CN110719412A - 一种cmos图像传感器曝光时间的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种CMOS图像传感器曝光时间的控制方法，该图形传感器包含像素矩阵，其内包含有复数个像素点，该图形传感器曝光时间的控制所述方法包含:在首次曝光之前，每个像素点的电荷信息全部清零；首次曝光后读取每个像素点的电荷信息并判断是否超过设定的阈值；基于判断的结果来调整曝光时间，直至曝光后读取的每个像素点的电荷信息不超过设定的阈值；基于模数转换器将读取到的像素点电荷信息转换为数字信号。该控制方法自动调整曝光时间，使得调整的最佳曝光时间为没有过曝发生的条件下最长的总曝光时间，这样使得图像传感器的动态范围和信噪比在各种使用场景中都能达到最优的状态。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，具体涉及一种CMOS图像传感器曝光时间的控制方法。
背景技术
近年来，图像传感器的应用范围变得越来越广。除了望远镜或数码相机等常规应用外，安防监控，人脸识别，三维立体图像建模等很多领域里，也都开始使用图像传感器。相较于传统的CCD图像传感器，由于半导体工艺技术发展越来越成熟，CMOS图像传感器(CIS)低功耗高集成度的优势变得越来越明显。
CMOS图像传感器本质上是由大量单点像素组成的矩阵。单点像素的结构如图1所示。每个像素点的感光元器件(photosensitive element)把该点感知的光信号转换成电信号，然后由读取电路采集和放大后，通过模数转换器(ADC)转换成数字信号。为了提高ADC的输出信噪比，通常会选择较大的信号放大倍数或增加感光元件的曝光时间，从而达到提高ADC输入信号幅度的目的。
CMOS图像传感器是由大量单点像素组成的。不同位置的像素点感知到的光信号幅度也是不同的。目前常规的CMOS像素工作流程如图2所示。每个像素点的感光器件先把原先感应或存储的电荷信息全部清零。然后感光器件通过曝光把感应到的光信号转换成电荷信息，并由读取和放大电路把电荷信息转化成电压信息，最后再进行模/数转换。所有像素点的曝光周期(Texposure)以及曝光次数(N)都是一致的。即现有的CMOS传感器方案中采用固定的放大倍数和曝光时间，牺牲一定的ADC动态范围以达到降低过曝发生概率的目的。这样对于同一个像素点，其感知到的光信号幅度也会随着周围环境光强的变化而改变。所有像素点都采用统一并且固定的放大倍数和曝光时间，很难保证像素矩阵里的每一个像素点在每一个时刻都不会因放大倍数过小造成信号被ADC噪声淹没，也不会因曝光时间过长造成感光元件过曝光。若每个像素点的放大倍数或曝光时间都不统一，那么存储这些信息并实现单点控制所需要的庞大的硬件支撑，矩阵连线的复杂程度也将呈几何级的增长。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种CMOS图像传感器曝光时间的控制方法。该方法可以依据应用环境自动调整曝光时间，使图像传感器的动态范围和信噪比在各种使用场景中都能达到最优的状态。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，
一种CMOS图像传感器曝光时间的控制方法，其特征在于，所述图形传感器包含像素矩阵，其包含复数个像素点，所述方法包含:
S1.在首次曝光之前，每个像素点的电荷信息全部清零；
S2.首次曝光后读取每个像素点的电荷信息并判断其是否超过设定的阈值；
S3.调整曝光时间，直至曝光后读取的每个像素点的电荷信息不超过设定的阈值；
S4，基于模数转换器将读取到的像素点电荷信息转换为数字信号。则曝光时间为没有发生过曝发生的条件下最长的总曝光时间。曝光完成后，基于模数转换器将读取到的像素点电荷信息转换为数字信号传输至控制模块。
优选的，该S3中，基于每次曝光后读取的每个像素点的电荷信息并判断其是否超过设定的阈值来增加或减小曝光时间来调整曝光时间。
优选的，该S3中，调整的发生过曝发生的最长的总曝光时间作为下一帧像素阵列的首次曝光时间。
优选的，该S2中，假设首次曝光时间为n1*Texposure，曝光后读取并判断每个像素上累积的电荷量并判断其是否超过设定的阈值；
若判断所有像素点超过设定的阈值，则减小曝光时间进行第二次曝光，曝光时间为n2*Texposure，曝光后读取每个像素点的电荷信息；
若判断所有像素点未超过设定的阈值，则像素点都未过曝，则继续在感光元器件上累积电荷，再次曝光并读取每个像素点的电荷信息。
优选的，该S3中，若第二次曝光后读取的信息判断有像素点的电荷信息超过设定的阈值，则调整曝光时间，将整个像素矩阵里每个像素点上的累积电荷全部清零，然后重新曝光，曝光时间设为n3*Texposure，曝光后，读取每个像素点的电荷信息并判断其是否超过设定的阈值。
优选的，该n3选取大于n1且小于n1+n2。
优选的，该n3选取(n1+n1+n2)/2。
