CN114666521B - 具有用于影像取样的可调整参数的影像感测装置 - Google Patents

具有用于影像取样的可调整参数的影像感测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种影像感测装置，可以在将影像的参数送到处理器之前调整以减少计算能力和/或储存要求。影像感测装置包含感测像素阵列；输出放大器；模拟对数字转换器；第一和第二组缓存器；启动电路；以及特征分析逻辑。特征分析逻辑对输出数据进行统计分析，调整储存在第一组缓存器中的参数，直到统计分析结果达到目标标准为止，其中一旦达到目标标准，则调整后的参数通过感测像素阵列的每个感测像素用于产生输出影像，如果在预定的调整时间内未达到目标标准，则通知信号送到外部装置以通知参数调整失败。

Description

具有用于影像取样的可调整参数的影像感测装置
技术领域
本发明涉及一种影像感测装置。更具体地，本发明涉及能够在将影像参数送给处理器之前调整影像参数的影像感测装置。
背景技术
影像质量会影响许多应用应用程序的处理速度和正确性，例如生物识别或物体侦测。传统的图像处理系统从影像感测装置获取影像或一系列影像，然后在处理器上运行影像质量评估算法，以判定该影像在处理影像之前对于系统是否可接受。如果影像质量不令人满意，则系统重新获取影像，直到可以接受为止。评估和重新获取步骤会消耗大量计算能力，主要是在发生多次重新获取时。
为了降低图像处理系统的计算能力要求，影像感测装置的新设计可以在将影像参数送到处理器之前对其进行调整。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种可以在将影像参数送给处理器之前调整影像参数的影像感测装置。影像感测装置包含：感测像素的阵列；输出放大器，连接到感测像素阵列，用于放大感测像素阵列的每个感测像素的测量信号；模拟对数字转换器(ADC)，连接到输出放大器，用于将感测像素阵列的每个感测像素的放大后的测量信号转换为数字数据；第一组缓存器，用于储存参数以操作控制输出放大器的影像感测装置；第二组缓存器，连接到ADC，用于储存由ADC转换的数字数据；启动电路，连接在感测像素阵列和输出放大器之间，用于控制感测像素阵列的输出序列，包含选择启动电路，以选择性地启用感测像素阵列的子集的输出；特征分析逻辑，连接到第一和第二组缓存器，用于对来自感测像素阵列子集的输出数据进行统计分析，并调整储存在第一组缓存器中的参数，直到统计分析的结果达到目标标准，其中一旦达到目标标准，则调整后的参数通过感测像素阵列中的每个感测像素来产生输出影像，如果在预定的调整时间内未达到目标标准，则通知信号送到外部装置发外部装置以通知参数调整失败。
优选地，每个感测像素的测量信号代表其电位或电流。
优选地，控制输出放大器的参数是增益和偏移。
优选地，感测像素阵列的子集是感测像素阵列的子取样。
优选地，对应于感测像素阵列的子集的选择启动电路由模式选择信号控制。
优选地，启动电路包括多个选择基本单元和多个正常基本单元。
优选地，多个选择基本单元和多个正常基本单元中的每一个包括正反器和至少一个多工器。
优选地，影像感测装置经由模式选择信号在正常模式和选择模式之间切换。
优选地，提供对应于感测像素阵列的各别指定子集的多个选择模式，每个模式由对应的模式选择信号启动。
优选地，影像感测装置进一步包括与外部装置通讯的I/O接口。
优选地，影像感测装置是指纹传感器。
优选地，指纹传感器是电容性指纹传感器。
附图说明
图1是根据本发明的影像感测装置的方块图。
图2是感测像素阵列和输出放大器的简化方块图。
图3示出了水平方向上传统的启动电路，控制感测阵列的列选择。
图4示出了由本实施例的启动电路控制的感测像素阵列和启动电路的一部分。
图5示出了感测像素阵列的一部分。
图6A-图6D示出了在不同情况下由像素子集捕获的四个可视化数据集。
图7示出了操作根据本发明的影像感测装置的流程图。
图8示出了第二实施例中的影像感测装置上示出的影像示意图。
图9示出了第三实施例中的影像感测装置上示出的影像示意图。
