呂　楠， 余寧梅， 張鶴玖

(西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

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應(yīng)用于無透鏡細(xì)胞成像系統(tǒng)的非線性CMOS圖像傳感器

呂楠， 余寧梅， 張鶴玖

(西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

本文提出了一種應(yīng)用于無透鏡細(xì)胞成像系統(tǒng)的非線性CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)。以犧牲醫(yī)療評估不關(guān)心的背景光強(qiáng)區(qū)域的對比度為代價，將分段式線性對比度拉伸算法集成于CMOS圖像傳感器芯片內(nèi)，在提高細(xì)胞區(qū)域的對比度的同時提高集成度。利用可配置多頻率計數(shù)器，通過對背景灰度粗量化、感興趣細(xì)胞區(qū)域灰度細(xì)量化的方法，在ADC量化精度相同的情況下，增加了細(xì)胞光強(qiáng)區(qū)域的量化精度和對比度。對ADC的靜態(tài)特性仿真結(jié)果表明，本文提出的非線性CMOS圖像傳感器滿足各個模式下對精度的要求。通過Matlab仿真對比分析了片外分段式線性對比度拉伸和本文提出的芯片內(nèi)部的對比度拉伸。仿真結(jié)果表明，采用本文方法形成的細(xì)胞圖像精度更高、細(xì)節(jié)效果更清晰，這為后續(xù)圖像數(shù)據(jù)處理提供了有利條件。

無透鏡成像； CMOS圖像傳感器； 非線性單斜率ADC； 分段式線性對比度拉伸； 數(shù)字可配置多頻率計數(shù)器

細(xì)胞檢測一直是醫(yī)療及時診斷(Point-of-Care)的一個重要依據(jù)和重要指標(biāo)。細(xì)胞種類、細(xì)胞個數(shù)以及細(xì)胞圖像也已經(jīng)成為了評估疾病和健康標(biāo)準(zhǔn)的重要醫(yī)學(xué)手段[1-2]。近年來，隨著智慧醫(yī)療及物聯(lián)網(wǎng)概念的普及，對醫(yī)療檢測設(shè)備提出了新的要求[3]。在無透鏡成像系統(tǒng)中，CMOS圖像傳感器是采集圖像的關(guān)鍵部件，對其進(jìn)行深入研究，具有重要意義[4-7]。

無透鏡細(xì)胞成像遵循透射成像機(jī)制，由于細(xì)胞與背景透射度比較接近，使得細(xì)胞整體圖像對比度較低。此外，由于無透鏡細(xì)胞成像系統(tǒng)無法對視場放大，導(dǎo)致細(xì)胞圖像分辨率過低。這兩點增加了細(xì)胞統(tǒng)計誤差，影響了醫(yī)療診斷結(jié)果。針對第一點，現(xiàn)階段解決的方法是采用片外數(shù)字對比度拉伸技術(shù)[8]。但是，該方法一方面會放大細(xì)胞光強(qiáng)區(qū)域的量化噪聲，導(dǎo)致細(xì)胞圖像質(zhì)量下降，另一方面對于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)而言，圖像對比度拉伸算法的核心在于針對圖像全局的隨機(jī)映射函數(shù)[9]，很難集成于圖像傳感器內(nèi)。但是在細(xì)胞成像應(yīng)用中，灰度分布比較確定。相對于背景灰度而言，細(xì)胞灰度較為集中，映射函數(shù)簡單。在無透鏡細(xì)胞成像中，通過簡單的邊緣灰度檢測就可以很容易確定對比度拉伸的映射函數(shù)。對于第二點，一般采用多幀或單幀超分辨率重構(gòu)來提高分辨率[10]。但是無論哪種數(shù)字圖像處理效果都取決于低分辨率下細(xì)胞圖像的精度。

本文提出了一種非線性單斜率ADC結(jié)構(gòu)，將分段式對比度拉伸集成在CMOS圖像傳感器內(nèi)部。利用可配置多頻率計數(shù)器，通過對背景灰度粗量化、感興趣細(xì)胞區(qū)域灰度細(xì)量化的方法，在ADC對圖像信息量化精度相同的情況下，增加了細(xì)胞光強(qiáng)區(qū)域的量化精度，為數(shù)字圖像處理提供了精度更高、細(xì)節(jié)更清晰的細(xì)胞部分圖像。相比于傳統(tǒng)的線性單斜率ADC，本文提出的非線性ADC結(jié)構(gòu)只需要增加一個可配置多頻率計數(shù)器電路和一個簡單的數(shù)字邊緣檢測電路，保留了單斜率ADC內(nèi)在高精度的優(yōu)點。

1　非線性CMOS圖像傳感器系統(tǒng)

