KR20180114049A - 낮은 정보 컨텐츠 장면의 1차원 디지털 표현을 형성하는 머신 비전 시스템 - Google Patents

Abstract

낮은 정보 컨텐츠 장면, 예를 들면 조명면에 의해 희미하게 조명되는 장면의 1차원 디지털 표현을 형성하기 위한 머신 비전 시스템이며, 1차원 디지털 표현은 머신 비전 시스템의 직사각형 픽셀 어레이의 컬럼에 대해 형성된 프로젝션이다.

Description

낮은 정보 컨텐츠 장면의 1차원 디지털 표현을 형성하는 머신 비전 시스템

본 발명은 일반적으로 머신 비전에 관한 것으로서, 특히, 낮은 정보 컨텐츠 장면, 예를 들면 조명 플레인에 의해 희미하게(sparsely) 조명된 장면(scene)의 1차원 디지털 표현을 형성하는 머신 비전 시스템에 관한 것이며, 1차원 디지털 표현은 직사각형 픽셀 어레이의 컬럼(column)에 대하여 형성된 프로젝션(projection)이다.

3D 범위 이미지를 획득하기 위한 잘 알려진 방법은 다음의 단계를 포함한다: 장면의 단일 평면을 조명하기 위해 라인 생성 광학계로 광원을 제공하는 단계, 광원에 의해 조명된 대상이 카메라 렌즈에 의해 형성된 광학 이미지에 나타나도록 광 평면을 볼 수 있도록 디지털 카메라를 위치시키는 단계, 장면의 디지털 이미지를 캡처링하는 단계, 광원에 의해 조명된 장면 내 점의 이미지 좌표를 추출하기 위해 디지털 이미지를 프로세스하는 단계, 및 장면 내 대상의 측정에 적합한 물리적 좌표 세트를 형성하기 위해 광학 시스템의 삼각 측량(triangulation) 기하학에 따라 이미지 좌표를 프로세스하는 단계.

이러한 종래의 머신 비전 프로세스에 관련된 주된 제한은 상당한 크기의 2차원 강도 이미지가 시스템에 의해 형성된 물리적 좌표의 각각의 라인 모두에 대하여 디지털 카메라에 의해 캡처되어야 한다는 것이다. 이것은 동일한 크기의 장면의 강도 이미지를 획득하는데 필요한 시간보다 장면의 3D 이미지를 캡처하는 시간을 100배 더 길게 만들 수 있어, 많은 산업 머신-비전 애플리케이션에 대해서 레이저-라인에 기초한 3D 이미지 형성 방법을 너무 느리게 만든다.

본 발명의 양상은 장면에서 대상(들)과 조명의 평면(들)의 교차점의 위치와 장면의 다양한 표면의 조명된 부분의 상대적 반사율에 관한 정보의 결정에 적용 가능한 머신 비전 시스템 및 방법을 제공한다.

본 발명의 양상은 언급된 애플리케이션 영역에서 종래의 비전 시스템에 비해 상당한 이점을 갖는 비전 시스템의 실제 구현을 가능하게 하는 방법 및 장치를 도입한다. 일부 양상에서, 본 발명은 도 1a 및 도 1b의 종래의 비전 시스템과 실질적으로 동일한 기능을 수행하며, 즉, 물리적 장면의 관심 대상과 조명 평면의 교차점으로 형성된 곡선의 이미지 특징과 관련된 파라미터를 추출하지만, 실제 구현에서 처리량 이점을 실현하는 방식으로 계산을 포함하는 기능을 수행한다.

일 양상에서, 본 발명은 이미지의 정보를 결정하는데 유용한 방법을 제공하며, 이는 다음을 포함한다: 픽셀 어레이의 복수의 픽셀 엘리먼트들 각각에 대해 입력되는 광 에너지에 기초하여 제1 픽셀 신호를 축적하는 단계 -픽셀 엘리먼트는 각각 광 센서를 포함하며, 제1 픽셀 신호는 장면의 이미지를 나타냄-; 및 장면의 이미지를 나타내는 측정의 정보를 다음에 의해 획득하는 단계: 제어 신호의 세트를 픽셀 엘리먼트의 로우(row)에 인가하고 -각각의 로우의 픽셀 엘리먼트는 공통 제어 신호를 공유하고, 제어 신호의 각각의 세트는 실질적으로 상관 관계가 없으며(uncorrelated), 제어 신호의 각각의 세트는 각각의 제어 신호의 세트에 대하여 예상되는 이미지 신호에서 원하는 관심 공간 주파수에 동조된 주파수 응답을 갖는 필터링 함수와 랜덤 기저(basis) 함수의 곱을 포함하는 매트릭스의 상이한 벡터를 나타냄-, 픽셀 엘리먼트의 컬럼에 대한 제1 픽셀 신호에 기초하여 제어 신호에 따라, 출력 신호를 통합하고(aggregate), 그리고 픽셀 엘리먼트의 컬럼의 통합된 출력 신호 각각을 디지털화하는 것.

