JP5520840B2 - コントラスト測定用視覚センサ及びコントラスト測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、単一チップに搭載された視覚センサ（ビジョンセンサ）に関する。より詳細には、この発明は、各ピクセルについてシーンから放たれ受光した光強度の測定値を変換しメモリにデジタル記憶する視覚センサ（観察センサとも称する。）に関する。前記測定値は、シーンにおける、隣接するピクセルに関するコントラスト値等の不変条件を計算するのに引き続き用いられる。この発明はまた前記測定値を得るための方法に関する。

このような装置は「Ｔｉｍｅ−ｔｏ−Ｖｒｅｆ」と称されるコンセプトを利用する。この「Ｔｉｍｅ−ｔｏ−Ｖｒｅｆ」は、キャパシタンス（静電容量）の光電流を積分して得られる電圧が閾値セットすなわち先験的な（ｐｒｉｏｒｉ）Ｖ_ｒｅｆに到達するのに要する時間を測定する工程からなる。これによって、非常に大きな光照度のダイナミックレンジを演算することができる。たいていの場合には、この閾値は、撮像装置全体に対するものと同じであるが、重要な１つの領域から他の領域に変化するように容易に案出されることができる。さらに、この演算は、ピクセルに接続する内部カウンタ又は外部カウンタを備えることで、ある例から他の例に変化することができる。内部カウンタは閾値に到達したときに停止し、外部カウンタはピクセルの電圧と閾値電圧との比較値をより一般的な方法でメモリに記憶する。他の実施が欧州特許出願ＥＰ１３０１０２８号に「Ｇｒａｙコードをメモリに記憶のＧｒａｙカウンタを用いた技術」として記載されている。検出器はこの比較値を受信したときに信号を発信する。画像センサに適用された「Ｔｉｍｅ−ｔｏ−Ｖｒｅｆ」技術の一例が米国特許第４１９７５６２号に見られる。この特許は、Ｋｌａｕｓ Ｄｉｅｔｒｉｃｈによるものであり、その名称は「画像記憶センサ」である。また、米国特許２００３／０１０７６６６号には、画像センサに前述の時間測定原理を利用した技術が記載されている。このようなセンサはダイナミックレンジが小さいという欠点を有している。事実、測定された照度が大きい場合に飽和状態となることを避けることを目的として、光電流の積分器の容量に合わせることが必要となる。照度が小さい間は前記センサの感度は小さいものとなる。

このようなダイナミックレンジの欠点を解決する技術が英国特許（ＧＢ）第２４３２０６５号に記載されている。この技術は、センサの出力量の対数値を提供するものである。しかし、このセンサの構成にはアナログ型の構成部品が基本的に必要とされ、そのため、このセンサは特にノイズに敏感で実際の条件下での実施には手間がかかる。

コントラストの局所的計算は、それが強度又は配向（オリエンテーション）であるかを問わずに、アナログ乗算器（マルチプレクサとも称する。）によってこれまで行われてきた（P.-F. Ruediら、「１２８×１２８ピクセル １２０ｄＢ ダイナミックレンジ ビジョンセンサ チップ フォー イメージ コントラスト アンド オリエンテーション エクストラクション」、ＩＥＥＥ ＪＳＳＣ，Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．１２，２００３年１２月）。この文献における局所的計算は、時間積分モードにおいてアナログ方式でシーンの光照度レベルから独立した精度を有する第一次近似によって行われる。このような技術は最新のものであるから興味があるが、計算はほとんど行われず、記憶容量の観点からはあまりお勧めできない。それでもやはり、センサの解像度は従来の伝統的方法におけるセンサの解像度よりも低い。さらに、実装された構成部品は本質的にアナログ式であるのでこのセンサにも前記欠点がある。

一般的な撮像装置の分野において、ダイナミック感度レンジは最も重要なパフォーマンス性能である。ダイナミック感度レンジは最強強度の輝度と最低強度の輝度との比として定義される。前記輝度は前記撮像装置によって測定と許容可能な方法での復帰とが可能になる。

この発明の第１の目的は、大きなダイナミックレジンで画像を撮影することにある。ここで、任意の光強度で照射された同一物体の反射率（又は他のパラメータ）は光強度に影響しない解像度で定量化される。

反射率は、再発光するシーンが有する成分の能力を示す数量である。

以下の明細書はコントラストを測定することに焦点が当てられているが、他の不変条件にも適用可能である。コントラストは２つのピクセル又はピクセル領域での照度比を意味し、局所コントラストは隣接する又は近接するピクセルの照度比を意味する。

より詳細には、この発明は、光検出器を有し、情景（ビジュアルシーン）を示す光線を受光する複数のピクセルの配列を備えるデジタル視覚センサに関する。このシーンの少なくとも１つの不変条件を測定するのを促進するため、感知したシーンの光照度に依存しない認識においてセンサは一定の範囲内でシーンの照度にのみ依存する値を生成する。不変条件はセンサ又は外部センサでこれらの値を減算することによって計数される。これらの値は減算される前にグループ化される。この発明に係るセンサは以下の要素を含んでいる。
・基準電圧Ｖ_ｒｅｆ発生器
・ピクセルが受光した照度に比例する電圧Ｖ_ｐを積分段階で発生する、各ピクセルに設けられた手段
・前記ピクセルの前記電圧Ｖ_ｐがすべてのピクセルに共通する電圧Ｖ_ｒｅｆに到達する瞬時を決定する、各ピクセルに設けられたコンパレータ
・各積分開始からの経過時間を測定する装置
・前記積分開始からの前記経過時間に比例して増大する二つの連続値の時間間隔（この時間間隔は変化して前記照度の対数圧縮を形成する）を有し、前記時間測定装置によって測定された前記時間を定量化する手段
・前記連続する時間値をバイナリコードにエンコードする装置
・１ピクセルにつき、ＲＡＭスタチックメモリの１ワード
・前記瞬時に存在する前記コードを前記メモリに書込む、各ピクセルに設けられた手段
・前記積分段階の終了を制御する手段
・メモリに記憶された情報を読取る手段

