JP7102551B2 - 撮像システムおよび作動方法 - Google Patents
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Description
図2は、本発明の第1の実施形態に係る撮像システムの構成例を示すブロック図である。
撮像システム1は、カメラユニット2と情報処理ユニット3とが有線または無線を用いて双方向に通信可能な撮像システムである。
撮像システム1において、カメラユニット2は、下りパケットの送信を実行し、上りパケットの受信を実行するパッドP1とパッドM1(第一送受信パッド)とを有している。情報処理ユニット3は、上りパケットの送信を実行し、下りパケットの受信を実行するパッドP2とパッドM2(第二送受信パッド)とを有している。パッドP1とパッドP2の間、及びパッドM1とパッドM2間は、それぞれ信号伝送線(ケーブルCABLEPとケーブルCABLEM)で接続されており、下りパケットおよび上りパケットの送受信が、第一送受信パッドおよび第二送受信パッドを使って実行される。
<カメラユニット2の構成について>
図2に示すカメラユニット2は、イメージャ201と、下り信号処理部202と、出力ドライバ203(差動信号送信部Tx1で示す。以下、出力ドライバTx1と呼ぶ。)と、レシーバ204(差動信号受信部Rx2で示す。以下、レシーバRx2と呼ぶ。)と、イメージャクロック生成部206と、タイミングジェネレータ207(図2において、TGで示している)とで構成されている。
PIX部201aは、複数個のピクセルPからなる。すなわち、図2において、光電変換素子を含む単位画素(以下、単に「ピクセル」と記す)Pは、行列状(マトリックス状)に2次元配置されることにより複数の画素アレーからなるPIX部201aを構成している。
また、信号処理回路201bは、PIX部201aのピクセルPを列毎に並列処理するA-D(アナログ-デジタル)変換回路により、ピクセルPから出力されるアナログ信号を、画素の固定パターンノイズを抑圧しながらデジタル信号に変換して出力する、いわゆるカラムADC(Analog Digital Converter)方式のものである。この信号処理回路201bが生成、出力するデジタル信号を、図2においては撮像データと表している。撮像データは、ピクセルPのデジタル信号(ピクセルデータ)を含む撮像データとして表される。また、撮像データには、所定の一部データが送信暗号鍵(以下、送信鍵と呼ぶ。)として含まれている。
照合回路202aは、撮像データ内の所定の一部データである送信鍵と、後述する情報処理ユニット3が送信鍵に基づいて生成した受信暗号鍵(以下、受信鍵と呼ぶ)とを照合する。照合回路202aは、送信鍵と受信鍵が所定条件を満たすという照合結果が得られた場合に、受信鍵とともに受信したレジスタ設定信号(イメージャ201の撮像条件を示す設定信号)を、イメージャクロック生成部206(以下IMG_CLKと呼ぶ)におけるレジスタ部206bに書き込む。
パケット合成部202bは、送信鍵を含んだ撮像データに、イメージャクロック生成部IMG_CLKにおける電圧制御発振器206dが生成するイメージャクロックIMCLKを重畳した信号を下りパケットとして生成する。
図3は、図2に記載されたイメージャクロック生成部IMG_CLKの構成を示す図である。また、図4は、図2に記載されたイメージャクロック生成部IMG_CLKの主要ノードの論理状態を示すためのタイミングチャートである。
イメージャクロック生成部IMG_CLKは、クロックデータリカバリ部206aと、レジスタ部206bと、デジタル-アナログ変換器206cと、電圧制御発振器206d(以下、電圧制御発振器VCO_IMCLKと呼ぶ)より構成されている。
なお、図3においてクロックデータリカバリ部206aは、CDRで示す。以下、クロックデータリカバリ部CDRと呼ぶ。また、レジスタ部206bは、図3においてレジスタ部REGで示す。以下、レジスタ部REGと呼ぶ。また、デジタル-アナログ変換器206cは、図3においてDACで示す。以下、デジタル-アナログ変換器DACと呼ぶ。
デジタル-アナログ変換器DACは、入力されたレジスタ値REG_VAL(デジタル信号)に応じた制御電圧VCTRL(アナログ信号)を出力する。
