CN112911177A - 一种改善cmos图像传感器成像质量的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法，包括设置期望亮度，并统计当前图像亮度均值；设置多个可调节的控制参数，所述控制参数至少包括曝光时间、电荷电压转换增益、PGA增益、斜坡电压和数字增益；计算当前的图像亮度均值与期望亮度是否匹配，若匹配则无需调节，若不匹配，则执行调节步骤；调节步骤，逐一调节控制参数，并在调节完任意一个控制参数后统计当前图像亮度均值，并计算当前图像亮度均值是否与期望亮度相匹配，若匹配，则结束控制参数的调节，若不匹配，则继续调节当前参数或调节其他参数，直至当前图像亮度均值与期望亮度相匹配，以获得亮度适中且噪声较小、动态范围较大的高质量图像。

Description

一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法

技术领域

本发明涉及图像传感器成像质量控制技术领域，特别是涉及一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法。

背景技术

图像质量由多种因素决定，其中最直观的因素包括图像的亮度、噪声和动态范围等，适中的亮度是一副高质量图像的基础，而噪声和动态范围决定了图像的细节。

CMOS图像传感器是可见光固体图像传感器的代表之一，具备低成本、低功耗、高集成度和响应速度快的优点。在CMOS图像传感器成像时，可以影响图像亮度的参数包括曝光时间、像素信号转换增益、PGA增益、斜坡电压、数字增益等。

目前，为了得到亮度始终的图像，常见的自动曝光算法是改变图像传感器的曝光时间和数字增益，但由于曝光时间的调节范围有限，过长的曝光时间会降低图像的帧频，而数字增益的调节又很容易放大噪声，均会造成图像质量的降低，无法满足CMOS图像传感器在不同工作环境中的成像需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法，以获得亮度适中且噪声较小、动态范围较大的高质量图像。

为解决上述问题，本发明提供一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法，具体包括以下步骤：

设置期望亮度，并统计当前图像亮度均值；

设置多个可调节的控制参数，所述控制参数至少包括曝光时间、电荷电压转换增益、PGA增益、斜坡电压和数字增益；

计算当前的图像亮度均值与期望亮度是否匹配，若匹配则无需调节，若不匹配，则执行调节步骤；

调节步骤，逐一调节曝光时间、电荷电压转换增益、PGA增益、斜坡电压和数字增益，并在调节完任意一个控制参数后统计当前图像亮度均值，并计算当前图像亮度均值是否与期望亮度相匹配，若匹配，则结束控制参数的调节，若不匹配，则继续调节当前参数或调节其他参数，直至当前图像亮度均值与期望亮度相匹配。

进一步的，在所述步骤“设置多个可调节的控制参数”后还包括以下步骤：

设置各个控制参数的调节优先级，所述调节优先级由高到低依次为曝光时间、电荷电压转换增益、PGA增益、斜坡电压和数字增益。

进一步的，判断当前图像亮度均值与期望亮度是否匹配的判断公式为：

Y∈[(1±10％)Y₀]，

其中：Y₀为期望亮度，Y为当前图像亮度均值。

进一步的，所述步骤调节步骤中，调节曝光时间、PGA增益、斜坡电压和数字增益的条件为：

调节电荷电压增益的条件为：

其中：Y₀为期望亮度，Y为当前图像亮度均值。

进一步的，所述曝光时间的调节范围为10ns～20ms，且所述曝光时间的默认起始值为1ms。

进一步的，所述电荷电压转换增益具有两档，包括第一增益和第二增益，所述第一增益为20uv/e-，第二增益为100uv/e-，且所述电荷电压转换增益的默认起始增益为第一增益。

进一步的，所述PGA增益的调节范围为1～2.8倍，所述PGA增益至少具有八档，每档可调节的范围最大为0.4倍，且所述PGA增益的默认起始值为1倍。

进一步的，所述斜坡电压具有高电压和低电压，所述高电压的默认起始值为2.8V，所述低电压的默认起始值为1.0V，所述高电压与低电压之间的电压差的默认起始值为1.8V，所述斜坡电压的调节范围为1.8～4.5V。

进一步的，所述数字增益的调节范围为1～8倍，且所述数字增益的默认起始值为1倍。

本发明的有益效果：根据CMOS图像传感器成像时图像信号的传递顺序和各部分引入的噪声，设置控制参数调节时的优先级，并根据工作环境按照设置的调节优先顺序自动完成参数调节，得到亮度适中的图像。采用本方法，使得在可调节的控制参数更多，图像亮度可调节范围更大，拓展了CMOS图像传感器可应用的环境照度范围。