有利には、この発明に係るセンサは前記バイナリコード値をＧｒａｙコードにエンコードする装置をさらに備え、前記読取り手段はこれらのＧｒａｙコードを元のバイナリ値にデコードする。

さらに、この発明に係るセンサは、メモリに記憶された前記バイナリ値からコントラストを計算する手段を備えている。

従来のすべてのセンサにおける場合と同様に、各ピクセルの光照度は、このピクセルに入射したシーンの一部の照度であることが理解される。積分時間測定の対数的性質によれば照度の対数は前記積分時間を簡単に変化させることで得られる。

例えば、大きな雲が太陽の前を通過するときなどのように、シーンの一部の光照度が一様に増加又は減少すると、前記シーンの前記部分を示すピクセルで形成された領域は一定の範囲内で光照度に対して不変となる。換言すると、雲の通過によって、この領域を示すあるピクセル値を同領域のピクセルすべてに加算又は減算する。その結果、この領域のあるピクセル値から同領域の他のピクセル値を減算することで得られるコントラストは雲の通過前後において同じ値になる。ピクセル群の減算が同領域において常に考慮されることもまた事実である。ピクセル群におけるピクセル値を同じ大きさを有する他のピクセル群におけるピクセル値の和に加算し、また、このピクセル値を同じ大きさを有する他のピクセル群におけるピクセル値の和から減算することができる。得られる結果はまた光照度に対して不変である。この明細書の残部において、コントラスト値が照度に依存しないという事実に言及されるとき、又は、ピクセル値が一定の範囲内で照度にのみ依存するという事実に言及されるとき、基準は、シーンの一部に設定され、かつ画像領域に拡大されることで設定され、２ショット間で一様に変化する照度すなわちその照度は同領域内で定数因子によって乗算されると、常に理解されるべきである。最新の条件は前記照度がこの領域で一様でないと仮定され、一様となるべき変化のみである。この領域が全体として画像を表すこともまた可能になる。

この発明は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ ３１に到達するために積分コンデンサＣ_ｐ ２５の光ダイオード２２からの光電流Ｉ_ｐｈｄ ２３を積分することで得られ、ピクセル１０の電圧Ｖ_ｐ ２８によって得られる時間を測定する方法を使用する。この時間の積分は積分開始からの経過時間に比例して増大する可変期間で定量化され、その結果、さらに前記したように、照度の絶対的な対数圧縮によって、照明されたシーンの反射率のみに依存するコントラストデータの連続計算が可能になるから、コントラスト計算に使用される視覚センサとして機能する。さらに、対数圧縮によって、大きなダイナミックレンジに対して少ないビット数（６デカードに対して１０ビット）で満足できる。以下に示す他の利点が順序に関係なく言及されている。他の利点は、よりよいロバスト性、（ビット数の低減による）効果的な小型化、コントラスト計算におけるより意味のある単純さ、ピクセル照度に関する成分の組み合わせにおいての誤り効果の不変性に基づく高パフォーマンス性、及び、認識したシーンの光照度レベルに依存しない精度を持って不変条件の計算を可能にする照度の数量化等が挙げられる。シーンの光照度の不変性によって全センサのピクセル値は同じ値が加算されることに、留意すべきである。

添付の図面及び明細書の下記部分によってこの発明の他の細部がより一層明確になるであろう。

図１は、ＣＭＯＳ技術で実施可能な態様のみが図示されているが、他の技術でも同じ機能を実施可能であることは自明である。プラス入力が接地された積分器２０は、光Ｌ ２１を受光すると電流Ｉ_ｐｈｄ ２３を発生する光ダイオード２２に他方の入力が接続されている。積分器２０は、高圧力率（好ましくは１００以上の圧力率）の増幅器２４を使用している。増幅器２４のマイナス入力と出力とに接続された積分コンデンサＣ_ｐ ２５は、光ダイオードの光電流Ｉ_ｐｈｄを下記関係式（１）に従って電圧Ｖ_ｐ ２８に変換するのに使用される。

前記積分コンデンサ２５はスイッチ２６でゼロにリセットされ、このスイッチ２６自身は視覚センサの図示しないコントローラから送信されるゼロリセット信号ＲＳＴ ２７で制御されている。電圧Ｖ_ｐ ２８はすべてのマトリックスに対して通常同一の参照電圧Ｖ_ｒｅｆ ３１とコンパレータ（比較器）３０で比較される。コンパレータの出力Ｖ_ｃ ３２は、書込パルスＷＲ ４１の発生器４０に接続され、この発生器４０自身はＲＡＭスタチックメモリ５０に接続されている。この実施において、電圧Ｖ_ｃはピクセルの電圧Ｖ_ｐが参照電圧Ｖ_ｒｅｆに到達する高い状態に切替えられる。

高い状態にあるときに稼動中のパルス発生器４０の稼動状態が、パルス発生器４０と協働するＲＡＭスタチックメモリ５０の稼動状態と共に図２に示されている。例えば各ピクセルに対するＲＡＭスタチックメモリワードはｎビット、すなわち、ｎ_１〜ｎ_ｂを有している。マトリックスのすべてのピクセル列に共通のバス５１は、ビットラインと称されるｎ個のアクセスラインから成っている。参照符号５２は、ＷＲ（ワードライン）信号又はスタチックメモリ５０を読取るＲＤ（読取）信号を示している。この信号は新たに撮影する前にすべてのメモリセルをゼロにリセットするのにも使用される。このことが図３に示されている。

