CN108632546A - 像素采集电路、光流传感器及图像采集系统 - Google Patents

像素采集电路、光流传感器及图像采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了像素采集电路、光流传感器及图像采集系统。其中，光流传感器，包括像素采集电路阵列、波形生成器、全局控制单元和读取单元。像素采集电路阵列，包括根据本发明的像素采集电路。波形生成器适于向阵列中每个像素采集电路所耦接的时间信号线输出周期信号波形。全局控制单元适于通过全局触发信号线向每个像素采集电路输出所述全局激活信号，通过复位信号线向每个像素采集电路输出所述复位信号。读取单元适于读取该阵列至少一部分像素采集电路所输出的信号。

Description

像素采集电路、光流传感器及图像采集系统
技术领域
本发明涉及图像采集技术领域，尤其涉及像素采集电路、光流传感器及图像采集系统。
背景技术
随着信息技术的不断发展，计算机视觉及图像信息处理变得越来越重要。其中，光流法可以基于图像信息而确定目标对象的运动情况。光流法可以应用在军事航天、交通监管、信息科学、气象和医学等多个领域中。
光流的概念最初由Gibson于1950年首先提出。实物可以由感光元件成像。所成图像中的点与实物上点一一对应。当目标对象在三维场景中运动时，所对应的图像帧序列中图像亮度模式会表现出流动。这种图像亮度模式的流动可以称为光流。
目前，光流算法通常复杂且计算量巨大。为了进行光流计算，前端图像采集设备需要以高帧率进行图像采集，然后由后续的图像处理设备进行高计算量的光流分析。
现有的光流算法通常首先需要多帧图像信息，然后通过较高计算量进行光流分析。因此，现有的光流分析设备对数据处理能力有较高的要求，并且实时性有待提高。
因此，本发明提出了一种新的光流采集方案。
发明内容
本发明提供一种新的光流采集的技术方案，有效地解决了上述中至少一个问题。
根据本发明的一个方面，提供一种光流传感器的像素采集电路，包括光电探测单元、信号检测单元、或逻辑单元、采集控制单元、采样保持单元和信号输出单元。光电探测单元适于实时输出对应于照射在其上的光信号的第一电信号。信号检测单元，其输入端与光电探测单元的输出端耦接，适于在检测到第一电信号满足预定触发条件时输出第一触发信号。或逻辑单元，其输入端与信号检测单元的输出端以及光流传感器的全局触发信号线耦接，适于在接收到第一触发信号或者来自全局触发信号线的全局触发信号时输出采集指示信号。采集控制单元，其输入端与或逻辑单元的输出端耦接，适于在接收到采集指示信号时保持输出激活信号。采样保持单元，其第一输入端与光电探测单元的输出端耦接，其第二输入端与时间信号线耦接，其第三输入端与采集控制单元的输出端耦接，适于接收激活信号，并采样和缓存本次接收时刻的第一电信号和/或时间信号。信号输出单元，与采集控制单元和采样保持单元均耦接，适于缓存并输出激活信号、采样保持单元最新采样的第一电信号和/或时间信号。
根据本发明的又一个方面，提供一种光流传感器，包括像素采集电路阵列、波形生成器、全局控制单元和读取单元。像素采集电路阵列，包括根据本发明的像素采集电路。波形生成器适于向阵列中每个像素采集电路所耦接的时间信号线输出周期信号波形。全局控制单元适于通过全局触发信号线向每个像素采集电路输出所述全局触发信号，通过复位信号线向每个像素采集电路输出所述复位信号。读取单元适于读取该阵列至少一部分像素采集电路所输出的信号。
根据本发明的又一个方面，提供一种图像采集系统，包括根据本发明的光流传感器、光流预处理器和图像预处理器。图像预处理器适于在图像模式下获取来自光流传感器的信息。光流预处理器，适于在光流模式下获取来自光流传感器的信息。
综上，根据本发明的光流传感器可以通过全局控制单元指示像素采集电路阵列工作在图像或光流模式。在图像模式中，像素采集电路阵列采集一幅完整的图像。特别是高速拍摄应用场景中，本发明的光流传感器由于不需要额外的曝光时间，从而可以拍摄出清晰且无滞后的图像。这样，光流传感器所采集的图像可以为后续光流帧提供完整的背景信息。在光流模式中，本发明的每个像素采集电路根据光强信息自主判断是否激活。这样，本发明的像素采集电路可以单独采集与运动对象光流信息相关的时间信号，即采集一个光流帧。在此基础上，本发明光流传感器所采集的多帧时间信号以及相应的地址信息可以清楚表征目标物体的运动轨迹。综上，本发明的光流传感器可以提供清楚而直接的光流信息，从而极大减少了冗余信息，进而可以降低后续光流算法的计算复杂度并提高光流计算的实时性。
附图说明
为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。
图1示出了根据本发明一些实施例的图像采集系统100的示意图；
图2A、2B、2C和2D分别示出了根据本发明的光流传感器的工作时序的一个实施例；
图3A示出了根据本发明的光流传感器的一个实施例的应用场景；
图3B示出了运动对象A分别在运动时刻t＝0ms，1ms，2ms和6ms时在视场范围的位置图；
图3C示出了在图3A所示的应用场景中光流预处理器所获取的时间信号与地址的映射图；
图3D示出了运动对象A以相同方向(Y方向)但以不同运动速度经过视场时形成的时间坡图像；
图3E和3F分别示出了运动对象A沿着X方向以及X顺时针45°方向运动的时间坡图像；
图4示出了根据本发明一些实施例的像素采集电路400的示意图；
图5A、5B、5C和5D分别示出了根据本发明一个实施例的光电探测单元的示意图；
