周輝，黃煥立，戶晉文，李玉琪

(1.廣州飛歌汽車音響有限公司，廣東廣州 510670；2.華南理工大學，廣東廣州 510640)

一種曝光時間自適應寬動態(tài)行車記錄儀設計

周輝1，黃煥立1，戶晉文2，李玉琪1

(1.廣州飛歌汽車音響有限公司，廣東廣州 510670；2.華南理工大學，廣東廣州 510640)

針對夜間行車環(huán)境中，行車記錄儀后路攝像頭處于逆光、強光或明暗反差大等復雜光線情況下不能清晰獲取汽車后方影像的問題，提出一種像素單元曝光時間自適應技術來拓寬CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍。在有源像素傳感器像素單元電路基礎上增加積分電容、電壓比較器和時間-電壓編碼信號讀入電路。其功能是當積分電容電壓低于曝光時間閾值電壓時，光電二極管停止積分，像素單元曝光時間短；當積分電容電壓高于曝光時間閾值電壓時，光電二極管曝光至固定時間，以此實現(xiàn)像素單元曝光時間自適應。在受到后方車輛遠光燈照射情況下對兩種行車記錄儀攝像頭進行測試，試驗結果表明：與采用傳統(tǒng)有源像素傳感器的行車記錄儀相比，安裝有寬動態(tài)CMOS圖像傳感器的行車記錄儀所拍攝的圖像明亮區(qū)域圖像不刺眼、陰暗區(qū)域圖像不失真，降低了眩光、反射光、陰影對畫面清晰度的影響，能夠清晰、真實地還原拍攝環(huán)境圖像信息。

CMOS圖像傳感器；行車記錄儀；動態(tài)范圍；電壓比較器；曝光時間自適應

0 引言

行車記錄儀的圖像質量受到多種外界環(huán)境的影響，例如路況、天氣狀況、環(huán)境光線(夜間路燈、行車燈)等。為了獲得滿意的圖像質量，這就要求行車記錄儀在圖像的分辨率、細節(jié)呈現(xiàn)等方面有更好的性能。然而，普通的行車記錄儀很難在逆光、強光或者明暗反差大等復雜光線情況下清晰記錄汽車的行駛環(huán)境信息，尤其是后路攝像頭的視頻質量更加不理想。

動態(tài)范圍DR(Dynamic Range)是圖像傳感器主要性能指標之一，定義為傳感器所能感知的最大非飽和信號與最小可探測信號的比值[1]。由于感光器的動態(tài)范圍越高，需要采集的光源信號就越能夠被真實、準確、充分地投射到感光器上，因此成像質量也就越高，畫面就會越真實，層次就會更豐富。所以研發(fā)在復雜光線條件下能夠準確、清晰記錄車輛行駛環(huán)境信息的寬動態(tài)WDR(Wide Dynamic Range)行車記錄儀一直是國內(nèi)外行車記錄儀廠商不斷研究的目標。近年來，國內(nèi)外諸多學者從CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器像素單元結構出發(fā)，在拓寬其動態(tài)范圍方面做了大量的研究。D SCHEFFER等[2]將光電二極管電壓置于某電平，使二極管連接的負載晶體管電流等于光電二極管產(chǎn)生的光電流，使光電流-電壓轉換呈對數(shù)關系，提高了動態(tài)范圍，但是圖像對比度小，信噪比低。O SCHREY等[3]提出具有單個像素復位功能的像素結構，以此控制每一個像素的積分時間，允許照度小的像素積分時間較長，照度大的像素積分時間較短，但該結構要求像素單元讀出頻率高，在高讀出頻率下實現(xiàn)光電轉換及模擬-數(shù)字轉換器(Analog to Digital Converter，ADC)功能困難。S KAVADIAS等[4]采用橫向溢出柵(Lateral Overflow Gate)像素結構增加等效電容的電荷容量，從而達到拓寬動態(tài)范圍的目的，但光電二極管在幀間沒有復位，可能會導致圖像拖尾現(xiàn)象，從而影響成像質量。S DECKER等[5]在不改變一般CMOS APS像素結構基礎上，增加一個列信號輸出路徑，達到同時讀出兩幅圖像的目的，但圖像的重構處理在像素單元外執(zhí)行。

作者擬采用像素單元曝光時間自適應技術，設計了基于曝光時間自適應技術的像素單元的電路結構，采用該技術的行車記錄儀攝像頭將具有高動態(tài)范圍的特性，因而可以獲得更佳的視頻以及圖像信息。