이러한 일부 양상에 따르면, 제1 픽셀 신호의 축적은 제어 신호의 세트의 인가 이전에 시작되며, 제어 신호의 세트의 인가동안 쭉 계속된다. 일부 이러한 양상에 따르면, 제1 픽셀 신호의 축적은 제어 신호의 세트의 인가 이전에 시작되며, 제어 신호의 세트의 인가는 일시적으로 인터럽트되어, 제1 픽셀 신호의 축적의 리셋 및 재시작이 인터럽트 동안 발생한다. 일부 이러한 양상에 따르면, 제어 신호에 따라, 픽셀 엘리먼트의 컬럼에 대한 제1 픽셀 신호에 기초한 출력 신호를 통합하는 것은 픽셀 엘리먼트의 각 컬럼에 대하여, 제1 픽셀 신호의 제1 선택 신호를 그 컬럼에 대한 제1 컬럼 출력 라인에 커플링하고, 제1 픽셀 신호의 제2 선택 신호를 그 컬럼에 대한 제2 컬럼 출력 라인에 커플링하는 단계를 포함하고, 제1 픽셀 신호의 제1 선택 신호와 제1 픽셀 신호의 제2 선택 신호는 제어 신호에 의해 결정된다. 일부 이러한 양상에 따르면, 픽셀 엘리먼트의 컬럼의 통합된 출력 신호 각각을 디지털화하는 것은, 픽셀 엘리먼트의 각 컬럼에 대하여, 제1 컬럼 출력 라인과 제2 컬럼 출력 라인의 신호를 비교하는 단계를 포함한다. 일부 이러한 양상에 따르면, 제1 픽셀 신호는 전압 신호를 포함하며, 출력 신호는 전류 신호를 포함한다. 일부 이러한 양상에 따르면, 픽셀 어레이는 픽셀 엘리먼트의 N₁ 로우, 픽셀 엘리먼트의 N₂ 컬럼을 포함하며, 제어 신호의 M 세트는 픽셀 엘리먼트의 로우에 인가되어, 장면의 이미지를 나타내는 측정치를 형성하며, M은 N₁보다 훨씬 작다. 일부 이러한 양상에 따르면, 필터링 기능은 중앙 차분 근사(central difference approximation)에 기초한다. 일부 이러한 양상에 따르면, 디지털화된 통합 출력 신호는 버퍼에 기록되고, 버퍼는 장면의 이미지를 나타내는 측정치를 저장한다. 일부 이러한 양상에 따르면, 추정치는 측정치 및 랜덤 기저 함수의 전치(transpose)의 곱을 형성함으로써 결정되며, 추정치는 리파인(refine)되고, 라인의 에지는 추정치에 위치한다.

다른 양상에서 본 발명은 이미지의 정보를 결정하는데 유용한 방법을 제공하며, 이는 다음을 포함한다: 픽셀 어레이의 복수의 픽셀 엘리먼트들 각각에 대한 입력되는 광 에너지에 기초하여 제1 픽셀 신호를 축적하는 단계 -픽셀 엘리먼트는 각각 광 센서를 포함함-; 및 다음에 의해 장면의 이미지를 나타내는 측정치의 정보를 획득하는 단계: 제어 신호의 세트를 픽셀 엘리먼트의 로우에 인가하고 -각각의 로우의 픽셀 엘리먼트는 그 로우의 복수의 픽셀들을 각각 포함하는 픽셀 서브셋(subset)으로 그룹화되고, 각각의 로우의 픽셀 엘리먼트는 공통 제어 신호를 공유하는 각각의 픽셀 서브셋에 속하며, 제어 신호의 각 세트는 실질적으로 상관 관계가 없음-, 제어 신호의 각 세트에 대하여, 픽셀 엘리먼트의 컬럼의 출력 신호를, 제어 신호에 따라, 통합하고, 그리고 픽셀 엘리먼트의 컬럼의 통합 출력 신호 각각을 디지털화하는 것.