图6A、6B、6C和6D分别示出了根据本发明一个实施例的信号处理模块的示意图；
图7A、7B、7C和7D分别示出了根据本发明一个实施例的阈值比较模块的示意图；
图8A和8B分别示出了根据本发明一个实施例的采样保持单元的示意图；
图9A和图9B分别示出了根据本发明一个实施例的信号输出单元的示意图；
图10示出了根据本发明一些实施例的光流传感器500的示意图；以及
图11示出了图10中一个像素采集电路的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
图1示出了根据本发明一些实施例的图像采集系统100的示意图。如图1所示，图像采集系统100包括光流传感器110、图像预处理器120和光流预处理器130。光流传感器110包括像素采集电路阵列111、全局控制单元112、波形生成器113和读取单元114。这里，阵列111与全局控制单元112、波形生成器113和读取单元114均耦接。
首先说明的是，现有的图像传感器通常按照一定的采样频率进行工作，以输出图像帧序列。每帧图像均是图像传感器视场内的一幅完整图像。从信息采集范围的角度而言，现有图像传感器的工作模式是固定的。
不同于现有技术，本发明的光流传感器110的工作模式是可调节的。具体而言，本发明的光流传感器110可以按照时间段划分其工作模式。光流传感器110可以对其在每个时间段的工作模式进行独立配置。工作模式有两种，分别是光流模式和图像模式。
在每个图像模式的时间段中，全局控制单元112可以指示像素采集电路阵列111中所有像素采集电路(即像素单元)同步采集关于光强信息的电信号。换言之，全局控制单元112可以全局激活像素采集电路阵列111并采集关于一幅完整图像的电信号。在此基础上，读取单元114可以读取关于一幅完整图像的电信号，并传输到图像预处理器120。图像预处理器120可以被配置为对所获取的电信号进行放大处理和模数转化处理，以获取数字化的图像。简而言之，光流传感器110在每个图像模式的时间段采集一个图像帧。
在每个光流模式的时间段中，全局控制单元112不主动激活像素采集电路。波形生成器113适于向阵列111中每个像素采集电路提供周期波形信号。周期波形信号例如为三角波、锯齿波或正弦波等，但不限于此。阵列111中每个像素采集电路实时监测其上照射的光强信息。像素采集电路在确定光强信息的变化满足预定条件(例如，照度变化量和变化速率都超过各自的阈值)时，可以实时进入激活状态。像素采集电路在进入激活状态时，可以采集周期信号波形在当前相位的电压幅值作为时间信号，还可以采集对应当前光强信息的电信号。在此基础上，读取单元114可以从阵列111读取已激活(触发)的像素采集电路的地址和时间信号。读取单元114所读取的信息可以称为一个光流帧。读取单元114可以将光流帧传输到光流预处理器130。光流预处理器130可以对光流帧中时间信号进行模数转化等操作。
综上，通过对每个时间段的工作模式进行配置，光流传感器110可以有多种工作时序。下面结合图2A、2B、2C和2D，对光流传感器110的工作时序进行示例性说明。为了简化描述，下文中将工作时序中每个时间段称为一帧。
在图2A所示的实施例中，光流传感器110在第1帧为光流模式，第2帧为图像模式，第3帧为光流模式，第4帧为图像模式，依次类推。光流传感器110每一帧后切换一次模式，交替工作在光流模式和图像模式。本实施例的工作时序通常应用在对运动对象进行轨迹追踪的场景中。光流传感器110在图像模式采集的图像帧对应于运动对象的背景。光流传感器110在光流模式采集的光流帧对应于运动对象的当前位置信息。
在图2B所示的实施例中，光流传感器110在第1和2帧为光流模式，第3帧为图像模式，第4和5帧为光流模式，第6帧为图像模式，依次类推。光流传感器110每2帧处于光流模式之后，有1帧处于图像模式。
在图2C所示的实施例中，光流传感器110在每帧中均处于光流模式。
在图2D所示的实施例中，光流传感器110在每帧中均处于图像模式。
应注意的是，本发明的光流传感器110的工作时序还可以被配置为上述示例之外的其他等同替换方式，这里不再赘述。
为了更形象说明光流传感器的工作过程，下面以图3A、3B和3C为例，对被配置为图2C所示的工作时序的光流传感器110的工作过程进行说明。
图3A示出了本发明的光流传感器110的一个典型的应用场景。如图3A所示，运动对象A沿Y轴方向匀速进入光流传感器110的视场范围。为了简化描述，光流传感器110被配置为包括8×8的像素采集电路阵列111。相应地，阵列111对应的视场范围可以划分成8×8的栅格状区域。另外，用P(x,y)表示第x行第y列的栅格。图3A中，x(行)坐标值从下往上递增，y(列)坐标值从左往右递增。每个栅格与一个像素采集电路一一对应。图3B示出了运动对象A分别在运动时刻t＝0ms，1ms，2ms和6ms时在视场范围的位置图。其中，视场范围内未被覆盖的栅格用白色表示，被运动对象A覆盖的栅格用灰色表示。上述4个运动时刻依次对应光流传感器110的4帧(如上所述，每帧为一个采集时间段)。这里，运动对象A所辐射的光强与视场范围内的背景光强有较大差异。运动对象A经过一个白色背景栅格时，该栅格对应的像素采集电路可以确定光强变化满足预定条件，实时进入激活状态，并采集当前时刻的时间信号。
在运动时刻t＝0ms时，P(3,1)到P(6,2)共8个栅格所对应的像素采集电路进入激活状态并采集时间信号。读取单元114可以读取相应的光流帧。
