FR2856547A1 - Procede de traitement du niveau de noir d'une matrice de pixels d'un capteur d'image, et capteur correspondant - Google Patents
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Abstract
Le traitement de compensation du niveau de noir comporte, pour chaque image courante,une délivrance séquentielle des mots numériques relatifs à au moins une ligne masquée de la matrice,l'élaboration 23 d'un code numérique courant de correction à partir desdits mots numériques relatifs à au moins une ligne masquée, du code numérique précédent de correction, et d'un mot numérique de référence,une application 25 du code numérique courant de correction à un convertisseur numérique analogique de façon à obtenir une composante de compensation de niveau de noir prise en compte au niveau de la lecture amplifiée et applicable pendant toute la durée de lecture de l'image courante.
Description
Procédé de traitement du niveau de noir d'une matrice de pixels d'un
capteur d'image, et capteur correspondant
L'invention concerne le traitement des signaux délivrés par une 5 matrice de pixels d'un capteur d'image, et plus particulièrement le traitement du niveau de noir.
Un capteur d'image comporte de façon classique une matrice de pixels. Chaque pixel délivre un signal électrique dont le niveau dépend de la quantité de lumière reçue par le pixel. Ce signal est stocké 10 classiquement dans une paire de condensateurs d'échantillonnage puis il est amplifié dans un amplificateur de lecture.
Un convertisseur analogique/numérique effectue une conversion analogique/numérique de chaque information lue et, pour chaque image, des mots numériques correspondant aux pixels de 15 chaque ligne de la matrice de pixels sont délivrés séquentiellement.
Le niveau de noir (pseudo-signal dû aux courants de fuite dans les photodiodes des pixels) est fortement variable en fonction de la technologie, de la température et du gain d'amplification utilisé.
Un but de l'invention est de soustraire ce niveau de noir, après 20 l'avoir évalué, du signal brut du capteur de manière à isoler la vraie information du capteur.
L'invention a encore pour but de faire correspondre le niveau de noir parfait à un code déterministe en sortie du convertisseur analogique/numérique, de façon à permettre également une utilisation 25 optimisée du convertisseur analogique/numérique, en évitant de numériser cette partie de décalage (offset) exempte d'information.
L'invention propose donc un procédé de traitement des informations délivrées par une matrice de pixels d'un capteur d'images, comprenant pour chaque image courante, une lecture 30 amplifiée de l'information délivrée par chaque pixel, une conversion analogique/numérique de chaque information lue et une délivrance séquentielle des mots numériques correspondant aux pixels de chaque ligne de la matrice de pixels.
Selon une caractéristique générale de l'invention, le procédé comprend en outre un traitement de compensation du niveau de noir comportant, pour chaque image courante, - une délivrance séquentielle des mots numériques relatifs à au moins une ligne masquée de la matrice, - l'élaboration d'un code numérique courant de correction à partir desdits mots numériques relatifs à au moins une ligne 10 masquée, du code numérique précédent de correction, et d'un mot numérique de référence, - une application du code numérique courant de correction à un convertisseur numérique analogique de façon à obtenir une composante de compensation de niveau de noir prise en 15 compte au niveau de la lecture amplifiée et applicable pendant toute la durée de lecture de l'image courante.
Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, l'étape d'élaboration du code courant de correction comporte une différence entre le code courant déterminé et le code précédent, et si la valeur 20 absolue de cette différence est inférieure à une tolérance prédéterminée et avantageusement programmable, le code courant est égal au code précédent.
Un tel mode de mise en oeuvre permet d'améliorer la qualité visuelle de l'image. En effet si les corrections calculées pour des 25 images consécutives ne varient que de quelques unités, la cause pouvant être le bruit, un parasite etc, et si l'on applique une telle correction erratique à toute l'image, on perçoit une fluctuation dans l'image ce qui peut s'avérer gênant dans certaines applications.
Le fait de ne pas appliquer une correction courante à l'image 30 courante qui soit très peu différente de la correction appliquée à l'image précédente, permet de s'affranchir de cet inconvénient.
Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, l'étape d'élaboration comporte une détermination d'une moyenne desdits mots numériques relatifs à au moins une ligne masquée de la matrice, la détermination d'un mot numérique de correction correspondant à la 5 différence entre la moyenne ainsi déterminée et ledit mot numérique de référence, et la détermination dudit code courant de correction à partir du code précédent et de ladite différence.
Ladite moyenne, ou plus généralement la valeur à retenir, peut être déterminée de différentes façons. Ainsi on pourrait choisir le 10 minimum de toutes les données de la ligne masquée.
Cela étant, selon un exemple non limitatif de mise en oeuvre, la détermination de ladite moyenne comporte - une sélection de groupes de mots parmi les mots délivrés relatifs à au moins une ligne masquée de la matrice, la 15 détermination de la moyenne des mots de chaque groupe de mots, - la sélection de la plus petite des moyennes ainsi déterminées.
