CN109040608A - 一种单帧高动态范围成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单帧高动态范围成像方法及系统。所述单帧高动态范围成像方法包括：在图像传感器的EEPROM中设置一条或多条不同动态电压曲线，所述每条动态电压曲线包括n个动态电压值；曝光开始前，将EEPROM中的n个动态电压值读取到RAM中，以向连接光电二极管的传输晶体管提供动态电压值；采集单帧图像的曝光过程中，每间隔时间Ti从RAM中读取第i个动态电压值施加在所述传输晶体管的栅极上，调整像素电路的电荷存储容量；曝光结束后，将像素电路累积采集的电信号转换成数字信号以图像格式输出。通过在曝光过程中动态调节曝光饱和值，对曝光过程中累积的电荷量进行限制，实现在曝光结束后电荷存储量在最大饱和值内，进行有效采集，实现单帧高动态成像。

Description

一种单帧高动态范围成像方法及系统

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，具体涉及一种单帧高动态范围成像方法及系统。

背景技术

普通图像传感器只有单段曝光，动态范围相对较小。目前提高动态范围的方法主要是以不同的曝光时间，连续采集2到3张图像，再进行合成，此方法在拍摄静场景时可以获得较好的效果，对于运动的场景，由于拍摄的几帧图像有时间差，运动区域位置发生变化，合成后产生拖影，效果不佳。

针对目前存在的问题，如能实现对图像传感器装置在曝光过程中进行连续的调整，以控制其图像过曝现象，是本发明要解决的技术问题。

发明内容

为解决图像传感器装置曝光过程中的过曝问题，并提高单帧图像的高动态范围，本发明提供一种单帧高动态范围成像方法，所述方法包含以下步骤：

在EEPROM中设置一条或多条不同动态电压曲线，每条动态电压曲线包括n个动态电压值；

曝光开始前，将所述EEPROM中的n个动态电压值读取到RAM中，以向连接光电二极管的传输晶体管提供动态电压值；

采集单帧图像的曝光过程中，每间隔时间Ti从RAM中读取第i个动态电压值施加在所述传输晶体管的栅极上，以调整像素电路的电荷存储容量，所述Ti＝T/(n–1)，T为总曝光时间；

曝光结束后，将所述像素电路累积采集的电信号转换成数字信号以图像格式输出

进一步地，根据应用场景选取所述多条不同动态电压曲线中的一条动态电压曲线；

进一步地，通过所述n个动态电压值控制所述像素电路曝光的饱和值；

进一步地，所述曝光过程中，若所述像素电路采集的电荷容量小于其饱和值，则不受饱和值影响；若所述像素电路采集的电荷容量控制在饱和值内；

进一步地，所述n个动态电压值连续控制所述像素电路曝光的饱和值，通过动态控制饱和值，实现高动态范围。

本发明还提供一种单帧高动态范围成像，所述系统包括：

图像传感器像素电路，将包含图像信息的光信号转为电信号并输出所述图像信息；

存储单元，包括EEPROM和RAM，在EEPROM内设置一条或多条不同动态电压曲线，每条动态电压曲线包括n个动态电压值；曝光开始前，所述EEPROM中的n个动态电压值读取到RAM中，以向所述图像传感器像素电路中连接光电二极管的传输晶体管提供动态电压值；

读取模块，采集单帧图像的曝光过程中，每间隔时间Ti从RAM中读取第i个动态电压值施加在所述传输晶体管的栅极上，以调整像素电路的电荷存储容量，对所述像素电路曝光的饱和度进行控制；其中，Ti＝T/(n–1)，T为总曝光时间；

控制模块，包括对所述像素电路的曝光过程进行时序控制，并对所述像素电路曝光的饱和度进行控制；

进一步地，可根据应用选取所述存储单元中的所述多条不同动态电压曲线中的一条动态电压曲线；

进一步地，所述控制模块根据n个动态电压值控制所述像素电路曝光的饱和值；

进一步地，所述控制单元连续控制所述像素电路曝光的饱和值。

本发明给出的单帧高动态范围成像方法和系统，与现有的通过固定曝光饱和值采集图像相比，本申请在采集单帧图像的过程，通过动态电压控制像素电路的电荷存储容量，以控制像素电路曝光的饱和值，使原来会过曝的场景在曝光过程中最大曝光饱和值得到限制，实现在曝光结束后电荷存储量在最大饱和值内，并未达到最大饱和值，像素电路能实现有效采集，实现高动态范围成像。