在运动时刻t＝1ms时，P(3,3)到P(6,3)共4个栅格所对应的像素采集电路在本帧内采集时间信号。而P(3,1)到P(6,2)对应的栅格区域光强信息没有较大变化，因此相应的像素采集电路在本帧内没有被激活。后续运动时刻t＝2ms和6ms依次类推，这里不再赘述。
对于上述4个运动时刻(t＝0ms，1ms，2ms和6ms)，光流传感器110可以采集4个光流帧。基于该4个光流帧，光流预处理器130(或者其他的光流分析设备)可以确定运动对象的运动速度和方向(实际上，为运动对象在在垂直于镜头的平面内投影)。图3C示出了在图3A所示的应用场景中光流预处理器所获取的时间信号与地址的映射图。该映射图可以称为一个时间坡图像。其中，X轴Y轴表示像素采集电路阵列111的行与列，Z轴表示时间信号。图3C中时间坡的坡度可以表征运动对象的速度。图3C中时间坡的坡向(图中箭头方向)可用于分析运动对象的运动方向信息。
图3D给出了运动对象以同样方向(Y方向)但以不同运动速度经过视场时形成的时间坡图像。由于运动方向相同，三个时间坡的坡向是一致的，但是速度的不同导致时间坡的陡峭程度不同。坡度由高到低的三个时间坡分别对应运动速度为每毫秒0.5个像素、1个像素以及2个像素。由此可见，运动速度越慢的物体形成的时间坡越陡峭。反之，运动速度越快的物体形成的时间坡越平缓。图3E、3F分别示出了运动对象A沿着X方向以及X顺时针45°方向运动的时间坡。将各图中指示的时间坡坡向(箭头方向)在XY平面的投影可以方便的获得物体的运动方向。
如上所述，本发明的像素采集电路阵列110支持光流和图像两种工作模式。下面结合图4对阵列110中像素采集电路进一步说明。图4示出了根据本发明一些实施例的像素采集电路400的示意图。
如图4所示，像素采集电路400包括光电探测单元410、信号检测单元420、或逻辑单元430、采集控制单元440、采样保持单元450和信号输出单元460。
光电探测单元410适于实时输出对应于照射在其上的光信号的第一电信号。这里，光电探测单元410例如是多种对数式光电探测器，但不限于此。图5A、5B、5C和5D分别示出了根据本发明一个实施例的光电探测单元的示意图。
在图5A所示的实施例中，光电探测单元包括阳极接地的光电二极管PD1和第一晶体管T1。第一晶体管T1的源极与光电二极管PD1阴极连接，其漏极与栅极连接到电源VDD。在一个应用场景中，光电二极管PD1接收到光照信号后产生电流I。在此基础上，T1的源极和栅极之间产生的电压变化与lnI线性相关。换言之，本实施例中光电探测单元输出的第一电信号与入射光信号强度成对数关系。
在图5B所示的实施例中，光电探测单元包括阳极接地的光电二极管PD1、第一晶体管T1和第一放大器A1。第一晶体管T1的源极与光电二极管PD1阴极连接，其漏极与电源VDD连接。第一放大器A1连接在光电二极管PD1的阴极与第一晶体管T1的栅极之间。这里，A1可以提高T1的源极和栅极之间产生电压变化的响应速度。换言之，A1增加像素采集电路检测光强变化的速度。
在图5C所示的实施例中，光电探测单元包括阳极接地的光电二极管PD1和串联的N个晶体管。图5C中N为2，但不限于此。在串联的N个晶体管中，第1个晶体管的源极与光电二极管PD1阴极连接。第N个晶体管的漏极连接到电源VDD，每个晶体管的栅极与漏极连接，第2至第N各晶体管中每个的源极连接到前1个晶体管的漏极。这里，串联的N个晶体管可以提高光电探测器的电流(电压)增益。取决于对该增益的期望，N还可以被配置为大于2的任意整数值。
在图5D示出的实施例中，光电探测单元包括阳极接地的光电二极管PD1、串联的N个晶体管和第一放大器A1。图5D中N为2，还可以是大于2的整数值。第一放大器A1连接在光电二极管PD1的阴极与第1个晶体管的栅极之间。第1个晶体管的源极与光电二极管PD1阴极连接。第N个晶体管的漏极连接到电源VDD。第2个至第N个晶体管中每个的源极连接到前1个晶体管的漏极，第2个至第N个晶体管中每个的栅极与漏极连接。
除了上述多个光电探测单元实施例之外，本发明还可以采用多种公知的高实时性的光电探测单元，这里不再赘述。需要说明的是，传统的光电探测技术通常需要进行电容充电，然后进行持续曝光(电容持续放电)，进而根据电容的剩余电量来确定累积的光照强度。根据本发明的光电探测单元410在生成代表光信号强度的第一电信号时，并不需要额外的曝光时间。因此，光电探测单元410可以无延迟地输出第一电信号。
信号检测单元420的输入端与光电探测单元410的输出端耦接。信号检测单元420适于在检测到第一电信号满足预定触发条件时输出第一触发信号。这里，预定触发条件是光强信息的变化速度够快且强度够高。速度够快且强度够高的光强变化可以被认为是由物体有效运动所引起的。相反，速度变化缓慢或者强度较低的光强变化通常是由背景光强的漂移或抖动所引起。
信号检测单元420包括信号处理模块421和阈值比较模块422。信号处理模块421可以对第一电信号进行预处理。在一个实施例中，信号处理模块421可以对第一电信号进行高通滤波处理，以滤除第一电信号中低频成分(即，过滤掉那些变化速度缓慢的光强信息)。在又一个实施例中，除了进行高通滤波处理，信号处理模块421还可以对第一电信号进行放大处理。放大处理可以增加像素采集电路对光强检测的灵敏度。信号处理模块421可以采用多种公知的滤波和放大技术，但不限于此。图6A、6B、6C、6D分别示出了根据本发明一个实施例的信号处理模块的示意图。