1 基于像素單元曝光時間自適應的動態(tài)范圍擴展方法設計

為保證像素單元在光強差異大的環(huán)境下正常工作，防止因像素飽和而產(chǎn)生圖像模糊問題，作者提出像素單元曝光時間自適應技術。該技術通過在有源像素傳感器(Active Pixel Sensor, APS)像素單元電路結構基礎上增加積分電容、電壓比較器，并且在像素單元外增加時間-電壓編碼電路，當積分電容電壓低于曝光時間閾值電壓時，光電二極管停止積分，像素單元曝光時間短；當積分電容電壓高于曝光時間閾值電壓時，光電二極管曝光至固定時間，因此像素單元具有高光強下短時間曝光、低光強下長時間曝光的特性，實現(xiàn)了像素單元曝光時間自適應。

1.1 像素單元整體電路的設計

圖1是具有曝光時間自適應特性的像素單元電路整體結構框圖。

圖1 曝光時間自適應特性像素單元電路工作流程

高光強下，光電二極管輸出電壓高于曝光時間閾值電壓V0，電壓比較器翻轉，光電二極管中的積分電容停止放電，比較器翻轉時刻記為tc(即像素單元積分時間)。此時，電壓比較器輸出單邊下降脈沖，經(jīng)延時脈沖產(chǎn)生電路處理后得到采樣脈沖，此脈沖通過時間-電壓編碼讀入電路采樣信號，通過采樣時間-編碼脈沖(signal1和signal2)可以將tc對應的時間信息轉換成電壓信號存儲在電容中，即為電壓信號1和電壓信號2。當光電二極管受到光照時，若其輸出電壓不足以使電壓比較器翻轉，此時光強定義為低光強。低光強下，光電二極管在固定曝光時間下輸出電壓信號3。經(jīng)過行/列選通輸出電路、采樣保持電路處理這3個電壓信號，其中通過分析電壓信號1與電壓信號2可以得到高光強下曝光時間tc，分析曝光時間閾值電壓V0與電壓信號3可以得到像素單元所受光強信息。

1.2 像素單元電路結構設計

與有源像素圖像傳感器像素單元電路結構相比，曝光時間自適應像素單元電路結構增加了電壓比較器、控制時間-電壓編碼信號signal1與signal2，讀入的PMOS管和時間-電壓編碼信號存儲電容C1、C2，具體電路結構如圖2所示。

通過在有源像素傳感器像素單元電路結構基礎上增加積分電容、電壓比較器，分析曝光時間閾值電壓V0與電壓信號3可以得到像素單元所受光強信息，并且在像素單元外增加了時間-電壓編碼電路，因此實現(xiàn)了高光強下短時間曝光、低光強下長時間曝光特性，實現(xiàn)了像素單元曝光時間自適應。

圖2 像素單元電路結構圖

1.3 時間-電壓編碼信號

為了不增加像素單元外存儲器，同時達到存儲高光強下曝光時間tc要求，像素單元電路采用兩個時間-電壓編碼信號signal1和signal2，與曝光時間tc建立良好的線性映射轉換關系。時間-電壓編碼信號如圖3所示。其中，tc為電壓比較器翻轉時間。

圖3 時間-電壓編碼信號

由圖3可知：signal1時間-電壓編碼信號是由V形波組成，在時間點T、2T、4T、8T、16T、32T、64T、128T、256T上波形斜率交替變化，V形波的電壓變化范圍為1～2 V；signal2時間-電壓編碼信號在每個時間間隔中線性下降1/256 V，逐漸由高電平2 V電壓信號變?yōu)榈碗娖? V電壓信號。在高光強下，電壓比較器翻轉產(chǎn)生的單邊下降脈沖經(jīng)延時脈沖采樣電路處理得到采樣脈沖，此采樣脈沖和signal1與signal2同時讀入各自的時間-電壓編碼脈沖電路中。像素單元外處理器對帶有采樣脈沖與signal1信號的電壓信號1進行處理，可以得到曝光時間tc所屬的時間段信息，完成對tc的初定位。同時，處理器對帶有采樣脈沖與signal2信號的電壓信號2進行處理，由于signal2信號下降斜率平緩，故可以在得到tc初定位信息后在相應時間段內(nèi)完成對tc的精確定位。由于時間-電壓編碼信號所能確定的曝光時間范圍為T～256T，所以該像素單元所能檢測到的最大光電流Imax是能夠使電壓比較器在時間點T翻轉的電壓信號所對應的光電流，能檢測到的最小光電流Imin是由積分電容能夠采樣到的最小電壓信號決定的。

1.4 動態(tài)范圍的估計

通過對上述電路的設計，可以對像素單元的動態(tài)范圍進行估計，估計方法如公式(1)所示：

(1)