附图说明

图1为本发明一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法的较佳的实施方式的流程图。

图2为图1中步骤S3中图像信号的传输路径图。

图3为图1中步骤S5的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，为本发明一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法的较佳的实施方式的流程图。本发明具体包括以下步骤：

S1：设置期望亮度，并统计当前图像亮度均值。

根据CMOS图像传感器应用的场景，设置期望亮度Y₀，根据使用目的选择合适的测光方法统计应用场景中当前图像亮度均值Y。

S2：设置多个可调节的控制参数。

所述控制参数至少包括曝光时间T、电荷电压转换增益C、PGA增益G、斜坡电压V和数字增益D。

由于在图像信号未饱和范围内，所述曝光时间T、电荷电压转换增益C、PGA增益G、斜坡电压V和数字增益D均与图像的亮度呈线性关系，因此，若场景光强在连续三帧图像时间间隔内保持不变，且给定光圈的大小固定，则曝光函数f可认定为线性的，进而可以得到以下关系式：

Y＝K×E×F×T×C×G×V×D (1)

其中：K为常数系数，E为场景光强，F为光圈大小，Y为判断图像亮度均值，T、C、G、V、D分别为各控制参数的值。

根据上述式(1)，当期望亮度为Y₀时，为了达到该期望亮度Y₀，将各参数设置为T'、C'、G'、V'、D'，则可得到下述关系式：

Y₀＝K×E×F×T'×C'×G'×V'×D' (2)

由于K为和成像系统有关的常数系数，E为场景光强，F为光圈大小，在调节CMOS图像传感器参数时，假定这三者的值均保持不变，则将式(1)和式(2)相除可以得到下述关系式：

Y/Y₀＝(T×C×G×V×D)/(T'×C'×G'×V'×D') (3)

S3：设置各个控制参数的调节优先级。

如图2所示，根据CMOS图像传感器成像时图像信号在电路中的传递顺序和各部分引入的噪声情况，各个控制参数在调节时有不同的优先级，调节的优先顺序主要由图像信号传输路径决定，即在开始曝光后，像素单元中的光电二极管收集光生电荷，其收集光生电荷的时间由曝光时间T决定，接着光生电荷在像素单元中转换为信号电压，其转换关系由电荷电压转换增益C决定，然后再由可编程增益放大器对信号电压进行放大，其放大倍数由PGA增益G决定，之后再在列模数转换器中量化为数字信号，转换后数字信号的大小与斜坡电压V相关，最后再由图像处理模块进行放大处理，此时的放大倍数由数字增益D决定。在每一步图像信号处理过程中，仅会放大前级电路引入的噪声，同时抑制候机电路噪声，所以前级电路的中控制参数的调节总是优先于后级电路中的控制参数。且当CMOS图像传感器工作在微光环境下时，光散粒噪声很小，暗电流散粒噪声、固定模式噪声、KTC噪声、放大器噪声和ADC量化噪声为主要噪声源，场景动态范围较小，这种情况下采用较大的电荷电压转换增益既可以提高图像亮度又可以提高信噪比。白天较亮情况下光散粒噪声较大且为主要噪声源，且场景动态范围较大，应采用较小的电荷电压转换增益。

因此将所述控制参数的调节优先级由高到低依次为：

第一优先级为曝光时间T。调节曝光时间T就是调节像素单元中光电二极管收集光生电荷的时间，其本身不会对动态范围和信噪比造成影响，且在一般应用场景中，通常只需要调节曝光时间T就能得到亮度适中的图像，因此将曝光时间T列为第一优先级。

第二优先级为电荷电压转换增益C。调节电荷电压转换增益C对图像的亮度有较大的影响，一般在差异较大的工作环境间进行切换，如白天和夜晚，在此场景下，只改变曝光时间T远远无法满足要求时，此时则需要对进一步电荷电压转换增益C进行调节，因此将荷电压转换增益C列为第二优先级。

第三优先级为PGA增益G。由于调节PGA增益G放大信号的同时会放大噪声，但是可以抑制后级电路噪声，因此，一般在环境光照较弱的条件下才会调节PGA增益G的值；而且与斜坡电压V和数字增益D相比，调节PGA增益G后信噪比更高，因此将PGA增益G列为第三优先级。

第四优先级为斜坡电压V。斜坡电压V的值由斜坡电压V的高电压V_H和低电压V_L之间的电压差ΔV决定，ΔV越小，输出信号越大，其噪声也会越大，因此将斜坡电压V列为第四优先级。