在图6A示出的实施例中，信号处理模块421包括第二放大器A2和高通滤波器。第二放大器A2，其输入正极连接光电探测单元输出端，其输入负极连接有下拉的第一电阻R1，其输出端与输入负极之间连接有第二电阻(R2)。第二放大器A2适于对光电探测单元输出的第一电信号进行放大处理。连接该第二放大器A2的高通滤波器滤除经过放大的第一电信号中低于频率阈值的信号成分，以输出第二电信号。
在图6B示出的实施例中，滤波放大单元包括第一电容C1、第二放大器A2、第二电容C2、第三电阻R3和第一开关K1。第一电容C1第一端与光电探测单元的输出端连接。第二放大器A2输入负极与第一电容C1的第二端连接。第二电容C2、第三电阻R3和第一开关K1，均并联在第二放大器A2的输入负极和输出端之间。其中，在复位信号线保持有复位信号期间，第一开关K1闭合。在本实施中，第一电容C1可以隔离第一电信号中的直流成分。第一电容C1和第二电容C2比值与滤波放大单元的增益成正比。另外，第二电容C2和第三电阻R3组成了高通滤波器。该滤波器可以滤除第一电信号的交流成分中低于频率阈值的信号成分。这里，频率阈值取决于第三电阻R3的阻值。第三电阻R3可以被配置为可调电阻，例如可以由图像采集系统通过全局控制单元所发送的指示信号来调节阻值。该指示信号可以根据用户输入来确定，但不限于此。
在图6C示出的实施例中，信号处理模块421包括第一电容C1、第一开关K1、第二放大器A2和高通滤波器。第二放大器A2，其输入正极与光电探测单元的输出端连接。第一电容C1，其第一端与第二放大器A2的输入负极连接，其第二端连接到固定电位。该固定电位例如为地电位，但不限于此。第一开关K1连接在第一电容C1第一端与光电探测单元的输出端之间。高通滤波器，与该第二放大器A2相连，适于滤除经过放大的第一电信号中低于预定频率阈值的信号成分，生成第二电信号。其中，在复位信号线保持有复位信号期间，第一开关K1闭合。复位信号撤销后，第一开关K1断开，电容C1采样该时刻的第一电信号。第二放大器A2可以放大第一电信号与电容C1采样电压的差值信号。高通滤波器可以滤除经过第二放大器A2放大的差值信号中低于频率阈值的信号成分，并输出第二电信号。
图6A、6B、6C所示的实施例是对第一电信号的相对变化量进行放大与滤波操作。此外，信号处理模块还可以通过直接检测第一电信号的变化速率来实现光强变化检测。图6D示出了这样一个实施例。在该实施例中，信号处理模块包括第一电容C1、第一开关K1、第二放大器A2、可调的第三电阻R3、第二电容C2和电流复制器P1。第一电容C1的第一端连接光电探测单元输出端，第二端连接电流复制器P1的第一端。电流复制器P1的第二端与第二放大器A2的输入负极连接。第二放大器A2输入正极连接一个固定电位。第二电容C2、第三电阻R3和第一开关K1均并联在第二放大器A2的输入负极和输出端之间。电流复制器P1的第一端和第二端分别连接有第一电流源I1和第二电流源I2。电流复制器将其第一端钳位于一个固定电平，并将第一电容C1的电流经第一电流源I1复制给第二电流源I2。电流复制器P1可以根据多种公知的技术实现，在此不在赘述。第一电容C1一端连接光电探测单元输出的第一电信号，另一端连接电流复制器P1第一端。根据电容两端的电压电流关系，第一电容C1的电流与第一电信号的变化率成正比，该电流经电流源I1复制到电流源I2并对第二电容C2进行充放电以生成第二电信号。在此基础上，第二电信号的幅值则由第一电信号变化的速度(充放电电流I2的大小)和变化持续时间(充放电电流I2的持续时间)决定。只有持续时间较长且变化速度较快的第一电信号才可以生成较大的第二电信号。另外，第三电阻R3作为泄漏电阻，可以抵消第二电流源I2在非常小时对第二电容C2的充放电效果，从而滤除第一电信号的交流成分中低于频率阈值的信号成分，实现高通滤波的功能。另外，在复位信号线保持有复位信号期间，第一开关K1闭合。
阈值比较模块422输入端与信号输出模块421的输出端耦接，可以对信号处理模块421处理过的第一电信号(即第二电信号)的大小进行判断。在确定第二电信号大于第一阈值或小于第二阈值时，阈值比较模块422向或逻辑单元430输出第一触发信号。
取决于期望的配置，阈值比较模块422可以只判断第二电信号是否大于第一阈值。在又一个例子中，阈值比较模块422被配置为只判断第二电信号是否小于第二阈值。在又一个例子中，阈值比较模块422被配置为既判断第二电信号是否小于第二阈值，也判断第二电信号是否大于第一阈值。其中，第二阈值小于第一阈值。这样，根据本发明的阈值比较模块422可以检测像素采集电路上光照强度的变化量是否较大(光照强度可以变大或变小)。图7A、7B、7C和7D分别示出了根据本发明一个实施例的阈值比较模块的示意图。
在图7A所示的实施例中，阈值比较模块422包括第一电压比较器VC1。第一电压比较器VC1反相输入端与提供第一阈值的信号线连接，其同相输入端连接信号处理模块的输出端。这样，本实施例的阈值比较单元可以判断第二电信号是否大于第一阈值。
在图7B所示的实施例中，阈值比较模块422包括第二电压比较器VC2。第二电压比较器VC2同相输入端与提供第二阈值的信号线连接，其反相输入端连接信号处理模块的输出端。这样，本实施例的阈值比较模块可以判断第二电信号是否小于第二阈值。
在图7C所示的实施例中，阈值比较模块422包括第一电压比较器VC1和第二电压比较器VC2。第一电压比较器VC1，反相输入端与提供第一阈值的信号线连接，其同相输入端连接信号处理模块421的输出端。第二电压比较器VC2同相输入端与提供第二阈值的信号线连接，反相输入端连接信号处理模块421的输出端。