일부 이러한 양상에 따르면, 각각의 로우에 대하여, 제1 픽셀 서브셋의 픽셀 엘리먼트는 적어도 하나의 다른 픽셀 서브셋의 픽셀 엘리먼트에 의해 분리된다. 일부 이러한 양상에 따르면, 픽셀 엘리먼트의 각 컬럼은 동일한 픽셀 서브셋에 속하는 픽셀 엘리먼트만을 포함한다. 일부 이러한 양상에 따르면, 제어 신호의 세트는 제어 신호의 세트의 그룹을 포함하며, 제어 신호의 세트의 각각의 그룹은 상이한 샘플링 함수에 기초한다. 일부 이러한 양상에 따르면, 각각의 샘플링 함수는 다른 샘플링 함수와 실질적으로 상관 관계가 없다. 이러한 일부 양상에 따르면, 각 서브셋의 픽셀 엘리먼트는 상이한 샘플링 함수에 기초한 제어 신호를 수신한다. 일부 이러한 양상에 따르면, 제어 신호는 적어도 9개의 상이한 샘플링 함수에 기초하며, 적어도 3개의 상이한 샘플링 함수에 기초한 제어 신호는 제1 시간 주기에 걸쳐 인가되며, 적어도 3개의 다른 상이한 샘플링 함수에 기초한 제어 신호는 제2 시간 주기에 걸쳐 인가되고, 적어도 3개의 또 다른 상이한 샘플링 함수에 기초한 제어 신호는 제3 시간 주기에 걸쳐 인가된다. 일부 이러한 양상에 따르면, 각각의 샘플링 함수는 예상되는 이미지 신호의 원하는 관심 공간 주파수에 동조된 주파수 응답을 갖는 필터링 함수와 랜덤 기저 함수의 곱을 포함한다. 일부 이러한 양상에 따르면, 제1 픽셀 신호의 축적은 제어 신호의 세트의 인가에 대해 비동기적으로(asynchronously) 발생한다. 일부 이러한 양상에 따르면, 제1 픽셀 신호의 축적은 제어 신호의 세트의 인가에 대해 동기적으로(synchronously) 발생한다. 일부 이러한 양상에 따르면, 제어 신호에 따라, 픽셀 엘리먼트의 컬럼에 대한 제1 픽셀 신호에 기초한 출력 신호를 통합하는 것은, 픽셀 엘리먼트의 각각의 컬럼에 대하여, 제1 픽셀 신호의 제1 선택 신호를 그 컬럼에 대한 제1 컬럼 출력 라인에 커플링하는 단계와 제1 픽셀 신호의 제2 선택 신호를 그 컬럼에 대한 제2 컬럼 출력 라인에 커플링하는 단계를 포함하며, 제1 픽셀 신호의 제1 선택 신호와 제1 픽셀 신호의 제2 선택 신호는 제어 신호에 의해 결정된다. 일부 이러한 양상에 따르면, 픽셀 엘리먼트의 컬럼의 통합 출력 신호 각각을 디지털화하는 단계는, 픽셀 엘리먼트의 각각의 컬럼에 대해, 제1 컬럼 출력 라인과 제2 컬럼 출력 라인의 신호를 비교하는 단계를 포함한다. 일부 이러한 양상에 따르면, 제1 픽셀 신호는 전압 신호를 포함하며, 출력 신호는 전류 신호를 포함한다. 일부 이러한 양상에 따르면, 픽셀 어레이는 픽셀 엘리먼트의 N₁ 로우, 픽셀 엘리먼트의 N₂ 컬럼을 포함하며, 제어 신호의 M 세트는 각각의 샘플링 함수에 기초하며, M은 N₁보다 훨씬 작다.

다른 양상에서, 본 발명은 이미지의 정보를 결정하는데 유용한 방법을 제공하며, 이는 다음을 포함한다: 이미지 센서를 제공하는 단계 -상기 이미지 센서는 다음을 포함함: 로우 및 컬럼으로 분할된 복수의 픽셀 엘리먼트를 포함하는 픽셀 어레이 -각각의 픽셀 엘리먼트는 광 센서를 포함하고, 각각의 로우의 픽셀 엘리먼트는 복수의 상이한 세트 중 하나에 속하고, 각각의 세트에 속하는 각 로우의 픽셀 엘리먼트는 그 로우에 대한 그 세트의 픽셀 엘리먼트에 대한 제어 신호를 수신하기 위한 공통 커플링을 가지며, 픽셀 엘리먼트의 각 컬럼의 픽셀 엘리먼트는 그 컬럼에 대한 컬럼 출력 신호를 제공하기 위한 공통 커플링을 가지며, 컬럼 출력 신호에 대한 픽셀 엘리먼트의 기여는 픽셀 엘리먼트에 의해 축적된 광 에너지와 제어 신호에 의존함-; 및 픽셀 어레이의 컬럼과 일대일 대응으로 커플링된 디지타이저(digitizer)의 어레이 -디지타이저는 픽셀 어레이의 대응하는 컬럼으로부터 컬럼 출력 신호를 수신하기 위해 커플링됨-; 다음에 의해, 픽셀 엘리먼트 상에 이미지 강도 신호의 측정치를 획득하는 단계: 로우 입력 신호 벡터를 픽셀 어레이의 제어 라인에 인가하는 것 -상이한 로우 입력 신호 벡터가 각각의 세트에 대하여 인가되며, 각각의 로우 입력 신호 벡터는 현재 프레임 시간에 대해 이전에 인가된 모든 로우 입력 신호 벡터와 실질적으로 상관 관계가 없는 모든 가능한 로우 입력 신호 벡터의 세트의 서브셋 중 하나임-, 디지타이저의 어레이의 출력을 판독하는 것, 그리고 복수의 시간에 대해, 로우 입력 신호 벡터의 인가를 반복하는 것 및 디지타이저 어레이의 출력을 판독하는 것.

