基于自适应曝光的CMOS图像传感器的设计与实现

文章摘要：像素曝光复位分析曝光(积分)时间为相邻复位信号与采样信号的时间差。由于滚筒式曝光时序以行为单位,对像素阵列进行信号采样、处理和输出。1行内所有像素曝光处理为并行的,各行间像素曝光处理为串行的。因此,处理1行像素所需时间=曝光时间+数据处理时间+像素输出时间。复位曝光逻辑如图5所示,Vout为帧同步信号;Hout为行同步信号;Hrst为曝光复位信号;H(n)为第n行的行有效信号;Hrst(n)为第n行的曝光复位信号;Pout为输出像素时钟;P(n)为第n个像素有效信号。由图可知,曝光复位信号Hrst为行同步信号Hout相关信号,延迟时间=帧时间-曝光时间,即图5(a)中hold1或hold2部分

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像素曝光复位分析　　 　　曝光(积分)时间为相邻复位信号与采样信号的时间差。由于滚筒式曝光时序以行为单位,对像素阵列进行信号采样、处理和输出。1行内所有像素曝光处理为并行的,各行间像素曝光处理为串行的。因此,处理1行像素所需时间=曝光时间+数据处理时间+像素输出时间。复位曝光逻辑如图5所示,V_out为帧同步信号;H_out为行同步信号;H_rst为曝光复位信号;H(n)为第n行的行有效信号;H_rst(n)为第n行的曝光复位信号;P_out为输出像素时钟;P(n)为第n个像素有效信号。由图可知,曝光复位信号H_rst为行同步信号H_out相关信号,延迟时间=帧时间-曝光时间,即图5(a)中hold1或hold2部分。所以改变曝光时间是通过调节hold宽度来完成的,曝光寄存器实际存储着与曝光时间相应的hold值,1frame时间=曝光延迟时间(hold)+曝光时间(integrating)。 　　 　　曝光自适应时序图5(b)所示,第1行像素在完成第N+1帧曝光时间后(intergating1),将根据当前曝光选择单元的结果开始第N+2帧复位和新曝光长度(intergating2)的曝光,同时ADC将处理和输出第1行的第N+1帧的数据。因此,在第N帧光强变化的图像在第N+3帧才被记录下。造成该延迟主要有两种原因:1)曝光固有延时,曝光到采集数据最长需要1frame时间;2)帧间自适应调节固有延时,由于采用搜索整帧图像后确定曝光时间,当图像第n行采样电压时,第1行数据实际已按照原曝光时间开始采样,需要再等1frame时间,第1行才能采用新曝光时间。所以当t₁时刻光强发生变化时,曝光电路在t₂时刻才能选定新曝光时间,而以新曝光时间采集的图像在t₃时刻才能被记录,即该系统将存在最大3frame时间的固有延迟。但随着输出帧频的提高,该固有延时时间将能够相应减小。   4.2        像素复位曝光设计　　 　　上述曝光切换时序可看出,当2frame曝光时间改变较大时,不同曝光时间将存在叠交。如图5(b),第N+2帧第1行曝光复位发生在第N+1帧第n行曝光复位前(overlap段)。如利用1组复位曝光逻辑将引起控制混乱,因此设计采用2组曝光复位控制时序。当曝光时间不变时,复位计数器1将在延迟行同步信号的hold1时间被使能,开始从第1行至第n行的曝光复位,当完成1frame后,复位计数器1将停止工作,等待hold1时间后再次使能。当曝光时间调节时,如复位计数器1还未计满将继续工作,直至计满整帧。而此时hold寄存器将等待hold2时间后,开始使能复位计数器2。由于2组复位计数器不对同一行复位,因此前后2frame可在不同曝光时间下正常运行。如图4示,曝光调节信号(flag)将更新延迟值并使能另一组闲置曝光复位寄存器。   5             模拟仿真结果　　   　　根据上述原理,利用XILINX公司的ISE及Modelsim软件,对曝光选择控制电路进行了数字电路设计及模拟。结合光电二极管光电响应实际测试结果,进行模数混合信号仿真,如图6(a)所示,在帧频为100frame/s时随光强变化,CMOS图像传感器调节曝光时间及输出信号值,其中调节延时约为3frame时间。图6(b)为光强与输出的相关曲线。像素电压值随着光强增加,曝光时间从65ms(2¹⁶T)调节至4ms(2¹²T),多帧响应组合后输出接近指数曲线。   6             结　论　　   　　设计通过用户预设和帧间自适应曝光调节方式,实现了CMOS图像传感器大动态范围自适应能力。相比传统滚筒式积分复位逻辑,该控制结构将能更充分发挥像素响应特性,并达到光强自适应曝光调节。由于该结构逻辑简单,不改变像素阵列,因而随着像素阵列不断增大,仍能在保证速度的前提下,对光强自适应调节,在对多帧图像进行数字重构后处理时,也可进一步提高成像质量,具有很高可靠性和兼容性。

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