在图7D所示的实施例中，阈值比较模块包括压差检测器VD1、第三电容C3、第四电容C4、第一缓存器B1、或逻辑开关OR、第二开关K2、第三开关K3、第一电压比较器VC1和第二电压比较器VC2。压差检测器VD1的第一输入端连接有下拉的第三电容C3，第二输入端连接有下拉的第四电容C4。第二开关K2设置在第三电容C3与信号处理模块421的输出端之间。第一缓存器B1和第三开关K3依次串联在第三电容C3和第四电容C4之间。第一缓存器B1可以被实施为电压跟随器，但不限于此。第一电压比较器VC1反相输入端与提供第一阈值的信号线连接，同相输入端连接压差检测器VD1的输出端。第二电压比较器VC2，同相输入端与提供第二阈值的信号线连接，反相输入端连接压差检测器VD1的输出端。或逻辑开关OR第一输入端与第一电压比较器VC1的输出端耦接，其第二输入端与第二电压比较器VC2的输出端耦接，其输出端与或逻辑单元430的输入端耦接。这样，压差检测器VD1可以将第一输入端的第二电信号与第二输入端保持的信号进行比较并输出差值信号。在压差检测器VD1输出的差值信号大于第一阈值或者小于第二阈值时，阈值比较模块422通过或逻辑开关OR输出第一触发信号。另外，在输出第一触发信号时，阈值比较模块422还按照时间顺序依次断开第二开关K2、闭合第三开关K3、断开第三开关K3和闭合第二开关K2。这样，阈值比较模块可以将第二输入端保持的信号更新为当前第一输入端的第二电信号。
或逻辑单元430输入端与信号检测单元420的输出端以及光流传感器的全局触发信号线耦接。或逻辑单元430适于在接收到第一触发信号或者来自全局触发信号线的全局触发信号时输出采集指示信号。
采集控制单元440输入端与或逻辑单元430的输出端耦接。在从或逻辑单元430接收到采集指示信号时，适于保持输出激活信号。在根据本发明一个实施例中，采集控制单元440可以保持输出激活信号直到从复位信号线接收到复位信号。采集控制单元440可以被配置为锁存器。相应地，锁存器的置位输入端与或逻辑单元430的输出端耦接。锁存器的复位输入端与复位信号线耦接，其输出端与采样保持单元450的第三输入端和信号输出单元460耦接。
采样保持单元450第一输入端与光电探测单元410的输出端耦接，第二输入端与时间信号线耦接，第三输入端与采集控制单元440的输出端耦接。采样保持单元450适于接收激活信号，并采样和缓存本次接收时刻的第一电信号和/或时间信号。信号输出单元460与采集控制单元440和采样保持单元450均耦接，适于缓存并输出激活信号、采样保持单元最新采样的第一电信号和/或时间信号。图8A和8B分别示出了一个采样保持单元的实施例。图9A和图9B分别示出了根据本发明一个实施例的信号输出单元的示意图。
在图8A的实施例中，采样保持单元450包括第五电容C5、第四开关K4、第六电容C6和第五开关K5。第五电容C5第一端接地。第四开关K4连接在第五电容C5的第二端与光电探测单元410的输出端之间。第六电容C6第一端接地。第五开关K5连接在第六电容C6的第二端与时间信号线之间。与本实施例连接的信号输出单元460被配置为图9A所示的实施方式。信号输出单元460包括第二缓存器B2、第七开关K7、第三缓存器B3、第八开关K8、第四缓存器B4和第九开关K9。第二缓存器B2输入端与采集控制单元440的输出端耦接。第七开关K7连接在第二缓存器B2输出端与触发状态输出线之间。第三缓存器B3输入端与第五电容C5的第二端耦接。第八开关K8连接在第三缓存器B3输出端与第一电信号输出线之间。第四缓存器B4，输入端与第六电容C6的第二端耦接。第九开关K9连接在第二缓存器B4输出端与时间信号输出线之间。采样保持单元450在接收到激活信号时，可以断开第四开关K4和第五开关K5。这样，第五电容C5可以采样并缓存第一电信号。第六电容C6可以采样并缓存时间信号。在此基础上，信号输出单元460可以根据控制信号而闭合第七开关K7、第八开关K8和第九开关K9。例如，光流传感器的读取单元通过行选择线发送选中信号到信号输出单元460，从而使得第七开关K7、第八开关K8和第九开关K9闭合。这样，信号输出单元460可以输出激活信号、第一电信号和时间信号。
在8B所示的实施例中，采样保持单元450包括数据选择器MUX、第七电容C7和第六开关K6。数据选择器MUX第一输入端连接光电探测单元410的输出端，第二输入端连接时间信号线。第七电容C7第一端接地。第六开关K6连接在数据选择器MUX的输出端与第七电容C7的第二端之间。相应地，信号输出单元460被配置为图9B所示的实施方式。信号输出单元460包括第二缓存器B2、第七开关K7、第五缓存器B5和第十开关K10。第二缓存器B2输入端与采集控制单元440的输出端耦接。第七开关K7连接在第二缓存器B2输出端与触发状态输出线之间。第五缓存器B5输入端与第七电容C7的第二端耦接。第十开关K10，连接在第五缓存器B5输出端与信号输出线之间。在本实施例中，数据选择器MUX可以根据光流传感器的指示选择连接光电探测单元或者波形生成器。通常，在处于图像模式时，光流传感器的全局控制单元可以指示数据选择器MUX连接光电探测单元。在处于光流模式时，全局控制单元可以指示数据选择器MUX连接波形生成器。全局控制单元例如可以通过专用或者复用的控制信号线发送控制指令，这里不再赘述。