优选的，该S2中，若首次曝光时间为n1*Texposure，曝光后读取并判断每个像素上累积的电荷量并判断有超过设定的阈值时，第二次曝光时间为首次曝光时间的一半，并以此幅度来调整曝光时间，直至调整至曝光后读取每个像素点的电荷信息不超过设定的阈值。则曝光时间为没有发生过曝发生的条件下最长的总曝光时间。
有益效果
相对于现有技术中的方案，本发明的优点：
本申请提出的曝光时间控制方法，该控制方法根据应用环境自动调整曝光时间，使得调整后的曝光时间(最佳曝光时间)为没有发生过曝发生的条件下最长的总曝光时间，这样的设计使得图像传感器的动态范围和信噪比在各种使用场景中都能达到最优的状态。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1所示为现有的CMOS图像传感器的感光元器件示意图；
图2所示为现有的CMOS像素工作流程示意图；
图3所示为本发明实施例的像素曝光方法示意图；
图4a-图4c所示为本发明实施例的像素曝光过程示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
本申请提出的CMOS图像传感器曝光时间的控制方法，该控制方法通过尝试不同的曝光时间并读取感光元件在曝光时间内累积的电荷信号，从而感知环境光强并判断当下的曝光时间是否满足合适，这样使得(最佳)曝光时间调整至没有发生过曝条件下最长的总曝光时间。这样的控制方式使得图像传感器的动态范围和信噪比在各种使用场景中都能达到最优的利用状态。阈值的大小取决于实现像素点的电路及工艺特性。调整后曝光时间(最佳曝光时间)为像素没有发生过曝的条件下最长的总曝光时间。曝光完成后，基于模数转换器将读取到的像素点电荷信息转换为数字信号传输至控制模块。
下面结合图3、图4a-图4c来描述本申请实施方式提出的CMOS图像传感器的曝光时间的控制方法。
图3所示为本发明实施例的像素曝光方法示意图，该图形传感器包含像素矩阵，其包含复数个像素点，该方法包含:
S1.在首次曝光之前，每个像素点的电荷信息全部清零；
S2.首次曝光后读取每个像素点的电荷信息并判断其是否超过设定的阈值；
S3，依据判断结果来调整曝光时间，直至调整的曝光时间(最佳曝光时间)至曝光后读取的每个像素点的电荷信息(都)不超过设定的阈值；
S4，基于模数转换器将读取到的(整帧的)像素点(也称像素)电荷信息转换为数字信号并发出(如，发出至控制模块)。这样通过本申请提出的曝光控制方法，通过尝试不同的曝光时间并读取感光元件在曝光时间内累积的电荷信号，从而感知环境光强并判断当下的曝光时间是否满足合适，这样使得(最佳)曝光时间调整至没有发生过曝条件下最长的总曝光时间。这样的控制方式使得图像传感器的动态范围和信噪比在各种使用场景中都能达到最优的利用状态。本实施方式中，阈值的大小取决于实现像素点的电路及工艺特性。
上述实施方式提出的曝光时间控制方法，每一帧像素阵列调整至最佳曝光时间后，该(最佳)曝光时间被沿用为下一帧像素阵列的首次曝光时间。每帧像素阵列都需要调整最佳曝光时间。每帧像素阵列都需要先把阵列里所有像素点的累积电荷清零，然后曝光，读取电荷信息并判断(当前的曝光时间是过长或过短)，进而来调整曝光时间，直至调整至最佳曝光时间，然后利用模数转换器把读取到的整帧的像素电荷信息转换为数字信号并发送出去，然后像素阵列电荷清零，重复以上操作，开始下一帧像素阵列的处理。每一帧的像素阵列都可能不止曝光一次，需要尝试多次来找到最佳的曝光时间。上述提及的首次曝光时间，指的是每帧像素阵列第一次尝试的曝光时间。
该图形传感器的应用场景可能是近距检测也可能是远距。对应的最佳曝光时间会有很大的差别。而本申请实施的方式中，像素阵列每一帧都会自动选取当时最佳曝光时间。所以即使应用场景发生了变化，图像传感器也能及时检测到并自动适应该变化。
较佳的，该S3中，调整曝光时间，基于每次曝光后读取的每个像素点的电荷信息并判断其是否超过设定的阈值来增加或减小曝光时间。这样即使应用场景发生了变化，图像传感器也能及时检测到并自动适应该变化来调整曝光时间。
下面结合图4a-图4c来描述本申请实施方式的像素曝光过程，
图像传感器包含像素矩阵，其内包含i个像素点,在首次曝光之前,每个像素点先将原先感应或存储的电荷信息全部清零，然后感光器件通过曝光把感应到的光信号转换为电荷信息。
假设首次曝光时间为n1*Texposure，曝光后读取并判断每个像素上累积的电荷量是否超过设定的阈值；
若所有像素点超过设定的阈值，则像素点已经过曝，则需要把每个像素点上的电荷清零，然后减小曝光时间((n1-Δ)*Texposure)，曝光后并再次读取数据，依据读取的数据信息调整曝光时间，直至曝光时间调整到不再有像素发生过曝(即未超过设定的阈值)；
若所有像素点未超过设定的阈值，则像素点都未过曝，继续在感光元器件上累积电荷，选择再次(第二次曝光)曝光，读取曝光后的信息并据此来调整曝光时间，直至曝光时间调整到不再有像素过曝发生。这样以达到提高ADC输入信号幅度以及输出信噪比的目的。
