達(dá)了逆變器的切換點(diǎn)。當(dāng)Cpar+電壓到達(dá)了切換點(diǎn)時(shí)，逆變器會(huì)在正像素輸出條件下發(fā)生轉(zhuǎn)換，因此，向讀出計(jì)數(shù)器發(fā)送信號(hào)停止計(jì)數(shù)過(guò)程。

圖3　相對(duì)采集像素的波形

從選擇信號(hào)的上升沿開(kāi)始（選擇信號(hào)見(jiàn)圖3），通過(guò)寄生電容器Cpar+的電壓到達(dá)逆變器切換點(diǎn)（以及停止計(jì)數(shù)）所需時(shí)間可表示為：

其中，Vdd是像素電源電壓。同理，通過(guò)寄生電容器Cpar-的電壓到達(dá)逆變器切換點(diǎn)（以及開(kāi)始計(jì)數(shù)）所需時(shí)間可表示為：

這樣，由讀出計(jì)數(shù)器測(cè)量的時(shí)間間隔（Tc-r=Tcount-ratio）為：

由于對(duì)稱電路Cpar+=Cpar-=Cpar，由公式（10）得出：

式（11）也可表示為：

由于 Ibias=Iout++Iout-，如果將兩個(gè)發(fā)光二極體電流之間的比率界定為：

并且時(shí)間常數(shù)τ為：

那么式（11）可表示為：

由式（15）得出下列二次方程：

解二次方程得出：

光電電流比可直接從測(cè)量（計(jì)算）的時(shí)間間隔Tc-r中推斷出。由于Tc-r＞＞τ，式（17）可簡(jiǎn)化為：

因此，光電流比RF與測(cè)量的間隔Tc-r成正比（τ是常數(shù)）。即：如果Tc-r→0（當(dāng)兩邊的電流相等時(shí)），從式（17）得出的比率等于1。圖4為對(duì)應(yīng)的像素輸出轉(zhuǎn)移函數(shù)，橫坐標(biāo)為讀出計(jì)數(shù)器測(cè)量的間隔（標(biāo)準(zhǔn)化為τ），縱坐標(biāo)為基于式（17）的光電流比。

圖4　相對(duì)比率像素采集轉(zhuǎn)移曲線：對(duì)應(yīng)的輸出光電流比RF與標(biāo)準(zhǔn)化為τ的測(cè)量時(shí)間間隔的對(duì)比

使用此技術(shù)測(cè)量的最短時(shí)間間隔（TLSB）與讀出計(jì)數(shù)器的最低位LSB（Least Significant Bit）（或計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)的周期）符合。TLSB的最佳選擇為等于時(shí)間常數(shù)τ。，可獨(dú)立設(shè)置TLSB和τ，且通常TLSB=λ·τ，其中λ≥1。由計(jì)數(shù)器的終值指定可獲得的最長(zhǎng)時(shí)間間隔（Tc-r，max）。因此，可獲得的最大絕對(duì)像素比為：

將像素（i，j）的強(qiáng)度當(dāng)作參考像素強(qiáng)度Iref，可檢測(cè)到的像素（i，j）最小輸出強(qiáng)度等于 Iref/RF，max。依此類推，可檢測(cè)到的像素（i，j+1）最大輸出強(qiáng)度等于 Iref·RF，max。因此，相鄰像素（i，j+1）的動(dòng)態(tài)范圍等于：

對(duì)于本文使用的5 bit計(jì)數(shù)器，基于方程（19），如果TLSB＞＞τ，RFi等于31。然而，如果TLSB≈τ（或λ≈1），需要考慮FR曲線的非線性（見(jiàn)圖4）。經(jīng)TLSB檢測(cè)的信號(hào)略高。當(dāng)TLSB≈τ時(shí)，線性曲線的偏差最高?；诜匠蹋?7）（為T(mén)c-r=TLSB=τ解答），可檢測(cè)的最小比率等于1.62，并非如線性曲線預(yù)測(cè)的結(jié)果等于1?？蓹z測(cè)的最大比率仍等于31，所以，RFi=31/1.62=19.14。因此，對(duì)于TLSB≈τ，理論上的像素動(dòng)態(tài)范圍最小，且等于：

動(dòng)態(tài)范圍值僅用于相鄰像素鄰域（像素（i，j+1））。將像素（i，j+1）強(qiáng)度作為參考，像素（i，j+2）的動(dòng)態(tài)范圍為51.28 dB。然而，如果初始像素（i，j）強(qiáng)度作為像素（i，j+2）的參考，可獲得的動(dòng)態(tài)范圍為：