図２には、ＲＡＭ５０と書込パルス発生器４０との稼動状態が示されている。１つのＲＡＭビットは２つのＣＭＯＳインバータ６１及び６２を有しており、これらはそれぞれ頭部と脚部とが接続するように搭載されており、メモリセル６０へのラッチとして使用される予定である。トランジスタ６３は読取時及び書込時にセルにアクセスするトランジスタである。書込時のみにノードｍ_０をゼロに設定可能になっている。これによって、高い状態にある書込パルスがコントロールラインＷＬ ５２に適用されている間中、ビットラインｂ_ｉはゼロになる。次いで、ノードｍ_０はトランジスタ６３によってビットラインに印加される低電圧まで低下される。画像を取得した後のノードｍ_０の読取りは、コントロールラインＷＬ ５２を伝送する高い状態のパルスによって、行われる。次いで、トランジスタ６３は、インバータ６１で印加された、ビットラインｂ_ｊのノードｍ_０に電圧をかける。トランジスタ６４はピクセル１０の内部からメモリ６０に書込むトランジスタである（図１参照。）。メモリをゼロにリセットした後に、すべてのノードｍ_１は高い状態にあり、すべてのノードｍ_０は低い状態にある。したがって、メモリはゼロのままである。ピクセルによって書込パルスＷＲ ４１が発生すると、トランジスタ６４を動作させることは、条件付きでメモリのビットラインに出現した状態に依存する低い状態にノードｍ_１を低下させる。このビットラインが低い状態にあると、トランジスタ６５は、ブロックされ（すなわち非動作状態にある）、ノードｍ_１は高い状態（メモリのゼロ状態）を維持する。このトランジスタ６５は、ビットラインに出現したデータによって制御され、メモリ６０に書込むトランジスタである。一方、ビットラインが高い状態にあると、パルスＷＲ ４１の発振中にトランジスタ６４と６５とが同時に動作することによって、メモリに「１」を書込むことに相当する低い状態にノードｍ_１が低下する。メモリ６０に書込むためのトランジスタ６５はビットラインに出現したデータによって実際に制御される。

メモリ５０に書込むためのパルスＷＲ ４１を発生する発生器４０は、メモリ４３と、理論ＡＮＤゲート４２とからなっている。メモリセル４３は、画像を感知する前であって、通常メモリワード５０と同時にゼロにセットされる。この状態において、信号ｍ_１ｐ ４５とＡＮＤゲート４２の出力で表される内部ノードｍ_１は、コンパレータ３０の出力Ｖ_ｃ ３２に接続された前記ゲートの入力として同じ状態に想定される。画像をすべて感知する初期及び間中にわたって、ビットラインｂ_ｐ ４４は高い状態に保たれて、トランジスタ４６が動作するようになっている。コンパレータ３０の出力Ｖ_ｃ ３２が高い状態すなわちＶｐ ２８がＶ_ｒｅｆ ３１に到達した状態に切替わると、信号ＷＲ ４１はトランジスタ４７が動作する高い状態に切替わり、次いで、信号ｍ_１ｐが低い状態に切替わってＡＮＤゲート４２をブロックすることでパルスＷＲ ４１の発振が終了する。

ＷＲ ４１パルス発振の継続は、２つのインバータ６１及び６２の切替え率に依存すると共に、ＡＮＤゲート４２の転送遅延に依存する。このパルス発振がメモリワード５０のすべてのセルを切替えるのに十分なほど継続するように、トランジスタ４６の長さはメモリワード５０のセルにおけるトランジスタ６５よりも長くなっており、その結果、セル４３の切換時間は最悪の場合における他のセルよりも短くなっている。前述したように、メモリ５０の書込みパルスは高い状態で機能する。メモリセル４３は、メモリ５０の書込みパルスＷＲ ４１を発生するのに使用される。ビットラインｂ_ｐ ４４はメモリセル４３に結合している。メモリ４３からの信号ｍ_１ｐ ４５は前述したように書込みパルスの発生に使用される。ビットラインｂ_ｐ ４４に存在するデータによって制御されたトランジスタ４６はメモリワード５０のセルにおけるトランジスタ６５よりも長くなっている。

図３は、全体に相当するものであるが画像を取得するための簡単な回路であるタイムダイアグラム７０を示している。

参照符号ＣＫ ７１はシステムのクロックを示している。このシステムのクロックは、図５に説明するように、露光時間７５の開始及び積分開始からの経過した時間と共に２つの連続するパルスを分離する時間が変化するので、指数時間を持ったクロックといわれている。

画像を取得する前に、信号ＷＬ ５２のパルス７２はパルス発生器４０に結合したセル４３と共にメモリワード５０のセルを含むＲＡＭのセルすべてをゼロにリセットする。信号ＷＬ ５２のパルスはすべてのセル及び予め低い状態に保たれているすべてのビットラインにゼロを書込む。参照符号７３はすべてのメモリセルをゼロにリセットしたときの効果を示している。図示しないノードｍ_０は低い状態に引き下げられ、ノードｍ_１は高い状態に引き上げられる。

参照符号７４はピクセルをゼロにリセットするスイッチ（ＲＳＴ）の開始を示し、これは積分コンデンサＣ_ｐ ２５からの光電流２３の積分開始を記憶する。

積分期間及び指数時間をもつクロックの発生が同時に開始される。参照符号７６において、ビットラインｂ_ｐが高い状態に切替わり、コンパレータ３０の切替え中にメモリセル４３に書込みを可能にする。