本文提出的非線性單斜率CMOS圖像傳感器如圖1所示。每一列像素共用一個相關(guān)雙采樣電路(CDS)、數(shù)字可編程增益放大器(DPGA)、高速動態(tài)鎖存比較器和10位寄存器。CDS電路用來消除復(fù)位噪聲，DPGA通過調(diào)節(jié)放大倍數(shù)進(jìn)而擴(kuò)展圖像傳感器的動態(tài)范圍。非列電路包括斜坡發(fā)生器、行控制譯碼電路、列輸出譯碼電路、10位可配置多頻率計數(shù)器和數(shù)字邊緣檢測電路。相比于傳統(tǒng)的單斜率ADC，本文提出的非線性單斜率CMOS圖像傳感器增加了一個10位可配置多頻率計數(shù)器和一個數(shù)字邊緣檢測電路。

圖1　非線性列并行單斜率CMOS圖像傳感器系統(tǒng)框圖Fig.1　Block diagram of the proposed nonlinear column-parallel single-slope CMOS image sensor

圖2為本文提出的非線性單斜率ADC工作原理示意圖。我們以動物細(xì)胞為例，整個細(xì)胞包括細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞膜等。本文提出的非線性單斜率ADC有三種工作方式：線性模式、中度拉伸模式和深度拉伸模式。

在線性工作模式下，本文提出的ADC結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)線性單斜率ADC工作原理相同。整個光強(qiáng)范圍內(nèi)采用固定計數(shù)頻率計數(shù)。

在對比度拉伸模式下，基于細(xì)胞的組成和特點，我們將整個光強(qiáng)范圍分為五個光強(qiáng)區(qū)間。在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)所在的光強(qiáng)區(qū)間采用一個更快的計數(shù)頻率來獲得更高的A/D轉(zhuǎn)換增益;在背景光強(qiáng)區(qū)間采用一個較慢的計數(shù)頻率來獲得一個較低的A/D轉(zhuǎn)換增益。

圖2　非線性單斜率CMOS圖像傳感器工作原理示意圖Fig.2　The working principle diagram of the proposed nonlinear column-parallel single-slope CMOS image sensor

為了滿足不同模式下時序的一致性，在低對比度拉伸模式下各個區(qū)間計數(shù)碼必須滿足以下條件：

(1)

同時在高對比度拉伸模式下必須滿足：

(2)

其中，a、b、c、d，e表示細(xì)胞不同組成部分的光強(qiáng)范圍。雖然在這種分段方式下對比度拉伸系數(shù)不能自由控制,但是可以很大程度上簡化時序的復(fù)雜度，實現(xiàn)圖像傳感器芯片內(nèi)部的集成。

1.1可配置多頻率計數(shù)器

可以看出，相比于傳統(tǒng)的線性單斜率ADC，本文提出的非線性單斜率ADC中最重要的電路模塊是可配置多頻率計數(shù)器。圖3所示為可配置多頻率計數(shù)器電路示意圖。

圖3　可配置多頻率計數(shù)器電路框圖Fig.3　Block diagram of the proposed configurable multi-frequency counter

第一級4位同步計數(shù)器產(chǎn)生第二級10位同步計數(shù)器的計數(shù)頻率，從低到高依次為D0、D1、D2、D3。區(qū)間劃分模塊通過控制計數(shù)參考頻率的順序和轉(zhuǎn)換周期來確定非線性轉(zhuǎn)換的映射函數(shù)。區(qū)間劃分模塊有兩種輸入方式。第一種是通過引入外部參考信號。這主要是考慮到當(dāng)測試細(xì)胞固定不變時，可以通過醫(yī)學(xué)手段獲得更為合理的映射函數(shù)。第二種方法是通過邊緣檢測電路得到映射函數(shù)。邊緣檢測電路由10位數(shù)字比較器并行處理實現(xiàn)。

筆者以高對比度拉伸模式為例進(jìn)一步說明可配置多頻率計數(shù)器的工作原理，如圖4所示。

圖4　高對比度模式下可配置多頻率計數(shù)器工作原理示意圖Fig.4　The operation principle of the proposed configurable multi-frequency counter in high-stretch mode

在高對比度拉伸模式下，兩個二選一選擇器的輸出分別為Mclk和D3，第二級10位同步計數(shù)器的參考計數(shù)頻率為Mclk、D0和D3。通過控制四選一選擇器，第二級10位同步計數(shù)器產(chǎn)生一個特定的數(shù)字輸出。相比于傳統(tǒng)的10位同步計數(shù)器，本文提出的可配置多頻率計數(shù)器需要更大的功耗和芯片面積。但是對于傳感器芯片整體而言，增加的面積和功耗幾乎可以忽略。