通過(guò)反復(fù)進(jìn)行同一分析，像素（i，j+k）的動(dòng)態(tài)范圍導(dǎo)致DR=k·DRadj。從理論上說(shuō)，對(duì)于大型的像素陣列，重構(gòu)圖像可以獲得非常高（與場(chǎng)景相關(guān)）的動(dòng)態(tài)范圍。

3　相對(duì)成像的硬件實(shí)現(xiàn)

將相對(duì)比率像素采集方法應(yīng)用于檢測(cè)相鄰發(fā)光二極體生成的光電流比率（鄰近強(qiáng)度的比率）。其中，每個(gè)像素包括兩組發(fā)光二極體：一組用于垂直方向，另一組用于水平方向，如圖5所示。像素基于跨導(dǎo)線性電路原理運(yùn)行，并檢測(cè)發(fā)光二極體電流的比率。如第3節(jié)所述，相對(duì)像素提供了脈沖寬度調(diào)制輸出，其中脈沖寬度與發(fā)光二極體電流之間的比率成正比。每個(gè)像素列都需要兩個(gè)5 bit的輸出計(jì)數(shù)器，主要用于測(cè)量脈沖寬度：一個(gè)計(jì)數(shù)器測(cè)量水平方向的脈沖寬度，另一個(gè)測(cè)量垂直方向的脈沖寬度。對(duì)于包括32×32相對(duì)像素的系統(tǒng)，64列平行的輸出計(jì)數(shù)器由控制邏輯電路實(shí)施和控制。

圖5　相對(duì)比率像素成像的版圖設(shè)計(jì)

完整的模具大小為1 525μm×1 525μm，主要由32×32的相對(duì)采集像素陣列組成。單像素大小為31μm×26μm，其中光檢測(cè)的有源區(qū)為24%。每個(gè)像素都進(jìn)行了較弱的強(qiáng)度采集，動(dòng)態(tài)范圍為38 dB～43 dB，在內(nèi)部發(fā)光二極體之間相對(duì)引用此動(dòng)態(tài)范圍。將包含控制邏輯、讀出計(jì)數(shù)器及行譯碼器的完整數(shù)字模塊組合成單塊并嵌入像素陣列之下。

4　測(cè)量結(jié)果

本設(shè)計(jì)的行選擇緩沖器用于驅(qū)動(dòng)行選擇線［12］。測(cè)量結(jié)果表示：當(dāng)幀率為9 600 frame/s，且電源為1.8 V時(shí)，完整的設(shè)計(jì)會(huì)消耗4mW的功率（未帶有I/O單元）。在幀頻為9 600 frame/s的條件下，大多數(shù)功率是由列和行驅(qū)動(dòng)緩沖器消耗，總共消耗了2.8mW。像素陣列消耗了540μW，主要是靜態(tài)功率，而數(shù)字邏輯電路大約消耗了600μW。設(shè)計(jì)中測(cè)量的最高運(yùn)行幀頻為24 000 frame/s，對(duì)圖像質(zhì)量未造成嚴(yán)重影響。在幀頻24 000 frame/s的條件下，成像器的測(cè)量功耗為6.8mW。

圖6是完整的測(cè)量裝置。芯片直接與PCB鄰接，且在界線上涂有保護(hù)膠。帶有金屬桶和紅外線濾波的小型鏡頭（標(biāo)準(zhǔn)的M12×0.5尺寸）安裝在傳感器的頂部。鏡頭的有效焦距長(zhǎng)度為15.8mm，且鏡頭的焦距比數(shù)為2.0（有效孔徑為7.9mm）。使用賽靈思的Virtex-5 LX FPGA捕捉到了傳感器的數(shù)據(jù)流。圖6是完整的裝置。將帶有傳感器的PCB連接至賽靈思評(píng)估平臺(tái)。讓數(shù)據(jù)進(jìn)一步從FPGA傳送至PC，或通過(guò)DVI端口直接傳送至顯示器。

