CN114040132B - 图像传感器及其曝光时序控制方法、系统及介质 - Google Patents

图像传感器及其曝光时序控制方法、系统及介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种图像传感器及其曝光时序控制方法、系统及介质，所述系统包括N个寄存器、行计数器、系统控制器和数据读取采集电路；N个寄存器用于存储N个时间参数；行计数器，用于从零开始计数，计数到CREG_FRAME_H时清零；系统控制器，用于控制像素阵列进行N帧曝光，还用于在所述行计数器计数到时，控制所述数据读取采集电路开始对所述N帧曝光中的第i帧曝光数据进行读取。本发明通过固定数据读取采集电路读取曝光数据在行计数器上的计数值，防止曝光数据之间的粘合，提高图像输出质量。

Description

图像传感器及其曝光时序控制方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及半导体集成电路设计领域，尤其涉及一种图像传感器及其曝光时序控制方法、系统及介质。
背景技术
目前常用的固态图像成像装置，诸如在摄像机或数字照相机使用的图像传感器，通过积累与入射光照量一致的电荷量，并通过光电转换元件输出与积累的电荷量相应的电信号来进行光电转换，而实际操作中，光电转换元件中能够积累的电荷量是有限的，使其在接收了一定量的光线时就达到了饱和，造成“高光部分过曝”或“裁剪”的现象。
在实际图像采集的过程中，在不同亮度区域，图像传感器通常会对同一物体(环境)进行多次曝光采集数据，当多重曝光数据通过一定的比例叠加，可以将暗处的场景变得更加清晰，亮出的场景不至于输出过曝，让一些亮暗对比明显的图像显示更多的图像细节。以此方式，通过将多个不同曝光时间的图像组合，有可能产生具有高动态范围的无裁剪的图像，也就是说具有高动态光照渲染的图像(High-Dynamic Range，HDR)。
目前经常使用的多重曝光方式主要有HDR3曝光和HDR2曝光，HDR3曝光输出图片分别为LEF(帧)、MEF(帧)和SEF(帧)，HDR2曝光输出图片是LEF(帧)、SEF(帧)。按照传统的设计方式，HDR3的基本曝光读取设计必须满足如下限制：在每个独立LEF帧首行读取完成方可进行下一个MEF帧首行曝光，MEF帧首行读取完成方可进行下一个SEF帧首行曝光，否则两帧曝光电子会混合在一起，造成曝光电荷数不精确。
当不同帧的曝光电子混合在一起之后，会严重影响外部模拟视频(尤其CVBS接口)显示效果。更有甚者，当帧消隐区(blank行)<200，当Exp1在前一帧变大(>100)，而在后一帧Exp1变小(<10)时，便会导致前后帧的MEF读时序重合在一起，SEF读时序也会重合在一起，这样会导致MEF和SEF多帧数据粘合在一起，外部接口无法解析该数据输出。
因此，本发明提出了一种图像传感器及其曝光时序控制方法、系统及介质。
发明内容
本发明实施例提供了一种图像传感器及其曝光时序控制方法、系统及介质，通过在图像传感器的数字逻辑控制部分加入多个可配置寄存器，并通过每个寄存器设置启动数据读取对应的时间参数，达到固定每次数据读取的时间点的目的，以防止多帧数据粘合。
第一方面，本发明提供一种图像传感器的曝光时序控制系统，包括N个寄存器、行计数器、系统控制器和数据读取采集电路；N个寄存器用于存储N个时间参数，N为正整数，且N大于或等于2；行计数器，与所述系统控制器相连，用于从零开始计数，计数到CREG_FRAME_H时清零，所述CREG_FRAME_H为所述N个时间参数之和；系统控制器，用于控制像素阵列进行N帧曝光；系统控制器，还用于在所述行计数器计数到时，控制所述数据读取采集电路开始对所述N帧曝光中的第i帧曝光数据进行读取；其中，i为正整数，i的取值从1到N，Pi为所述N个时间参数中的第i时间参数；且Pi≥Exp(i-1)×HV，Exp(i-1)为N帧曝光中的第i帧曝光的时长，HV为所述数据读取采集电路每秒处理数据的行数。
其有益效果在于：本发明通过在图像传感器的数字逻辑控制部分加入N个寄存器，N个寄存器用于存储N个时间参数，行计数器与所述系统控制器相连，用于从零开始计数，计数到CREG_FRAME_H时清零，且所述CREG_FRAME_H为所述N个时间参数之和，所述系统控制器在所述行计数器计数到时，控制所述数据读取采集电路开始对所述N帧曝光中的第i帧曝光数据进行读取，以实现在行计数器固定的计数值上读取曝光数据；并通过Pi≥Exp(i-1)×HV使得不同帧的曝光可以在寄存器设定的时间参数内完成，以便顺利的读取曝光数据。