L'invention propose également un capteur d'images, comprenant une matrice de pixels et des moyens de traitement des informations 20 délivrées par ladite matrice de pixels et comportant au moins un amplificateur de lecture et des moyens de conversion analogique/numérique connectés à la sortie de l'amplificateur, de façon à délivrer séquentiellement pour chaque image des mots numériques correspondant aux pixels de chaque ligne de la matrice de pixels.
Selon une caractéristique générale de l'invention, les moyens de traitement comprennent en outre des moyens de compensation du niveau de noir aptes à délivrer séquentiellement des mots numériques relatifs à au moins une ligne masquée de la matrice. Ces moyens de compensation comportent des moyens d'élaboration aptes à élaborer un code 30 numérique courant de correction à partir desdits mots numériques relatifs à au moins une ligne masquée, du code numérique précédent de correction, et d'un mot numérique de référence. Ces moyens de compensation comportent également un convertisseur numérique analogique recevant ledit code courant de correction et délivrant une composante de compensation de niveau de noir prise en compte au niveau de l'amplificateur de lecture et applicable pendant toute la durée de lecture de l'image courante.
Selon un mode de réalisation, les moyens d'élaboration du code courant de correction comportent des moyens aptes à effectuer la différence entre le code courant déterminé et le code précédent, et si la valeur absolue de cette différence est inférieure à une tolérance 10 programmable, le code courant est égal au code précédent.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens d'élaboration comportent des premiers moyens de calcul aptes à déterminer une moyenne desdits mots numériques relatifs à au moins une ligne masquée de la matrice, des deuxièmes moyens de calcul aptes 15 à déterminer un mot numérique de correction correspondant à la différence entre la moyenne ainsi déterminée et ledit mot numérique de référence, et des troisièmes moyens de calcul aptes à déterminer ledit code courant de correction à partir du code précédent et de ladite différence.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les premiers moyens de calcul comportent -des premiers moyens de sélection aptes à effectuer une sélection de groupes de mots parmi les mots délivrés relatifs à au moins une ligne masquée de la matrice, - des moyens aptes à déterminer la moyenne des mots de chaque groupe de mots, - des deuxièmes moyens de sélection aptes à effectuer la sélection de la plus petite des moyennes ainsi déterminées.
L'invention propose également un dispositif d'acquisition 30 d'images, par exemple une caméra vidéo, comportant au moins un capteur d'image tel que défini ci-avant.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un synoptique schématique d'un mode de réalisation d'un capteur d'image selon l'invention, et - les figures 2, 3 et 4 illustrent schématiquement une compensation du niveau de noir selon l'invention.
Sur la figure 1, la référence CPT désigne un capteur d'image incorporé par exemple dans une caméra vidéo CMV.
Le capteur d'image CPT comporte une matrice de pixels PXA, organisée en lignes et en colonnes.
La matrice peut être équipée de filtres colorés sur les pixels, ou bien être monochrome.
Un décodeur lignes RD permet de sélectionner les lignes de la 15 matrice tandis que, dans le mode de réalisation décrit ici, un décodeur colonne DCL permet de sélectionner les colonnes de la matrice.
Par ailleurs, de façon classique et connue en soi, une paire de condensateurs d'échantillonnage est connectée à chaque colonne de la matrice par l'intermédiaire de transistors d'échantillonnage.
Le procédé selon l'invention est indépendant de la méthode d'échantillonnage du signal délivré par chaque pixel, et est en particulier compatible avec celle décrite dans la demande de brevet français n 0305363 au nom de la Demanderesse, qui permet de réduire le bruit d'échantillonnage.
Des moyens de lecture de structure classique et connue en soi permettent une lecture des charges stockées dans les condensateurs d'échantillonnages. De tels moyens de lecture peuvent présenter une architecture permettant une lecture en tension du signal pixel, ou bien une architecture permettant un transfert physique des charges 30 contenues dans les condensateurs d'échantillonnage dans deux condensateurs de rétroaction connectés entre les entrées et les sorties d'un amplificateur de lecture différentiel. Une telle architecture est par exemple décrite dans la demande de brevet français n 0300360 au nom de la Demanderesse.
Les moyens de lecture comportent également classiquement un moyen d'amplification AMP suivi d'un moyen de conversion analogique-numérique.
Le convertisseur analogique numérique CAN délivre en sortie et séquentiellement, pour chaque ligne d'une image, les mots numériques correspondant aux informations de pixels.
Par ailleurs, un bloc numérique BLN, suivi de moyens de calcul 10 MCC destinés à déterminer un code numérique pour un convertisseur numérique analogique CNA, permettent, comme on va le voir plus en détail ci-après, d'effectuer pour chaque image courante d'index i une compensation du niveau de noir (tension de décalage (" offset ") OFSi) au niveau de l'amplificateur AMP.