圖6　相對(duì)比率圖像采集成像裝置

圖7是傳感器在幀頻為9 600 frame/s時(shí)獲得的單獨(dú)的幀。在此次實(shí)驗(yàn)中，傳感器捕捉到了印刷在一張白紙上的“相對(duì)成像”文本。圖7（a）描述了像素偏置電流大約設(shè)置為20 nA時(shí)傳感器的合并原始輸出。通過(guò)計(jì)算比率之間的平均值獲得描述的輸出，比率源于每個(gè)像素的發(fā)光二極體的上下對(duì)和左右對(duì)（見(jiàn)圖5）。在此標(biāo)稱模式下，像素跨導(dǎo)線性環(huán)MOSFET裝置在弱反型下運(yùn)行。檢測(cè)了像素到像素的比率，因此，分辨出了對(duì)應(yīng)字母的邊緣。3個(gè)單獨(dú)的因素有助于強(qiáng)度波動(dòng)，表現(xiàn)為背景的總噪聲。其中2個(gè)因素與傳統(tǒng)噪聲有關(guān)，特別是固定模式噪聲FPN（Fixed Pattern Noise）和暫態(tài)像素級(jí)噪聲。弱反型運(yùn)行對(duì)裝置不匹配敏感，原因在于閾值電壓變化上漏極電流的指數(shù)相關(guān)性。為了減弱不匹配造成的影響，將跨導(dǎo)線性環(huán)晶體管（M1～M4，見(jiàn)圖2）分成2個(gè)指幅（每個(gè)指幅為2μm× 1μm，總共有8個(gè)指幅），加上每邊的4個(gè)假程序。

可在像素布局的中部觀察到的如圖5所示。FPN的另一個(gè)來(lái)源是Cpar+和Cpar-之間的不匹配（見(jiàn)圖2）。為了實(shí)現(xiàn)高幀頻，寄生電容必須小，因此，相對(duì)電容變化大。有助于整個(gè)FPN的第3個(gè)因素是背景（白紙）實(shí)際上是不均勻的。連同印刷字母的邊緣，傳感器捕捉了不均勻的紙表面上的反射比。圖7（b）描述了當(dāng)重復(fù)同一實(shí)驗(yàn)時(shí)傳感器的原始輸出，實(shí)驗(yàn)中像素偏置電流大約設(shè)置為100 nA。對(duì)于超過(guò)100 nA的偏置電流，通常跨導(dǎo)線性環(huán)晶體管會(huì)偏離弱反型運(yùn)行。像素的轉(zhuǎn)移曲線變得相當(dāng)非線性，且傳感器開(kāi)始檢測(cè)強(qiáng)度水平而不是比率。換句話說(shuō)，照明度越高，比率會(huì)越明顯。由于偏置電流更高，傳感器在非線性運(yùn)行模式下獲得了更高的SNR。盡管此特性可劃歸為本文提出的像素拓?fù)涞母弊饔?，在許多潛在應(yīng)用程序中，非線性運(yùn)行模式是有用的。

圖7　從9 600 frame/s的幀頻視頻流選擇的幀，由相對(duì)成像傳感器捕捉

為了預(yù)估和消除不均勻的白色背景造成的影響，本文進(jìn)行了不同的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，將文本“相對(duì)成像”印刷在透明正片上；將傳感器設(shè)置為固定，且傳感器捕捉了印刷文本和固定的背景。在數(shù)字領(lǐng)域進(jìn)行了背景估計(jì)和背景減除，作為后處理步驟。圖8是通過(guò)傳感器傳送的原始輸出幀。背景減除之后，字母的邊緣更加明顯。

圖8　用于捕捉幻燈片上字母的捕獲幀

圖8（a）是與發(fā)光二極體的左右對(duì)（左右比）相符的檢測(cè)到的光電流比。圖8（b）是與檢測(cè)到的上下比相符的原始輸出。圖8（c）是合并的最終輸出，推導(dǎo)出作為上下和左右比之間的平均值（通過(guò)算出圖8（a）和圖8（b）中兩個(gè)幀的平均值獲得圖8（c）中的幀）。由于減弱了背景不均勻造成的影響及FPN噪聲，通過(guò)暫態(tài)噪聲控制圖8中的剩余噪聲，在幀頻非常高的情況下對(duì)暫態(tài)噪聲做出的預(yù)測(cè)。對(duì)于9 600 frame/s條件下圖8中的場(chǎng)景及照明條件，圖9是單一像素比檢測(cè)的SNR與像素偏置電流的對(duì)比。

圖9　當(dāng)幀頻為9 600 frame/s時(shí)，圖8場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)設(shè)置中測(cè)量的SNR

當(dāng)幀頻為9 600 frame/s時(shí)，測(cè)量的總噪聲RMS等于1.6 LSB；當(dāng)幀頻為24 000 frame/s時(shí)，測(cè)量的總噪聲RMS等于2.1 LSB。因此，當(dāng)幀頻為9 600 frame/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的測(cè)量像素到像素動(dòng)態(tài)范圍等于43.11 dB；當(dāng)幀頻為24 000 frame/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的測(cè)量像素到像素動(dòng)態(tài)范圍等于38.39 dB。

