CN105163044A - 高动态范围图像传感器数据输出方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高动态范围图像传感器数据输出方法及实现该方法的装置，该方法通过集成在图像传感器芯片内部的模拟域或数字域阈值判断单元及标识位单元，实现高、低增益通道判断，当高增益数据小于等于阈值时高增益数据有效；当高增益数据大于阈值时低增益数据有效；然后将有效高、低增益数字数据增加标识位，根据标识位区分有效高、低增益数字数据，将有效低增益数字数据乘以合成系数后与有效高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。本发明减少了图像传感器数据处理量和传输量，提高了输出效率，降低了功耗，降低了系统复杂度，节省了系统资源。可广泛用于利用高、低增益通道实现高动态范围的图像传感器设计中。
Description
技术领域
本发明属于半导体图像感测技术领域，具体涉及一种高动态范围图像传感器数据输出方法及装置。
背景技术
动态范围(DynamicRange，DR)是表征图像传感器性能的一个重要指标，对于传统的高动态范围(HighDynamicRange,HDR)图像传感器，感光像素输出的高、低增益原始模拟数据直接输入信号处理单元，经信号放大与模数转换等过程得到高增益数字数据(D_HG)与低增益数字数据(D_LG)，如图1所示。
以上两组不同增益的数据，其输出响应示意图如1所示，其中高增益数据由于具有较高增益，能够很好的记录场景暗部细节，但容易达到饱和；而低增益数据不容易达到饱和，可以更好的记录场景亮部细节。
利用这两组数据合成HDR图像的方法如下，合成之后的HDR响应如图2所示。
1)首先选取一个阈值TH(一般情况下设定在高增益曲线的线性边界处，如图2所示)；
2)然后在传感器外通过一个外部处理器(例如FPGA)判断高增益数据与阈值TH的关系：
当高增益数据小于等于阈值TH时，高增益数据有效；当高增益数据大于阈值TH时，高增益数据无效，相应曝光量的低增益数据有效；
3)有效的高增益有效数据直接用于合成HDR图像在较低曝光量时的响应曲线，有效的低增益数据在外部系统中(例如FPGA)被处理，乘以一个合成系数K(K为根据实验数据拟合高低增益曲线得到的统计值)用于合成HDR图像在较高曝光量时的响应曲线。得到的HDR响应曲线分段表达式为：
D_HDR＝D_HG(D_HG<＝TH)
D_HDR＝KxD_LG(D_HG>TH)
这种合成高动态范围图像方法的缺点是需要将片上两路高、低增益数据全部输出，输出数据不全部有效，降低了传感器数据传输效率，增加了系统功耗；同时需要在外部系统中对数据进行判断处理，提高了系统复杂度，占用了系统资源。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种高动态范围图像传感器数据输出方法，该方法传感器数据处理量和传输量少，输出效率高，功耗低。
为了解决上述技术问题，本发明的高动态范围图像传感器数据输出方法可以采用下述两种技术方案：
技术方案一
本发明的高动态范围图像传感器数据输出方法包括下述步骤：
一、在图像传感器内部像素输出通道末端集成一个模拟域阈值判断单元，将接收到的高增益原始模拟数据与模拟域阈值TH进行比较，如果高增益原始模拟数据小于等于模拟域阈值TH，则将高增益原始模拟数据直接输出至图像传感器内部信号处理单元；如果高增益原始模拟数据大于模拟域阈值TH，则选择将低增益原始模拟数据输出至图像传感器内部信号处理单元，经信号处理单元处理后得到有效高增益数字数据或有效低增益数字数据；
二、在图像传感器内部信号处理单元后端，将有效高增益数字数据或有效低增益数字数据增加一个标识位，或者对有效高增益数字数据和有效低增益数字数据增加不同的标识位后再输出；
三、根据标识位区分有效高增益数字数据和有效低增益数字数据，将有效低增益数字数据乘以一个合成系数K后与有效高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
实现上述高动态范围图像传感器数据输出方法的装置包括模拟域阈值判断单元，信号处理单元，标识位单元，数据合成单元；所述模拟域阈值判断单元集成在图像传感器内部像素输出通道末端，将接收到的高增益原始模拟数据与模拟域阈值TH进行比较，当高增益原始模拟数据小于等于模拟域阈值TH时，将高增益原始模拟数据输出至信号处理单元；当高增益原始模拟数据大于模拟域阈值TH时，将低增益原始模拟数据输出至信号处理单元；标识位单元集成于图像传感器内部信号处理单元后端，将信号处理单元输出的有效高增益数字数据或有效低增益数字数据增加一个标识位，或者将有效高增益数字数据和有效低增益数字数据增加不同的标识位后再输出给数据合成单元；数据合成单元将有效低增益数字数据乘以一个合成系数K后与有效高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