レジスタ部REGには、クロックデータリカバリ部CDRから入力されたCDRクロックCDRCLKに同期して入力されるレジスタデータRE_DATAが入力され、レジスタデータRE_DATAの値がレジスタ部REGに保持される。
クロックデータリカバリ部CDRは、受信データSYSDATAと、CDRクロックCDRCLKの立ち下がりクロックの位相が同じとなるという目的で位相調整を実行する(図4において、時刻t2、t6の線を参照)。
レジスタ部REGに保持されたデータは、カメラユニット2内部の動作モード等の設定に用いられる。
この結果、ループフィルタLFに出現する電圧は徐々に上昇し、電圧制御発振器VCO_CDRの発振周波数は上昇する。
この結果、ループフィルタLFに出現する電圧は徐々に下降し、電圧制御発振器VCO_CDRの発振周波数は下降する。
以上、位相・周波数比較器PDにおける位相調整の原理について説明したが、周波数調整に関しても同様の原理で動作する。
図5は、本発明の第1の実施形態に係る撮像システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。ここで、図5は、双方向通信の過渡応答シミュレーション結果を示している。なお、図5に示すVOUTP、VOUTMとは、それぞれカメラユニット2におけるパッドP1およびパッドM1に表れる差動信号を示している。
また、上り通信モード期間中、スイッチSW3、SW4はオフするのに対し、スイッチSW1、SW2はオンし続けてレシーバRx2のターミネーション抵抗となる。また、同時に、スイッチSW1、SW2は夫々約50Ωの抵抗値を有しており、出力ドライバTx2に対するリターン電流パスを形成する。
また、同時刻(時刻t1)に出力ドライバTx2からの信号送信は開始されているが、この信号がレシーバRx2に到達する時刻t2までの期間、このノードの信号は静定している。時刻t2に出力ドライバTx2からの信号がレシーバRx2に到達すると、VOUTP、VOUTM端子(それぞれ図2においてパッドP1、パッドM1で示す)にスイッチング波形が再び現れる。
下り通信モードが開始すると、図3に示すスイッチSWがオフし、ループフィルタLFの電圧が保持されるため、下り通信モード期間中に電圧制御発振器VCO_CDRに対する供給電圧が一定となり、この期間中のCDRクロックCDRCLKの周波数は一定に保たれる。
カメラユニット2は、1ライン分のデジタル映像信号(撮像データPIX_DATA)を情報処理ユニット3側に出力した後に、イメージャライン終了コマンドをシステム側に出力し終えると、再び上り通信モードに再移行する。
上り通信モードにおいてスイッチSWが再び短絡され、SYSDATAに基づくCDRCLKの周波数ロック(再調整)動作と、SYSDATAの抽出動作が実行される。
<情報処理ユニット3の構成について>
情報処理ユニット3は、レシーバ301(差動信号受信部Rx1で示す。以下、レシーバRx1と呼ぶ。)と、クロックデータリカバリ部302(CDR_SYSで示す。)と、受信信号処理部303(受信鍵生成部)と、水晶振動子304(Xtalと略記される)と、上り信号生成部305と、出力ドライバ306(差動信号送信部Tx2で示す。以下、出力ドライバTx2と呼ぶ。)とから構成される。
クロックデータリカバリ部302の構成は、上述したカメラユニット2におけるクロックデータリカバリ部206aと同じである。図2に示すRE_DATA_SYSは、イメージセンサ側(カメラユニット2)から送信された撮像データを表すデジタル信号である。また、CDRCLK_SYSは、下りパケットに含まれるクイロックリカバリシンボルにより生成された、基本クロック信号である。
水晶振動子304(quartz crystal unitまたはcrystal unit)は、水晶(石英)の圧電効果を利用して高い周波数精度の発振を起こす際に用いられる素子の一つであり、システムクロックSYS_CLKを出力する。