附图标记说明：10～影像感测装置；100～感测像素阵列；110～第一组缓存器；120～第二组缓存器；130～启动电路；140～输出放大器；150～模拟对数字转换器；160～特征分析逻辑；131～选择启动电路；I/O～输入/输出接口；101～感测像素；102～电压的转换放大器；130a～启动电路；100a～控制感测阵列；132a～串联正反器(FF)；136a～时脉信号节点；135a～输出节点；1361～选择基本单元；1362-1364～正常基本单元；1365～选择基本单元；1331-1335～多工器；1321-1325～正反器(FF)；134～模式选择信号；135～列选择的节点；101a～像素子集；30～监视相机；31～油画；32～感测像素阵列；33～关注区域；40～监视相机；41～入口门；42～捕获的影像；43～关注区域；44～目标区域。
具体实施方式
现在将参考以下实施例更具体地描述本发明。
图1是根据本发明的影像感测装置10的方块图。在满足特定要求时，影像感测装置10用于获取影像。要求是取决于影像感测装置10的用途，将在后面的段落中描述。影像感测装置10包含：感测像素阵列100、第一组缓存器110、第二组缓存器120、启动电路130、输出放大器140、模拟对数字转换器(ADC)150、特征分析逻辑160。
感测像素阵列100可以是电荷耦合装置(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)影像传感器、或电容性影像传感器的感测阵列的光敏区域。第一组缓存器110用于储存操作影像感测装置10的参数，第二组缓存器120用于储存影像感测装置10的感测结果的数据。启动电路130用于控制影像感测装置10的输出序列。与传统的影像传感器不同，启动电路130包含选择启动电路131，可以选择性启用感测像素阵列100的子集或阵列的输出节点的子集。换句话说，在启用选择启动电路131时，将仅启动影像感测装置10的该部分(子集)并产生数据。为了简化描述，在下文中，当启用选择启动电路131时，影像感测装置10进入“选择模式”；否则，称为“正常模式”。“选择模式”意味着在影像获取过程中仅启用一组选定的像素。ADC 150经由启动电路130连接到感测像素阵列，用于将每个像素的测量信号转换成数字数据。第二组缓存器120连接到ADC 150，用于储存由ADC所转换的数字数据。取决于影像感测装置10的类型，测量信号可以是由感测像素所产生的电位或电流。可以设定参数(例如，增益和偏移(位准移动))来调整测量信号的振幅度和基准，在转换之前控制输出放大器140。这些参数是储存在第一组缓存器110中的参数的一部分。当“选择模式”作用时，特征分析逻辑160从感测像素阵列的子集接收输出数据，并根据输出数据来计算一组统计数字。然后，特征分析逻辑160可以根据统计数字来调整储存在第一组缓存器中的参数，直到新获取的所选像素的统计数字落入预定范围或尝试次数超过限制为止。如果满足统计方法所定义的要求，亦即，该组统计数字在预定范围内，则影像感测装置10进入“正常模式”以在调整后的参数下产生输出影像。否则，如果已经尝试了太多次选择模式获取，则影像感测装置10可以发送信号以通知外部装置(未示出)获取失败。影像感测装置10可以进一步包含输入/输出接口(I/O)170以与外部装置进行通讯。
请参考图2。图2为感测像素阵列100与输出放大器140的简化方块图。在本实施例中，影像感测装置10为互补金属氧化物半导体(CMOS)影像传感器。图2中示出了16(4×4)个感测像素101。每个感测像素101包含用于将电荷转换为该像素的电压的转换放大器102。由感测像素阵列100所产生的测量信号被连接到启动电路的一组行选择和列选择加以多任务。启动电路130可以控制感测像素阵列100的输出序列或感测像素阵列100的子集的输出序列。
