однокристальный адаптивный видеодатчик

Формула изобретения

Однокристальный адаптивный видеодатчик, содержащий матричный приемник излучения (МПИ) с активными пикселями, блок формирования управляющих сигналов, блок формирования адреса и считывания сигнала пикселя, блок обработки сигналов пикселей, мультиплексор сигналов пикселей, АЦП, отличающийся тем, что в устройство введены в каждый пиксель транзисторный усилитель с управляемым коэффициентом усиления и схема определения коэффициента усиления, мультиплексор коэффициентов усиления, первый усилитель, второй усилитель, устройство перемножения сигналов, выходной усилитель, причем вход SERIAL COMMANDS блока формирования управляющих сигналов является внешним входом и предназначен для передачи команд по последовательному интерфейсу от внешних управляющих устройств, выход RESET блока формирования управляющих сигналов соединен со входом блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя, выход SHS блока формирования управляющих сигналов соединен с первым входом блока обработки сигналов пикселей, выход SHR блока формирования управляющих сигналов соединен со вторым входом блока обработки сигналов пикселей, группа выходов RESET блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя соединена с группой одноименных входов МПИ, группа выходов блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя соединена с группой одноименных входов МПИ, группа выходов RS блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя соединена с группой одноименных входов МПИ, группа выходов CS блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя соединена с одноименной группой входов блока обработки сигналов пикселей, группа выходов SIGNAL МПИ подключена к одноименной группе входов блока обработки сигналов пикселей, группа выходов К МПИ подключена к группе входов мультиплексора коэффициентов усиления, группа выходов V_OUT блока обработки сигналов пикселей подключена к группе входов мультиплексора сигналов пикселя, выход мультиплексора сигналов пикселя подключен ко входу первого усилителя, выход мультиплексора коэффициентов усиления подключен ко входу второго усилителя, выход первого усилителя подключен к первому входу устройства перемножения сигналов, выход второго усилителя подключен ко второму входу устройства перемножения сигналов, выход устройства перемножения сигналов подключен ко входу выходного усилителя и ко входу АЦП, выход V_ANALOG выходного усилителя является внешним выходом однокристального датчика и используется для формирования выходного аналогового сигнала, содержащего информацию о распределении яркостей рабочей сцены, выход V_DIGITAL является внешним цифровым выходом датчика и используется для подключения цифровых устройств обработки изображения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для создания видеодатчиков в видеокамерах и системах технического зрения с большим динамическим диапазоном передачи яркости.

Известно устройство (Fossum et al., CMOS Active Pixel Sensor imaging system on chip, 1998, патент США №5841126), содержащий матричный приемник изображения (МПИ) с активными пикселями, каждый из которых является самостоятельным приемником излучения и устройством, запоминающим электрический заряд, пропорциональный величине принятого излучения за период накопления; интегрированную схему управления, включающую таймерную подсистему и схему управления считыванием, содержащую регистр адреса строки, дешифратор адреса строки, регистр адреса столбца, дешифратор адреса столбца.

Недостатком устройства является невозможность поддержания выходного сигнала на требуемом уровне в условиях изменяющейся внешней освещенности ввиду отсутствия элементов и цепей адаптации к изменению условий освещенности рабочей сцены.

Наиболее близким является однокристальный КМОП-видеодатчик (Lee et al., Integrated CMOS Active Pixel Sensor digital camera, 2004, патент США №6721008), содержащий МПИ с активными пикселями, каждый из которых является самостоятельным приемником излучения и устройством, запоминающим электрический заряд, пропорциональный величине принятого излучения за период накопления; блок формирования управляющих сигналов с возможностью подключения последовательного интерфейса, блок формирования адреса и считывания сигнала пикселя, блок обработки сигнала пикселя, мультиплексор сигналов пикселей, аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Недостатком данного видеодатчика является отсутствие элементов адаптации к изменяющимся условиям внешней освещенности вследствие постоянной величины светочувствительности пикселей и отсутствия устройств, способных поддерживать необходимый уровень выходного сигнала в условиях низкой освещенности.

Технической задачей изобретения является поддержание величины выходного сигнала на заданном уровне в условиях изменяющейся внешней освещенности путем расширения динамического диапазона датчика за счет управления диапазоном светочувствительности каждого пикселя.