可选地，所述系统控制器控制像素阵列进行N帧曝光，还用于：在所述行计数器计数到P0i时，控制像素阵列开始第i帧曝光；其中a为正整数，其有益效果在于：根据这些配置寄存器约束条件和曝光约束，即可在上级图像信号处理(ImageSignal Processing，ISP)控制下进行自动曝光配置，其曝光数值和步进变化范围可以大幅扩展。
可选地，Exp(i-1)的值是独立设置的。其有益效果在于：通过独立设置Exp(i-1)，使得不同帧曝光时长之间的比值可以随意变动，极大地增加了不同帧的曝光时长比例范围，同时在亮暗环境变化剧烈的环境(比如图像传感器进出停车场或隧道)下，不会引起曝光数据之间的读取重合，极大地提高了图像传感器的场景适用范围和显示效果。
第二方面，本发明提供一种图像传感器的曝光时序控制方法，N个寄存器存储N个时间参数，N为正整数，且N大于或等于2；行计数器与所述系统控制器相连，从零开始计数，计数到CREG_FRAME_H时清零，所述CREG_FRAME_H为所述N个时间参数之和；系统控制器控制像素阵列进行N帧曝光；系统控制器在所述行计数器计数到时，控制所述数据读取采集电路开始对所述N帧曝光中的第i帧曝光数据进行读取；其中，i为正整数，i的取值从1到N，Pi为所述N个时间参数中的第i时间参数；且Pi≥Exp(i-1)×HV，Exp(i-1)为N帧曝光中的第i帧曝光的时长，HV为所述数据读取采集电路每秒处理数据的行数。
其有益效果在于：本发明通过在图像传感器的数字逻辑控制部分加入N个寄存器，N个寄存器用于存储N个时间参数，行计数器与所述系统控制器相连，用于从零开始计数，计数到CREG_FRAME_H时清零，且所述CREG_FRAME_H为所述N个时间参数之和，所述系统控制器控制数据读取采集电路在行计数器计数到达设定值的时候开始读取曝光数据，以实现在行计数器固定的计数值上读取曝光数据，避免曝光数据之间粘合在一起，提高了图像质量。
可选地，所述系统控制器控制像素阵列进行N帧曝光，包括：在所述行计数器计数到P0i时，控制像素阵列开始第i帧曝光；其中a为正整数，其有益效果在于：本发明通过在所述行计数器计数到预设值时，开始启动曝光，并在设置的时间内完成曝光，得到具有高动态范围的无裁剪的图像，让一些亮暗对比明显的图像显示更多的图像细节。
可选地，所述方法还包括：Exp(i-1)的值是独立设置的。其有益效果在于：通过不同帧的曝光时长独立设置，极大地增加了曝光比例范围，不会引起曝光数据之间的重合。
第三方面，本发明提供一种图像传感器，该图像传感器包括像素阵列和执行上述第二方面的任意一种可能的设计的方法的模块/单元。这些模块/单元可以通过硬件实现，也可以通过硬件执行相应的软件实现。
第四方面，本发明提供一种可读存储介质，所述可读存储介质内存储有程序，所述程序被图像传感器执行时，实现如上述第二方面的任意一种可能的设计的方法。
第五方面，本申请实施例另提供一种程序产品，当该程序产品在图像传感器上运行时，使得该图像传感器执行上述任一方面的任意一种可能的设计的方法。
关于上述第三方面至第五方面的有益效果可以参见上述第一方面中的描述。
附图说明
图1为一种图像传感器的像素电路示意图；
图2为本申请实施例提供的一种图像传感器的曝光时序控制系统示意图；
图3为本申请实施例提供的一种图像传感器的曝光时序控制方法流程图；
图4为本申请实施例提供的一种HDR3曝光和数据读取示意图；
图5为本申请实施例提供的一种图像传感器的示意图。
具体实施方式
在详细介绍本发明实施例之前，以下先对本申请实施例中的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解。
1)高动态光照渲染的图像(High-Dynamic Range，HDR)
相比普通的图像，高动态光照渲染的图像可以提供更多的动态范围和图像细节，根据不同的曝光时间的图像，利用每个曝光时间相对应最佳细节的图像来合成最终HDR图像，能够更好的反映出真实环境中的视觉效果。
下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。其中，在本申请实施例的描述中，以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一种”、“该”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本申请以下各实施例中，“至少一个”、“一个或多个”是指一个或两个以上(包含两个)。术语“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系；例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A、B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“连接”包括直接连接和间接连接，除非另外说明。“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