일부 이러한 양상에서, 로우 입력 신호 벡터는 복수의 샘플링 함수의 벡터에 기초한다. 일부 이러한 양상에서, 각각의 샘플링 함수는 예상되는 이미지 신호의 원하는 관심 공간 주파수에 동조된 주파수 응답을 갖는 필터링 함수와 랜덤 기저 함수의 곱을 포함한다.

다른 양상에서, 본 발명은 다음을 포함하는 이미지 센서를 제공한다: 로우와 컬럼으로 분할된 복수의 픽셀 엘리먼트를 포함하는 픽셀 어레이 -각각의 픽셀 엘리먼트는 광 센서를 포함함-; 복수의 상이한 세트 중 하나에 속하는 각 로우의 픽셀 엘리먼트 -각각의 세트에 속하는 각 로우의 픽셀 엘리먼트는 그 로우에 대한 그 세트의 픽셀 엘리먼트에 대한 제어 신호를 수신하기 위한 공통 커플링을 가짐-; 그 컬럼에 대한 제1 컬럼 출력 신호 및 제2 컬럼 출력 신호 각각을 제공하기 위한 공통 커플링을 갖는 픽셀 엘리먼트의 컬럼 각각의 픽셀 엘리먼트 -컬럼 출력 신호에 대한 픽셀 엘리먼트의 기여는 픽셀 엘리먼트에 의해 축적된 광 에너지와 제어 신호에 의존함-; 및 픽셀 어레이의 컬럼에 일대일 대응으로 커플링되는 디지타이저의 어레이 -디지타이저는 픽셀 어레이의 대응하는 컬럼으로부터 컬럼 출력 신호의 지표를 수신하기 위해 커플링됨-.

일부 이러한 양상에서, 제1 저장 엘리먼트는 제어 신호 일부를 생성하는데 사용하는 정보를 저장하기 위한 픽셀 어레이의 대략 일 면이며, 제2 저장 엘리먼트는 제어 신호의 다른 부분을 생성하는데 사용하는 정보를 저장하기 위한 픽셀 어레이의 대략 다른 면이다. 일부 이러한 양상에서, 제1 저장 엘리먼트와 제2 저장 엘리먼트는 각각 저장 셀의 어레이를 포함하며, 각각의 저장 셀은 적어도 2 비트의 정보를 저장한다. 일부 이러한 양상에서, 각각의 픽셀 엘리먼트의 제어 신호를 수신하기 위한 공통 커플링은 2 비트 중 제1 비트를 나타내는 신호를 수신하기 위한 제1 커플링과 2비트 중 제2 비트를 나타내는 신호를 수신하기 위한 제2 커플링을 포함한다. 일부 이러한 양상에서, 디지타이저는 전류 컨베이어(conveyor)와 전류 리미터(limiter)에 의해 픽셀 어레이의 컬럼에 커플링된다.

상술한 이미지 센서는 이미지 신호 레벨의 논리적 비교에 의해 결정된 측정 계수를 제공하며, 따라서, 상대적 이미지 신호 크기의 정보, 예를 들면, 하나 이상의 로컬 신호 최대값과 연관된 이미지 좌표로부터 도출될 수 있는 디지털 이미지 정보의 캡처와 주로 관련된다. 다른 양상에서, 머신 비전 시스템은 절대 이미지 신호 크기, 즉, 머신 비전 시스템의 이미지 센서의 대응하는 부분 상에 영향을 주는 광 에너지에 균일하게 비례하는 디지털 픽셀 값에 관련된 정보의 캡처를 제공한다.

이와 같이, 다른 양상에서, 개시된 기술은 절대 이미지 신호 크기를 결정하는데 유용한 방법을 제공하며, 방법은 픽셀 어레이의 N₁-N_D 로우와 N₂ 컬럼에 배열된 복수의 감광 픽셀 엘리먼트 각각에 대한 입력되는 광 에너지에 기초한 픽셀 출력 신호를 형성하는 단계 -복수의 감광 픽셀 엘리먼트 각각은 광 센서를 포함하고, 픽셀 출력 신호는 장면의 이미지를 나타내는 이미지 신호를 나타냄-; 다크 픽셀의 N_D의 추가적인 로우 상의 기준 출력 신호를 형성하는 단계 -각각의 추가적인 로우는 N₂의 다크 픽셀을 가짐-; 이미지 신호의 측정 신호를 획득하는 단계 -상기 신호는 a) N₁ 제어 신호의 M 세트를 픽셀 어레이의 (N₁-N_D) 로우와 다크 픽셀의 N_D 추가 로우에 공급하는 단계 -각 로우의 N₂ 감광 픽셀 엘리먼트와 각 추가 로우의 N₂ 다크 픽셀은 공통 제어 신호를 공유하고, 각각의 제어 신호의 세트는 샘플링 매트릭스의 상이한 로우를 나타내며, M 세트 각각의 N₁ 제어 신호는, (N₁-N_D)의 감광 픽셀 엘리먼트 및 N_D의 다크 픽셀을 포함하는 전체 N₁ 로우와 일대일 대응됨-과, b) 제어 신호의 M 세트 각각에 대해, N₂ 컬럼 각각에 대한 전류 출력을 얻기 위해 픽셀 출력 신호를 합산하는 단계에 의해 획득됨-; 샘플링 매트릭스와 다크 픽셀 상에 형성된 기준 출력 신호의 전류 출력에 대한 이전에 알려진 기여도에 기초한 N₂ 컬럼 각각에 대한 스케일 팩터를 연산하는 단계; 및 N₂ 컬럼에 대해 연산된 스케일 팩터를 사용하여 측정 신호로부터의 출력 픽셀값을 결정하는 단계 -상기 출력 픽셀값은 이미지 신호의 정보를 포함함-.

