CN102196183A - 影像传感器的自适应帧速率控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种影像传感器的自适应帧速率控制系统及方法。放大器以一增益将影像传感器的感测输出信号予以放大。自动曝光增益(AEG)控制器根据入射光强度以决定曝光时间和增益的乘积(EGP)，并控制时序控制器及放大器。由此，可自适应地调整影像传感器的曝光时间及增益，使得放大感测输出信号可大约接近感测目标信号；其中，曝光时间的改变优先于增益的改变。

Description

影像传感器的自适应帧速率控制系统及方法

技术领域

本发明涉及影像传感器，特别涉及一种影像传感器的自适应帧速率控制。

背景技术

半导体影像传感器，例如互补金属氧化半导体(CMOS)影像传感器普遍使用于照相机或摄影机中，用以撷取光能量并将其转换为电子信号。电子信号经放大、数字化及处理后可得到影像。影像传感器所撷取的光能量大小等比于曝光时间，在该时间内影像传感器的主动区域暴露于光的照射下。

曝光时间的长度通常由两个因素决定：相对于所需信号电平的测得入射光、传感器帧速率(frame rate)。对于前者，例如在暗环境下，需较长的曝光时间以获得所需信号电平。对于后者，在各种相关应用中，帧速率经常用以设定曝光时间的最大限值。

放大器一般放大传感器的输出信号，用以获得所需信号电平。与曝光时间的增大相比较，传感器输出的放大并不会减小其帧速率。然而，由于增大信号增益会增加噪声并降低整体影像质量，因此，通常在到达最大曝光时间后，当需要更大的信号时才会增大信号增益。

鉴于传统影像感测系统或方法无法有效让传感器噪声效能最佳化，因此亟需提出一种新颖系统及方法，动态控制影像传感器的帧速率，用以让传感器噪声效能(例如信号噪声比(SNR))相对于帧速率能够最佳化。

发明内容

鉴于上述，本发明实施例的目的之一在于提出一种影像传感器的自适应帧速率控制系统及方法，用以让传感器噪声效能(例如信号噪声比(SNR))能够最佳化。

根据本发明实施例，放大器(例如可编程增益放大器)以一增益将影像传感器的感测输出信号予以放大。自动曝光增益(AEG)控制器根据入射光强度决定曝光时间和增益的乘积(EGP)，并控制时序控制器及可编程增益放大器。由此，可自适应地调整影像传感器的曝光时间及增益，使得放大感测输出信号可大约接近感测目标信号；其中，曝光时间的改变优先于增益的改变。在一实施例中，AEG控制器将多组最大曝光限值及增益限值分别提供给时序控制器及放大器，用以调整影像传感器的曝光时间及增益。在另一实施例中，AEG控制器将多组感测频率及增益限值分别提供给时序控制器及放大器，用以调整影像传感器的曝光时间及增益。

附图说明

图1所示为本发明实施例的影像传感器的自适应帧速率控制系统的功能框图；

图2所示为图1中相关参数的时序图；

图3所示为本发明另一实施例的影像传感器的自适应帧速率控制系统的功能框图；

图4所示为图3中相关参数的时序图。

【主要元件符号说明】

1自适应帧速率控制系统

3自适应帧速率控制系统

10影像传感器

12放大器

14模数转换器

16自动曝光增益(AEG)控制器

18时序控制器

具体实施方式

图1的功能框图示出本发明实施例的影像传感器10的自适应帧速率控制系统1。图2所示为图1中相关参数的时序图。在本实施例中，影像传感器10可以是互补金属氧化半导体(CMOS)影像传感器(又称为CIS)；一般来说，影像传感器10可以是半导体影像传感器。本实施例的自适应帧速率控制系统1至少包括放大器12、自动曝光增益(AEG)控制器16及时序控制器18。其中，放大器12，例如可编程增益放大器以一增益(或信号放大率)将影像传感器10的感测输出信号予以放大，该增益由AEG控制器16来控制提供。放大器12所输出的放大感测输出信号通常可通过模数转换器(ADC)14转换为数字形式后，接着由AEG控制器16在数字领域进行处理。AEG控制器16连同时序控制器18用于自适应调整曝光时间及增益，使得感测输出信号可以趋近感测目标信号(如图2所示)。

具体而言，AEG控制器16根据入射光强度，首先决定目前帧的曝光时间和增益的乘积值(简称为曝光增益乘积或EGP)，用以达到所需的感测目标信号。根据所决定的EGP，自适应调整曝光时间及增益，用以让感测噪声效能(例如信号噪声比(SNR))相对于帧速率能够达到最佳化。鉴于大的增益会增加噪声并降低整体影像质量，因此，在本实施例中，增大曝光时间优先于增大增益。相同的道理，在本实施例中，降低增益优先于降低曝光时间。本实施例将主要采用这一原则，其一些限制条件将在下文中描述。