较佳的，上述第二次曝光时间假设为n2*Texposure，则两次累积的总曝光时间为(n1+n2)*Texposure。若第二次曝光并读取的数据显示已经有像素发生了过曝，则说明(n1+n2)*Texposure的曝光时间对于当前环境来说过久，需要调整曝光时间，将整个像素矩阵里每个像素点上的累积电荷全部清零，然后重新曝光，曝光时间设为n3*Texposure，曝光完毕后，直接读取数据，调整曝光时间，直至调整至最佳曝光时间后利用模数转换器把读取到的整帧的像素电荷信息转换为数字信号。其中，n3选取大于n1且小于n1+n2。较佳的，n3的选取为(n1+n1+n2)/2。
若第二次曝光后依据读取的数据显示仍然没有像素点过曝，则可以继续增加曝光时间累积感光元器件上的电荷。以此类推，直至没有过曝的现象发生，则重新把像素矩阵里所有像素点的累积电荷清零，重新曝光，曝光时间(此时为最佳曝光时间)设为没有过曝发生的条件下最长的总曝光时间。
在一实施方式中，若在首次曝光后读取的数据显示有像素点过曝，则需要把每个像素点上的电荷清零，减小曝光时间(即第二次曝光)，第二次曝光时间为首次的一半，并以前次50％的幅度减小/增加曝光时间，以此类推，直至曝光时间调整到不再有像素过曝发生。
在一实施方式中，每次增加/减少曝光的幅度△取决于对图像传感器响应速度和信噪比的要求，需要综合考虑。若对响应速度的要求比较高，则选取较大的△值，便于减少最佳曝光时间的寻找次数。若对图像深度信息的信噪比要求更高，则选取较小的△值，便于在不过曝的情况下尽可能增加曝光时间提高每个像素点的信号幅度。
本申请提出的像素曝光控制方法的实施方式，其通过多次尝试不同的曝光时间并读取感光元件在曝光时间内累积的电荷信号，从而感知环境光强并判断当下所尝试的曝光时间，使得曝光时间调整至没有发生过曝条件下的最长的总曝光时间。
本申请提出的像素曝光控制方法的实施方式，其调整的每一帧像素阵列调整后的最佳曝光时间作为下一帧像素阵列的首次曝光时间。
本发明还提供了一种计算机存储介质，该计算机存储介质包括计算机程序，该计算机程序运行上述的自动曝光控制方法对图像的曝光进行控制。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于计算机(处理器)可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡如本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种CMOS图像传感器曝光时间的控制方法，其特征在于，所述图形传感器包含像素矩阵，其包含复数个像素点，所述控制方法包含:
S1.在首次曝光之前，每个像素点的电荷信息全部清零；
S2.首次曝光后读取每个像素点的电荷信息并判断其是否超过设定的阈值；
S3.基于判断的结果来调整曝光时间，直至曝光后读取的每个像素点的电荷信息不超过设定的阈值；
S4，基于模数转换器将读取到的像素点电荷信息转换为数字信号。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述S3中，基于每次曝光后读取的每个像素点的电荷信息并判断其是否超过设定的阈值来增加或减小次回的曝光时间来调整至总曝光时间。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述S3后还包含将调整的未发生过曝发生的最长的总曝光时间作为下一帧像素阵列的首次曝光时间。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述S2中，
首次曝光时间为n1*Texposure，曝光后读取并判断每个像素上累积的电荷量并判断其是否超过设定的阈值；
所述S3中，若判断所有像素点超过设定的阈值，则减小第二次的曝光时间，第二次曝光时间为n2*Texposure，曝光后读取每个像素点的电荷信息；
若判断所有像素点未超过设定的阈值，则像素点都未过曝，则继续在感光元器件上累积电荷，再次曝光并读取每个像素点的电荷信息。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述S3中，
若第二次曝光后读取的信息判断有像素点的电荷信息超过设定的阈值，则减小次回的曝光时间，将整个像素矩阵里每个像素点上的累积电荷全部清零，然后重新曝光，曝光时间设为n3*Texposure，曝光后，读取每个像素点的电荷信息并判断其是否超过设定的阈值。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，n3选取大于n1且小于n1+n2。
7.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，n3选取(n1+n1+n2)/2。
8.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述S2中，若首次曝光时间为n1*Texposure，曝光后读取并判断每个像素上累积的电荷量并判断有超过设定的阈值时，第二次曝光时间为首次曝光时间的一半，并以此幅度来调整曝光时间，直至调整至曝光后读取每个像素点的电荷信息不超过设定的阈值。
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