式中：T是最小的檢測時間，T=64 μs，是電壓信號1在第一階段(第一周期)翻轉時間點所對應的時間；N是時間-電壓編碼信號的階數(shù)；CVDR是積分電容的動態(tài)范圍。

已知時間-電壓編碼信號的階數(shù)為8，積分電容動態(tài)范圍CVDR標稱值為64 dB。因此，該曝光時間自適應像素單元期望的動態(tài)范圍DR為：

(2)

由式(2)可以看出：采用曝光時間自適應技術的像素單元拓寬的動態(tài)范圍為20×8log102，約為48 dB。

2 試驗與結果分析

在一個光電板上進行了這個曝光時間自適應傳感器的功能性測試，試驗主要檢測該傳感器的入射輻射的功率以及波長。測試設備由一個白色光源(250 W)、一個積分球(直徑200 mm)、一組濾光片(90%～1%的透光度)、一個單色光源以及一套測量輻射頻率的設備組成，測試設備中還包含一個用于校準的硅檢測器。

在一個標準的芯片(0.35 μm，3層金屬互聯(lián)，雙策略，3.3 V的CMOS)上制作了一個基于高動態(tài)范圍的1 280像素×720像素的圖像傳感器，整體芯片的尺寸為5.67 mm×8.90 mm。

2.1 光譜響應度

應用單色光源獲得了狹窄的光譜，由此可以測量該傳感器的頻譜響應。測量中，以2 nm的步長獲得了可見光和近紅外光(波長范圍為400～1 000 nm)。圖4展示了光譜響應曲線，該曲線對應于40%的量子效率。

圖4 光譜響應度

在波長范圍為570～730 nm內(nèi)，試驗曲線的最大峰值響應接近于0.2 A/W。觀察到的峰值由于在鈍化層中的活躍區(qū)出現(xiàn)了多次反射。僅僅從硅鑄造的一些技術細節(jié)中，想得知響應波長的最大值、最小值、鈍化層的厚度、數(shù)量以及組成之間的精確關系是不可能的。然而，在氧化層厚度約等于6.35 μm和折射率等于1.46的情況下，峰值波長可以用公式(3)與公式(4)進行計算：

λmax=4nd/2m

(3)

λmin=4nd/(2m+1)

(4)

實驗結果顯示：當m取值為1,2,3，…，在波長范圍650～1 000 nm之間，理論值和實驗結果一致。

2.2 功率響應

試驗中使用了兩種不同的測量方式測量曝光自適應傳感器的功率響應。第一種測量在低照度范圍(10-10～2.5×10-7W/mm2)下進行，第二種測量在高照度范圍(10-7～2.5×10-3W/mm2)下進行。積分球只用在低照度范圍的試驗中。實際上，積分球的作用是將光線發(fā)散，阻止光線匯聚，以此達到所需的光線照度值。圖5展示了使用低照度測量時，曝光時間自適應傳感器的動態(tài)范圍DR=20log10(2.1×10-7/5.0×10-10)≈52 dB。這個結果意味著，以1.2%的非線性誤差，得到了一個較好的線性關系。

圖5 低照度下，輸出電壓和照度的關系

在高照度值的試驗中，發(fā)生了一個扭曲現(xiàn)象，基于模擬延遲時間變化得知，入射光線的進入數(shù)量多于預期值。結果，曝光時間自適應傳感器的動態(tài)范圍降低了，總體的動態(tài)范圍小于期望的動態(tài)范圍112 dB。然而，電壓信號3的分辨率達到了2 mV，因此在低光層次提高了動態(tài)范圍，所以總體的動態(tài)范圍DR≈52+48≈100 dB。

2.3 應用試驗

圖6中左側是采用像素單元曝光時間自適應技術的行車記錄儀后路攝像頭，右側是傳統(tǒng)有源像素單元的行車記錄儀后路攝像頭。

圖6 測試用攝像頭

圖7(a)為采用曝光時間自適應像素單元的行車記錄儀后路攝像頭在受到后方來車遠光燈照射時所拍攝的圖像，圖7(b)為采用傳統(tǒng)有源像素單元的行車記錄儀后路攝像頭所拍攝的圖像。