图10示出了根据本发明一些实施例的光流传感器500的示意图。如图10所示，图像传感器500包括像素采集电路阵列510、全局控制单元520、波形生成器530、行扫描器540、列扫描器550和读取控制器560。这里，行扫描器540、列扫描器550和读取控制器560组成读取单元。波形生成器530适于向阵列中每个像素采集电路所耦接的时间信号线输出周期信号波形。全局控制单元520适于通过全局触发信号线向每个像素采集电路输出所述全局激活信号，通过复位信号线向每个像素采集电路输出所述复位信号。读取单元适于读取该阵列至少一部分像素采集电路所输出的信号。
图10中示出了阵列510的部分像素采集电路。这部分像素采集电路按行可以分为第i-1、i和i+1行，按列可以分为第j-1、j和j+1列。以第i行j列的像素采集电路为例，每个像素采集电路的输出信号线包括一根时间信号输出线、一根第一电信号输出线和一根触发状态输出线。图11示出了图10中一个像素采集电路的示意图。
在图11示出的实施例中，像素采集电路600包括光电探测单元610、信号检测单元、或逻辑单元630、采集控制单元640、采样保持单元650和信号输出单元660。光电探测单元610被配置为图5B所示的实施方式。此外，光电探测单元610还可以被实施为图5A、图5C和图5D的实施方式，这里不再赘述。信号检测单元包括信号处理模块621和阈值比较模块622。信号处理模块621被配置为图6B所示的实施方式。阈值比较模块622被配置为图7C的实施方式。采样保持单元650被配置为如图8A的实施方式。信号输出单元660被配置为如图9A的实施方式。
下面结合图10和图11，对光流传感器500的工作过程进一步说明。全局控制单元520可以通过复位信号控制采集频率。实际上，相邻2个复位信号之间的时间段对应一个帧(即，1个采集时间段)。换言之，全局控制单元520每次输出一个复位信号，标志上一个帧的结束和新一帧的开始。因此，相邻的2个复位信号中，第一个可以被认为是开始复位信号，第二个可以被认为是结束复位信号。在图像模式的帧中，全局控制单元520在完成开始复位信号的输出之后，通过全局触发信号线向所有像素采集电路输出全局触发信号，以便每个像素采集电路均采集一个图像帧。在光流模式的帧中，全局控制单元520在开始和结束复位信号之间不会输出全局触发信号。这样，阵列510中各个像素采集电路可以根据光强信息的变化来决定是否采集一个光流帧。
在图像模式中，读取控制器560可以指示行扫描器依次选中一行像素采集电路。对于任一行像素采集电路，行扫描器可以通过行选择线输出控制信号以便这行中所有像素采集电路的输出信号单元中开关闭合。在此基础上，读取控制器560可以指示列扫描依次读取该行每个像素采集电路的第一电信号。当然，取决于具体数据需求，列扫描器也可以被配置为读取每个像素采集电路所采集的时间信号。
在光流模式中，行扫描器的工作方式与读取图像帧时一致。列扫描器可以被配置为读取每个像素采集电路的时间信号和触发状态信号。这样，列扫描器所读取的光流帧，可以被提取出已触发状态像素采集电路的时间信号。所提取的时间信号可以提供运动对象的光流信息。
在又一个实施例中，读取单元除上述的工作方式以外，还可以被配置为在光流模式中只读取已触发(激活)的像素采集电路的时间信号，而不会读取第一电信号和触发状态信号。具体而言，列扫描器还可以被配置为包括触发状态监测模块(图10未示出)。每次列扫描器对一行像素采集电路进行扫描时，触发状态监测模块控制列扫描器只接通已进入触发状态的像素采集电路的信号输出单元。这样，列扫描器可以快速读取每行中已触发的像素采集电路的时间信号。另外，在本实施例中，行扫描器还包括行地址编码模块。相应地，列扫描器还包括列地址编码模块。这样，读取单元可以输出对应每个时间信号的地址信息。
另外说明的是，除了图10中所示出的信号输出线路布置之外，阵列510中每个像素采集电路的信号输出线路可以被配置为包括一根信号输出线和一根触发状态输出线。相应地，每个像素采集电路中采样保持单元可以被配置为如图8A的实施方式。信号输出单元被配置为如图9A的实施方式。此外，光电探测单元610还可以被实施为图5A、图5C和图5D的实施方式。信号处理模块621可以被实施为图6A、图6C和图6D所示的实施方式。阈值比较模块622可以被配置为图7A、图7B和图7D的实施方式，这里不再赘述。
综上，根据本发明的光流传感器可以通过全局控制单元指示像素采集电路阵列工作在图像或光流模式。在图像模式中，像素采集电路阵列采集一幅完整的图像。特别是高速拍摄应用场景中，本发明的光流传感器由于不需要额外的曝光时间，从而可以拍摄出清晰且无滞后的图像。这样，光流传感器所采集的图像可以为后续光流帧提供完整的背景信息。在光流模式中，本发明的每个像素采集电路根据光强信息自主判断是否激活。这样，本发明的像素采集电路可以单独采集与运动对象光流信息相关的时间信号，即采集一个光流帧。在此基础上，本发明光流传感器所采集的多帧时间信号以及相应的地址信息可以清楚表征目标的运动轨迹。综上，本发明的光流传感器可以提供清楚而直接的光流信息，从而极大减少了冗余信息，进而可以极大提高后续光流算法的计算复杂度和极大提高光流计算的实时性。