请参考图3。图3为水平方向的传统启动电路130a，控制感测阵列100a的列选择。启动电路130a是由一组串联正反器(FF)132a组成的移位寄存器。每个正反器132a包含输入节点(D)、时脉信号节点136a、输出节点135a。每个正反器132a的输出连接到下一个正反器132a的输入，以及感测阵列100a的列选择的对应节点。输出节点的编号从1到n表示由启动电路所控制的对应列。在初始化阶段，所有正反器都被清除为0(禁用行或列)。当第一时脉信号到达时，第一正反器的输入节点D设为1，然后清零，以使单一位1进入移位链，并跟随后续时脉信号传播到末端。以此，逐列地启用感测阵列100a。传统的启动电路在垂直方向上具有另一个移位寄存器(未示出)，来控制其行选择。因此，测量信号在水平方向上逐像素发送，在垂直方向上逐行发送。由串联正反器组成的移位寄存器是电子装置的众所周知的基本结构，在此不再赘述。
请参考图4，图4为本实施例的启动电路130所控制的感测像素阵列100以及一部分的启动电路130。与MUX交错的正反器的相同结构可能会在整个正反器链中重复出现。与简单地由串联的正反器132a组成的传统启动电路130a不同，本实施例中的启动电路130包含具有选择启动电路131(参考图1)的一系列正反器。选择启动电路131和特征分析逻辑160匹配影像感测装置的特定要求。本段落聚焦在选择启动电路131，在随后的段落中说明特征分析逻辑160。选择启动电路131包含一系列多工器(MUX 1331-1335)和模式选择信号134。与传统启动电路130a不同，在传统启动电路130a中，序列逻辑的基本单元控制列或行的输出是正反器132a，本实施例中的序列逻辑的基本单元是FF 1322和MUX 1332的组合。有两种基本单元，正常基本单元和选择基本单元，其名称对应于影像感测装置的模式。在正常模式下，移位位“1”会通过正常和选择基本单元传播。在选择模式下，移位位“1”仅通过选择基本单元传播。图4示出了由虚线矩形所包围的两个选择基本单元(1361和1365)和由点矩形所包围的三个正常基本单元(1362、1363、1364)。正常基本单元和选择基本单元的结构略有不同。以第二MUX 1332和第二FF 1322作为正常基本单元的示例。MUX 1332具有两个输入节点、一个输出节点、一个选择节点。MUX 1332的第一输入节点(由0选择的节点)连接到“前一个”FF 1321的输出节点。第二输入节点(由1选择的节点)连接到逻辑“0”信号。选择节点连接到模式选择信号134。输出节点连接到“下一个”FF 1322的输入节点。当模式选择信号134设为逻辑“0”时，“前一个”FF 1321的信号将经由MUX 1332的第一输入节点送到“下一个”FF1322。启动电路130用作传统的启动电路，移位位“1”传播通过整个正反器系列。相反地，当模式选择信号134设为逻辑“1”时，MUX 1332将第二输入节点的信号，亦即逻辑“0”，送至“下一个”FF 1322。FF 1321的输出信号经由MUX 1335送到FF1325。换句话说，移位位“1”的传播会跳过某些正反器，亦即正常基本单元1362-1364。以第五MUX 1335和第五FF 1325为选择基本单元的示例。第二输入节点(由1选择的节点)连接至“前一个”选择基本单元1361的输出节点，亦即FF 1321的输出节点。当模式选择信号134设为逻辑“1”时，移位位“1”会跳过第二、第三、第四FF(1322至1324)，跳到第(N+1)FF 1325(在此示例中N＝4)。MUX 1331的输入的虚线表示MUX 1331到“前一个”选择基本单元的连接与第一基本单元1361和第五基本单元1365之间的连接相同。使用此方法，模式选择信号134可控制(启用或禁用)连接到选择启动电路131的列。第一FF 1321的输出节点也连接到列选择的节点135，以启用或禁用对应的列。选择启动电路131的连接规则取决于影像感测装置10的特定要求。
请参考图4和图5。图5示出了由图4中的启动电路130所控制的感测像素阵列100的一部分。在图5的13×13像素中，像素101a(带有斜条纹的框)是感测像素阵列100的“关注区域”。“关注区域”是每个N x M像素阵列(在此例中N＝M＝4)的左上方像素。换句话说，“关注区域”是感测像素阵列100的子取样。此处，“选择模式”是指子取样模式。这取决于影像感测装置10的要求，使用这些像素的数据来产生统计数字。当模式选择信号134设为“1”时，影像感测装置10设为仅有像素子集101a发送输出数据的“选择模式”。当模式选择信号134设为“0”时，影像感测装置10设为“正常模式”，感测像素阵列100的所有像素都发送输出数据。换句话说，影像感测装置10经由图4中的模式选择信号134在正常模式和选择模式之间切换。在另一示例中，选择启动电路131可以具有不同的结构。在又一个示例中，影像感测装置10可以具有多个选择模式。