また、受信信号処理部303は、CDRCLK_SYSと、システムクロックSYS_CLKの周波数を比較して、CDRCLK_SYSの周波数がSYS_CLKよりも高い場合には、カメラユニット2におけるイメージャクロック生成部IMG_CLKが生成するクロック周波数を下げるようなコマンドを上り信号生成部305に出力する。一方、CDRCLK_SYSの周波数がSYS_CLKよりも低い場合には、カメラユニット2におけるイメージャクロック生成部IMG_CLKが生成するクロック周波数を上げるようなコマンドを上り信号生成部305に出力する。
すなわち、受信信号処理部303は、IMCLKの周波数がシステムクロックSYS_CLKの周波数と等しくなるようなフィードバックコマンド(レジスタ設定情報)を上り信号生成部305に出力し続ける。
また、受信信号処理部303は、受信した撮像データ内の所定の一部データを送信鍵として認識して、送信鍵に基づく受信鍵を生成し、上り信号生成部305に出力する。
出力ドライバTx2は、上り信号生成部305が生成した上りパケットをカメラユニット2におけるレシーバ204に送信する。
次に、第2の実施形態について、図6、図7を参照しつつ説明する。
図6は、本発明のカメラユニットが送受信する画像フォーマットの構成の一例を示す図である。また、図7は、本発明のカメラユニットの動作を説明するためのフローチャートである。
図6は、上段に、カメラユニット2(イメージセンサ)のフレームフォーマット構造FMTを示している。
フレームフォーマット構造FMTは、カメラユニット2から情報処理ユニット3方向にデータ(下りパケット)が送信されるDown Link期間と、情報処理ユニット3からカメラユニット2方向にデータ(下りパケット)が送信されるUp Link期間と、に大別される。
Down Link期間におけるフレームフォーマット構造は、水平プレブランキング区間H-Blanking Pre-downと、水平ポストブランキング区間H-Blanking Post-downと、垂直プレブランキング区間V-Blanking Pre-downと、垂直ポストブランキング区間V-Blanking Post-downと、ピクセルデータ区間Pixel Dataと、で構成されている。
Up Link区間におけるフレームフォーマット構造は、水平プレブランキング区間H-Blanking Pre-upと、水平ポストブランキング区間H-Blanking Post-upと、制御コード区間Configuration Codeと、で構成されている。
Line<a>は、水平プレブランキング区間H-Blanking Pre-downと、垂直プレブランキング区間V-Blanking Pre-downと、水平ポストブランキング区間H-Blanking Post-downと、水平プレブランキング区間H-Blanking Pre-upと、制御コード区間Configuration Codeと、水平ポストブランキング区間H-Blanking Post-upと、により構成されている。
フレームフォーマット構造FMTを構成する全てのデータは8b/10b変調されている。8b/10b変調は、1Byte(8bit)のデータに対して2bitのクロックリカバリシンボルを追加するデータ構成となっているため、1Byteの情報を表現するために、10bitの情報が必要となる。
なお、8b→10bのデータ変換は、一般にKコード、Dコードとして知られている変換テーブルに従って行われる。
ライン方向のデータ構成として、イメージャ出力データを情報処理ユニット3側でロックするためのプリアンブル期間Preambleが必要である。
このプリアンブル期間Preambleの前半160bit(16Byte分)はトグル信号(010101・・の繰り返し)で構成されており、後半160bit(16Byte分)はインクリメント信号0x00,0x01,…0x0fで構成されている。
周波数、位相引き込みの動作は、IMCLKを基準として生成したデジタル信号のクロックエッジを用いて行われるため、単位時間当たりのクロック遷移数が最も多いトグル信号が最も好適である。
後半のインクリメント信号は、データ位置の頭だしを実行するために用いられる。
垂直プレブランキング区間V-Blanking Pre-down、または、垂直ポストブランキング区間V-Blanking Post-downに含まれる情報は、イメージセンサ内部の温度情報や電圧情報が含まれていてもよいし、システム側がイメージャ側の出力信号に対する周波数・位相引き込みを実行するための引き込みデータ(例えばトグル信号)が含まれていてもよい。