表1是相對(duì)成像器的特點(diǎn)總結(jié)，而表2是與類似特征提取設(shè)計(jì)作出的對(duì)比。

表1　相對(duì)比率圖像采集器芯片的特點(diǎn)

表2　與類似特征提取設(shè)計(jì)的比較

5　結(jié)論

相對(duì)比率圖像采集幾乎能夠排除局部場(chǎng)景照明的干擾，捕捉其場(chǎng)景特點(diǎn)和式樣，使其十分適用于了許多HDR（如機(jī)器視覺(jué)）等工業(yè)應(yīng)用，基于此，本文提出一種基于相對(duì)比率的非傳統(tǒng)圖像采集硬件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)包含了全差分、光電比檢測(cè)像素，可以忽略對(duì)傳統(tǒng)光電流集成的需要。將像素采集所需的時(shí)間完全從場(chǎng)景照明中解耦，幀頻獨(dú)立于照明水平，因此可以實(shí)現(xiàn)非常高的幀頻（多達(dá)24 000 frame/s）。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)幀頻為9 600 frame時(shí)，完整的32像素×32像素原型CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)僅消耗了4mW的功率。

［1］ 陳德美.基于CMOS圖像傳感器的高速圖像采集與傳輸系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)［D］.浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

［2］ 黃建元，趙新榮，張長(zhǎng)順，等.基于CMOS成像器件的手指靜脈圖像采集方法及裝置［J］.紅外技術(shù)，2009（1）：51-56.

［3］ 楊會(huì)玲，王軍，楊會(huì)偉.高幀頻CMOS實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，30：309-311.

［4］ 周立波.基于FPGA的高速圖像號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.湖南大學(xué)，2011.

［5］ 王旭東.基于FPGA的PCB光電檢孔機(jī)高速圖像采集系統(tǒng)［D］.電子科技大學(xué)，2011.

［6］ 梁愛(ài)華，付鈧.近紅外指靜脈圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014（1）：113-115+119.

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［8］ 董大波，王湘云，趙柏秦，等.基于單片機(jī)的低成本CMOS圖像采集系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2014（2）：45-49，70.

［9］ GottardiM，Massari N，Jawed SA.A 100$mu$W 128$times$ 64 Pixels Contrast-Based Asynchronous Binary Vision Sensor for Sensor Networks Applications［J］.Solid-State Circuits，IEEE Journalof，2009（5）：1582-1592.

［10］TakahashiN，F(xiàn)ujita K，Shibata T.A Pixel-Parallel Self-Similitude Processing for Multiple-Resolution Edge-Filtering Analog Image Sensors［J］.Circuits&Systems IRegular Papers IEEE Transactionson，2009，56（11）：2384-2392.

［11］孫佳帝.基于SOPC的圖像采集及傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2014，37（6）：1116-1120.

［12］李華.基于FPGA的高精度圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2014，37（5）：840-843.

孫小進(jìn)（1977-），男，漢族，湖南省長(zhǎng)沙人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)，sunxiaojin151@sina.com；

李平安（1976-），男，漢族，湖南省邵東人，碩士，講師，湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院教師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理；

黃秀亮（1978-），男，漢族，湖南省懷化人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院教師，主要研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別與智能控制。

The Design of High Frame Rate Image Acquisition System Based on Relative Ratio

SUN Xiaojin*，LI Pingan，HUANG Xiuliang
（School ofElectronic Engineering，Hunan College of Information，Changsha 410200，China）

In order to achieve high dynamic range（HDR）image acquisition inmachine vision applications，a novel image acquisition system based on the relative ratio of detection pixels is proposed.The proposed image acquisition device uses a fully differential circuit to detect the signal ratio，and the pulsewidthmodulation output is captured by a compact column parallel readout circuitbased on digital counter.And themethod based on optical flow ratio is designed to detect the pixel，It can capture the local sceen features independently.The experimental results show that the proposed CMOSimage sensor is ofgood performance，when the nominal frame rate is 9600 frame/s，the consumed power of the 32 pixel×32 pixel array prototype CMOS image sensor is 4mW；while themaximum frame rate is24 frame/s，the consumed power of this sensor consumed is 6.8mW.

CMOSimage sensor；high frame rate；HDR；relative acquisition；machine vision

TP752；TP391.41

A

1005-9490（2016）04-0957-07

項(xiàng)目來(lái)源：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（15C0978）

20115-08-22修改日期：2015-10-19

EEACC:6140C10.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.039