Ceci permet d'exploiter au mieux la gamme d'entrée du convertisseur analogique numérique CAN en ne convertissant que la partie utile du signal, et non pas la partie d'offset de noir.
Afin de déterminer le niveau de noir, il est prévu d'utiliser au moins une ligne masquée de la matrice PXA, c'est à dire une ligne 20 dont les pixels sont recouverts d'un masque réalisé par une couche métallique. Le but de cette couche est d'empêcher le pixel considéré d'être éclairé, ce qui permet de lire l'information de signal d'obscurité.
Comme illustré sur la figure 2, après application d'un éventuel 25 changement de gain de l'amplificateur AMP, la lecture de l'image courante d'index i débute par la lecture amplifiée 20 de la ou des lignes masquées.
Après conversion 21 dans le convertisseur analogique numérique CAN, des mots numériques relatifs à cette ligne masquée de 30 la matrice vont être délivrés séquentiellement.
Le bloc numérique BLN va effectuer un certain nombre de traitements 22 sur ces mots numériques et délivrer un mot numérique de correction MCOR.
Ce mot de correction MCOR va être ensuite utilisé pour 5 calculer (étape 23) un code courant Ci, dénommé code courant de correction, qui sera délivré en entrée du convertisseur numérique analogique CNA de façon à obtenir en sortie la correction analogique de décalage OFSi, qui sera appliquée (étape 25) pendant toute la durée de lecture de l'image i, au même titre que les réglages de gain.
Comme on le verra plus en détail ci-après sur un exemple, la détermination du code courant de correction prend notamment en compte le code de correction Ci-, précédemment calculé pour l'image précédente.
Par ailleurs il est prévu une prise de décision pour déterminer 15 si le code courant de correction qui vient d'être calculé doit ou non être effectivement appliqué en entrée du convertisseur CAN.
Plus précisément, si la valeur absolue de la différence entre le code courant et le code précédent est inférieur à une tolérance EPS, avantageusement programmable, égale par exemple à quelques unités, 20 on appliquera en tant que code courant, le code précédent.
Ceci évitera une fluctuation visible sur l'image courante.
On va maintenant se référer aux figures 3 et 4 pour décrire plus en détail la fonction des moyens incorporés dans le bloc numérique BLN, et réalisés par exemple de façon logicielle, ainsi qu'un exemple 25 de calcul du code courant de correction Ci.
Sur la figure 4, la référence PNR désigne la courbe représentant le signal de noir avant correction.
Des premiers moyens de sélection vont sélectionner des groupes de mots, ici quatre groupes de mots GR1-GR4, parmi les mots 30 de sortie du convertisseur analogique numérique CAN et relatifs à la ligne masquée (étape 110, figure 3).
A titre d'exemple, chaque groupe de mots peut comporter 64 mots correspondant à 64 pixels.
Puis, des premiers moyens de calcul vont déterminer la moyenne des mots de chaque groupe de mots (étape 110, figure 3).
Des deuxièmes moyens de sélection vont sélectionner la plus petite MYj des moyennes MYi ainsi déterminées (étape 111, figure 3).
Puis, des deuxièmes moyens de calcul déterminent le mot numérique de correction MCOR (étape 112, figure 3), correspondant à la différence entre la moyenne ainsi sélectionnée MYj et un mot 10 numérique de référence CDC qui est en fait ici un code de centrage du signal de noir.
Dans l'exemple décrit ici et illustré sur la figure 10, ce code de centrage est par exemple le code du convertisseur analogique numérique égal à 50 en notation décimale.
Par ailleurs, la valeur MYj est égale à (AVn - OFSil)/LSBcan o A désigne le gain de l'amplificateur AMP, Vn le signal de noir délivré par la ligne masquée et présent en entrée de l'amplificateur AMP, et LSBcan désigne le quantum du convertisseur CAN (LSBcan = PE/2b o PE désigne la pleine échelle et b le nombre de bits des mots 20 numériques délivrés par le convertisseur CAN).
Et OFSi-l est égal à K Ci-, , o K est un coefficient caractéristique du convertisseur CNA qui dépend de la loi de correspondance entre le quantum du convertisseur CNA et celui du convertisseur CAN. A titre d'exemple on pourra adopter une 25 correspondance de 1/1. En d'autres termes on adopte K* LSBcna= LSBcan avec K=l.
De même; la valeur CDC est égale à (AVn - OFSi)/LSBcan.
Il en résulte alors que le code courant de correction Ci est égal à Ci, LSBcan(CDC-MYj)/K, c'est à dire à Ci-. - LSBcan(MCOR)/K. 30 Il convient de noter qu'en mode vidéo, et cela constitue un avantage de l'invention, il n'est pas nécessaire de connaître avec précision la loi de correspondance entre le quantum du convertisseur CNA et celui du convertisseur CAN, dans la mesure o le procédé selon l'invention met en oeuvre un processus itératif. En effet la première correction sur la première image est une correction grossière, et dès la deuxième itération (deuxième image) la correction devient très précise.