水平ポストブランキング区間H-Blanking Post-downには、当該ラインのデータ送信が終了することを意味するライン終了コードEOLが含まれている。ライン終了コードEOLがシステム(情報処理ユニット3)側に到達すると、システム(情報処理ユニット3)からイメージャ(カメラユニット2)方向に対するデータ送信が行われるUp Link期間が開始する。
唯一の違いはデータ通信の方向のみである。
レジスタ情報はレジスタREG(レジスタ部206b)に仮格納され、この情報が照合回路COLL(照合回路202a)において正しいと判断された場合にのみ、有効なレジスタ値として用いられる。この有効なレジスタ値のみがDA変換器DAC(デジタル-アナログ変換器206c)の出力電圧設定やタイミングジェネレータTG(TG207)の動作モード設定に用いられるため、本実施例に記載されたイメージセンサによれば、電気メス等の外乱がある環境下において伝送された信号であっても、照合回路COLLにて正しいと判断されない限りは新たな設定値への変更が行われることがないため、外乱雑音に対して堅牢なイメージセンサ(カメラユニット2)および撮像システム1を供給できる。
ピクセルデータ区間Pixel Dataは、ピクセル要素データP[n,m]より構成されている。ピクセル要素データP[n,m]は、8bitの撮像データ情報と、2bitのエンベデットククロック情報とで構成される10bit単位の要素データ単位であり、そのデータ送受信は制御コード区間Configuration Codeの送受信と同様の動作原理に従って処理される。
なお、8bitよりも深いbit長の撮像データ(例えば10bit)を送信する必要がある場合は、送信できなかった2bit分の情報を4ピクセル1単位として新たな拡張ピクセル要素データPex[n/4,m/4]を生成して送受信を実行することもできる。
本実施形態では、「送信鍵は、ピクセル位置が予め指定された撮像データであってよい」との記載に対応して、送信鍵の撮像データにおける位置について、以下に説明する。
ここで、所定ピクセルの最上位ビットを示す情報とは、pビット(本実施形態においては、p=8ビットである)の送信データの情報である場合に、最上位ビットを示す情報であれば、最下位ビットを示す情報に比べて一番明るさに影響を与えるビットを示す情報に対応するため、pビットの最上位ビットを示す情報である。
ここで、ピクセルデータの送信の開始と終了を制御するサービスデータとは、上記説明の水平プレブランキング区間H-Blanking Pre-downおよび水平ポストブランキング区間H-Blanking Post-downを示している。また、送信鍵は、トグル信号に続くインクリメント信号の一部、または水平ポストブランキング区間H-Blanking Post-downにおけるライン終了コードEOL(サービスデータの一部)を含む信号を示している。
送信鍵をピクセルデータとする場合、撮像所定のピクセル位置のピクセルデータを下りパケット送信毎に更新して照合回路にて保持する必要がある。これに対し、送信鍵をサービスデータの一部とする場合、サービスデータはイメージャ201から一定のデータとして出力されるため、下りパケット送信毎に更新して照合回路にて保持する動作を不要とすることができる。
ここで、送信鍵のエラー箇所に対応するピクセルについて補完演算を実行するとは、1フレーム前の対応するピクセルと同一のピクセルの撮像データ、または対応するピクセルの周辺ピクセル(例えば、対応するピクセルの周り4つのピクセル)の撮像データの平均値に基づいて演算を実行することである。
なお、図7において「送信フェーズ」とは、カメラユニット2が情報処理ユニット3へ下りパケットを送信する状態を示している。また、「受信フェーズ」とは、カメラユニット2が情報処理ユニット3からの上りパケットを受信する状態を示している。また、「承認フェーズ」とは、レジスタ設定情報でレジスタ部206bの値を更新する状態を示している。