A9、如A1所述的像素采集电路，其中，所述信号检测单元包括：信号处理模块，适于对所述第一电信号进行放大处理和高通滤波处理，以获取相应的第二电信号；阈值比较模块，适于在确定第二电信号大于第一阈值或小于第二阈值时，输出所述第一触发信号。A10、如A9所述的像素采集电路，其中，所述信号处理模块包括：第二放大器(A2)，其输入正极连接所述光电探测单元输出端，其输入负极连接有下拉的第一电阻(R1)，其输出端与输入负极之间连接有第二电阻(R2)，适于对所述光电探测单元输出的第一电信号进行所述放大处理；连接该第二放大器(A2)的高通滤波器，滤除经过放大的第一电信号中低于频率阈值的信号成分，以输出所述第二电信号。A11、如A9所述的像素采集电路，其中，所述信号处理模块包括：第一电容(C1)，第一端与所述光电探测单元的输出端连接；第二放大器(A2)，其输入正极连接到固定电位，其输入负极与第一电容(C1)的第二端连接；第二电容(C2)、第三电阻(R3)和第一开关(K1)，均并联在第二放大器(A2)的输入负极和输出端之间，其中，在所述复位信号线保持有复位信号期间，第一开关(K1)闭合。A12、如A11所述的像素采集电路，其中，所述第三电阻为可调电阻。A13、如A9所述的像素采集电路，其中，所述信号处理模块包括：第二放大器(A2)，其输入正极与所述光电探测单元的输出端连接；第一电容(C1)，其第一端与第二放大器(A2)的输入负极连接，其第二端连接到固定电位；第一开关(K1)，其连接在第一电容(C1)第一端与所述光电探测单元的输出端之间；以及高通滤波器，与该第二放大器(A2)相连，适于滤除经过放大的第一电信号中低于预定频率阈值的信号成分，生成所述第二电信号，其中，在所述复位信号线保持有复位信号期间，第一开关(K1)闭合。A14、如A9所述的像素采集电路，其中，所述信号处理模块包括：第一电容(C1)，其第一端与所述光电探测单元的输出端连接；电流复制器(P1)，其第一端与第一电容(C1)的第二端连接；第二放大器(A2)，其输入正极连接到固定电位，其输入负极与电流复制器(P1)的第二端连接；第二电容(C2)、第一开关(K1)和第三电阻(R3)均并联在第二放大器(A2)的输入负极和输出端之间，其中，在所述复位信号线保持有复位信号期间，第一开关(K1)闭合。A15、如A8所述的像素采集电路，其中，所述阈值比较模块包括：第一电压比较器(VC1)，其反相输入端与提供所述第一阈值的信号线连接，其同相输入端连接所述信号处理模块的输出端。A16、如A8所述的像素采集电路，其中，所述阈值比较模块包括：第二电压比较器(VC2)，其同相输入端与提供所述第二阈值的信号线连接，其反相输入端连接所述信号处理模块的输出端。A17、如A8所述的像素采集电路，其中，所述阈值比较模块包括：第一电压比较器(VC1)，其反相输入端与提供所述第一阈值的信号线连接，其同相输入端连接所述信号处理模块的输出端；第二电压比较器(VC2)，其同相输入端与提供所述第二阈值的信号线连接，其反相输入端连接所述信号处理模块的输出端。A18、如A8所述的像素采集电路，其中，所述阈值比较模块包括：压差检测器(VD1)，其第一输入端连接有下拉的第三电容(C3)，第二输入端连接有下拉的第四电容(C4)，适于输出第一输入端和第二输入端的差值信号；第二开关(K2)，设置在第三电容(C3)与所述信号处理模块的输出端之间；依次串联在第三电容(C3)和第四电容(C4)之间的第一缓存器(B1)和第三开关(K3)；
第一电压比较器(VC1)，其反相输入端与提供所述第一阈值的信号线连接，其同相输入端连接压差检测器的输出端；第二电压比较器(VC2)，其同相输入端与提供所述第二阈值的信号线连接，其反相输入端连接压差检测器的输出端，或逻辑开关(OR),其第一输入端与第一电压比较器的输出端耦接，其第二输入端与第二电压比较器的输出端耦接，其输出端与所述或逻辑单元的输入端耦接，其中，在所述压差检测器输出的差值信号大于第一阈值或者小于第二阈值时，该阈值比较模块输出所述第一触发信号，并且按照时间顺序依次断开第二开关(K2)、闭合第三开关(K3)、断开第三开关(K3)和闭合第二开关(K2)。A19、如A1所述的像素采集电路，其中，所述采集控制单元被配置为锁存器，其置位输入端与所述或逻辑单元的输出端耦接，其复位输入端与所述复位信号线耦接，其输出端与所述采样保持单元的第三输入端和所述信号输出单元均耦接。A20、如A3所述的像素采集电路，其中所述采样保持单元包括：第五电容(C5)，其第一端接地；第四开关(K4)，其连接在第五电容(C5)的第二端与所述光电探测单元的输出端之间；第六电容(C6)，其第一端接地；以及第五开关(K5)，其连接在第六电容(C6)的第二端与所述时间信号线之间。A21、如A20所述的像素采集电路，其中，所述信号输出单元包括：第二缓存器(B2)，其输入端与所述采集控制单元的输出端耦接；第七开关(K7)，其连接在第二缓存器(B2)输出端与触发状态输出线之间；第三缓存器(B3)，其输入端与所述第五电容(C5)的第二端耦接；第八开关(K8)，其连接在第三缓存器(B3)输出端第一电信号输出线之间；第四缓存器(B4)，其输入端与所述第六电容(C6)的第二端耦接；以及第九开关(K9)，其连接在第四缓存器(B4)输出端与所述时间信号输出线之间。A22、如A3所述的像素采集电路，其中所述采样保持单元包括：数据选择器(MUX)，其第一输入端连接所述光电探测单元的输出端，第二输入端连接所述时间信号线；第七电容(C7)，其第一端接地；以及第六开关(K6)，连接在所述数据选择器(MUX)的输出端与第七电容(C7)的第二端之间。