请参考图6A-图6D。图6A-图6D显示在不同参数设定下像素子集101a所撷取的四个数据集。在对应情况下由影像感测装置10所捕获的影像显示在数据集的右侧。虚线矩形代表感测像素100阵列的区域。在本实施例中，影像感测装置10是产生8位深度影像的指纹传感器。可视化的数据集是由感测像素阵列100所获取的1/16子取样影像的直方图。与在调整参数之前捕获全尺寸影像的传统影像传感器不同，影像感测装置10利用子取样数据来调整参数以操作影像感测装置，例如增益和偏移。此方法可以降低计算能力和/或储存要求以获得高质量影像。子取样数据送到特征分析逻辑160以计算一组统计数字s。图6A示出了具有高对比度而没有过饱和的指纹影像的高质量影像的典型直方图。定量方法是测量子取样数据的第10个百分点(P10)和第90个百分点(P90)。图6A至图6D中的虚线和点线分别示出了P10和P90的值。如果P10的值太低，例如小于5，或者P90的值太高，则表示影像过饱和。如果P10和P90之间的差异不够大(例如，小于128)，则表示影像对比低。根据这些统计数字，特征分析逻辑160调整储存在第一组缓存器中的对应参数，直到满足统计数字的要求为止。然后，送出在正常模式下捕获的影像。满足要求的目标标准可以由(一个或多个)储存在分析逻辑160中的临限值或范围来定义。当所有统计数字均达到临限值或范围时，统计分析结果达到目标标准。在特征分析逻辑160中使用的方法不限于上述方法。可以使用各种统计指针来代表影像感测装置10的不同状态。
图6B至图6D示出了三个典型的低质量影像的直方图。图6B示出了子取样低对比影像的直方图。特征分析逻辑送出信号以增加输出放大器140的增益值，从而可以提高影像质量。图6C示出了过饱和影像的示例，改变偏移可以提高影像质量。图6D示出了特定情况，使用者的指尖放在感测像素阵列100上，但是没有完全接触传感器表面或者没有完全覆盖感测像素阵列100的区域。这类影像的对比很高，但是许多像素的灰度很低。因此，统计数字可以用于通知使用者移动他/她的指尖以获得更清晰的影像。
请参考图7。图7为依据本发明操作影像感测装置10的流程图。首先，将第一组缓存器110中的参数设置为默认值(A01)。其次，将尝试次数设为零(N＝0)(A02)，将影像感测装置10设为子取样模式(模式选择＝1)(A03)。然后，特征分析逻辑160根据子取样数据来计算统计数字(A04)。在下一步，检查统计数字是否符合预定的目标标准(A05)。如果统计数字符合目标标准，则将影像感测装置10设为正常模式(A06)，然后捕获影像并送到外部装置(A07)。如果统计数字与目标标准不符，则检查尝试次数N是否超过临限值(A08)，例如5次。如果N超过临限值，则将对应于统计数字的信号送到外部装置以指示失败(A11)。否则，将N增加1(A09)并根据统计数字来调整参数(A10)，然后重复该过程。
请参考图8，图8为第二实施例的影像感测装置所读取的影像的示意图。在此实施例中，影像感测装置是监视相机30。类似于前一实施例，关注区域33(标有斜条纹的像素)是均匀分布在感测像素阵列32上的像素的子集。监视相机30针对画廊角落中的几幅油画31。在“休眠模式”(选择模式)期间，仅启动关注区域33的像素。启动的像素的输出数据送到特征分析逻辑160。当特征分析逻辑160根据输出数据所计算的统计数字满足要求时，影像感测装置10设为“正常模式”。例如，特征分析逻辑160监视关注区域33的平均亮度的变化，当平均亮度显著移动时，将影像感测装置10设为“正常模式”。因此，在“休眠模式”期间，仅启动影像感测装置的很少的像素，当影像感测装置检测到其视线变化时会唤醒。特征分析逻辑160所计算的统计数字不限于亮度；它可以是图像处理或计算器视觉领域中使用的其他因素。