Техническая задача решается тем, что в устройство, включающее МПИ, содержащий [m×n] активных пикселей, блок формирования управляющих сигналов, блок формирования адреса и считывания сигнала пикселя, блок обработки сигналов пикселей, мультиплексор сигналов пикселей, АЦП, введены в каждый пиксель транзисторный усилитель с управляемым коэффициентом усиления и схема определения коэффициента усиления, мультиплексор коэффициентов усиления, первый усилитель, второй усилитель, устройство перемножения сигналов, выходной усилитель, причем вход SERIAL COMMANDS блока формирования управляющих сигналов является внешним входом и предназначен для передачи команд по последовательному интерфейсу от внешних управляющих устройств, выход RESET блока формирования управляющих сигналов соединен со входом блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя, выход SHS блока формирования управляющих сигналов соединен с первым входом блока обработки сигналов пикселей, выход SHR блока формирования управляющих сигналов соединен со вторым входом блока обработки сигналов пикселей, группа выходов RESET блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя соединена с группой одноименных входов МПИ, группа выходов READ& блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя соединена с группой одноименных входов МПИ, группа выходов RS блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя соединена с группой одноименных входов МПИ, группа выходов CS блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя соединена с одноименной группой входов блока обработки сигналов пикселей, группа выходов SIGNAL МПИ подключена к одноименной группе входов блока обработки сигналов пикселей, группа выходов К МПИ подключена к группе входов мультиплексора коэффициентов усиления, группа выходов V_OUT блока обработки сигналов пикселей подключена к группе входов мультиплексора сигналов пикселя, выход мультиплексора сигналов пикселя подключен ко входу первого усилителя, выход мультиплексора коэффициентов усиления подключен ко входу второго усилителя, выход первого усилителя подключен к первому входу устройства перемножения сигналов, выход второго усилителя подключен ко второму входу устройства перемножения сигналов, выход устройства перемножения сигналов подключен ко входу выходного усилителя и ко входу АЦП, выход V_ANALOG выходного усилителя является внешним выходом однокристального датчика и используется для формирования выходного аналогового сигнала, содержащего информацию о распределении яркостей рабочей сцены, выход V_DIGITAL является внешним цифровым выходом датчика и используется для подключения цифровых устройств обработки изображения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема активного пикселя МПИ и часть схемы блока обработки сигналов пикселей, отвечающая за обработку сигнала с одного пикселя считываемой строки, на фиг.2 представлена структурная схема однокристального адаптивного видеодатчика.

Однокристальный адаптивный видеодатчик включает блок формирования управляющих сигналов 1, блок формирования адреса и считывания сигнала пикселя 2, МПИ 3 с активными пикселями 4, каждый из которых содержит транзисторный усилитель с управляемым коэффициентом усиления и схему определения коэффициента усиления, блок обработки сигналов пикселей 5, мультиплексор сигналов пикселей 6, мультиплексор коэффициентов усиления 7, первый усилитель 8, второй усилитель 9, устройство перемножения сигналов 10, АЦП 11, выходной усилитель 12, причем вход SERIAL COMMANDS блока формирования управляющих сигналов 1 является внешним входом и предназначен для передачи команд по последовательному интерфейсу от внешних управляющих устройств, выход RESET блока формирования управляющих сигналов 1 соединен со входом блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя 2, выход SHS блока формирования управляющих сигналов 1 соединен с первым входом блока обработки сигналов пикселей 5, выход SHR блока формирования управляющих сигналов 1 соединен со вторым входом блока обработки сигналов пикселей 5, группа выходов RESET блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя 2 соединена с группой одноименных входов МПИ 3, группа выходов READ& блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя 2 соединена с группой одноименных входов МПИ 3, группа выходов RS блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя 2 соединена с группой одноименных входов МПИ 3, группа выходов CS блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя 2 соединена с одноименной группой входов блока обработки сигналов пикселей 5, группа выходов SIGNAL МПИ 3 подключена к одноименной группе входов блока обработки сигналов пикселей 5, группа выходов К МПИ 3 подключена к группе входов мультиплексора коэффициентов усиления 7, группа выходов V_OUT блока обработки сигналов пикселей 5 подключена к группе входов мультиплексора сигналов пикселя 6, выход которого подключен ко входу первого усилителя 8, выход мультиплексора коэффициентов усиления 7 подключен ко входу второго усилителя 9, выход первого усилителя 8 подключен к первому входу устройства перемножения сигналов 10, выход второго усилителя 9 подключен ко второму входу устройства перемножения сигналов 10, чей выход подключен ко входу выходного усилителя 12 и ко входу АЦП 11, выход V_ANALOG выходного усилителя 12 является внешним выходом однокристального датчика и используется для формирования выходного аналогового сигнала, содержащего информацию о распределении яркостей рабочей сцены, выход V_DIGITAL АЦП 11 является внешним цифровым выходом датчика и используется для подключения цифровых устройств обработки изображения.