다른 양상에서, 개시된 기술은 절대 이미지 신호 크기를 결정하는데 유용한 머신 비전 시스템을 제공하며, 머신 비전 시스템은 a) 이미지 신호를 캡처하고 이미지 신호를 프로세스하여 바이너리(binary) 측정 신호를 출력하도록 구성되며, 이미지 신호는 장면으로부터 수집된 광 에너지를 나타내는 이미지 센서를 포함한다. 여기서, 이미지 센서는 i) N₁ 로우와 N₂ 컬럼에 의해 배열된 감광 픽셀과 다크 픽셀의 픽셀 어레이를 포함한다. 픽셀 어레이는 A) 픽셀 어레이의 N₁ 로우와 일대일로 대응하는 N₁ 픽셀 출력 제어 버스의 어레이 -각각의 픽셀 출력 제어 버스는 픽셀 어레이의 각 로우 상의 픽셀에 픽셀 출력 제어 신호를 제공하도록 구성되고 배열됨-, B) 픽셀 어레이의 N₂ 컬럼과 일대일 대응하는 N₂ 픽셀 컬럼 회로의 어레이를 포함한다. 각각의 픽셀 컬럼 회로는 Ⅰ) 픽셀 출력 신호를 합산하도록 구성되고 배열된 픽셀 출력 버스, Ⅱ) N₁ 픽셀 제어 버스의 어레이와 일대일 대응하도록 커플링된 N₁ 픽셀의 선형 어레이를 포함한다. N₁ 픽셀의 선형 어레이는 (a) 이미지 신호의 일부를 수신하는 (N₁-N_D) 감광 픽셀의 선형 어레이를 포함한다. 각각의 감광 픽셀은 (i) 감광 픽셀에 의해 수신된 광 에너지에 응답하는 광 신호 소스, 및 (ii) 픽셀 출력 제어 버스에 커플링되며, 감광 픽셀이 픽셀 출력 버스에 픽셀 출력 신호를 제공하도록 하는 픽셀 출력 버스에 대한 광 신호 소스의 커플링을 제어하는 출력 선택 회로를 포함한다. 또한, N₁ 픽셀의 선형 어레이는 (b) N_D 다크 픽셀의 선형 어레이를 포함한다. 각각의 다크 픽셀은 (i) 다크 픽셀에 의해 수신된 기준 신호에 응답하는 다크 신호 소스, 및 (ii) 다른 픽셀 출력 제어 버스에 커플링되며, 다크 픽셀이 픽셀 출력 버스에 픽셀 출력 신호를 제공하도록 하는 픽셀 출력 버스에 대한 다크 신호 소스의 커플링을 제어하는 출력 선택 회로를 포함한다. 또한, 이미지 센서는 ii) 픽셀 어레이에 커플링되는 샘플링 패턴 생성기를 포함하며 다음으로 구성됨, A) (M 로우와 N₁ 컬럼을 갖는) 샘플링 패턴 매트릭스의 정보 -샘플링 패턴 매트릭스의 각 로우는 픽셀 출력 제어 신호에 관련된 정보를 포함하며, 그리고 N₂ 출력 버스의 어레이 상의 픽셀 출력 신호의 선택적인 합산을 통해, 픽셀 어레이의 N₂ 컬럼에 대응하는 N₂ 측정 계수의 어레이를 형성하도록 미리 결정되며, 측정 계수는 비-표준 기저로 나타낸 이미지 신호의 정보를 포함함-; B) 샘플링 패턴 매트릭스의 M 로우 각각에 대한 N₂ 측정 계수의 어레이를 포함하는 측정 신호를 N₂ 픽셀 출력 버스 상에 형성하도록 N₁ 픽셀 출력 제어 버스의 어레이에, 샘플링 패턴 매트릭스의 M 로우 각각을 순차적으로 제공하기 위한 명령들; 및 C) 픽셀 어레이의 다크 픽셀에, 측정 신호에 대한 다크 픽셀의 기여를 제어하기 위한 기준 신호를 제공하기 위한 명령들을 포함한다. 또한, 이미지 센서는 iii) N₂ 픽셀 출력 버스의 어레이와 커플링되며, 바이너리 측정 신호를 형성하기 위해 측정 신호를 바이너리화하기 위한, 디지타이저를 포함한다. 그리고, 머신 비전 시스템은 이미지 센서와 커플링되어, 바이너리 측정 신호를 수신하는 디지털 프로세서를 포함한다. 여기서, 디지털 프로세서는 i) 측정 신호에 대한 다크 픽셀의 기여와 샘플링 패턴 매트릭스에 관한 정보; ii) 바이너리 측정 신호로부터, 픽셀 어레이의 컬럼에 대응하는 컬럼 바이너리 측정치 벡터에 엑세스하기 위한 명령들; 및 iii) 디지털 픽셀값을 형성하기 위한 명령들, 디지털 픽셀값은 수신된 이미지 신호의 정보를 포함하며, 이는 A) 컬럼 측정치 벡터와 실질적으로 상관 관계가 있는 바이너리 측정 공간 표현을 갖는 컬럼 신호 벡터를 찾고, 디지털 픽셀값을 형성하기 위해, 측정 신호에 대한 다크 픽셀의 기여와 함께 컬럼 신호 벡터를 프로세스함으로써 수신된다.