请参考图9，图9为第三实施例的影像感测装置上的影像示意图。此实施例中，影像感测装置是针对入口门41的监视相机40。为了描述此实施例，图9示出了一捕获的影像42与一关注区域(ROI)43。与前一实施例中的关注区域33均匀分布在感测像素阵列32上不同，本实施例的关注区域(ROI)43是包围目标区域44的框架。目标区域44至少包含入口门41。框架具有特定宽度，例如十个像素，以确保数据大小足以使特征分析逻辑160正常运行。本实施例中的启动电路130是可编程的，亦即，感测像素阵列100中的每个像素能够设为ROI或不设为ROI。因此，用户可以调整目标区域44的大小和位置。除了“ROI”中以外的所有像素均在“休眠模式”下停用。选择启动电路131仅启动ROI中的像素，并且将ROI中的像素的数据送到特征分析逻辑160。当特征分析逻辑160根据来自ROI的输出数据所计算的统计数字满足要求时，例如超过临限值，则影像感测装置10设为“正常模式”，所有感测像素被启动以送出用于捕获影像的数据。统计数字可以反映ROI像素所接收的颜色或亮度偏移。在其他情况下，统计数字也可以反映ROI像素所接收的波长或强度偏移。

Claims (12)

1.一种影像感测装置，其特征在于，包括：
感测像素的阵列；
输出放大器，连接到感测像素阵列，用于放大感测像素阵列的每个感测像素的测量信号；
模拟对数字转换器，连接到输出放大器，用于将感测像素阵列的每个感测像素的放大后的测量信号转换为数字数据；
第一组缓存器，用于储存操作控制输出放大器的参数；
第二组缓存器，连接到ADC，用于储存由ADC转换的数字数据；
启动电路，连接在感测像素阵列和输出放大器之间，用于控制感测像素阵列的输出序列，包含选择启动电路，以选择性地启用感测像素阵列的子集的输出；及
特征分析逻辑，连接到第一组缓存器和第二组缓存器，用于对来自感测像素阵列子集的输出数据进行统计分析，并调整储存在第一组缓存器中的参数，直到统计分析的结果达到目标标准，其中一旦达到目标标准，则调整后的参数通过感测像素阵列中的每个感测像素来产生输出影像，如果在预定的调整时间内未达到目标标准，则通知信号送到外部装置发外部装置以通知参数调整失败。
2.如权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，每个感测像素的测量信号代表其电位或电流。
3.如权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，控制输出放大器的参数是增益和偏移。
4.如权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，感测像素阵列的子集是感测像素阵列的子取样。
5.如权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，对应于感测像素阵列的子集的选择启动电路由模式选择信号控制。
6.如权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，启动电路包括多个选择基本单元和多个正常基本单元。
7.如权利要求6所述的影像感测装置，其特征在于，多个选择基本单元和多个正常基本单元中的每一个包括正反器和至少一个多工器。
8.如权利要求5所述的影像感测装置，其特征在于，影像感测装置经由模式选择信号在正常模式和选择模式之间切换。
9.如权利要求8所述的影像感测装置，其特征在于，提供对应于感测像素阵列的各别指定子集的多个选择模式，每个模式由对应的模式选择信号启动。
10.如权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，进一步包括与外部装置通讯的I/O接口。
11.如权利要求1所述的影像感测装置，其特征在于，影像感测装置是指纹传感器。
12.如权利要求11所述的影像感测装置，其特征在于，指纹传感器是电容性指纹传感器。
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