在無透鏡成像應(yīng)用環(huán)境下，本文提出的可配置多頻率計數(shù)器具有兩個優(yōu)點: 1)針對不同的測試細(xì)胞,光強(qiáng)區(qū)間和計數(shù)頻率可以進(jìn)行調(diào)節(jié); 2)可配置多頻率計數(shù)器提高對比度的方法在細(xì)胞所在的光強(qiáng)區(qū)域不會放大量化噪聲，進(jìn)而降低細(xì)胞圖像質(zhì)量。在A/D轉(zhuǎn)換之前,輸入信號噪聲nin可以表示為:

nin=nthermal+npho_shot+nc

(3)

其中nthermal表示光電二極管的熱噪聲，npho_shot表示散粒噪聲,nc表示列電路產(chǎn)生的噪聲。對于線性ADC而言, A/D轉(zhuǎn)換后噪聲nout可以表示為:

nout=nin+nq

(4)

其中nq表示量化噪聲。片外實現(xiàn)分段式對比度拉伸后，噪聲變?yōu)?

noff-PLCS=αinouti∈1,2,3,…,m

(5)

其中m表示區(qū)間個數(shù),αi表示對應(yīng)的不同區(qū)間的壓縮或者拉伸系數(shù)。當(dāng)對應(yīng)的區(qū)間為壓縮區(qū)間時αi小于1，當(dāng)對應(yīng)的區(qū)間為拉伸區(qū)間時αi大于1。因此, 細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)所在拉伸區(qū)間的輸入噪聲和量化噪聲都會被放大, 導(dǎo)致該區(qū)間的圖像質(zhì)量下降。采用本文提出方法，噪聲變?yōu)?

non-PCLS=nin+βinqi∈1～5

(6)

其中βi代表計數(shù)頻率D1與相對于區(qū)間計數(shù)頻率的比值。因此，βi表示為:

(7)

其中fclk(i)包括fm_clk、f(D0)、f(D1)、f(D3)?？梢钥闯?，采用本文提出的可配置多頻率計數(shù)器，細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)所在的拉伸區(qū)間在整個光強(qiáng)范圍內(nèi)具有最小的量化噪聲。

1.2高速動態(tài)鎖存比較器

為了實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換速度, 本文采用高速動態(tài)鎖存比較器[11]。考慮到列寬限制, 鎖存器前級采用三級預(yù)放大來減小失調(diào)電壓。此時，比較器的失調(diào)電壓主要由第一級預(yù)放大器的輸入差分對管以及負(fù)載管的匹配度決定[12]。為了進(jìn)一步降低失調(diào)，可減小四個管子的VDsat, 同時增大溝道長度。此外,采用輸出失調(diào)抑制技術(shù)(OOS)來抑制KT/C噪聲。在時序控制方面, 為了減小回踢噪聲引入的誤差, 鎖存器相對于預(yù)放大級延遲四分之一個時鐘周期。

2　設(shè)計仿真與驗證

2.1CMOS圖像傳感器版圖

本文提出的應(yīng)用于無透鏡成像的非線性單斜率CMOS圖像傳感器采用0.18 μm UMC CIS工藝設(shè)計, 整體版圖(包括部分測試電路與I/O)如圖5所示，面積為(3.7×4.1) mm2,像素陣列為96×64?？膳渲枚囝l率計數(shù)器的有效面積為0.056 mm2, 功耗為1.5 mW。

圖5　CMOS圖像傳感器版圖Fig.5　Layout of the proposed nonlinear single-slope CMOS image sensor

表1給出了本次設(shè)計的非線性單斜率CMOS圖像傳感器的各項參數(shù)。

表1　非線性單斜率CMOS圖像傳感器性能參數(shù)

2.2靜態(tài)特性仿真

本文提出的基于可配置多頻率計數(shù)器的非線性單斜率ADC在Cadence Analog Design Environment平臺上使用Spectre仿真器進(jìn)行仿真。在3.3V電源電壓、20 MHz采樣頻率下，整體功耗為165 mW，其中列電路平均功耗為1.8 mW，斜坡發(fā)生器平均功耗為27 mW, I/O平均功耗為12 mW。采用線性斜坡電壓作為采樣信號進(jìn)行靜態(tài)特性仿真，每個碼采樣100個點。

圖6為3種不同模式下靜態(tài)仿真的差分非線性誤差(Differential Nonlinearity，DNL)和積分非線性誤差(Integral Nonlinearity，INL)性能對比，其中最低有效位(Least Significant Bit，LSB)表示最小可分辨分辨電壓。

1) 在線性計數(shù)下，通過MATLAB進(jìn)行碼密度分析，靜態(tài)仿真結(jié)果如圖6(a)所示，其中最大的DNL=-0.42 LSB,INL=-0.82 LSB；

2) 在中度對比度拉伸模式下，a=128,b=18,c=128,d=128,e=800,進(jìn)行歸一化處理，靜態(tài)仿真結(jié)果如圖6(b)所示，其中最大的DNL=-0.45 LSB,INL=+0.86 LSB；