参照图2，本实施例使用多组最大曝光时间限值和增益限值。例如，最大曝光限值1(e1)适用于第一期间t1-t2，最大曝光限值2(e2)适用于第二期间t2-t3，最大曝光限值3(e3)适用于第三期间t3-t4。在每一期间内，相应有最大增益限值g2及最小增益限制g1。虽然在附图中的每一期间内，最大增益限值g2及最小增益限制g1都相同，然而在其它实施例中，不同期间内也可使用不同的增益限值g1/g2。在本实施例中，最大曝光限值设为帧高度或大于帧高度，其为影像传感器10的像素行的数目。由于最大曝光限值设为或大于帧的高度，因此个别的最大曝光限值将直接地决定、调整其帧速率。

在操作自适应帧速率控制系统1时，当入射光强度在第一期间t1-t2内渐减，则AEG控制器16提供(给放大器12)的增益将渐增且趋向(但不超过)最大增益限值g2，而AEG控制器16提供(给时序控制器18)的曝光时间则维持在最大曝光时间1(e1)。值得注意的是，在此期间t1-t2内，相应有一个第一帧速率r1。

当入射光线强度持续渐减，直到EGP超过最大曝光时间1(e1)和最大增益限值g2的乘积，亦即，EGP＞e1×g2，则以另一更大的最大曝光限值(例如最大曝光限值2(e2))来取代前一个限值。当入射光强度在第二期间t2-t3内渐减，则AEG控制器16提供(给放大器12)的增益将从最小增益限值g1渐增且趋向(但不超过)最大增益限值g2，而AEG控制器16提供(给时序控制器18)的曝光时间则维持在最大曝光时间2(e2)。值得注意的是，在此期间t2-t3内，相应有一个(较小的)第二帧速率r2。

同样的道理，当入射光线强度持续渐减，直到EGP超过最大曝光时间2(e2)和最大增益限值g2的乘积，亦即，EGP＞e2×g2，则以另一更大的最大曝光限值(例如最大曝光限值3(e3))来取代前一个限值。当入射光强度在第三期间t3-t4内渐减，则AEG控制器16提供(给放大器12)的增益将从最小增益限值g1渐增且趋向(但不超过)最大增益限值g2，而AEG控制器16提供(给时序控制器18)的曝光时间则维持在最大曝光时间3(e3)。值得注意的是，在此期间t3-t4内，相应有一个(更小的)第三帧速率r3。本实施例假设第三帧速率r3为可接受的最小帧速率，如果小于此帧速率将会造成影像运动模糊。因此，如图2所示，当入射光线强度持续减低时，感测输出信号将会偏离感测目标信号，而曝光时间及增益则维持不变。

根据上述的操作描述，当曝光时间被设定之后，增益将从最小增益限值g1渐增至最大增益限值g2。AEG控制器16重新分配曝光增益乘积，用以分配较大的曝光时间及较小的增益。这一重新分配将使得帧速率及增益降低，因而增进噪声效能并获得较佳信号噪声比(SNR)。

虽然上述操作描述针对渐减的入射光强度，然而，时序波形图也可用以描述入射光强度由小至大的渐增情形。换句话说，当入射光强度大到致使曝光增益乘积(EGP)小于最大曝光时间3(e3)和最小增益限值g1的乘积，亦即EGP＜e3×g1，则最大曝光限值将从最大曝光时间3(e3)改变为最大曝光时间2(e2)(在期间t2-t3)。当入射光强度大到致使曝光增益乘积(EGP)小于最大曝光时间2(e2)和最小增益限值g1的乘积，亦即EGP＜e2×g1，则最大曝光限值将从最大曝光时间2(e2)改变为最大曝光时间1(e1)(在期间t1-t2)。

总而言之，每当达到最大增益限值g2或最小增益限值g1时，则设定不同的曝光限值。其中，在各个期间之间，当已达到最大增益限值g2，则增大曝光限值；当已达到最小增益限值g1，则减小曝光限值。

图3的功能框图示出本发明另一实施例的影像传感器10的自适应帧速率控制系统3。图4所示为图3中相关参数的时序图。和图1相同的功能块使用相同的元件符号，且各块之间的连接关系描述也予以省略。

在本实施例中，AEG控制器16将多个感测频率(而非前一实施例的多个曝光限值)提供给时序控制器18。由于感测频率决定曝光时间，因此每一感测频率可决定相应的曝光时间。例如，感测频率1对应至第一曝光时间e1，(较小的)感测频率2对应至第二曝光时间e2，而(更小的)感测频率3则对应至第三曝光时间e3。