このST1~ST9までの処理は、ラインLine<1>からラインLine<N>まで繰り返して実行される。そして、ラインLine<N>のステップST8の処理が終了すると、1フレーム分の処理が終了する。
当該ラインで情報処理ユニット3が受信した正誤情報が、カメラユニット2におけるレジスタ設定情報の更新に失敗したことを意味するデータであった場合、次のラインでレジスタ値の更新に失敗したアドレスに対するレジスタ値のプログラミング(更新)データを再送信する。
また、情報処理ユニット3は正誤情報を受信することにより、レジスタ値をの更新に失敗したカメラユニット2内部のレジスタアドレスを知ることができるので、レジスタ値の更新に失敗したレジスタアドレスに対して、レジスタ値の更新に成功するまでデータを再送信し続けることができる。即ち外乱ノイズに対して堅牢な撮像システムを供給できる。
次に、第3の実施形態について、図2を参照しつつ説明する。
図2に示す撮像システム1の説明については、第1、第2の実施形態においては、カメラユニット2および情報処理ユニット3について上位概念で説明したが、ここではカメラユニット2および情報処理ユニット3について下位概念で説明する。
カメラユニット2は、イメージャ201の動作タイミングの基準となるイメージャクロックを生成する電圧制御発振器206d(オシレータ)をさらに有し、撮像データにイメージャクロックIMCLKを重畳した信号を下りパケットとして生成して情報処理ユニット3へ送信する。
一方、情報処理ユニット3は、情報処理ユニット3内のシステムクロックSYS_CLKを生成する水晶振動子304(システムクロック生成器)と、受信した下りパケットに重畳されたイメージャクロックIMCLKを基本クロック信号CDRCLK_SYSとして再現するクロックデータリカバリ部302(クロックデータリカバリ回路)と、をさらに有している。
そして、情報処理ユニット3は、イメージャクロックIMCLKとシステムクロックSYS_CLKとの周波数を比較して、イメージャクロックIMCLKとシステムクロックSYS_CLKとの周波数偏差を小さくするレジスタ設定情報(レジスタ設定信号)を上りパケットとして送信する。
2 カメラユニット
3 情報処理ユニット
201 イメージャ
202 下り信号処理部
203,306 出力ドライバ
204,301 レシーバ
206 イメージャクロック生成部
207 TG
302 クロックデータリカバリ部
303 受信信号処理部
304 水晶振動子
305 上り信号生成部
Claims (10)
- カメラユニットと情報処理ユニットとが有線または無線を用いて互いに通信可能な撮像システムにおいて、
前記カメラユニットは、
ピクセルデータを生成するイメージャと、前記イメージャの撮像条件を書き込み可能なレジスタと、照合回路と、
前記ピクセルデータを含む撮像データを下りパケットとして前記情報処理ユニットへ送信する第1の送信回路と、
前記撮像データ内の所定のデータを送信鍵として保持する保持回路と、
書き込み回路と、
を有し、
前記情報処理ユニットは、
前記下りパケットを受信して、前記撮像データ内の前記所定のデータを前記送信鍵として認識し、前記送信鍵に基づく受信鍵を生成する処理回路と、
前記受信鍵と前記撮像条件を示すレジスタ設定信号とを含む上りパケットを前記カメラユニットに送信する第2の送信回路と、
を有し、
前記照合回路が、前記保持回路に保持された前記送信鍵と、前記情報処理ユニットから受信した前記受信鍵とを照合した結果、前記送信鍵と前記受信鍵が所定条件を満たす場合に、前記書き込み回路は、前記受信鍵とともに受信した前記レジスタ設定信号を前記レジスタに書き込む
ことを特徴とする撮像システム。 - 前記カメラユニットは、第一送受信パッドを有し、
前記情報処理ユニットは、前記第一送受信パッドと信号伝送線で接続された第二送受信パッドを有し、
前記下りパケットおよび前記上りパケットの送受信が、前記第一送受信パッドおよび前記第二送受信パッドを使って実行されることを特徴とする請求項1に記載の撮像システム。 - 前記カメラユニットは、送信フェーズ、受信フェーズ、承認フェーズの3つの状態を繰り返し、前記第1の送信回路は、前記送信フェーズにおいて前記下りパケットを前記情報処理ユニットに送信し、前記カメラユニットは、前記受信フェーズにおいて前記上りパケットを前記情報処理ユニットから受信し、前記照合回路は、前記承認フェーズにおいて前記送信鍵と前記受信鍵とを照合し、前記レジスタ設定信号の前記レジスタへの書き込み可否を決定し、