所述模拟域阈值判断单元包括模拟比较器，模拟存储电路，模拟双路选择器；模拟比较器将接收到的高增益原始模拟数据与模拟域阈值TH进行比较，并将比较结果输出至模拟存储电路和模拟双路选择器；模拟双路选择器接收高增益原始模拟数据和低增益原始模拟数据，并根据比较结果选择输出高增益原始模拟数据或低增益原始模拟数据至信号处理单元。
所述标识位单元采用逻辑电路，逻辑电路读取模拟存储电路的存储值并根据该存储值区分信号处理单元输出的有效数据；将有效高增益数字数据或有效低增益数字数据增加一个标识位，或者将有效高增益数字数据和有效低增益数字数据增加不同的标识位后再输出给数据合成单元。
所述数据合成单元采用可编程逻辑器件，将有效低增益数字数据乘以一个合成系数K后与有效高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
所述数据合成单元可以是集成于图像传感器内部的计算单元(例如乘法器)，也可以是图像传感器外部的一个可编程逻辑器件(FPGA)。
技术方案二
本发明的高动态范围图像传感器数据输出方法包括下述步骤：
一、在图像传感器内部，感光像素输出的高增益原始模拟数据、低增益原始模拟数据直接送入信号处理单元进行信号处理，得到高增益数字数据和低增益数字数据；
二、在图像传感器的信号处理单元后端集成数字域阈值判断单元，数字域阈值判断单元将信号处理单元输出的高增益数字数据与数字域阈值TH进行比较，如果高增益数字数据小于等于数字域阈值TH，则选择将高增益数字数据作为有效高增益数字数据输出；如果高增益数据大于数字域阈值TH，则选择将低增益数字数据作为有效低增益数字数输出；
三、将有效高增益数据或有效低增益数据增加一个标识位，或者对有效高增益数据和有效低增益数据增加不同的标识位后再输出；
四、根据标识位区分有效高增益数字数据和有效低增益数字数据，将有效低增益数字数据乘以一个合成系数K后与有效高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
实现上述高动态范围图像传感器数据输出方法的装置采用下述技术方案：
实现上述高动态范围图像传感器数据输出方法的装置包括信号处理单元，数字域阈值判断单元，标识位单元，数据合成单元；所述数字域阈值判断单元和标识位单元集成在图像传感器内部信号处理单元后端，将信号处理单元输出的高增益数字数据与数字域阈值TH进行比较，当高增益数字数据小于等于数字域阈值TH时，选择高增益数字数据作为有效高增益数字数据输出；当高增益数字数据大于数字域阈值TH时，选择低增益数字数据作为有效低增益数字数据输出；标识位单元将高增益数字数据或低增益数字数据增加一个标识位，或者将高增益数据和低增益数据增加不同的标识位后再输出给数据合成单元；数据合成单元将低增益数字数据乘以一个合成系数K后与高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
所述数字域阈值判断单元包括数字比较器，数字存储电路，数字双路选择器；数字比较器将接收到的高增益数字数据与数字域阈值TH进行比较，并将比较结果输出至数字存储电路和数字双路选择器；数字双路选择器接收高增益数字数据和低增益数字数据，并根据比较结果选择输出高增益数字数据或低增益数字数据至信号处理单元。
所述标识位单元采用逻辑电路，逻辑电路读取数字存储电路的存储值并根据该存储值区分信号处理单元输出的有效数据；在有效高增益数字数据或有效低增益数字数据增加一个标识位，或者将有效高增益数字数据和有效低增益数字数据增加不同的标识位后再输出给数据合成单元。
所述数据合成单元采用可编程逻辑器件，将有效低增益数字数据乘以一个合成系数K后与有效高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
所述数据合成单元可以是集成于图像传感器内部的计算单元(例如乘法器)，也可以是图像传感器外通的一个可编程逻辑器件(FPGA)。
本发明将模拟域或数字域阈值判断单元，及标识位单元集成在图像传感器芯片内部，通过一定片上处理，实现高、低增益通道判断，可以输出具有标识位的有效高增益数据与有效低增益数据，减少了传感器数据处理量和传输量，提高了输出效率，降低了功耗，降低了系统复杂度，节省了系统资源。可广泛用于利用高、低增益通道实现高动态范围的图像传感器设计中。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是传统高动态范围图像传感器输出响应示意图。