参照符号７７は、指数時間をもつクロックによって定義され異なる瞬時（瞬間ともいう。）を意味する。ピクセルの電圧Ｖ_ｐ ２８が参照電圧Ｖ_ｒｅｆに瞬時７８で到達する。参照符号７９において、コンパレータ３０の出力Ｖ_ｃ ３２は高い状態に切替わってイベント７８に続き、ピクセル１０の内部にある書込み信号ＷＲ ４１が高い状態に切替えられる。参照符号８０において、高い状態がメモリビットに書込まれ、ビットラインが高い状態になる。他のビットは低い状態のままである。参照符号８１において、高い状態のビットｐを書込むと、ノードｍ_１ｐを低い状態に引き下げ、これによって、ＡＮＤゲート４２のブロックに続いて書込みパルスＷＲ ４１が終了する効果が得られる。

参照符号８２は図５に示される積分段階の終了に相当する。

参照符号８３は、ビットライン５１及び４４が読取りモードすなわち高インピーダンスＨｉＺ状態に設定される、メモリの読取り段階の開始を示している。増幅器の読取り実行及びメモリセル６０の寸法記入によって、ビットライン５１及び４４は高い状態に予めロードされる。参照符号８４において、書込みパルスはマトリックスのワードライン(信号ＷＬ ５２)の１つに適用される。セル６０のトランジスタ６３は、セルのノードｍ_０における電圧に基づいて対応するビットラインを高い状態又は低い状態に引き上げ又は引き下げる。このビットラインの読取りは読取／書込ブロック１４０（図４参照）によって実行され、このブロックは読取増幅器を含み、回路がピクセルマトリックス１０１のラインの全体又は（重要な領域の）一部のために再度起動する。参照符号８５はマトリックスの読取期間の終了を示している。参照符号８６において、ビットライン５１及び４４は、増幅器２０並びにピクセル１０のメモリセル６０及び４３のゼロリセット期間を見込んで、低い状態にある。

参照符号８７において、ピクセル１０の積分器２０はゼロにリセットされる。この作業に続いて、出力Ｖ_ｐ ２８及び積分器２０の出力ｖ_ｃ ３２は参照符号８８において低い状態に切替わる。

参照符号８９において、メモリセル６０及び４３をゼロにリセットする書込パルスはライン選択信号ＷＬ ５２によって発生する。この信号が、ビットライン５１及び４１が低インピーダンスで低い状態に保持されると同時に高い状態になると、メモリセル６３及び４３のノードｍ_０はゼロに相当する低い状態に引き下げられる。このようにしてメモリをゼロにリセットすることは、ビットライン５１及び４４がアクティブなバッファはメモリセルのすべての列を切替え可能とするために合理的な寸法に合わせることができないので、ラインごとに連続して実行されることに、注意すべきである。

図４は、コントラストを測定するための視覚センサ１００のブロック図である。ここに記載のシステムは好ましい態様であるが、この発明の範囲を逸脱することなく代替可能である。マトリックス１０１はＮ行及びＭ列に配列されたピクセルを含んでいる。ブロック１１０は回路の完全な制御を保証する。このブロックは、外部にマイクロコントローラ等のインターフェースサーキット１１１を有し、メモリ１４０から読取り、書込むための制御信号１１２、ピクセル行１６０を読取るための抵抗器及びコントラストを計算するためのブロック１７０を制御する。最後に、前記ブロックは指数期間を持つクロックを生成させるための制御信号１１３を発生する。信号ＲＳＴ＿ＧＥＮは指数期間発生器１２０をゼロにリセットするための信号である。ＣＫは一定の周波数クロックであり、ＲＳＴ＿ＣＮＴはピクセルの出力を相似状態でサンプリングするためのタイムカウンタ１２２をゼロにリセットするための信号である。発生器１２０のクロック１２１はタイムカウンタ１２２を増大させるのに使用される。カウンタ１２２によって伝送されるｎビットバイナリコード１２３は１２４内でただ１つのビットを所定の瞬時に変化させるコードであるＧｒａｙコード１２５に変換される。この変換の実行は、無効なトランジションを回避するためにカウンタ１２２の更新と同期して行われるべきである。この変換の実行はこの可能性だけではない。このようにコードを変換すると、メモリへの書込みを単純化でき、従ってピクセル内に設けるトランジスタ数を減らすことができるので、好ましい。実際には、Ｇｒａｙコードを用いないと、メモリへの書込みは、ピクセル内に追加手段を必要とするコードの変換中には回避されるべきである。アナログ−デジタル変換器等でこのコードを使用すると従来のよく確立された状態になる。ｎビットＧｒａyコード１２５は、読取／書込制御ブロック１４０を介して、マトリックス１０１に配列されたピクセルのＭ列のビットライン５１に分配される。アナログ／デジタル変換器１３０は基準電圧Ｖ_ｒｅｆを発生する。制御ブロック１１０からのデジタルコード１３１によってこの基準電圧は各ピクセル１０において積分時間のグローバル測定を可能にする。ビットライン５１のＧｒａｙコード１２５はピクセルのＲＡＭメモリワード５０に記憶される時期はピクセルの電圧Ｖ_ｐが基準電圧に到達したときである。