附图说明

图1为实施例一的单帧高动态范围成像方法流程图；

图2为电荷存储容量动态调节方式下的曝光饱和值曲线图；

图3为单段曝光图像；

图4为动态曝光图像；

图5为实施例二的单帧高动态范围成像方法流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

图像传感器，以CMOS为例，其是通过曝光成像，且当饱和曝光量以上的强光照射到图像传感器上时，传感器的输出电压将出现饱和，而产生饱和现象的根本原因是光敏二极管或MOS电容器仅能产生与积蓄一定极限的光生信号电荷所致。也即是，图像传感器在曝光过程中，若收集的光生电荷达到最大电荷存储容量时，达到饱和，不能继续收集电荷。

图像传感器像素中的MOS电容器最大电荷存储容量可由下式求得：

QS＝Ci×VG×A，式中：QS是电荷储存量；Ci是单位面积氧化层的电容；VG是外加偏置电压；A是MOS电容栅的面积；传统的图像传感器中的MOS电容器的外加偏置电压VG为一个固定的电压值，使得MOS电容器可以存储的电荷容量是一个固定值，例如，某一固定电压值使MOS电容器能存储7k电子，那么，该固定电压值一旦设定就不会改变；使得图像传感器曝光成像过程中，若是场景中实际光强所产生的电荷量大于7k，但也要保持7k的电荷存储量，这样，过曝光过程，电荷存储容量主要是线性的或接近线性的。

当图像传感器在曝光成像的过程中，像素中的感光元件感应到场景光亮的光强产生的电荷存储容量小于原最大电荷存储容量时，像素中的AD采集元件采集由该光强经光电转换后的电压信号，将该电压信号再转换为相应的数字信号输出，该数字信号以图像格式输出；而，当像素中的感光元件感应到场景光亮的光强产生的电荷存储容量大于原最大电荷存储容量时，则，像素中的AD采集元件采集由该原最大电荷存储容量经光电转换后的电压信号，再转换为相应的数字信号，最后以图像格式输出，因此，在曝光成像过程中，针对光强大于最大曝光饱和值的场景，图像传感器不能采集到相应的场景图像，也即是，图像传感器不能实现宽动态范围成像，或者，现有的图像传感器有通过不同曝光时间形成的宽动态范围成像，但是不同曝光时间所形成的宽动态成像易出现托影的问题。

针对如何实现图像传感器的宽动态范围成像的问题，本申请的基本思想是将MOS电容器中控制像素电路最大电荷存储容量的外加偏置电压设计为动态电压。也即是，在本发明实施例中，通过动态电压对像素电路的电荷存储容量进行动态调整，使过曝场景在动态电荷存储容量下不发生过曝，达到单帧高动态范围成像的目的。

实施例一：

本例提供一种单帧高动态范围成像方法，其流程图如图1所示，具体包括如下步骤。

步骤110：在图像传感器的EEPROM中设置一条动态电压曲线，动态电压曲线包括n个动态电压值。

步骤120：曝光开始前将存储在EEPROM中的动态电压值读取到RAM中，以便在曝光过程中直接读取后向连接光电二极管的传输晶体管提供动态电压值。

步骤130：在采集单帧图像的曝光过程中，每间隔时间Ti从RAM中读取第i个动态电压值施加在连接光电二极管的传输晶体管栅极上，利用读取的动态电压值动态调整像素电路对应时刻的电荷存储容量，Ti＝T/(n–1)，T为总曝光时间。

在P型或N型半导体硅衬底上，生长一层很薄的二氧化硅绝缘层，再蒸镀上一层金属作为栅电极，制作成MOS电容器，其中，MOS电容器的栅电极外接电压，衬底接地；当栅电极加上一个正电压时，它形成的电场穿过氧化层而在对应电极的下方形成一个电荷耗尽区，即在二氧化硅与P型硅的界面上得到一个存储电荷的势阱，而曝光成像过程中，光生电荷被吸引存储在势阱中，以实现对光生电荷的存储。MOS电容的特性能被用来形成MOS管。

为了实现对电荷存储容量进行动态调节，则需要控制连接光电二极管的传输晶体管的栅电极外接电压为动态电压，因此，通过动态电压曲线所对应的动态电压值向连接光电二级管的传输晶体管提供动态电压值，从而打破现有连接光电二极管的传输晶体管的栅电极外接电压为固定电压的现况。