图2是传统高动态范围图像传感器HDR合成响应示意图。
图3是本发明中高动态范围图像传感器数据输出示意图。
图4是本发明的高动态范围图像传感器输出方法实施例1的流程图。
图5是实现本发明的高动态范围图像传感器输出方法实施例1的装置示意图。
图6是本发明的高动态范围图像传感器输出方法实施例2的流程图。
图7是实现本发明的高动态范围图像传感器输出方法实施例2的装置示意图。
具体实施方式
如图3所示，本发明在图像传感器片上对高、增益原始模拟数据进行处理，输出具有标识位的有效高增益数字数据和有效低增益数字数据，然后在图像传感器片外将有效低增益数字数据乘以一个合成系数K后与有效高增益数字数据共同合成HDR响应曲线，减少了传感器数据处理量和传输量，提高了输出效率。但本发明不限于上述方式，还可以直接在图像传感器片上将有效低增益数字数据乘以一个合成系数K后与有效高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
实施例1
如图4所示，本发明的高动态范围图像传感器输出方法如下：
一、在图像传感器内部像素输出通道末端集成一个模拟域阈值判断单元，并选取一个模拟域阈值TH；感光像素输出的高增益原始模拟数据和低增益原始模拟数据输入到模拟域阈值判断单元；
二、模拟域阈值判断单元判断接收到的高增益原始模拟数据与模拟域阈值TH的关系，若高增益原始模拟数据小于等于模拟域阈值TH，则该数据直接输出到信号处理单元；若高增益原始模拟数据大于阈值TH时，则选择将低增益原始模拟数据输出至信号处理单元；经过以上处理，仅有效的高增益原始模拟数据、低增益原始模拟数据被保留，输入至信号处理单元；信号处理单元与一般图像传感器数据处理方法相同，包括信号放大与模数转换等过程，经信号处理之后得到有效高增益数字数据和有效低增益数字数据；
三，在图像传感器内部信号处理单元后端集成一个标识位单元，对有效高增益数字数据和有效低增益数字数据分别增加一个不同标识位；图像传感器最终输出一组数据，其中具有第一标识位的数据为有效高增益数字数据，具有第二标识位的数据为有效低增益数字数据；
四、根据标识位区分高、低增益数字数据，将低增益数字数据乘以一个合成系数K后与高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
如图5所示，实现上述方法的装置包括实现上述高动态范围图像传感器输出方法的装置包括模拟域阈值判断单元，信号处理单元，标识位单元，数据合成单元；所述模拟域阈值判断单元集成在像素输出通道末端，由模拟比较器、模拟存储电路及模拟双路比较器组成；由像素输出的高增益原始模拟数据首先与模拟比较器的比较电平TH进行比较，如果高增益原始模拟数据小于比较电平TH，则模拟比较器输出一个高电平“1”作为比较结果；如果高增益原始模拟数据大于比较电平TH，则模拟比较器输出一个低电平“0”作为比较结果。该比较结果在模拟存储电路(由电容器和开关等组成)中进行存储，为后续流程提供比较结果，同时模拟比较器将该比较结果提供给模拟双路选择器。然后根据比较结果，如果为“1”，模拟双路选择器选择将高增益原始模拟数据作为有效数据输出至信号处理单元；如果为“0”，模拟双路选择器选择低增益原始模拟数据作为有效数据输出至信号处理单元。信号处理单元与一般图像传感器的信号处理单元相同，包括信号放大器和模数转换器；该单元对有效高增益原始模拟数据和有效低增益原始模拟数据进行信号放大与模数转换等处理，得到有效高增益数字数据和有效低增益数字数据。标识位单元集成于图像传感器内部信号处理单元后端，由一些逻辑电路组成，如果读取模拟存储电路的存储值为“1”，说明该逻辑电路接收到的数据为有效高增益数字数据，然后逻辑电路可以在该数字数据之前增加一位数字位，比如“0”；如果读取模拟存储电路的存储值为“0”，表示接收到的数据为有效低增益数字数据，该逻辑电路在该数字数据之前增加另外一位数字位，比如“1”。通过该逻辑电路，输出的数字数据如果第一位为“0”，表示该数据为高增益数字数据，如果第一位为“1”，表示该数据为低增益数字数据。数据合成单元可以是集成于图像传感器内部的乘法器，也可以是图像传感器外部的一个可编程逻辑器件(FPGA)；该器件将有效低增益数字数据乘以一个合成系数K后与有效高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
实施例2