圖7 采用曝光時間自適應像素單元行車記錄儀和傳統(tǒng)有源像素單元行車記錄儀拍攝圖像

由圖7(a)、(b)對比可知：后方車輛遠光燈照射在花崗巖地板上，地板反射光和后車遠光燈在行車記錄儀攝像頭拍攝范圍內(nèi)形成高光強區(qū)域，同時沒有被遠光燈照射的地板是較低光強區(qū)域。采用像素單元曝光時間自適應技術的行車記錄儀攝像頭拍攝高光強區(qū)域不會出現(xiàn)炫目的感覺，能夠看清高光強區(qū)域細節(jié)特征信息；而傳統(tǒng)有源像素單元攝像頭所拍攝的高光強區(qū)域顯示為一片刺眼的亮斑，很難看清具體環(huán)境信息。同時，像素單元曝光時間自適應攝像頭也能看清光強較低區(qū)域信息，顯示亮度不會太亮，圖像對比度高；而傳統(tǒng)有源像素單元攝像頭高光強區(qū)域與低光強區(qū)域亮度差異不大，圖像對比度較低。

3 結束語

通過電壓比較器將光電二極管輸出電壓與曝光時間閾值電壓進行比較，若比較器翻轉，則光電二極管停止積分，輸出包含光強信息的電壓信號，同時通過時間-電壓編碼信號記錄比較器翻轉時間電壓信號，完成對積分時間的記錄；若比較器不翻轉，像素單元按固定積分時間完成曝光，輸出包含光強信息的電壓信號。應用于行車記錄儀攝像頭，此方法可以實現(xiàn)像素單元曝光時間自適應，拍攝的圖像中高光強區(qū)域由于曝光時間短不刺眼，低光強區(qū)域曝光時間足夠長，能夠顯示環(huán)境細節(jié)信息，具有不失真的特點，可以有效提高攝像頭的動態(tài)范圍。

【1】裴志軍.高性能 CMOS圖像傳感器設計技術研究[D].天津:天津大學,2004.

【2】SCHEFFER D，DIERICKX B，MEYNANTS G.Random Addressable 2 048×2 048 Active Pixel Image Sensor[J].IEEE Transactions of Electron Devices，1997,44(10):1716-1720.

【3】SCHREY O,HAUSCHILD R,HOSTICKAB J.A Locally Adaptive CMOS Image Sensor with 90 dB Dynamic Range[C]//1999 IEEE International Solid State Circuits Conference,1999:310-311.

【4】KAVADIAS S，DIERICKX B，SCHEFFER D，et al.A Logarithmic Response CMOS Image Sensor with On-chip Calibration[J].IEEE Journal of Solid Circuit,2000,35(8):1146-1152.

【5】DECKER S，MCGRATH R D，BREHMER K，et al.A 256×256 CMOS Imaging Array with Wide Dynamic Range Pixels and Column-parallel Digital Output[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,1998,33(12):2081-2091.

【6】姚立斌.低照度CMOS圖像傳感器技術[J].紅外技術,2013,35(3):125-132. YAO L B.Low-light-level CMOS Image Sensor Technique[J].Infrared Technology,2013,35(3):125-132.

Design for Vehicle Recorder with Wide Dynamic Range Based on Self-adjusting Exposure Time Technology

ZHOU Hui1，HUANG Huanli1, HU Jinwen2,LI Yuqi1

(1.Guangzhou Fly Audio Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510670, China;2.South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China)

Sometimes rear camera of vehicle recorder can’t capture images clearly behind the car when driving at night due to the complex light conditions which are backlight, bright light and high contrast light. In order to solve the problems mentioned above, a pixel unit with self-adjusting exposure time technology was proposed to broaden the dynamic range of CMOS image sensor. Based on the active pixel sensor (APS) pixel unit circuit,the integral capacitor, the voltage comparator and the time-voltage coding signal read-in circuit were added to the new pixel unit. The photodiode would stop integral if the integral capacitor voltage was lower than the exposure time threshold voltage, so the pixel unit exposure time was short; and the photodiode exposure time was fixed if the integral capacitor voltage was higher than the exposure time threshold voltage, thus adaptive exposure time could be achieved by the methods mentioned above. Two kinds of vehicle recorder camera were tested under high beam irradiation from rear vehicles, the experimental results show that compared with conventional active pixel sensor vehicle recorder, the images which are photographed by the vehicle recorder equipped with wide-dynamic range CMOS image sensor have these features: bright areas are not dazzling, dark areas are not distortion. The influences of glare, reflecting and shadow on the resolution are reduced. In one word, this novel vehicle recorder can restore the shooting environmental image-information truly and clearly.

CMOS image sensor; Vehicle recorder; Dynamic range; Voltage comparator; Self-adjusting exposure time

2016-12-26

廣州市科技計劃項目(2014J4300028)

周輝(1975—)，男，本科，主要研究方向為CMOS圖像傳感器曝光算法開發(fā)。E-mail：fly-audio@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.001

TN4

A

1674-1986(2017)04-001-05