A23、如A22所述的像素采集电路，其中，所述信号输出单元包括：第二缓存器(B2)，其输入端与所述采集控制单元的输出端耦接；第七开关(K7)，其连接在第二缓存器(B2)输出端与触发状态输出线之间；第五缓存器(B5)，其输入端与第七电容(C7)的第二端耦接；第十开关(K10)，其连接在第五缓存器(B5)输出端与信号输出线之间。B25、如B24所述的光流传感器，其中，所述全局控制单元适于：配置所述像素采集电路阵列在每个采样时间段的工作模式，该工作模式包括光流模式和图像模式；在当前采样时间段被配置为图像模式时，在该采集时间段依次输出所述复位信号和所述全局触发信号，以便全局激活该像素采集电路阵列并由所述读取单元读取每个像素采集电路的第一电信号；在当前采样时间段被配置为光流模式时，在该采集时间段的开始时间点输出所述复位信号，以便满足所述预定触发条件的像素采集电路采集并由所述读取单元读取时间信号。B26、如B24所述的光流传感器，其中，所述读取单元包括：行扫描器；列扫描器；读取控制器，适于指示行扫描器依次选中一行像素采集电路，并在行扫描器每次选中一行时，指示列扫描器依次读取该行中每个像素采集电路所输出的至少一部分信号。B27、如B24所述的光流传感器，其中，所述读取单元包括：行扫描器；列扫描器；读取控制器，适于在指示行扫描器依次选中一行像素采集电路，并在行扫描器每次选中一行时，指示列扫描器依次读取每个处于激活状态的像素采集电路所输出的至少一部分信号。B28、如B27所述的光流传感器，其中，所述行扫描器还适于输出行地址；所述列扫描器还适于输出每个所读取的像素采集电路的列地址。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。
如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种光流传感器的像素采集电路，包括：
光电探测单元，适于实时输出对应于照射在其上的光信号的第一电信号；
信号检测单元，其输入端与光电探测单元的输出端耦接，适于在检测到第一电信号满足预定触发条件时输出第一触发信号；
或逻辑单元，其输入端与信号检测单元的输出端以及光流传感器的全局触发信号线均耦接，适于在接收到第一触发信号或者来自全局触发信号线的全局触发信号时输出采集指示信号；
采集控制单元，其输入端与或逻辑单元的输出端耦接，适于在接收到采集指示信号时保持输出激活信号；
采样保持单元，其第一输入端与光电探测单元的输出端耦接，其第二输入端与时间信号线耦接，其第三输入端与采集控制单元的输出端耦接，适于接收激活信号，并采样和缓存本次接收时刻的第一电信号和/或时间信号；以及
信号输出单元，与采集控制单元和采样保持单元均耦接，适于缓存并输出激活信号、采样保持单元最新采样的第一电信号和/或时间信号。
2.如权利要求1所述的像素采集电路，其中，所述采集控制单元与复位信号线连接，适于从复位信号线接收到复位信号时，停止输出所述激活信号。
3.如权利要求1所述的像素采集电路，其中，所述时间信号线适于向所述采样保持电路传输周期信号波形；
所述采样保持单元所采集的时间信号为该周期信号波形在本次采集时刻的幅值信号。
4.如权利要求1所述的像素采集电路，其中，所述光电探测单元包括：
阳极接地的光电二极管(PD1)；
第一晶体管(T1)，其源极与光电二极管(PD1)阴极连接，其漏极与栅极连接到电源(VDD)。
5.如权利要求1所述的像素采集电路，其中，所述光电探测单元包括：
阳极接地的光电二极管(PD1)；
第一晶体管(T1)，其源极与光电二极管(PD1)阴极连接，其漏极与电源(VDD)连接；
第一放大器(A1)，连接在光电二极管(PD1)的阴极与第一晶体管(T1)的栅极之间。
6.如权利要求1所述的像素采集电路，其中，所述光电探测单元包括：
阳极接地的光电二极管(PD1)；
串联的N个晶体管，其中，N≥2，第1个晶体管的源极与光电二极管(PD1)阴极连接，第N个晶体管的漏极连接到电源(VDD)，每个晶体管的栅极与漏极连接，第2至第N各晶体管中每个的源极连接到前1个晶体管的漏极。
7.如权利要求1所述的像素采集电路，其中，所述光电探测单元包括：
阳极接地的光电二极管(PD1)；
串联的N个晶体管，其中，N≥2，第1个晶体管的源极与光电二极管(PD1)阴极连接，第N个晶体管的漏极连接到电源(VDD)，第2个至第N个晶体管中每个的源极连接到前1个晶体管的漏极，第2个至第N个晶体管中每个的栅极与漏极连接；
第一放大器(A1)，连接在光电二极管(PD1)的阴极与第1个晶体管的栅极之间。
8.如权利要求1所述的像素采集电路，其中，所述信号检测单元包括：
信号处理模块，适于对所述第一电信号进行高通滤波处理，以获取相应的第二电信号；
阈值比较模块，适于在确定第二电信号大于第一阈值或小于第二阈值时，输出所述第一触发信号。
9.一种光流传感器，包括：
像素采集电路阵列，包括多个如权利要求1-8中任一项所述的像素采集电路；
波形生成器，适于向阵列中每个像素采集电路所耦接的时间信号线输出周期信号波形；
全局控制单元，适于通过全局触发信号线向每个像素采集电路输出所述全局激活信号，通过复位信号线向每个像素采集电路输出所述复位信号；
读取单元，适于读取该阵列至少一部分像素采集电路所输出的信号。
10.一种图像采集系统，包括：
如权利要求9所述的光流传感器；
图像预处理器，适于在图像模式下获取来自光流传感器的信息；以及
光流预处理器，适于在光流模式下获取来自光流传感器的信息。
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