陳鐵健 楊鈾 侯晶迪

摘 要 智能化高幀速視覺傳感器系統(tǒng)是高端消費電子及智能制造裝備的核心關鍵，也是當前一個極其活躍的研究領域。針對當前研究的不足，結合視覺傳感器的發(fā)展歷程，本文提出了一種新型的智能化高幀速視覺傳感器設計方案，通過采用新型的像素結構及片上集成處理單元，大幅提升獲取圖像的質(zhì)量以及實時圖像處理能力。

關鍵詞 視覺傳感器;數(shù)字像素;智能傳感器

引言

智能化高幀速視覺傳感器是高端消費電子和智能制造裝的核心關鍵，也是世界各大技術強國競相投入的前沿研究領域。目前，大多數(shù)實用的智能化視覺系統(tǒng)都需要進行基礎研究，自行設計芯片以及軟件系統(tǒng)。我國長期以來由于受到國外技術封鎖，往往局限于對已有的芯片組合，甚至在印刷電路板基礎上設計嵌入式系統(tǒng)，這樣整個系統(tǒng)的功能開發(fā)會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。

針對這一問題，結合國際前沿技術的發(fā)展趨勢，在芯片級上來設計智能高速視覺傳感器系統(tǒng)，掌握關鍵技術，在國際前沿水準上研發(fā)智能化高速視覺系統(tǒng)是目前的當務之急。針對這一迫切需求，本文結合視覺傳感器的發(fā)展趨勢，提出了一種新型的智能化高幀速視覺傳感器設計方案，通過采用新型的數(shù)字像素結構，并且在片上集成處理單元;滿足未來無人駕駛、自主導航、海底探測等領域中對高精度環(huán)境感知與建模的需求。

1視覺傳感器發(fā)展歷程及趨勢

CMOS APS相對無源像素傳感器結構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APS量子效率比較高，并且采用了新的消噪技術，輸出圖信號質(zhì)量較高，已經(jīng)進入實用化階段。CMOS DPS結構的像素單元讀出為數(shù)字信號，因此讀出速度極快，具有電子快門的效果，非常適合高速應用。高速圖像處理主要依賴于并行計算技術，以及對算法的優(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)技術已經(jīng)成為趨勢。德州儀器公司（TI）已經(jīng)推出了整合了基于超長指令字節(jié)高速DSP（Digital Signal Processor）和ARM（Advanced RISC Machine）的片上多處理單元SoC（System On Chip）。目前國際上已經(jīng)有一些經(jīng)過優(yōu)化的機器視覺算法庫，已經(jīng)開始研究多線程和并行計算在圖像處理尤其是圖像識別技術、目標跟蹤技術上的應用[1]。

2智能視覺傳感器設計方案

結合視覺傳感器的發(fā)展歷程及趨勢，面向適應復雜環(huán)境及氣象條件的具體需求，本文提出的智能高幀速CMOS視覺傳感器系統(tǒng)的設計方案。

整個系統(tǒng)將感光元件、處理單元、存儲器、通信接口集成在一個片上系統(tǒng)中。其中像素陣列用于對經(jīng)過光學系統(tǒng)輸入的外界環(huán)境進行感光，并經(jīng)過讀出形成數(shù)字圖像;處理單元對獲取的圖像進行實時并行處理，處理程序放在存儲器中，可以實現(xiàn)傳感器信號讀取、圖像預處理、圖像識別、目標跟蹤等功能;傳感器之間可以通過傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)傳感器間以及與主機的通信，同時用戶可以通過網(wǎng)絡或操作界面設計傳感器的工作流程。

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

在提出的圖像傳感器設計方案中，像素陣列、曝光控及處理邏輯是其中的關鍵部件，下面分別對這些關鍵部件的設計進行說明。

（1）像素陣列設計

整個像素陣列采用數(shù)字像素設計，在每個像素上，集成光電二極管、電荷存儲單元、像素級ADC/鎖存器、處理單元及存儲器等彈藥;同時，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。

在工作過程中，光電探測器在多重采樣電路的控制下復位，然后對電荷進行累積;然后在曝光控制信號的控制下進行ADC轉換，并且將數(shù)字量進行處理和保存，與傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器只有有限行列AD轉換器不同;同時由于具有像素級AD轉換器，讀出噪聲和固定圖形噪聲都被削弱了。它的另一個好處是的可以單獨對每一個像素點的值進行處理，使得整個成像系統(tǒng)很靈活。

（2）曝光控制

由于測量光強的變化，傳感器要有很強的適應性才能夠保證采集到圖像的質(zhì)量，通常采用動態(tài)范圍DR（Dynamic Range）來表征傳感器的適應能力。

在整個曝光方案中，增益控制分為數(shù)字增益區(qū)域、復合控制區(qū)域以及進光量調(diào)節(jié)區(qū)域。當光強較弱時，所有數(shù)據(jù)都沒有達到最大值，在這種情況下，通過給每一個像素值乘以一個大于1的數(shù)，保證測量滿量程。當光很強時，通過調(diào)整進光量來使測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圖像的后處理，首先采用雙采樣電路對像素陣列進行采樣，并通過前置放大、顏色差值、RGB增益調(diào)節(jié)、顏色校正、紅綠標定的方式實現(xiàn)自動白平衡;然后通過Gamma校正、顏色空間轉換等方式，輸出完整的數(shù)字圖像。對當前獲取圖像進行統(tǒng)計分析，將統(tǒng)計信息用于自動增益控制和自動白平衡[3]。

3智能視覺傳感器應用

由于視覺傳感器安裝位置的限制，通常視覺傳感器獲得的圖像只能夠反應某一個方向的信息，為了能夠全面地反映多個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視覺器，并采用高速網(wǎng)絡連接各個傳感器與圖像處理系統(tǒng)，構成圖像傳感器網(wǎng)絡，

4結束語

本文結合圖像傳感器的發(fā)展趨勢，提出了一種新型的智能化高幀速視覺傳感器設計方案。對于攻克芯片級視覺傳感關鍵技術，提升我國高端電子消費、智能制造及國防科技工業(yè)具有重大帶動和促進作用。

參考文獻

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

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

[3] 付賢松.CMOS圖像傳感器動態(tài)范圍擴展技術的研究[D].天津：天津大學，2007.

作者簡介

陳鐵?。?985-），男，河南內(nèi)鄉(xiāng)人;學歷：博士，職稱：副研究員，現(xiàn)就職單位：北方自動控制技術研究所，研究方向：機器視覺技術研究。