进一步，本步骤中的动态电压曲线为随曝光时间连续变化的电压曲线，使得利用读取的n个动态电压值连续动态调整像素电路的电荷存储容量，从而达到连续控制像素电路曝光饱和值的目的，在曝光过程中，为了抑制像素电路曝光饱和值达到最大曝光饱和值的时间，本例的动态电压值为从曝光时间开始到曝光时间结束由小到大的动态变化，且，曝光时间结束前，动态电压值控制像素电路曝光饱和值达到非最大曝光饱和值，在曝光结束时刻，或曝光结束的前一时刻，该时刻读取的动态电压值控制像素电路曝光饱和值达到最大曝光饱和值，以突破现有曝光期间像素电路曝光饱和值为一固定值的现况。从而实现在曝光期间内根据动态电压值连续控制像素电路的电荷存储容量，使得，场景较亮的地方在过曝开始时像素电路曝光饱和值就被限制，仅有一段时间在曝光，而场景暗的地方则由于没有达到当前控制的电荷存储容量，一直在曝光。

可以结合实际场景的亮度数值确定n个不同的动态电压值，也即是，通过计算当前场景的直方图，动态电压值为由当前场景的暗区与过曝区域的范围所确定的n个不同的电压值，n＝2^k，其中，k为控制精度，如，控制精度为10bit时，则电压值的数量取1024个，在具体应用的过程中，需要根据当前场景对动态电压值进行调节。

将读取的动态电压值加在栅极上，栅极电压控制像素电路的电荷存储容量，从而根据动态电压控制像素电路曝光的饱和值。

具体为：在曝光过程中，针对各个曝光时刻，读取该曝光时刻对应的动态电压值，并在该曝光时刻利用该动态电压值控制像素电路当前时刻的电荷存储容量，也即是：在曝光过程中，从0时刻开始，每间隔Ti时间从RMA中读取第i个动态电压值，并在该曝光时刻利用该动态电压值控制像素电路当前时刻的电荷存储容量，以控制当前时刻像素电路曝光的饱和值。

上述方式中，在曝光时间段内，动态电荷存储容量所对应的动态曝光饱和值曲线为随过曝时间变化的曲线，曝光饱和值的曲线图如图2所示，其中，图2中的曝光饱和值直线部分则表明现有的曝光饱和值不随曝光时间而改变，而图2中的曝光饱和值曲线部分则表示通过本申请的方法，曝光饱和值为经不同电压值动态调整后随曝光时间动态变化。

步骤140：曝光结束后，将像素电路累积采集的电信号转换成数字信号以图像格式输出。

如图3所示，图3为单段曝光图像，如图4所示，图4为采用连续调节电荷存储容量所形成的图像，通过图3和图4对比可知，通过上述方法，在过曝时间段内，原有场景被采集下来的过曝值是当前时刻的动态电压所控制的电荷存储容量所对应的过曝值，而非原有最大电荷存储容量所对应的最大过曝值，从而，在过曝时间段内能实现单帧高动态范围成像。

基于上述方法，本例还提供一种单帧高动态范围成像系统，包括：

像素电路，将包含图像信息的光信号转为电信号并输出所述图像；

存储单元，包括EEPROM和RAM，在EEPROM内设置一条动态电压曲线，动态电压曲线包括n个动态电压值；曝光开始前，EEPROM中的n个动态电压值读取到RAM中，以向图像传感器像素电路中连接光电二极管的传输晶体管提供动态电压值；

读取模块，采集单帧图像的曝光过程中，每间隔时间Ti从RAM中读取第i个动态电压值施加在所述传输晶体管的栅极上，以调整像素电路的电荷存储容量，对像素电路曝光的饱和度进行控制；其中，Ti＝T/(n–1)，T为总曝光时间；

控制模块，包括对像素电路的曝光过程进行时序控制，并对像素电路曝光的饱和值进行控制，具体的，控制模块根据n个动态电压值控制像素电路曝光饱和值。优选的，控制单元连续控制像素电路曝光的饱和值。

实施例二：

基于实施例一，本例提供另外一种单帧高动态范围成像方法，与实施例一不同的是，本例是设置多条不同动态电压曲线，根据应用选取该多条不同动态电压曲线中的一条动态电压曲线，具体步骤如下，具体过程请参考实施例一，本例不作赘述。