読取モードにおいて、Ｇｒａｙコードはデータバス１４１で示されるマトリックス１０１のＭ列のビットライン５１に同時に出現する。読取モードにおいて、ラインデコーディングブロック１５０で選択されたピクセルの第ｋ行のデータは、データバス１４１に出現し読取られ、ブロック１４０でバイナリコードに変換され、そして、読取レジスタ１６０に転送される。バス１４２はバス１４１と同サイズで一方向性のバスであり、データを読取／書込ブロック１４０から読取レジスタ１６０に転送する。ブロック制御信号１４０及び回路の制御ブロック１１０からのステミングによって参照符号１４３が伝送される。ラインアドレスデコーダ１５０はライン選択バス１５２を介してマトリックス１０１のラインアドレス１５１を送る。バッファレジスタ１６０は例えば読取られる３つの最新ラインを有し、コントラスト計算回路１７０における３×３のピクセル領域の計算が可能になる。参照符号１６１はコントラスト計算回路１７０にこれらの領域を転送するためのバスである。この計算結果の出力１７１は最終的に回路１１０の制御ブロックに転送される。なお、コントラストを計算する方法は後述する。

図５は、２００として、「ピクセル１」及び「ピクセル２」で表された２つのピクセルにおける電圧Ｖ_ｐの経時的な変化を示している。Ｌ_Ａ及びＬ_Ｂは１つ又はそれ以上の物体を照らす照度を示し、Ｒ_１及びＲ_２は、ピクセル１及び２それぞれで測定された、この物体又はこれらの物体の２点における反射率である。

物体の反射率はその物体に反射される光強度に比例する。反射率は波長に依存するが光強度には依存しない。したがって、同じ物体が２つの異なる光強度例えばＬ_Ａ＞Ｌ_Ｂで照射された場合に、光電流の積分時間の測定によってこの物体に反射された光強度を測定すると、光強度に反比例する積分時間が得られる。照度Ｌ_ｘにあるピクセルｎの場合には次の関係式（２）で表される。

Ｋ_ｐはピクセルの構造、特にフォトダイオードの量子収率及び積分コンデンサＣｐ、さらには使用する光学系にも依存する比例係数である。

図５において、

参照符号２０２は照度Ｌ_Ａにあるピクセル１及び２の積分曲線を示し、積分時間はそれぞれｔ_１Ａ及びｔ_２Ａである。

参照符号２１２は照度Ｌ_Ｂにあるピクセル１及び２の積分曲線を示し、積分時間はそれぞれｔ_１Ｂ及びｔ_２Ｂである。

前記関係式（２）によると、積分時間ｔ_１Ａ及びｔ_２Ａは積分時間ｔ_１Ａ及びｔ_２Ａでの比率Ｌ_Ｂ／Ｌ_Ａである。幾何学的観点からすると相似形である。その反射率すなわちそれに特徴的な光照度に関係のない量に基づいて強度が物体の画像を光照度に関係のない数量化精度で定量化できる場合には、数量化工程Ｑ_ｉは相似形の比Ｌ_Ｂ／Ｌ_Ａに適合されるべきである。

参照符号２０３は光照度がＬ_Ａである場合に積分時間を測定するのに選択された数量化工程Ｑ_Ａに対応する。参照符号２１３は光照度がＬ_Ｂである場合に光照度がＬ_Ａである場合と同じ数量化精度で積分時間を測定するのに選択された数量化工程Ｑ_Ｂに対応し、このときの数量化精度は次の関係式（３）で表される。

数量化工程を定義するために、サンプリング瞬時ｔ_ｉをセットしたクロックが発生する。前記関係式（３）を満たすためには次の関係式（４）を満たす必要がある。

この逐次代入法は次の関係式（５）の指数関数として定義される。

このようなクロックにおいて、経過時間に比例する数量化工程が実際に得られ、その値は次の関係式（６）で表される。

前記瞬時ｔ_ｉは、クロックの新たなインデックス期間ｉが定義される絶対的な（実際の）時間の瞬時であり、その増分値は次の関係式（７）で表される経過時間の指数関数である。

ｉ値は、クロックの連続時間を定義する整数である。

前記の関係式（２）で示された光照度Ｌ_Ｘでのピクセルｎの場合には次の関係式（８）で示される。

時間ｔ_ｎＸは任意であるので、関係式（８）の結果は現実的であり、その整数値は時間サンプリングによって実施される数量化を考慮するために採用される。

それぞれのタイムデカード（ｄｅｃａｄｅ）は、１０回以上の時間を必要とし、シーンの最も暗い領域に存在し、閾値Ｖ_ｒｅｆ０に交差していないピクセルを最大に変換する間に積分時間を限定する手段を実行するのに望ましい。この目的のため、後述する方法で基準電圧Ｖ_ｒｅｆ ３１を低下させることで光照度デカードを即座に変換することも可能である。

図５において、曲線２２０は、十分な光を受光していない（暗い）ピクセルの積分曲線である。参照符号２２１は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆが、Ｖ_ｒｅｆ０の十分の一の値になり、かつ積分時間の終了を規定する時間ｔ_ｅｎｄに至るまで基準電圧が低下する時間ｔ_ｒａｍｐで定義される積分時間の終了を示している。この終了は故意にデカードに限定されていた。終了の後には残りすべてのピクセルが絶対的な黒部に対応する最終値と仮定される。参照符号２２２は後述する関係式による基準電圧Ｖ_ｒｅｆ ３１の減少曲線を示す。参照符号２２３は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ ３１が減少２２２しているときに生じるイベントのサンプリング時間のための、減少期間２２１の間における（終了のための）一定の数量化工程Ｑ_ｉに相当する。最後に、参照符号２２４は、暗いピクセルの積分電圧２２０と基準電圧Ｖ_ｒｅｆ ３１の減少曲線２２２とが偶然に一致した瞬時ｔ_３を示している。

減少曲線２２２の始点に対応する瞬時ｔ_ｒａｍｐにおいて、指数時間カウンタはｉ値＝ｉｒａｍｐを有している。このカウンタは基準電圧Ｖ_ｒｅｆが減少する間に一定の周波数クロックを増大させ、それまでの処理で得られた結果と同一のサンプリングを実行する。