Однокристальный адаптивный видеодатчик работает следующим образом.

С выхода блока формирования управляющих сигналов 1 на вход блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя 2 поступает сигнал RESET, который затем с группы выходов RESET блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя 2 поступает на одноименную группу входов МПИ 3. Данный сигнал подается последовательно на каждую строку МПИ 3 через равные временные промежутки и производит сброс всех пикселей текущей строки МПИ 3, в результате чего напряжение на фотодиоде 41 каждого пикселя 4 достигает максимального значения. Напряжение на фотодиоде 41 уменьшается под действием входного излучения пропорционально его яркости. Сигналы с группы выходов READ& блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя 2 поступают на одноименную группу входов МПИ 3 и управляют процессом регулировки диапазона светочувствительности каждого пикселя 4, в котором сигнал с фотодиода 41 поступает на управляемый транзисторный усилитель 42, коэффициент усиления К_У которого рассчитывается схемой определения коэффициента усиления 43 по формуле , где U_max задается от внешнего источника, К_У(t) - коэффициент усиления в текущем цикле считывания, К_У(t-1) - коэффициент усиления в предыдущем цикле считывания, U_PD(t) - напряжение на фотодиоде 41 в текущем цикле считывания. По сигналу производится определение коэффициента усиления К _У, по сигналу READ производится передача усиленного в соответствии с рассчитанным коэффициентом усиления К_у сигнала на транзистор доступа 44. Сигналы с группы выходов RS блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя 2 поступают на одноименную группу входов МПИ 3 и управляют процессами считывания сигнала и коэффициента усиления К_У каждого пикселя, открывая транзисторы доступа 44 и 45 соответственно. Процесс считывания происходит построчно, все выходные информационные сигналы и коэффициенты усиления К_У каждого пикселя текущей строки считываются одновременно и передаются на шину столбца и шину К_У соответственно. Далее в блоке обработки сигналов пикселя 5 производится двойная коррелированная выборка сигнала каждого пикселя (значение пикселя считывается дважды по сигналам SHS и SHR, поступающих на соответствующие входы блока обработки сигналов пикселя 5 с одноименных выходов блока формирования управляющих сигналов 1, и по сигналу CS, полученному от группы выходов CS блока формирования адреса и считывания сигнала пикселя 2, передается на дифференциальный усилитель, с выхода которого снимается обработанный сигнал SIGNAL). С группы выходов блока обработки сигналов пикселя 5 на группу входов мультиплексора сигналов пикселя 6 поступают сигналы со всех пикселей очередной строки. В мультиплексоре сигналов пикселя 6 производится мультиплексирование сигналов пикселей строки и их последовательная выдача на вход первого усилителя 8. В результате на выходе первого усилителя 8 формируется ненормированный видеосигнал. Одновременно с этим со второй группы выходов МПИ 3 на группу входов мультиплексора коэффициентов усиления 7 поступают коэффициенты усиления каждого пикселя считываемой строки - нормирующие множители. В мультиплексоре коэффициентов усиления 7 производится мультиплексирование нормирующих множителей и их последовательная выдача на вход второго усилителя 9. Таким образом, на выходах первого усилителя 8 и второго усилителя 9 синхронно формируются сигналы яркости, зафиксированные каждым пикселем, и нормирующие множители каждого пикселя соответственно. С выхода первого усилителя 8 и с выхода второго усилителя 9 сигналы поступают соответственно на первый и второй входы устройства перемножения сигналов 10, которое производит перемножение входных сигналов, в результате чего на его выходе формируется нормированный видеосигнал. Данный видеосигнал с выхода блока 10 подается на вход выходного усилителя 12 и на вход АЦП 11. В результате на выходе выходного усилителя 12 формируется аналоговый видеосигнал V_ANALOG, а на выходе АЦП 11 - цифровой видеосигнал V_DIGITAL.

Таким образом, устройство обеспечивает расширение динамического диапазона за счет адаптивного к внешней освещенности управления коэффициентом усиления каждого пикселя, которое реализуется благодаря внедрению в каждый пиксель транзисторного усилителя с управляемым коэффициентом усиления и схемы определения коэффициента усиления в зависимости от уровня выходного сигнала пикселя.

Изобретение позволяет поддерживать выходной сигнал датчика на заданном уровне и адаптировать его таким образом к изменяющейся внешней освещенности путем расширения динамического диапазона за счет управления диапазоном светочувствительности каждого пикселя.