如图6所示，本发明的高动态范围图像传感器输出方法如下：
一、在图像传感器内部，感光像素输出的高增益原始模拟数据、低增益原始模拟数据直接送入信号处理单元进行正常信号处理，包括信号放大与模数转换，得到高增益数字数据和低增益数字数据。
二、在图像传感器内部的信号处理单元后端集成数字域阈值判断单元，数字域阈值判断单元将信号处理单元输出的高增益数字数据与数字域阈值TH进行比较，当高增益数字数据小于等于数字域阈值TH时，选择将高增益数字数据作为有效高增益数字数据输出；当高增益数据大于数字域阈值TH时，选择将低增益数字数据作为有效低增益数字数输出；
三、将有效高增益数字数据和有效低增益数字数据增加不同的标识位后再输出；
四、根据标识位区分有效高增益数字数据和有效低增益数字数据，将有效低增益数字数据乘以一个合成系数K后与有效高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
实现上述高动态范围图像传感器输出方法的装置采用下述技术方案：
实现上述高动态范围图像传感器输出方法的装置包括信号处理单元，数字域阈值判断单元，标识位单元，数据合成单元；所述数字域阈值判断单元和标识位单元集成在信号处理单元后端，数字域阈值判断单元由数字比较器、数字存储电路及数字双路选择器组成；由像素输出的高增益原始模拟数据和低增益原始模拟数据首先经过信号处理单元进行信号放大与模数转换，输出高增益数字数据和低增益数字数据。高增益数字数据与数字比较器的数字比较电平TH进行比较，如果高增益数字数据小于数字比较电平TH，则数字比较器输出一个高电平“1”作为比较结果；如果高增益数字数据大于数字比较电平TH，则数字比较器输出一个低电平“0”作为比较结果。该比较结果在数字存储电路(由电容器和开关等组成)中进行存储，为后续流程提供比较结果，同时数字比较器将该比较结果提供给数字双路选择器。然后根据比较结果，如果为“1”，数字双路选择器选择高增益数字数据作为有效数据输出；如果为“0”，数字双路选择器选择低增益数字数据作为有效数据输出，得到有效高增益数字数据和有效低增益数字数据。标识位单元由一些逻辑电路组成，如果读取数字存储电路的存储值为“1”，说明该逻辑电路接收到的数据为有效高增益数字数据，然后逻辑电路可以在该数字数据之前增加一位数字位，比如“0”；如果读取数字存储电路的存储值为“0”，表示接收到的数据为有效低增益数字数据，该逻辑电路在该数字数据之前增加另外一位数字位，比如“1”。通过该逻辑电路，输出的数字数据如果第一位为“0”，表示该数据为高增益数字数据，如果第一位为“1”，表示该数据为低增益数字数据。数据合成单元可以是集成于图像传感器内部的乘法器，也可以是图像传感器外部的一个可编程逻辑器件(FPGA)；该器件将有效低增益数字数据乘以一个合成系数K后与有效高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
本发明不限于上述实施例，所述的模拟域或数字域阈值判断单元具体电路架构不限，只要可以实现判断两个不同增益数据与阈值TH的关系，选择性输出有效数据；标识位单元还可以仅对有效高增益数字数据增加一个标识位或仅对有效低增益数字数据增加一个标识位，以对两者进行区分。因此凡是采用本发明权利要求1和权利要求(待定)技术方案的即在本发明意图保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高动态范围图像传感器数据输出方法，其特征在于包括下述步骤：
一、在图像传感器内部像素输出通道末端集成一个模拟域阈值判断单元，将接收到的高增益原始模拟数据与模拟域阈值TH进行比较，如果高增益原始模拟数据小于等于模拟域阈值TH，则将高增益原始模拟数据直接输出至图像传感器内部信号处理单元；如果高增益原始模拟数据大于模拟域阈值TH，则选择将低增益原始模拟数据输出至图像传感器内部信号处理单元，经信号处理单元处理后得到有效高增益数字数据或有效低增益数字数据；
二、在图像传感器内部信号处理单元后端，将有效高增益数字数据或有效低增益数字数据增加一个标识位，或者对有效高增益数字数据和有效低增益数字数据增加不同的标识位后再输出；
三、根据标识位区分有效高增益数字数据和有效低增益数字数据，将有效低增益数字数据乘以一个合成系数K后与有效高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