第五优先级为数字增益D。调节数字增益D是简单的将输出的数字信号值放大或缩小，当信号放大时噪声也会同步放大，而且较难消除，且一般在环境光照较弱的条件下才调节数字增益D的值，因此数字增益D的优先级最低。

S4：计算当前的图像亮度均值与期望亮度是否匹配。

由于各个控制参数的调节范围受精度限制，在判断当前图像亮度均值与期望亮度是否匹配时，采用下述判断公式进行判断：

Y∈[(1±10％)Y₀] (4)

即判断当前图像亮度均值Y是否属于上述式(4)中所限定的区间，若属于，则表明当前的图像亮度均值Y与期望亮度Y₀匹配，无需调节任何控制参数，若不属于，则表明当前的图像亮度均值Y与期望亮度Y₀不匹配，需按步骤S3中的调节优先级执行调节步骤。

S5：调节步骤。

按照所述调节优先级依次调节曝光时间T、电荷电压转换增益C、PGA增益G、斜坡电压V和数字增益D，并在每一次调节完成后统计当前图像亮度均值Y，并判断当前图像亮度均值Y是否与期望亮度Y₀相匹配，若匹配，则结束控制参数的调节，若不匹配，则继续调节当前参数或调节下一优先级的控制参数，直至当前图像亮度均值Y与期望亮度Y₀相匹配。具体包括以下步骤：

S501：调节曝光时间T。

在调节曝光时间T时，应当在满足帧频要求的范围内进行。在本实施方式中，所述曝光时间T的调节范围为10ns～20ms，且所述曝光时间T的默认起始值为1ms。

调节完曝光时间T后，统计当前图像亮度均值Y，并判断该图像亮度均值Y是否属于期望亮度[(1±10％)Y₀]区间，若属于，则结束调节过程；若不属于，则按照下述步骤S502继续调节电荷电压转换增益C。

S502：调节电荷电压转换增益C。

在本实施方式中，所述电荷电压转换增益C具有两档，包括第一增益和第二增益，所述第一增益为低增益，其增益值为20uv/e-，所述第二增益为高增益，其增益值为100uv/e-，且所述电荷电压转换增益C的默认起始增益为低增益。

由于调节电荷电压转换增益C的条件比较特殊，只有在将曝光时间T调节至最大或最小后仍和期望亮度Y₀差距较大时才进行调节，因此，在调节电荷电压转换增益C前还需判断当前图像亮度均值Y是否属于期望亮度[(1±80％)Y₀]区间，若属于，则无需调节电荷电压转换增益C，直接下述按照步骤S503调节PGA增益G；若不属于，则需对电荷电压转换增益C进行调节。

调节完电荷电压转换增益C后，统计当前图像亮度均值Y，并判断该图像亮度均值Y是否属于期望亮度[(1±10％)Y₀]区间，若属于，则结束调节过程；若不属于，则按照下述步骤S503继续调节PGA增益G。

S503：调节PGA增益G。

在本实施方式中，所述PGA增益G的调节范围为1～2.8倍，所述PGA增益至少具有八档，每档可调节的范围最大为0.4倍，且所述PGA增益G的默认起始值为1倍。

调节完PGA增益G后，统计当前图像亮度均值Y，并判断该图像亮度均值Y是否属于期望亮度[(1±10％)Y₀]区间，若属于，则结束调节过程；若不属于，则按照下述步骤S504继续调节斜坡电压V。

S504：调节斜坡电压V。

在本实施方式中，所述斜坡电压V具有高电压V_H和低电压V_L，所述高电压V_H的默认起始值为2.8V，所述低电压V_L的默认起始值为1.0V，所述高电压V_H与低电压V_L之间的电压差ΔV的默认起始值为1.8V。为了保证可以获得尽可能大的信噪比，所述斜坡电压V的调节范围为1.8～4.5V。

调节完斜坡电压V后，统计当前图像亮度均值Y，并判断该图像亮度均值Y是否属于期望亮度[(1±10％)Y₀]区间，若属于，则结束调节过程；若不属于，则按照下述步骤S505继续调节数字增益D。

S505：调节数字增益D。

在本实施方式中，所述数字增益D的调节范围为1～8倍，且所述数字增益D的默认起始值为1倍。

调节数字增益D后，统计当前图像亮度均值Y，并判断该图像亮度均值Y是否属于期望亮度[(1±10％)Y₀]区间，若属于，则结束调节过程，若此时的图像亮度均值Y仍不属于期望亮度[(1±10％)Y₀]区间，则表明该CMOS图像传感器无法在当前工作场景中通过用此方法来获取亮度适中的图像，需更换CMOS图像传感器。