在本申请实施例中，“示例性地”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性地”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性地”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
现有技术提供了一种图像传感器的像素电路100，如图1所示。
该像素电路100可以包括电源VDD、光电二极管PD、浮置扩散节点FD、传输管TX、复位管RS、源跟随管SF、行选通管SEL和列总线PIXOUT。其中，光电二极管PD负责收集光信号，浮置扩散节点FD用于将光生电子转化为电压信号，传输管TX用于控制光生电子从光电二极管PD转移到浮置扩散节点FD，复位管RS负责在电子转移前将浮置扩散节点FD复位，源跟随管SF用于实现对信号的放大和缓冲，行选通管SEL用于进行行选，并将信号连至列总线PIXOUT。
目前图像传感器的对像素阵列处理的曝光技术大部分依赖于图1所示的像素电路100。在实际应用中，可以对同一像素阵列进行多次不同时间长度的曝光，如长中短三次曝光，长曝光可以较好的体现低光场景，中曝光可以较好的体现中光场景，短曝光可以体现高光场景，再将长中短三次曝光之后的曝光数据进行读取，得到三个像素信号，并将这三个像素信号进行合成，最后输出为高动态范围图像HDR。在本实施例中，因为HDR的基本曝光读取设计必须满足如下限制：在每个像素阵列完成每一帧的曝光之后得到的曝光数据，并对曝光数据的首行数据读取完成时，才可以开始下一帧的曝光。
为了改进背景技术中提到的问题，本发明提供了一种图像传感器的曝光时序控制系统200，如图2所示，所述系统包括：N个寄存器201、行计数器202、系统控制器203和数据读取采集电路204。
N个寄存器201用于存储N个时间参数，N为正整数，且N大于或等于2。
当需要对像素阵列进行两帧曝光时，那么设置两个寄存器，即第一寄存器和第二寄存器，此时需要存储两个时间参数，即第一时间参数和第二时间参数。那么所述第一寄存器用于存储第一时间参数，第二寄存器用于存储第二时间参数。
行计数器202，与所述系统控制器203相连，用于从零开始计数，计数到CREG_FRAME_H时清零，所述CREG_FRAME_H为所述N个时间参数之和。
即所述行计数器202用于计数，其计数的最小值是零，其计数的最大值是CREG_FRAME_H，并在计数到CREG_FRAME_H时清零。
系统控制器203，用于控制像素阵列进行N帧曝光。
N的具体取值，取决于实际情况，即当需要对像素阵列进行三帧曝光时，N的取值为3；当需要对像素阵列进行四帧曝光时，N的取值为4。
系统控制器203还用于在所述行计数器计数到时，控制所述数据读取采集电路开始对所述N帧曝光中的第i帧曝光数据进行读取；其中，i为正整数，i的取值从1到N，Pi为所述N个时间参数中的第i时间参数；且Pi≥Exp(i-1)×HV，Exp(i-1)为N帧曝光中的第i帧曝光的时长，HV为所述数据读取采集电路每秒处理数据的行数。
在本实施例中，通过数据读取采集电路在设置的计数值读取曝光数据，使得在固定的行计数器的计数值上读取曝光数据。
在一种可能的实施例中，所述系统控制器控制像素阵列进行N帧曝光，还用于：在所述行计数器计数到P0i时，控制像素阵列开始第i帧曝光；其中a为正整数，
在又一种可能的实施例中，Exp(i-1)的值是独立设置的。
根据上述实施例提供的图像传感器的曝光时序控制系统，本发明提供了一种图像传感器的曝光时序控制方法，其方法流程如图3所示，具体步骤如下：
S301，N个寄存器存储N个时间参数，N为正整数，且N大于或等于2。
S302，行计数器与所述系统控制器相连，从零开始计数，计数到CREG_FRAME_H时清零，所述CREG_FRAME_H为所述N个时间参数之和。
S303，系统控制器控制像素阵列进行N帧曝光。