ｔｅｎｄ−ｔｒａｍｐに等しい終了期間２２１の時間が指数クロックの最終期間に比較して無視してよい場合には、基準電圧Ｖ_ｒｅｆ ３１の減少曲線２２２は単純に次の関係式（９）で表される。

ｉ＝ｉｒａｍｐのとき、Ｖ_ｒｅｆ＝Ｖ_ｒｅｆ０である。ｉ−ｉ_ｒａｍｐ＝Ｋ_α、すなわち、デカードの数量化工程数と等しいとき、Ｖ_ｒｅｆ＝１０^−１×Ｖ_ｒｅｆ０＝０．１・Ｖ_ｒｅｆ０である。次に、ｔ_ｅｎｄが到来すると、Ｖ_ｒｅｆは突然ゼロになり、その結果、絶対黒に対応する最新のｉ値に割り当てられた残りのすべてのピクセルを切替える。

コントラストを計算する方法を説明する。中心ピクセルＣと、Ｇ、Ｄ、Ｈ及びＢで示される、その左、右、上及び下に隣接するピクセルを想像する。左のピクセル及び右のピクセルによるサンプリング値の差分と、上のピクセル及び下のピクセルによるサンプリング値の差分とを求めると、これらの値は、前記関係式（８）から下記関係式（１０）及び（１１）で表す結果となる。

これらの関係式におけるＣ_ｘ及びＣ_ｙは反射率の対数比に相当し、光照度レベルに依存しないコントラストの測定値である。したがって、コントラストのこれらの成分は、２つの数値の減算法で簡単に得られる。これら差分の計算は各列又はマトリックスの下部に設置した減算器を稼働することで並行して実施できる。図４に記載された態様では、読取バッファレジスタ１６０から連続して読取った３×３のピクセル領域で作動するコントラスト計算回路１７０を使用している。

コントラスト成分Ｃ_ｘ及びＣ_Ｙの数値は、図６に示されるように、記数法が標準化された次の関係式（１２）で示されるコントラスト測定におけるより一般的なＣＭＩＣＨＥＬＳＯＮ定義と比較されている。

図６に示されるように、２つの反射率の対数サンプリングを減算するコントラストの計算は、前記関係式（１２）で定義された従来のコントラスト測定の結果から質的に異なるものではなかった。

図６において、図中の「曲線」はＣ_ｘ又はＣ_Ｙの曲線を示すこと、及び、図中の「マイケルソンコントラスト」と表記した曲線は「ログコントラスト」と表記した曲線と比較するため再標準化されていることに、注意すべきである。

実用的観点からすると、一定の周波数クロックから対数時間クロックを得るための最も簡単な方法は、メモリ内に格納され、セット周波数クロックに関連付けて測定された瞬時すべてを含むテーブルを使用することである。この瞬時は、対数クロックが増大され、次いで、デジタルコンパレータによってパルスが発生される瞬間である。

この発明の範囲内において提案した好ましい態様は、前記関係式（４）によって、対数クロックカウンタが増大する次の瞬時を計算するステートマシーンに基づいている。テーブルはステートマシーンに代替可能である。

このようなカウンタを用いて実施すると、離散時間すなわちα_ｔｉで実行され、使用されたクロック信号の期間を倍数する。係数αによる実施を促進するため、係数αは２の累乗すなわち次の関係式（１３）を満たすのが好ましい。

クロック数を計数するとき、アルゴリズム（演算方法）は下記の関係式（１４）になる。この関係式（１４）において「ｉｎｔ」は関係式（１４）の整数部分である。

第１のクロック計数時においてはα＝１に対応する期間を加算することのみが可能になる。第２のクロック計数時においては、期間の比率で示したリゾルーションが２^−ｐよりも小さくなるまで、加算された期間はすでに経過した時間の５０％すなわちα＝０．５等に対応する。したがって、第１の２^Ｐ＋１クロック計数の間中、セット周波数計数器が存在し、徐々に対数値に近づいていく。

以下に示す定量的な形態は従来技術の現状に関して現実的である。クロック周波数はｆ_ｃｋ＝１００ＭＨｚであり、α＝１．５６％における相対的な時間増分に対応するパラメータはｐ＝６である。

図７において、α値は時間との関係で示されている。変数Ｔ_ｌｏｇは、前記計数器が積分の開始時（時間ｔ＝０）にゼロにリセットされるときに、前記関係式（８）で与えられる指数ｉに対応する対数計数器の値として示されている。デカード（１０進）ごとのリゾルーションは（１＋α）^ｋ＝１０等の反復数ｋ、すなわち、下記の関係式（１５）によって得られる。

この態様の場合には、これによって、係数器が実際に対数的になった瞬時から、デカードごとの１４９の数量化工程におけるリゾルーションが得られる。

強度がクロックの対数部分をコードするのみである場合には、この領域の開始時にゼロに計数することが開始され、ピクセルのメモリワード５０の全容量を使用することができる。デカードごとの１４９の数量化工程を定義する一例としてのα値を有しているとき、６．８デカードはたった１０ビットのワードを含むことになる。

物理的態様においてみると、回路の表面領域については、ステートマシーンによる対数クロックを生成させることは、メモリ内にプログラムされたテーブルを用いることに比べると、より有利である。前記関係式（１４）のアルゴリズムを実施すると共に前述の値を使用するステートマシーンが図８に示されている。