在本实施方式中，采用12位的模数转换器对模拟信号进行处理，其饱和输出信号为4096dn，将期望亮度Y₀设置为1600dn，应用场景设定为夜晚，在该场景下，默认图像亮度均值为200dn，背景统计值为190dn，则实际统计的图像亮度均值Y＝10dn。

按照本发明所述的控制方法调节，首先调节曝光时间T，将曝光时间T调至20ms，统计当前图像亮度均值Y＝200dn，此时图像亮度均值Y不属于期望亮度[(1±80％)Y₀]区间，则继续调节电荷电压转换增益C，将电荷电压转换增益C调至高增益100uv/e-，统计当前图像亮度均值Y＝1000dn，此时图像亮度均值Y不属于期望亮度[(1±10％)Y₀]区间，则继续调节PGA增益G，根据公式(3)计算可知，PGA增益G应调至1.6倍，由于PGA增益G的调节步长为每档0.4倍，默认起始值为1倍，则应将PGA增益G调至最接近的1.4倍，统计当前图像亮度均值Y＝1400dn，此时图像亮度均值Y仍不属于期望亮度[(1±10％)Y₀]区间，则继续调节斜坡电压V，斜坡电压V＝1/ΔV，根据公式(3)计算可知，ΔV/ΔV'＝1.14，得到ΔV＝1.6V，因此将V_H调至2.6V，统计当前图像亮度均值Y＝1575dn，在期望亮度[(1±10％)Y₀]范围内，则结束调节过程。

在夜晚微光应用环境中光散粒噪声较小，场景动态较小，采用高电荷电压转换增益C噪声不会大幅增加，而且抑制了后级电路噪声，提高了信噪比，调节PGA增益G和斜坡电压V使图像亮度均值Y达到期望亮度区间内，并且没有调节数字增益D，有效抑制了后级电路噪声，避免了电路整体噪声放大，与通常自动曝光算法相比提高了信噪比。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置期望亮度，并统计当前图像亮度均值；

设置多个可调节的控制参数，所述控制参数至少包括曝光时间、电荷电压转换增益、PGA增益、斜坡电压和数字增益；

计算当前的图像亮度均值与期望亮度是否匹配，若匹配则无需调节，若不匹配，则执行调节步骤；

调节步骤，逐一调节曝光时间、电荷电压转换增益、PGA增益、斜坡电压和数字增益，并在调节完任意一个控制参数后统计当前图像亮度均值，并计算当前图像亮度均值是否与期望亮度相匹配，若匹配，则结束控制参数的调节，若不匹配，则继续调节当前参数或调节其他参数，直至当前图像亮度均值与期望亮度相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法，其特征在于，在所述步骤“设置多个可调节的控制参数”后还包括以下步骤：

设置各个控制参数的调节优先级，所述调节优先级由高到低依次为曝光时间、电荷电压转换增益、PGA增益、斜坡电压和数字增益。

3.根据权利要求1所述的一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法，其特征在于，判断当前图像亮度均值与期望亮度是否匹配的判断公式为：

Y∈[(1±10％)Y₀]，

其中：Y₀为期望亮度，Y为当前图像亮度均值。

4.根据权利要求1所述的一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法，其特征在于，所述调节步骤中，调节曝光时间、PGA增益、斜坡电压和数字增益的条件为：

调节电荷电压增益的条件为：

其中：Y₀为期望亮度，Y为当前图像亮度均值。

5.根据权利要求1所述的一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法，其特征在于，所述曝光时间的调节范围为10ns～20ms，且所述曝光时间的默认起始值为1ms。

6.根据权利要求1所述的一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法，其特征在于，所述电荷电压转换增益具有两档，包括第一增益和第二增益，所述第一增益为20uv/e-，第二增益为100uv/e-，且所述电荷电压转换增益的默认起始增益为第一增益。

7.根据权利要求1所述的一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法，其特征在于，所述PGA增益的调节范围为1～2.8倍，所述PGA增益至少具有八档，每档可调节的范围最大为0.4倍，且所述PGA增益的默认起始值为1倍。

8.根据权利要求1所述的一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法，其特征在于，所述斜坡电压具有高电压和低电压，所述高电压的默认起始值为2.8V，所述低电压的默认起始值为1.0V，所述高电压与低电压之间的电压差的默认起始值为1.8V，所述斜坡电压的调节范围为1.8～4.5V。

9.根据权利要求1所述的一种改善CMOS图像传感器成像质量的控制方法，其特征在于，所述数字增益的调节范围为1～8倍，且所述数字增益的默认起始值为1倍。

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