步骤210：在EEPROM中设置多条不同动态电压曲线，每条动态电压曲线包括n个动态电压值。

步骤220：曝光开始前，根据应用选取一条动态电压曲线，将该动态电压曲线中的n个动态电压值读取到RAM中，以向连接光电二极管的传输晶体管提供动态电压值。

步骤230：采集单帧图像的曝光过程中，每间隔时间Ti从RAM中读取第i个动态电压值施加在所述传输晶体管的栅极上，以调整像素电路的电荷存储容量，所述Ti＝T/(n–1)，T为总曝光时间。

步骤240：曝光结束后，将像素电路累积采集的电信号转换成数字信号以图像格式输出。

基于上述方法，本例还提供一种单帧高动态范围成像系统，包括：

像素电路，将包含图像信息的光信号转为电信号并输出所述图像；

存储单元，包括EEPROM和RAM，在EEPROM内设置多条不同动态电压曲线，每条动态电压曲线包括n个动态电压值；曝光开始前，选取EEPROM中其中一条动态电压曲线的n个动态电压值读取到RAM中，以向图像传感器像素电路中连接光电二极管的传输晶体管提供动态电压值；

读取模块，采集单帧图像的曝光过程中，每间隔时间Ti从RAM中读取第i个动态电压值施加在传输晶体管的栅极上，以调整像素电路的电荷存储容量，对像素电路曝光的饱和度进行控制；其中，Ti＝T/(n–1)，T为总曝光时间；

控制模块，包括对像素电路的曝光过程进行时序控制，并对像素电路曝光的饱和值进行控制，具体控制请参考实施例一，此处不作赘述。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (8)

1.一种单帧高动态范围成像方法，其特征在于，包括步骤：

在EEPROM中设置一条或多条不同动态电压曲线，每条动态电压曲线包括n个动态电压值；

曝光开始前，将所述EEPROM中的n个动态电压值读取到RAM中，以向连接光电二极管的传输晶体管提供动态电压值；

采集单帧图像的曝光过程中，每间隔时间Ti从RAM中读取第i个动态电压值施加在所述传输晶体管的栅极上，以调整像素电路的电荷存储容量，所述Ti＝T/(n–1)，T为总曝光时间；

曝光结束后，将所述像素电路累积采集的电信号转换成数字信号以图像格式输出。

2.根据权利要求1所述的单帧高动态范围成像方法，其特征在于，根据应用选取所述多条不同动态电压曲线中的一条动态电压曲线。

3.根据权利要求1所述的单帧高动态范围成像方法，其特征在于，通过所述n个动态电压值控制所述像素电路曝光的饱和值。

4.根据权利要求1所述的单帧高动态范围成像方法，其特征在于，所述n个动态电压值连续调整所述像素电路的电荷存储容量，以控制所述像素电路曝光的饱和值。

5.一种单帧高动态范围成像系统，其特征在于，包括：

像素电路，将包含图像信息的光信号转为电信号并输出所述图像；

存储单元，包括EEPROM和RAM，在EEPROM内设置一条或多条不同动态电压曲线，每条动态电压曲线包括n个动态电压值；曝光开始前，所述EEPROM中的n个动态电压值读取到RAM中，以向所述图像传感器像素电路中连接光电二极管的传输晶体管提供动态电压值；

读取模块，采集单帧图像的曝光过程中，每间隔时间Ti从RAM中读取第i个动态电压值施加在所述传输晶体管的栅极上，以调整像素电路的电荷存储容量，对所述像素电路曝光的饱和度进行控制；其中，Ti＝T/(n–1)，T为总曝光时间；

控制模块，包括对所述像素电路的曝光过程进行时序控制，并对所述像素电路曝光的饱和值进行控制。

6.根据权利要求5所述的单帧高动态范围成像系统，其特征在于，所述存储单元中根据应用选取所述多条不同动态电压曲线中的一条动态电压曲线。

7.根据权利要求5所述的单帧高动态范围成像系统，其特征在于，所述控制模块根据n个动态电压值控制所述像素电路曝光的饱和值。

8.根据权利要求5所述的单帧高动态范围成像系统，其特征在于，所述控制模块连续控制所述像素电路曝光的饱和值。