ステートマシーン３００は対数時間クロックを発生させるのに使用される。このステートマシーンは、図４に示されるように、ブロック１２０及び１２２を実行する。このステートマシーンは以下のようになっている。
・信号ＲＳＴ＿ＣＮＴ３０１は対数時間計数器をゼロにリセットする信号である。ゼロにリセットするこの信号は、積分が開始された後に、クロックが実際に対数になったとき等の任意の瞬時においてサンプリングを開始するためにステートマシーンをゼロにリセットする信号ＲＳＴ＿ＧＥＮ ３０３とは異なる。
・参照符号３０２はステートマシーン３００にパルスを送り込むための一定の周波数ｆ_ｃｋを持つクロックＣＫを示している。
・参照符号３０３は、ステートマシーン３００をゼロにリセットする信号ＲＳＴ＿ＧＥＮである。この信号はピクセルの信号ＲＳＴ ２７と同じ瞬時７４（図３参照。）に送信される。この送信は、光電流２３の積分開始時と共に前記関係式（１４）のアルゴリズムのための始点として、定義される。
・参照符号１１３は、図４に示される信号３０１、３０２及び３０３を全体的に表している。
・参照符号３０４は、線形積分時間を計数するためにゼロにリセットする２７ビット増分計数器である。この計数器はクロックパルスＣＫ ３０２それぞれに対して増加する。
・参照符号３０５は、計数器３０４の２７出力ビットをコンパレータ３１６及び加算器３１０の入力Ｔ（時間）に送信するデータバスを示している。
・参照符号３０６は、計数器３０４の出力のうち重要な重みを有する２１（２７−６）ビットを加算器３１０のＤＴ（デルタタイム）入力に送信するデータバスを示している。重要な重みを有するこれらの２１ビットはｐ＝６であるときの前記関係式（１３）の「（Ｔｉ／２^ｐ）の項」に対応する。
・参照符号３０７は、データバス３０６のデータに対応する２１の入力を備えたＮＯＲゲートを示している。このゲートの出力ＩＮＣ１ ３０８は、計数器３０４の出力のうち重要な重みを有する２１ビットがいまだ低い状態にある限りは、高い状態にある。
・参照符号３０８は、ＮＯＲゲート３０７の出力ＩＮＣ１である。この変数は前記関係式（１３）の最大値である「１」に対応する。この信号は加算器３１０の入力ＩＮＣ及びＯＲゲート３１８の入力の１つに転送される。
・参照符号３１０は、対数カウンタの次の瞬時である将来瞬時Ｔ_ｉ＋１を不変的に計数する、３つの入力を備えた加算器を示している。入力Ｔは前記関係式（１３）の項Ｔ_ｉに対応する。２つの入力ＤＴ及びＩＮＣは、ＤＴがゼロよりも大きくなるとすぐにＮＯＲゲート３０７の出力ＩＮＣ１ ３０８が低い状態すなわちゼロに切替わるので、前記関係式（１３）の最大値に対応する。
・参照符号３１１は、対数カウンタの次の瞬時である将来瞬時Ｔ_ｉ＋１に対応する加算器３１０の出力を示している。
・参照符号３１２は、瞬時Ｔ_ｉで出現するパルスＩＮＣ２ １２１の瞬時において次の将来瞬時Ｔ_ｉ＋１をレジスタ３１４に転送するのに使用される、２つの２７ビット入力を備えた乗算器（マルチプレクサ）を示している。
・参照符号３１３は、マルチプレクサ３１２の出力を示している。この出力は、次の将来瞬時Ｔ_ｉ＋１をメモリに記憶するのに使用されるレジスタ３１４の入力に接続され、デジタルコンパレータ３１６の入力ＩＮＢに接続されている。
・参照符号３１５は、レジスタ３１４の出力を示している。この出力は、マルチプレクサ３１２の入力「０」に接続され、かつ、入力ＩＮＡに適用される現時間と入力ＩＮＢに適用される、対数計数器の次の瞬時である将来瞬時Ｔ_ｉ＋１との同等性を検出可能なデジタルコンパレータ３１６の入力ＩＮＢに接続されている。
・参照符号３１７は、入力ＩＮＡ及び入力ＩＮＢが等しい時に高い状態になる、デジタルコンパレータ３１６の出力を示している。
・参照符号３１８は、対数時間クロック信号ＩＮＣ２ １２１を発生させるために信号ＩＮＣ１ ３０８とデジタルコンパレータ３１６の出力Ａ＝Ｂとを結合させるＯＲゲートを示している。
・最後に、参照符号１２１〜１２３は図４の説明で既に述べている。

図９は、この発明に係るコントラストの測定方法における必須段階が示されたダイアグラム４００である。

段階４１０において、マトリックスにおける各ピクセルの電圧はゼロレベル又は黒レベルを意味するゼロにリセットされる。段階４２０において、各ピクセルにおいて光検出器への入射光で直線的に変化する電圧を積分する。段階４３０において、積分電圧が基準電圧に到達すると比較信号が発信される。

並行して、段階４１１において、計数器はゼロレベル又は黒レベルを意味する値にセットされる。段階４２１において、クロック信号が生成され、その期間は積分開始からの経過時間に比例する。段階４３１において、Ｇｒａｙコードが計数器のデジタル出力から提供される。

各ピクセルにおいて、段階４４０において、Ｇｒａｙコードが比較信号に基づいてメモリワードに記憶される。次いで、段階４５０において、一定レベルまで基準電圧が低下されることによって、また、適した一定（ベース周波数又はそれよりも小さい）の周波数でサンプリングされることによって、積分プロセスが終了し、この終了段階と同時に最新の照度デカードを変換する変換時間が短くなる。段階４６０において、マトリックスにおけるメモリの読取はＧｒａｙコードをバイナリコードに変換するのと同時に行われ、この操作がラインごとに実施される。段階４７０において、デジタルコードは光検出器に入射する入射光の対数値に比例する（関係式（７）及び（８）参照。）。最後に、段階４８０において、コントラストのＸ成分及びＹ成分が、左ピクセルと右ピクセルとの簡単な減算及び上ピクセルと下ピクセルとの簡単な減算それぞれによって、計算される。