自适应帧速率控制系统3的操作(图3及图4)类似于自适应帧速率控制系统1的操作(图1及图2)。主要的不同在于，每当达到最大增益限值g2或最小增益限值g1时，则设定不同的感测频率(而非曝光限值)。其中，在各个期间之间，当已达到最大增益限值g2，则减小感测频率；当已达到最小增益限值g1，则增大感测频率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明的范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或变型，均应包括在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种影像传感器的自适应帧速率控制系统，包括：

放大器，以一增益将所述影像传感器的感测输出信号予以放大；

自动曝光增益(AEG)控制器，其根据入射光强度以决定曝光时间和所述增益的乘积(EGP)，所述AEG控制器控制所述放大器；以及

时序控制器，受控于所述AEG控制器，所述AEG控制器、所述放大器及所述时序控制器可自适应地调整所述影像传感器的曝光时间及增益，使得所述放大感测输出信号可大约接近感测目标信号；

其中，所述曝光时间的改变优先于所述增益的改变。

2.根据权利要求1所述的影像传感器的自适应帧速率控制系统，还包括模数转换器，用以将所述放大感测输出信号转换为数字形式，使得所述AEG控制器可随后进行处理。

3.根据权利要求1所述的影像传感器的自适应帧速率控制系统，其中所述AEG控制器将多组最大曝光限值及增益限值分别提供给所述时序控制器及所述放大器，用以调整所述影像传感器的曝光时间及增益。

4.根据权利要求3所述的影像传感器的自适应帧速率控制系统，其中每当已达到所述增益限值时，则置换所述最大曝光限值。

5.根据权利要求4所述的影像传感器的自适应帧速率控制系统，其中所述增益限值包括最大增益限值及最小增益限值。

6.根据权利要求5所述的影像传感器的自适应帧速率控制系统，当所述入射光强度减小时，所述增益增加但不超过所述最大增益限值，然而所述最大曝光限值维持不变；当所述入射光强度增大时，所述增益减小但不低于所述最小增益限值，然而所述最大曝光限值维持不变。

7.根据权利要求1所述的影像传感器的自适应帧速率控制系统，其中所述AEG控制器将多组感测频率及增益限值分别提供给所述时序控制器及所述放大器，用以调整所述影像传感器的曝光时间及增益。

8.根据权利要求7所述的影像传感器的自适应帧速率控制系统，其中每当已达到所述增益限值时，则置换所述感测频率。

9.根据权利要求8所述的影像传感器的自适应帧速率控制系统，其中所述增益限值包括最大增益限值及最小增益限值。

10.根据权利要求9所述的影像传感器的自适应帧速率控制系统，当所述入射光强度减小时，所述增益增加但不超过所述最大增益限值，然而所述感测频率维持不变；当所述入射光强度增大时，所述增益减小但不低于所述最小增益限值，然而所述感测频率维持不变。

11.一种影像传感器的自适应帧速率控制方法，包括：

以一增益将所述影像传感器的感测输出信号予以放大；

根据入射光强度以决定曝光时间和所述增益的乘积(EGP)；以及

自适应地调整所述影像传感器的曝光时间及增益，使得所述放大感测输出信号可大约接近感测目标信号；

其中，所述曝光时间的改变优先于所述增益的改变。

12.根据权利要求11所述的影像传感器的自适应帧速率控制方法，还包括：将所述放大感测输出信号转换为数字形式，使其可随后进行处理。

13.根据权利要求11所述的影像传感器的自适应帧速率控制方法，还包括提供多组最大曝光限值及增益限值，用以调整所述影像传感器的曝光时间及增益。

14.根据权利要求13所述的影像传感器的自适应帧速率控制方法，其中每当已达到所述增益限值时，则置换所述最大曝光限值。

15.根据权利要求14所述的影像传感器的自适应帧速率控制方法，其中所述增益限值包括最大增益限值及最小增益限值。

16.根据权利要求15所述的影像传感器的自适应帧速率控制方法，当所述入射光强度减小时，所述增益增加但不超过所述最大增益限值，然而所述最大曝光限值维持不变；当所述入射光强度增大时，所述增益减小但不低于所述最小增益限值，然而所述最大曝光限值维持不变。

17.根据权利要求11所述的影像传感器的自适应帧速率控制方法，还包括提供多组感测频率及增益限值，用以调整所述影像传感器的曝光时间及增益。

18.根据权利要求17所述的影像传感器的自适应帧速率控制方法，其中每当已达到所述增益限值时，则置换所述感测频率。

19.根据权利要求18所述的影像传感器的自适应帧速率控制方法，其中所述增益限值包括最大增益限值及最小增益限值。

20.根据权利要求19所述的影像传感器的自适应帧速率控制方法，当所述入射光强度减小时，所述增益增加但不超过所述最大增益限值，然而所述感测频率维持不变；当所述入射光强度增大时，所述增益减小但不低于所述最小增益限值，然而所述感测频率维持不变。

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