3) 在高度對比度拉伸模式下，a=94,b=18,c=94,d=18,e=796，進(jìn)行歸一化處理，靜態(tài)仿真結(jié)果如圖6(c)所示，其中最大的DNL=+0.49 LSB,INL=-0.63 LSB。

圖6　3種不同模式下靜態(tài)仿真結(jié)果對比Fig.6　Simulation results for normalized static characteristic in three different modes

2.3無透鏡細(xì)胞采集驗證

為了驗證本文提出方法的有效性，本文采用12位精度的CMOS圖像傳感器(MT9P031)在無透鏡細(xì)胞采集平臺對未染色的羧基微球(樣本直徑為40μm)進(jìn)行采集。整個采集系統(tǒng)如圖7所示。

圖7　無透鏡細(xì)胞采集系統(tǒng)Fig.7　Cell image acquisition system with lensless CMOS image sensor

圖8給出不同模式下的微球樣本圖像及灰度直方圖。圖(a)為通過本文搭建的采集系統(tǒng)采集微球樣本圖像及對應(yīng)的灰度直方圖，可以看出圖像對比度較低。為了驗證本文提出的方法的有效性，通過Matlab仿真對比了傳統(tǒng)的分段式線性對比度拉伸和本文提出的非線性對比度拉伸方法；圖(b)為按照分段式線性對比度拉伸后的微球樣本圖像灰度直方圖；圖(c)為按照本文提出的非線性高度對比度拉伸后的樣本圖像及對應(yīng)的灰度直方圖。

可以看出，按照本文提出的非線性ADC結(jié)構(gòu)，細(xì)胞圖像精度更高、細(xì)節(jié)效果更清晰，這為后續(xù)圖像數(shù)據(jù)處理提供了有利條件。

圖8　在不同模式下的微球樣本圖像及灰度直方圖Fig.8　The carboxyl microspheres image and gray histogram captured by the image acquisition system in different modes

3　結(jié)　語

本文提出了一種應(yīng)用于無透鏡細(xì)胞成像的非線性單斜率CMOS圖像傳感器，實現(xiàn)了對比度拉伸算法到CMOS圖像傳感器芯片內(nèi)部的集成。該結(jié)構(gòu)利用可配置多頻率計數(shù)器，在細(xì)胞光強(qiáng)區(qū)域采用高頻率計數(shù)，在不關(guān)心的背景光強(qiáng)區(qū)域采用低頻率計數(shù)，以背景光強(qiáng)區(qū)域的精度為代價，提高了細(xì)胞光強(qiáng)區(qū)域的精度。在0.18 μm UMC CIS工藝下設(shè)計完成了該圖像傳感器。

通過仿真靜態(tài)特性，在三種模式下，均滿足精度要求。通過已搭建的無透鏡細(xì)胞圖像采集系統(tǒng)對未染色的羧基微球進(jìn)行圖像采集，驗證了本文提出的方法。

通過對比，在單幀低分辨率的圖像中，本文提出的方法在細(xì)胞光強(qiáng)區(qū)域可以得到更多的細(xì)胞細(xì)節(jié)信息，為后續(xù)的超分辨率算法提供了更為可靠的數(shù)據(jù)。

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(責(zé)任編輯楊小麗)

Nonlinear CMOS image sensor for lensless cell imaging application

Lü Nan， YU Ningmei， ZHANG Hejiu

(School of Automation and Information Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China)

A nonlinear CMOS image sensor integrated with contrast stretch for lensless cell imaging system is presented in this paper, with coarse quantified in the background light intensity and fine quantified in the cell light intensity by using a configurable multi-frequency counter. Compared with the conventional off-chip contrast stretching algorithm, using this method does not degrade image quality at the interested light intensity range (cell) at the cost of unconsidered range (background) in the same quantization precision. The static characteristics simulation results through spectre indicate that the nonlinear single-slope ADC is satisfied with 10-bit accuracy for the three modes. Matlab simulation results show that the more details of cell image can be obtained by this method, providing the higher precision of cell image for the image data processing.

lensless imaging; CMOS image sensor; nonlinear single-slope ADC； piecewise linear contrast stretch; digital configurable multi-frequency counter

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.03.001

2016-03-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(61471296)；陜西省國際科技合作與交流計劃資助項目(2014KW01-06)

呂楠，男,博士生，研究方向為超大規(guī)模模擬集成電路設(shè)計。E-mail：sheng_xing@yeah.net

余寧梅，女，博導(dǎo)，教授，博士，研究方向為專用集成電路設(shè)計技術(shù)及工藝。E-mail: yunm@xaut.edu.cn

TN72

A

1006-4710(2016)03-0253-06