이들 및 다른 구현은 다음 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 컬럼 신호 벡터를 찾는 명령은 샘플링 패턴 매트릭스의 전치를 컬럼 측정치 벡터에 곱하는 명령을 포함할 수 있다.

일부 구현에서, 컬럼 신호 벡터를 프로세스하기 위한 명령은 a) 스케일 팩터를 결정하기 위해 다크 픽셀에 대응하는 컬럼 신호 벡터의 하나 이상의 계수를 사용하는 명령, 및 b) 감광 픽셀에 대응하는 신호 벡터의 계수를 스케일 팩터에 곱하여 디지털 픽셀값을 형성하는 명령을 포함할 수 있다. 예를 들면, 스케일 팩터는 다크 픽셀에 의해 수신된 기준 신호의 레벨의 통계와 다크 픽셀을 갖는 픽셀 어레이의 로우에 대응하는 컬럼 신호 벡터의 계수의 통계값의 비율로서 결정될 수 있다.

일부 구현에서, 다크 픽셀에 의해 수신된 기준 신호는 전기 신호일 수 있다. 또한, 모든 다크 픽셀에 의해 수신된 기준 신호값은 실질적으로 동일할 수 있다. 일부 구현에서, 샘플링 패턴 생성기는 기준 신호를 다크 픽셀에 제공하도록 구성된 기준 신호 소스와 픽셀 출력 제어 버스의 어레이에 픽셀 출력 제어 신호의 시퀀스를 제공하도록 구성된 픽셀 출력 컨트롤러를 포함할 수 있다.

일부 구현에서, 샘플링 매트릭스의 M 로우의 각 로우에 대해, 디지타이저는 바이너리 측정 신호의 N₂ 바이너리 측정 계수의 어레이를 형성할 수 있다 -N₂ 바이너리 측정 계수 각각은 샘플링 매트릭스의 로우에 대한 N₂ 출력 버스의 어레이 상에 형성된 각각의 N₂ 측정 계수의 부호를 나타내는 N₂의 1 비트값 {+1 또는 -1}을 가짐-.

일부 구현에서, 픽셀 출력 제어 버스 각각은 픽셀 출력 버스 상에 차동(differential) 신호를 형성하는 픽셀 컬럼 회로의 픽셀 출력 버스에 포함된 둘 이상의 컨덕터 중 하나에 픽셀 컬럼 회로의 둘 이상의 픽셀 신호 소스를 선택적으로 커플링하기 위한 둘 이상의 컨덕터를 포함할 수 있다. 여기서, 디지타이저는 N₂ 픽셀 컬럼 회로의 어레이의 각각의 픽셀 출력 버스에 일대일 대응으로 커플링된 N₂ 비교기의 어레이를 포함할 수 있다.

또 다른 양상에서, 개시된 기술은 낮은 정보 컨텐츠 장면의 1차원 디지털 표현을 형성하는데 유용한 방법을 제공하며, 방법은 N₁ 로우와 N₂ 컬럼으로 배열된 다크 픽셀과 감광 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이를 사용하여 배경 신호를 형성하는 단계를 포함하며, 다크 픽셀은 감광 픽셀과 상이한 로우에 배열된다. 배경 신호의 형성 중, 다크 픽셀은 기준 신호를 수신하고, 감광 픽셀은 입력되는 광 에너지를 수신하는 것이 방지된다. 또한, 방법은, i) 픽셀 어레이의 N₁ 로우에 제어 신호의 M 세트를 공급하는 것 -각 로우의 픽셀은 공통 제어 신호를 공유하며, 제어 신호의 각 세트는 샘플링 매트릭스의 상이한 벡터를 나타냄-, ii) 제어 신호의 각 세트에 대해, N2 컬럼 중 적어도 하나에 대한 픽셀 출력 신호를 합산하는 것 -배경 측정 신호는 N2 컬럼 각각에 대해 사용 가능한 배경 측정치 벡터를 포함함- 에 의해 배경 신호의 배경 측정 신호를 획득하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은 픽셀 어레이를 사용하여 이미지 신호를 형성하는 단계를 포함한다. 이미지 신호의 형성 중에, 다크 픽셀은 기준 신호를 수신하고, 감광 픽셀은 입력되는 광 에너지를 수신한다. 그리고, 방법은, i) 픽셀 어레이의 N₁ 로우에, 샘플링 매트릭스를 나타내는, 제어 신호의 M 세트를 공급하는 것, 및 ii) 제어 신호의 세트 각각에 대해, N₂ 컬럼 각각에 대한 픽셀 출력 신호를 합산하는 것 -이미지 측정 신호는 각각의 컬럼 N₂에 대한 이미지 측정치 벡터를 포함함- 에 의해 이미지 신호의 이미지 측정 신호를 획득하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은, 픽셀 어레이의 각 컬럼에 대해, i) 이미지 측정치 벡터와 배경 측정치 벡터 사이의 거리를 결정하는 단계; 및 ii) 결정된 거리로부터, 컬럼의 감광 픽셀에 의해 수신된 이미지 신호의 일부의 크기를 나타내는 디지털 값을 생성하는 단계를 포함한다.