シーンの２つの物体におけるコントラストを計算するために、その画像は１つ以上のピクセルをおいて配置される。これによって、第１の物体を表す画像領域の和（又は平均値）を求めて、それを第２の物体が配置された画像領域の和から減算することができる。この減算を実行するための同数のピクセルを含む領域を採用することに注意すべきである。この方法によれば、異なる空間スケールでコントラストを簡単に計算できる。

以上のように、この発明を特定の利用すなわちシーンのコントラスト計算の範囲内で説明したが、この発明の目的の範囲内においてその修正又は代替が可能であることは明らかである。

図１は、ピクセルのブロック図である。 図２は、ＲＡＭ及び書込みパルスの発生器の実施を示す図である。 図３は、画像を取得するためのタイムダイアグラムである。 図４は、ブロック図である。 図５は、相似サンプリングの原理を示す図である。 図６は、この発明の結果とコントラストを測定する所謂「マイケルソン」法との比較結果を示す図である。 図７は、対数時間を持つ典型的なクロックを示す図である。 図８は、対数時間を持つクロックの実施を示す図である。 図９は、この発明の操作プロセスを示す図である。

Claims (7)

1. 光検出器を有し、ビジュアルシーンを表現する光線を受光するピクセル（１０）の配列を備え、
   ・基準電圧Ｖ_ｒｅｆ発生器、
   ・前記ピクセルの光ダイオード（２２）からの光電流Ｉ _ｐｈｄ （２３）をコンデンサＣ _ｐ （２５）で積分して得られる、前記ピクセルが受光した照度に応じた電圧Ｖ_ｐを積分段階で発生する、前記各ピクセルに設けられた手段（２０）
   ・前記ピクセルの前記電圧Ｖ_ｐがすべての前記ピクセルに共通する前記基準電圧Ｖ_ｒｅｆに到達する瞬時を決定する、前記各ピクセルに設けられたコンパレータ（３０）、
   ・クロック（１２１）を発生するクロック発生器（１２０）、
   ・前記積分段階の開始から経過した前記クロック（１２１）の期間を計数し、その結果をバイナリコード（１２３）として送信する装置（１２２）、
   ・１つのピクセルに対するＲＡＭスタチックメモリワード（５０）、
   ・前記瞬時に存在する前記バイナリコード（１２３）をメモリに書込む、各ピクセルに設けられた手段（４０）、
   ・前記積分段階の終了（２２１）を制御する手段（１１０、１３０）、
   ・前記メモリに記憶された情報を読取る手段（１４０、１５０、１６０）、及び
   ・メモリに記憶されたバイナリ値からコントラストを計算する手段（１７０）
   を含むデジタル視覚センサであって、
   前記クロック（１２１）の期間は前記積分の開始から経過した時間に比例して増大し、前記ピクセルをゼロにリセットする前に積分（２２１）を終了する段階は、前記基準電圧Ｖ _ｒｅｆ が以下の関係式
   

   

   を満足する間に一定の周波数クロックで実行されることを特徴とする視覚センサ。
2. 前記バイナリコード（１２３）をＧｒａｙコードにエンコードする装置（１２４）をさらに含み、前記読取り手段（１６０）は前記Ｇｒａｙコードを元のバイナリ値にデコードすることを特徴とする請求項１に記載の視覚センサ。
3. 前記コントラストは、左右及び上下に隣接する前記ピクセルにおける記憶されたバイナリ値それぞれの減算によって計算されたＸ成分及びＹ成分を有していることを特徴とする請求項１に記載の視覚センサ。
4. 前記コントラストの前記両成分は、２つの対角線上にそれぞれ隣接配置された前記ピクセルの記憶されたバイナリ値それぞれの減算によって計算されることを特徴とする請求項３に記載の視覚センサ。
5. 光検出器を有するピクセル（１０）の配列を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の視覚センサを用いてシーンに特徴的でこのシーンの光照度に依存しない局所コントラストを測定する方法であって、
   ・各ピクセルの前記光検出器からの電流を積分して得られる電圧Ｖｐがすべての前記ピクセルに共通する基準電圧Ｖ _ｒｅｆ に到達するのに要する時間を決定する工程、
   ・二つの連続する時間値の間の時間間隔が前記積分開始からの経過時間に比例するクロック信号を発生すると共に、前記クロック信号で前記時間を計数し、前記積分開始からの前記経過時間の対数値に比例するこの計数からバイナリコードを得る工程、
   ・前記時間値を示すバイナリデジタルコードからＧｒａｙコードを得る工程、
   ・ピクセルの電圧が参照電圧に達したときに、前記Ｇｒａｙコードをピクセルのスタチックメモリワードに記憶し、
   ・前記ピクセルのメモリを読取って、前記スタチックメモリワードに記憶された前記Ｇｒａｙコードをバイナリデジタル量に変換する工程、
   ・前記シーンの前記局所コントラストのＸ成分及びＹ成分を計算する工程、及び
   ・前記ピクセルをゼロにリセットする前に前記積分を終了する段階は、前記基準電圧Ｖ _ｒｅｆ が以下の関係式
   

   

   を満足する間に一定の周波数クロックで実行する工程
   を有することを特徴とする方法。
6. 前記コントラストの前記Ｘ成分及びＹ成分は、左右及び上下に隣接する前記ピクセルにおけるバイナリコードそれぞれの差分によって算出されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記コントラストの前記両成分は、２つの対角線上にそれぞれ隣接配置された前記ピクセルのバイナリコードそれぞれの差分によって算出されることを特徴とする請求項５に記載の方法。

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