2.一种实现如权利要求1所述高动态范围图像传感器数据输出方法的装置，其特征在于包括模拟域阈值判断单元，信号处理单元，标识位单元，数据合成单元；所述模拟域阈值判断单元集成在图像传感器内部像素输出通道末端，将接收到的高增益原始模拟数据与模拟域阈值TH进行比较，当高增益原始模拟数据小于等于模拟域阈值TH时，将高增益原始模拟数据输出至信号处理单元；当高增益原始模拟数据大于模拟域阈值TH时，将低增益原始模拟数据输出至信号处理单元；标识位单元集成于图像传感器内部信号处理单元后端，将信号处理单元输出的有效高增益数字数据或有效低增益数字数据增加一个标识位，或者将有效高增益数字数据和有效低增益数字数据增加不同的标识位后再输出给数据合成单元；数据合成单元将有效低增益数字数据乘以一个合成系数K后与有效高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
3.根据权利要求2所述的实现如权利要求1所述高动态范围图像传感器数据输出方法的装置，其特征在于所述模拟域阈值判断单元包括模拟比较器，模拟存储电路，模拟双路选择器；模拟比较器将接收到的高增益原始模拟数据与模拟域阈值TH进行比较，并将比较结果输出至模拟存储电路和模拟双路选择器；模拟双路选择器接收高增益原始模拟数据和低增益原始模拟数据，并根据比较结果选择输出高增益原始模拟数据或低增益原始模拟数据至信号处理单元。
4.根据权利要求3所述的高动态范围图像传感器数据输出装置，其特征在于所述标识位单元采用逻辑电路，逻辑电路读取模拟存储电路的存储值并根据该存储值区分信号处理单元输出的有效数据；将有效高增益数字数据或有效低增益数字数据增加一个标识位，或者将有效高增益数字数据和有效低增益数字数据增加不同的标识位后再输出给数据合成单元。
5.根据权利要求2所述的高动态范围图像传感器数据输出装置，其特征在于所述数据合成单元采用可编程逻辑器件。
6.一种高动态范围图像传感器数据输出方法，其特征在于包括下述步骤：
一、在图像传感器内部，感光像素输出的高增益原始模拟数据、低增益原始模拟数据直接送入信号处理单元进行信号处理，得到高增益数字数据和低增益数字数据；
二、在图像传感器的信号处理单元后端集成数字域阈值判断单元，数字域阈值判断单元将信号处理单元输出的高增益数字数据与数字域阈值TH进行比较，如果高增益数字数据小于等于数字域阈值TH，则选择将高增益数字数据作为有效高增益数字数据输出；如果高增益数据大于数字域阈值TH，则选择将低增益数字数据作为有效低增益数字数输出；
三、将有效高增益数据或有效低增益数据增加一个标识位，或者对有效高增益数据和有效低增益数据增加不同的标识位后再输出；
四、根据标识位区分有效高增益数字数据和有效低增益数字数据，将有效低增益数字数据乘以一个合成系数K后与有效高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
7.一种实现如权利要求6所述高动态范围图像传感器数据输出方法的装置，其特征在于包括信号处理单元，数字域阈值判断单元，标识位单元，数据合成单元；所述数字域阈值判断单元和标识位单元集成在图像传感器内部信号处理单元后端，将信号处理单元输出的高增益数字数据与数字域阈值TH进行比较，当高增益数字数据小于等于数字域阈值TH时，选择高增益数字数据作为有效高增益数字数据输出；当高增益数字数据大于数字域阈值TH时，选择低增益数字数据作为有效低增益数字数据输出；标识位单元将高增益数字数据或低增益数字数据增加一个标识位，或者将高增益数据和低增益数据增加不同的标识位后再输出给数据合成单元；数据合成单元将低增益数字数据乘以一个合成系数K后与高增益数字数据共同合成HDR响应曲线。
8.根据权利要求7所述的实现如权利要求6所述高动态范围图像传感器数据输出方法的装置，其特征在于所述数字域阈值判断单元包括数字比较器，数字存储电路，数字双路选择器；数字比较器将接收到的高增益数字数据与数字域阈值TH进行比较，并将比较结果输出至数字存储电路和数字双路选择器；数字双路选择器接收高增益数字数据和低增益数字数据，并根据比较结果选择输出高增益数字数据或低增益数字数据至信号处理单元。
9.根据权利要求7所述的实现如权利要求6所述高动态范围图像传感器数据输出方法的装置，其特征在于所述标识位单元采用逻辑电路，逻辑电路读取数字存储电路的存储值并根据该存储值区分信号处理单元输出的有效数据；在有效高增益数字数据或有效低增益数字数据增加一个标识位，或者将有效高增益数字数据和有效低增益数字数据增加不同的标识位后再输出给数据合成单元。
10.根据权利要求7所述的实现如权利要求6所述高动态范围图像传感器数据输出方法的装置，其特征在于所述数据合成单元采用可编程逻辑器件。
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