이들 및 다른 구현은 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 이미지 측정치 벡터와 배경 측정치 벡터 사이의 거리를 결정하는 단계는 정규화된 해밍(Hamming) 거리를 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 출력 픽셀값을 생성하는 단계는 컬럼에 대한 배경 신호의 크기에 결정된 거리의 탄젠트를 곱함으로써 결정된 거리 각각을 스케일링하는 단계를 포함할 수 있다.

일부 구현에서, 배경 신호의 배경 측정 신호를 얻는 단계는, 제어 신호의 M 세트 각각에 대해, N₂ 컬럼 각각에 대한 픽셀 출력 신호를 합산하는 단계를 포함하며, 배경 측정 신호는 N₂ 컬럼 각각에 대한 배경 측정치 벡터를 포함한다. 일부 구현에서, 방법은 픽셀 어레이와 함께 배치된 메모리에 N₂ 컬럼 각각에 대해 사용 가능한 배경 측정치 벡터를 저장하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 거리를 결정하는 단계와 디지털 값을 생성하는 단게는 픽셀 어레이와 함께 배치된 프로세서에 의해 수행된다.

또 다른 양상에서, 개시된 기술은 낮은 정보 컨텐츠 장면의 1차원 디지털 표현을 형성하는데 유용한 머신 비전 시스템을 제공하며, 시스템은 a) 이미지 신호를 수신하고 이미지 신호를 프로세스하여 바이너리 측정 신호를 출력하도록 구성된 이미지 센서 -이미지 신호는 장면으로부터 수집된 광 에너지를 나타냄-를 포함하고, 이미지 센서는 i) N₁ 로우와 N₂ 컬럼에 의해 배열된 다크 픽셀과 감광 픽셀의 픽셀 어레이를 포함하며, 픽셀 어레이는 A) 픽셀 어레이의 N₁ 로우에 일대일 대응하는 N₁ 픽셀 출력 제어 버스의 어레이 -각각의 픽셀 출력 제어 버스는 픽셀 어레이의 각 로우 상의 픽셀에 픽셀 출력 제어 신호를 제공하도록 구성되고 배열됨-, 및 B) 픽셀 어레이의 N₂ 컬럼과 일대일 대응하는 N₂ 픽셀 컬럼 회로의 어레이를 포함한다. 각각의 픽셀 컬럼 회로는 Ⅰ) 픽셀 출력 신호를 합산하도록 구성되고 배열된 픽셀 출력 버스, 및 Ⅱ) N₁ 픽셀 제어 버스의 어레이와 일대일 대응으로 커플링된 N₁ 픽셀의 선형 어레이를 포함한다. N₁ 픽셀의 선형 어레이는 (a) 이미지 신호의 일부를 수신하기 위한 (N₁-N_D) 감광 픽셀의 선형 어레이를 포함한다. 각각의 감광 픽셀은 (i) 감광 픽셀에 의해 수신된 광 에너지에 응답하는 광 신호 소스, 및 (ii) 픽셀 출력 제어 버스에 커플링되며, 감광 픽셀이 픽셀 출력 버스에 픽셀 출력 신호를 제공하도록 하는 픽셀 출력 버스에 광 신호 소스의 커플링을 제어하는 출력 선택 회로를 포함한다. 또한, N₁ 픽셀의 선형 어레이는 (b) N_D 다크 픽셀의 선형 어레이를 포함한다. 각각의 다크 픽셀은 (i) 다크 픽셀에 의해 수신된 기준 신호에 응답하는 다크 신호 소스, 및 (ii) 다른 픽셀 출력 제어 버스와 커플링되며, 다크 픽셀이 픽셀 출력 버스에 픽셀 출력 신호를 제공하도록 하는 픽셀 출력 버스에 다크 신호 소스의 커플링을 제어하는 출력 선택 회로를 포함한다. 그리고, 이미지 센서는 ii) 픽셀 어레이에 커플링된 샘플링 패턴 생성기를 포함하며, 샘플링 패턴 생성기는 N₁ 픽셀 출력 제어 버스의 어레이에 픽셀 출력 제어 신호의 시퀀스를 제공하고, 또한, 다크 픽셀에 기준 신호를 제공하도록 구성된다. 여기서, A) 픽셀 출력 제어 신호의 시퀀스의 각 엘리먼트는 (M 로우와 N₁ 컬럼을 갖는) 샘플링 패턴 매트릭스의 로우에 대응하며, 이는 N₂ 출력 버스의 어레이 상의 픽셀 출력 신호의 선택적인 합산을 통해 픽셀 어레이의 N₂ 컬럼에 대응하는 N₂ 측정 계수의 어레이를 형성하도록 미리 결정되며, 측정 계수는 비-표준 기저로 나타낸 이미지 신호의 정보를 포함한다; B) N₁ 픽셀 출력 제어 버스의 어레이에 대한 시퀀스의 엘리먼트를 제공하는 것은 측정 신호가 N₂ 픽셀 출력 버스 상에 형성되도록 하며, 측정 신호는 샘플링 패턴 매트릭스의 M 로우 각각에 대해 N₂ 측정 계수의 어레이를 포함한다; 그리고 C) 기준 신호를 픽셀 어레이의 다크 픽셀로 제공하는 것은 측정 신호에 대한 다크 픽셀의 기여를 제어한다. 