前記第1の送信回路は、前記承認フェーズにおいて前記送信鍵と前記受信鍵とを照合した結果に対応する情報を、前記送信フェーズで前記情報処理ユニットに送信することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の撮像システム。 - 前記送信鍵は、所定ピクセルの前記ピクセルデータを示す情報であることを特徴とする請求項1~3いずれか一項に記載の撮像システム。
- 前記送信鍵は、前記所定ピクセルの前記ピクセルデータの最上位ビットを示す情報を含むことを特徴とする請求項4に記載の撮像システム。
- 前記第1の送信回路は、前記送信鍵と前記受信鍵が前記所定条件を満たさない場合に、前記送信鍵のエラー箇所を示すエラー信号を含む前記下りパケットを前記情報処理ユニットに送信し、
前記情報処理ユニットは、前記エラー箇所に対応するピクセルについて、補間演算を実行することを特徴とする請求項1~5いずれか一項に記載の撮像システム。 - 前記撮像データは、前記ピクセルデータと、前記ピクセルデータの送信の開始と終了を制御するサービスデータとを含み、
前記送信鍵は、前記サービスデータの一部であることを特徴とする請求項1~3いずれか一項に記載の撮像システム。 - 前記カメラユニットは、前記イメージャの動作タイミングの基準となるイメージャクロックを生成するオシレータをさらに有し、
前記第1の送信回路は、前記撮像データに前記イメージャクロックを重畳した信号を前記下りパケットとして生成して前記情報処理ユニットへ送信し、
前記情報処理ユニットは、前記情報処理ユニット内のシステムクロックを生成するシステムクロック生成器と、
受信した前記下りパケットに重畳された前記イメージャクロックを再現するクロックデータリカバリ回路と、をさらに有し、
前記第2の送信回路は、前記イメージャクロックと前記システムクロックとの周波数を比較して、前記イメージャクロックと前記システムクロックとの周波数偏差を小さくする前記レジスタ設定信号を前記上りパケットとして送信する
ことを特徴とする請求項1~7いずれか一項に記載の撮像システム。 - 前記オシレータは、電圧制御発振器であって、前記イメージャクロックの周波数は、前記電圧制御発振器に印加される電圧に応じて変更可能であり、
前記カメラユニットは、前記レジスタに設定された周波数に基づいて電圧を前記電圧制御発振器に供給するデジタル-アナログ変換器をさらに有することを特徴とする請求項8に記載の撮像システム。 - カメラユニットと情報処理ユニットとが有線または無線を用いて互いに通信可能な撮像システムの作動方法であって、
前記カメラユニットは、
ピクセルデータを生成するイメージャと、前記イメージャの撮像条件を書き込み可能なレジスタと、照合回路と、第1の送信回路と、保持回路と、書き込み回路とを有し、
前記情報処理ユニットは、処理回路と、第2の送信回路とを有し、
前記作動方法は、
前記第1の送信回路が、前記ピクセルデータを含む撮像データを下りパケットとして前記情報処理ユニットへ送信する第1のステップと、
前記保持回路が前記撮像データ内の所定のデータを送信鍵として保持する第2のステップと、
前記処理回路が、前記下りパケットを受信して、前記撮像データ内の前記所定のデータを前記送信鍵として認識し、前記送信鍵に基づく受信鍵を生成する第3のステップと、
前記第2の送信回路が、前記受信鍵と前記撮像条件を示すレジスタ設定信号とを含む上りパケットを前記カメラユニットに送信する第4のステップと、
前記照合回路が、前記保持回路に保持された前記送信鍵と、前記情報処理ユニットから受信した前記受信鍵とを照合した結果、前記送信鍵と前記受信鍵が所定条件を満たす場合に、前記書き込み回路が、前記受信鍵とともに受信した前記レジスタ設定信号を前記レジスタに書き込む第5のステップと、
を有することを特徴とする作動方法。
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