摘要：從硬件結(jié)構(gòu)、曝光策略和模擬結(jié)果入手,在傳統(tǒng)滾筒式曝光基礎(chǔ)上,通過對(duì)用戶設(shè)定區(qū)域像素飽和值的統(tǒng)計(jì)和曝光時(shí)間選擇算法,提出了一種cmos圖像傳感器大動(dòng)態(tài)范圍自適應(yīng)曝光的設(shè)計(jì)。曝光時(shí)間可從1μs至65ms,探測(cè)光強(qiáng)范圍達(dá)到10-1～106lux,設(shè)計(jì)將充分發(fā)揮現(xiàn)有像素性能,實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)的自適應(yīng)曝光需求。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)曝光;cmos圖像傳感器(cis);大動(dòng)態(tài)范圍

引言　　

　　cmos圖像傳感器(cis)具有集成度高、制做工藝通用、體積小、功耗低、無光暈等特點(diǎn),在非接觸無損測(cè)量及目標(biāo)監(jiān)控等方面,與較為成熟的ccd系統(tǒng)一樣,發(fā)揮著越來越重要的作用。但由于cis普遍采用光電二極管線性有源像素,動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍較小。當(dāng)前,提高其動(dòng)態(tài)范圍和自適應(yīng)曝光調(diào)節(jié)成為關(guān)鍵問題。為提高cis的動(dòng)態(tài)范圍和高分辨率,多采用對(duì)數(shù)像素、多次曝光、多次采樣重構(gòu)、像素自調(diào)節(jié)多次曝光等技術(shù)。

　　

　　鑒于片上反饋系統(tǒng)對(duì)自適應(yīng)調(diào)節(jié)快速實(shí)時(shí)等特點(diǎn),針對(duì)實(shí)際視覺和工控測(cè)量應(yīng)用等要求,本文從cmos圖傳感器像素陣列的數(shù)字控制和預(yù)處理電路出發(fā),以現(xiàn)有滾筒式曝光為背景,提出了一套通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)曝光和用戶預(yù)設(shè)方式曝光的cmos圖像傳感器系統(tǒng),曝光時(shí)間可從1μs至65ms,在光電響應(yīng)效率為1.0v/lux·s、可調(diào)增益為1和8bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)情況下,探測(cè)光強(qiáng)范圍可達(dá)到10^-1～10⁶lux,大幅提高現(xiàn)有cmos圖像傳感器線性自適應(yīng)響應(yīng)能力。

2 自適應(yīng)曝光判決算法　　

　　采用幀間的自適應(yīng)曝光調(diào)節(jié)方式,即每幀內(nèi)的像素點(diǎn)曝光時(shí)間一致,光照響應(yīng)為線性曲線。根據(jù)幀內(nèi)最大非飽和像素電壓,以最小曝光時(shí)間t的倍數(shù)關(guān)系調(diào)節(jié)下一幀曝光時(shí)間,來適應(yīng)環(huán)境照度及最大分辨率。每幀的曝光時(shí)間將通過接口實(shí)時(shí)傳輸給測(cè)量分析電路。具體判決算法為:

　　cmos圖像傳感器以t或用戶設(shè)定時(shí)間開始曝光。當(dāng)?shù)?幀有效圖像采集結(jié)束開始輸出時(shí),曝光控制系統(tǒng)將統(tǒng)計(jì)幀內(nèi)指定區(qū)域的像素飽和數(shù),并記錄幀內(nèi)最大非飽和像素電壓,即當(dāng)前曝光條件下圖像傳感器的最大分辨率。當(dāng)幀內(nèi)像素飽和數(shù)超過統(tǒng)計(jì)閾值,表明曝光過長(zhǎng),將縮短下一幀曝光時(shí)間;相反,判斷最大非飽和像素電壓是超出adc輸出量程1/2。當(dāng)未超過時(shí),表明曝光不夠,由曝光調(diào)節(jié)表(表1)改變下幀曝光時(shí)間;否則按原有曝光時(shí)間繼續(xù)曝光,曝光判決流程如圖1所示。adc輸出與光照關(guān)系為

　　　　v=as(λ)et (1)

　　其中:e為當(dāng)前光照度;s(λ)為像系相對(duì)光譜響應(yīng)率;t當(dāng)前曝光時(shí)間;a為可調(diào)放大器增益。　　

　　從表1可看出,當(dāng)光照度驟升或驟降時(shí),只要adc輸出仍在1/2lsb～255內(nèi),cmos圖像傳感器可以在下一幀就調(diào)節(jié)到合適的曝光時(shí)間使輸出值達(dá)到adc半量程之上,實(shí)現(xiàn)2⁸e至e光照度變化的快速跟蹤自適應(yīng)。而在1/2lsb～1/256lsb內(nèi),自適應(yīng)系統(tǒng)將可在2frame內(nèi)達(dá)到跟蹤�！�

　

　　當(dāng)光照度驟升到達(dá)像素飽和時(shí),因無法判斷曝光時(shí)間縮減程度,自適應(yīng)系統(tǒng)將重新搜索從當(dāng)前曝光時(shí)間至最小曝光時(shí)間內(nèi)的最佳曝光時(shí)間,方案設(shè)計(jì)了3種搜索方式:曝光縮短為當(dāng)前曝光時(shí)間t的1/256;曝光縮短為t的t1/2取整;曝光縮短為t的1/2。當(dāng)調(diào)節(jié)曝光后的圖像仍不滿足要求時(shí),將按照上述方式之一或曝光表1繼續(xù)調(diào)整曝光時(shí)間。以曝光時(shí)間2²⁴t至2³t變化為例(10⁰～10⁶lux),介紹3種方式的搜索速度,方式1需4frame時(shí)間,方式2需3frame時(shí)間,方式3需21frame時(shí)間。由此可知,照度變化不大時(shí),方式1較好;相反,方式2較好。因此針對(duì)不同應(yīng)用情況,曝光系統(tǒng)將根據(jù)不同方式進(jìn)行搜索。

3 自適應(yīng)曝光電路設(shè)計(jì)　　

　　自適應(yīng)曝光cmos圖像傳感器系統(tǒng)在傳統(tǒng)三管有源像素結(jié)構(gòu)、滾筒式曝光和輸出模式背景下,根據(jù)幀內(nèi)最大非飽和像素電壓,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)幀間曝光時(shí)間,避免了像素自適應(yīng)曝光所需與像素陣列相當(dāng)?shù)膔am存儲(chǔ)空間及多次曝光造成的響應(yīng)曲線壓縮,芯片控制復(fù)雜度和面積