一種智能化高幀速視覺傳感器設計方案概述

陳鐵健 楊鈾 侯晶迪

摘 要 智能化高幀速視覺傳感器系統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量以及實時圖像處理能力。

關鍵詞 視覺傳感器;數字像素;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，大多數實用的智能化視覺系統都需要進行基礎研究，自行設計芯片以及軟件系統。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，這樣整個系統的功能開發會受到芯片性能的限制，系統的成本、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展趨勢，在芯片級上來設計智能高速視覺傳感器系統，掌握關鍵技術，在國際前沿水準上研發智能化高速視覺系統是目前的當務之急。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境感知與建模的需求。

1視覺傳感器發展歷程及趨勢

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，輸出圖信號質量較高，已經進入實用化階段。CMOS DPS結構的像素單元讀出為數字信號，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，以及對算法的優化和并行化。在高速圖像處理方面，多處理單元和片上系統技術已經成為趨勢。德州儀器公司（TI）已經推出了整合了基于超長指令字節高速DSP（Digital Signal Processor）和ARM（Advanced RISC Machine）的片上多處理單元SoC（System On Chip）。目前國際上已經有一些經過優化的機器視覺算法庫，已經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展歷程及趨勢，面向適應復雜環境及氣象條件的具體需求，本文提出的智能高幀速CMOS視覺傳感器系統的設計方案。

整個系統將感光元件、處理單元、存儲器、通信接口集成在一個片上系統中。其中像素陣列用于對經過光學系統輸入的外界環境進行感光，并經過讀出形成數字圖像;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絡實現傳感器間以及與主機的通信，同時用戶可以通過網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、空間形變去除等過程，恢復出圖像信息;最終通過編碼，將圖像數據輸出[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、片上處理系統及讀出電路等。

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，并且將數字量進行處理和保存，與傳統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量，通常采用動態范圍DR（Dynamic Range）來表征傳感器的適應能力。

在整個曝光方案中，增益控制分為數字增益區域、復合控制區域以及進光量調節區域。當光強較弱時，所有數據都沒有達到最大值，在這種情況下，通過給每一個像素值乘以一個大于1的數，保證測量滿量程。當光很強時，通過調整進光量來使測量值落在合適的范圍內。

（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增益調節、顏色校正、紅綠標定的方式實現自動白平衡;然后通過Gamma校正、顏色空間轉換等方式，輸出完整的數字圖像。對當前獲取圖像進行統計分析，將統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，并采用高速網絡連接各個傳感器與圖像處理系統，構成圖像傳感器網絡，

4結束語

本文結合圖像傳感器的發展趨勢，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圖像傳感器及其發展趨勢[J].光機電信息，2008（5）：28-33.

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

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

作者簡介

陳鐵健（1985-），男，河南內鄉人;學歷：博士，職稱：副研究員，現就職單位：北方自動控制技術研究所，研究方向：機器視覺技術研究。