Sur la figure 4, la référence PNRC représente le profil du signal de noir après correction.
Le fait d'injecter la correction analogique OFS avant numérisation permet de mieux exploiter le convertisseur analogique 10 numérique CAN.
Claims (9)
1. Procédé de traitement des informations délivrées par une matrice de pixels d'un capteur d'images, comprenant pour chaque image 5 courante, une lecture amplifiée de l'information délivrée par chaque pixel, une conversion analogique/numérique de chaque information lue et une délivrance séquentielle des mots numériques correspondant aux pixels de chaque ligne de la matrice de pixels, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un traitement de compensation du niveau 10 de noir comportant, pour chaque image courante, - une délivrance séquentielle des mots numériques relatifs à au moins une ligne masquée de la matrice, l'élaboration d'un code numérique courant de correction à partir desdits mots numériques relatifs à au moins une ligne 15 masquée, du code numérique précédent de correction, et d'un mot numérique de référence, une application du code numérique courant de correction à un convertisseur numérique analogique (CNA) de façon à obtenir une composante de compensation de niveau de noir prise en 20 compte au niveau de la lecture amplifiée et applicable pendant toute la durée de lecture de l'image courante.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape d'élaboration du code courant de correction comporte une différence entre le code courant déterminé et le code précédent, et par le fait 25 que si la valeur absolue de cette différence est inférieure à une tolérance programmable, le code courant est égal au code précédent.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'étape d'élaboration comporte une détermination d'une moyenne desdits mots numériques relatifs à au moins une ligne masquée de la 30 matrice, la détermination (112) d'un mot numérique de correction correspondant à la différence entre la moyenne ainsi déterminée et ledit mot numérique de référence (CDC), et la détermination dudit code courant de correction à partir du code précédent et de ladite différence.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la détermination de ladite moyenne comporte - une sélection (110) de groupes de mots parmi les mots délivrés relatifs à au moins une ligne masquée de la matrice, - la détermination (110) de la moyenne (MYi) des mots de chaque groupe de mots, - la sélection (111) de la plus petite (MYj) des moyennes ainsi déterminées.
5. Capteur d'images, comprenant une matrice de pixels et des moyens de traitement des informations délivrées par ladite matrice de pixels et comportant au moins un amplificateur de lecture et des moyens de 15 conversion analogique/numérique connectés à la sortie de l'amplificateur, de façon à délivrer séquentiellement pour chaque image des mots numériques correspondant aux pixels de chaque ligne de la matrice de pixels, caractérisé par le fait que les moyens de traitement comprennent en outre des moyens de compensation du 20 niveau de noir (BLN,BCC) aptes à délivrer séquentiellement des mots numériques relatifs à au moins une ligne masquée de la matrice, et comportant des moyens d'élaboration aptes à élaborer un code numérique courant de correction à partir desdits mots numériques relatifs à au moins une ligne masquée, du code numérique précédent 25 de correction, et d'un mot numérique de référence, un convertisseur numérique analogique (CNA) recevant ledit code courant de correction et délivrant une composante de compensation de niveau de noir prise en compte au niveau de l'amplificateur de lecture et applicable pendant toute la durée de lecture de l'image courante.
6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens d'élaboration du code courant de correction comportent des moyens aptes à effectuer la différence entre le code courant déterminé et le code précédent, et par le fait que si la valeur absolue de cette différence est inférieure à une tolérance programmable, le code courant est égal au code précédent.
7. Capteur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait que les moyens d'élaboration comportent des premiers moyens de calcul 5 aptes à déterminer une moyenne desdits mots numériques relatifs à au moins une ligne masquée de la matrice, des deuxièmes moyens de calcul aptes à déterminer (112) un mot numérique de correction (MCOR) correspondant à la différence entre la moyenne ainsi déterminée et ledit mot numérique de référence (CDC), et des 10 troisièmes moyens de calcul aptes à déterminer ledit code courant de correction à partir du code précédent et de ladite différence.
8. Capteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les premiers moyens de calcul comportent - des premiers moyens de sélection aptes à effectuer une 15 sélection (110) de groupes de mots parmi les mots délivrés relatifs à au moins une ligne masquée de la matrice, - des moyens aptes à déterminer (110) la moyenne (MYi) des mots de chaque groupe de mots, - des deuxièmes moyens de sélection aptes à effectuer la 20 sélection (111) de la plus petite (MYj) des moyennes ainsi déterminées.
9. Dispositif d'acquisition d'images, par exemple une caméra vidéo, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un capteur d'image
selon l'une des revendications 5 à 8.
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