304，系统控制器在所述行计数器计数到时，控制所述数据读取采集电路开始对所述N帧曝光中的第i帧曝光数据进行读取；其中，i为正整数，i的取值从1到N，Pi为所述N个时间参数中的第i时间参数；且Pi≥Exp(i-1)×HV，Exp(i-1)为N帧曝光中的第i帧曝光的时长，HV为所述数据读取采集电路每秒处理数据的行数。
在一种可能的实施例中，所述系统控制器控制像素阵列进行N帧曝光，包括：所述系统控制器在所述行计数器计数到P0i时，控制像素阵列开始第i帧曝光；其中a为正整数，
本实施例通过在所述行计数器计数到预设值时，开始启动曝光，并在设置的时间内完成曝光，得到具有高动态范围的无裁剪的图像，让一些亮暗对比明显的图像显示更多的图像细节。
在又一种可能的实施例中，所述方法还包括：Exp(i-1)的值是独立设置的。通过不同帧的曝光时长独立设置，极大地增加了曝光比例范围，不会引起曝光数据之间的重合。
例如，当图像传感器需要进行HDR3曝光和数据读取时，如图4所示，在图像传感器的数字逻辑电路控制部分加入三个寄存器，这三个寄存器分别用来存储数值CREG_LEF_H、CREG_MEF_H和CREG_SEF_H，其中CREG_LEF_H为第一时间参数，CREG_MEF_H为第二时间参数，CREG_SEF_H为第三时间参数。然后在图像传感器内部定义一个行计数器，从0开始计数，计数到CREG_FRAME_H时清零，同时对应的寄存器和电路设计满足如下关系：
CREG_FRAME_H＝CREG_LEF_H+CREG_MEF_H+CREG_SEF_H。
行计数器初始的计数数值：
P0＝0。
开始对第一帧曝光数据进行读取在行计数器上的计数值：
P1＝CREG_LEF_H。
开始对第二帧曝光数据进行读取在行计数器上的计数值：
P2＝CREG_LEF_H+CREG_MEF_H。
开始对第三帧曝光数据进行读取在行计数器上的计数值：
P3＝CREG_LEF_H+CREG_MEF_H+CREG_SEF_H。
后续对像素阵列的第一帧的曝光数据会固定在所述行计数器计数到P1时开始读取，第二帧曝光数据会在固定在所述行计数器计数到P2时开始读取，第三帧曝光数据会在固定在行计数器计数到P3时开始读取。
并且在每一帧的曝光开始之前，需要进行像素电路复位。
第一帧曝光的起始点在行计数器上的计数值为：
P01＝CREG_LEF_H-Exp0×HV。
第二帧曝光的起始点在行计数器上的计数值为：
P02＝(CREG_LEF_H+CREG_MEF_H)-Exp1×HV。
第三帧曝光的起始点在行计数器上的计数值为：
P03＝(CREG_LEF_H+CREG_MEF_H+CREG_SEF_H)-Exp2×HV。
在本实施例中，曝光时间Exp0、Exp1和Exp2之间的比值可以根据实际情况进行变动，极大地增加了多次曝光之间的比例范围和动态范围，同时在亮暗环境变化剧烈的环境(比如图像传感器进出停车场或隧道)下，Exp0、Exp1和Exp2前后帧变化很大时也不会引起相邻曝光数据之间的重合，极大地提高了图像传感器的场景适用范围和显示效果。
又例如，对像素阵列进行两帧曝光时，需要在图像传感器的数字逻辑控制部分加入两个寄存器，即第一寄存器和第二寄存器。第一寄存器存储第一时间参数，第二寄存器存储第二时间参数，假设这两类帧曝光的时间长度分别设为6秒和4秒，当HV为500时，确定这两个寄存器的可配置时间参数分别应该大于或等于3000和2000。通过计算得到，第一寄存器的时间参数为3200、第二寄存器的时间参数为2400，即开始开始曝光对应的行计数器计数的数值为：200和3600；曝光数据读取对应行计数器计数的数值分别是：3200和5600。
然后在图1中示出的像素电路100首次复位之后，所述计数器从0开始计数，当所述计数器计数到200时，启动第一帧曝光，并当计数器计数到3200时，得到第一曝光数据，并对第一曝光数据进行读取输出；当计数器计数到3600时，启动第二帧曝光，并当计数器计数到5600时，得到第二曝光数据，对第二曝光数据进行读取输出，行计数器清零，并对两次曝光数据读取完成后得到的像素信号进行合成，并输出为一帧HDR2图像。
通过上述实施例的描述，本发明提供的一种图像传感器的曝光时序控制方法用于固定行计数器关于不同曝光数据的读取计数的位置，既可用于图像传感器在主动连续曝光的应用场景如监控市场，也可用于车载市场的360环视和倒车影像显示被动接收外部触发的曝光应用市场，同时在大范围亮度环境变化时能保持数据输出稳定不易出错的优点。
通过上述提供的图像传感器的曝光时序控制系统，本发明还提供一种图像传感器，如图5所示，所述图像传感器500包括除了包括上述提到的曝光时序控制系统200，还包括像素阵列501。
所述像素阵列501与所述曝光时序控制系统200相连，用以进行N帧曝光。
N个寄存器201用于存储N个时间参数，N为正整数，且N大于或等于2。
行计数器202，与所述系统控制器203相连，用于从零开始计数，计数到CREG_FRAME_H时清零，所述CREG_FRAME_H为所述N个时间参数之和。
系统控制器203，用于控制所述像素阵列501进行N帧曝光，且在所述行计数器计数到P0i时，控制像素阵列开始第i帧曝光；其中a为正整数，
系统控制器203，还用于在所述行计数器计数到时，控制所述数据读取采集电路开始对所述N帧曝光中的第i帧曝光数据进行读取；其中，i为正整数，i的取值从1到N，Pi为所述N个时间参数中的第i时间参数；且Pi≥Exp(i-1)×HV，Exp(i-1)为N帧曝光中的第i帧曝光的时长，HV为所述数据读取采集电路每秒处理数据的行数。
在本申请实施例各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
该集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中。而前述的存储介质包括：快闪存储器、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何在本申请实施例揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以该权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种图像传感器的曝光时序控制系统，其特征在于，包括N个寄存器、行计数器、系统控制器和数据读取采集电路；
N个寄存器用于存储N个时间参数，N为正整数，且N大于或等于2；
行计数器，与所述系统控制器相连，用于从零开始计数，计数到CREG_FRAME_H时清零，所述CREG_FRAME_H为所述N个时间参数之和；
系统控制器，用于控制像素阵列进行N帧曝光；
系统控制器，还用于在所述行计数器计数到时，控制所述数据读取采集电路开始对所述N帧曝光中的第i帧曝光数据进行读取；
其中，i为正整数，i的取值从1到N，为所述N个时间参数中的第i时间参数；
且，/>为N帧曝光中的第i帧曝光的时长，/>为所述数据读取采集电路每秒处理数据的行数；
所述系统控制器控制像素阵列进行N帧曝光，还用于：
在所述行计数器计数到时，控制像素阵列开始第i帧曝光；
其中a为正整数，。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，的值是独立设置的。
3.一种图像传感器的曝光时序控制方法，其特征在于，
N个寄存器存储N个时间参数，N为正整数，且N大于或等于2；
行计数器与系统控制器相连，从零开始计数，计数到CREG_FRAME_H时清零，所述CREG_FRAME_H为所述N个时间参数之和；
系统控制器控制像素阵列进行N帧曝光；
系统控制器在所述行计数器计数到时，控制数据读取采集电路开始对所述N帧曝光中的第i帧曝光数据进行读取；
其中，i为正整数，i的取值从1到N，为所述N个时间参数中的第i时间参数；
且，/>为N帧曝光中的第i帧曝光的时长，/>为所述数据读取采集电路每秒处理数据的行数；
所述系统控制器控制像素阵列进行N帧曝光，包括：
所述系统控制器在所述行计数器计数到时，控制像素阵列开始第i帧曝光；
其中a为正整数，。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：的值是独立设置的。
5.一种图像传感器，其特征在于，包括像素阵列、N个寄存器、行计数器、系统控制器和数据读取采集电路；
N个寄存器用于存储N个时间参数，N为正整数，且N大于或等于2；
行计数器，与所述系统控制器相连，用于从零开始计数，计数到CREG_FRAME_H时清零，所述CREG_FRAME_H为所述N个时间参数之和；
系统控制器，用于控制像素阵列进行N帧曝光，且在所述行计数器计数到时，控制像素阵列开始第i帧曝光；其中a为正整数，/>；
系统控制器，还用于在所述行计数器计数到时，控制所述数据读取采集电路开始对所述N帧曝光中的第i帧曝光数据进行读取；
其中，i为正整数，i的取值从1到N，为所述N个时间参数中的第i时间参数；
且，/>为N帧曝光中的第i帧曝光的时长，/>为所述数据读取采集电路每秒处理数据的行数。
6.一种可读存储介质，所述可读存储介质内存储有程序，其特征在于，所述程序被图像传感器执行时，实现如权利要求3至4中任一项所述的方法。
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