또한, 이미지 센서는 iii) 측정 신호를 바이너리화하여 바이너리 측정 신호를 형성하기 위해, N₂ 픽셀 출력 버스의 어레이에 커플링된 디지타이저를 포함한다. 그리고, 머신 비전 시스템은 b) 바이너리 측정 신호를 수신하기 위해 이미지 센서와 결합된 디지털 프로세서를 포함하며, 디지털 프로세서는 i) 이미지 센서가 이미지 센서에 의해 수신된 배경 신호를 프로세스한 경우, 이미지 센서에 의해 출력된 배경 바이너리 측정 신호로부터 픽셀 어레이의 컬럼과 관련된 배경 신호의 일부에 대응하는 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터에 엑세스하기 위한 명령 -배경 신호는 감광 픽셀이 장면으로부터 수집된 광 에너지를 수신하는 것이 방지될 때 다크 픽셀에 의해 수신된 기준 신호를 포함함-; ii) 바이너리 측정 신호로부터, 픽셀 어레이의 컬럼의 감광 픽셀에 의해 수신된 이미지 신호의 일부에 대응하는 컬럼 바이너리 측정치 벡터에 엑세스하기 위한 명령; iii) 픽셀 어레이의 컬럼의 감광 픽셀에 의해 수신된 이미지 신호의 일부의 크기를 나타내는 디지털 값을 형성하기 위한 명령 -디지털 값을 형성하기 위한 명령은 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터와 컬럼 바이너리 측정치 벡터 사이의 거리를 계산하기 위한 명령을 포함함- 으로 구성된다.

이들 및 다른 구현은 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 배경 신호는 픽셀 어레이 상에 존재하는 고정 패턴 노이즈를 더 포함할 수 있으며, 고정 패턴 노이즈는 기준 신호와 무관한, N₂ 픽셀 출력 버스 상의, 측정 신호의 광 에너지-독립적 변화에 의해 결정된 픽셀 출력 신호를 발생시킨다. 일부 구현에서, 디지털 값을 형성하기 위해 디지털 프로세서에 의해 사용되는 컬럼 바이너리 측정치 벡터와 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터 사이의 거리는 정규화된 해밍 거리이다.

일부 구현에서, 디지털 프로세서는 (i) 픽셀 어레이의 컬럼에 관련된 배경 신호의 컬럼의 크기를 엑세스하고, 그리고 (ii) 픽셀 어레이의 컬럼의 감광 픽셀에 의해 수신되는 이미지 신호의 일부의 크기에 선형적으로 비례하는 디지털 값을 형성하기 위해 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터와 컬럼 바이너리 측정치 벡터 사이의 거리와 배경 신호 컬럼의 크기를 결합하기 위한 명령으로 구성될 수 있다. 이러한 경우, 배경 바이너리 측정 신호와 픽셀 어레이의 각 컬럼과 관련된 배경 신호 컬럼의 크기는 디지털 프로세서와 관련된 메모리 상에 저장된다.

일부 구현에서, 디지털 프로세서는 픽셀 어레이에 의해 수신된 이미지 신호에 대응하는 N₂ 디지털 값의 어레이를 출력하기 위해 픽셀 어레이의 N₂ 컬럼 각각에 대한 디지털 값을 형성하기 위한 명령으로 구성될 수 있다. 이들 경우 중 일부에서, i) 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터에 엑세스하기 위한 명령은 픽셀 어레이의 N₂ 컬럼 각각에 대한 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터에 엑세스 하기 위한 명령을 포함할 수 있다; ii) 컬럼 바이너리 측정치 벡터에 엑세스하기 위한 명령은 픽셀 어레이의 N₂ 컬럼 각각에 대한 컬럼 바이너리 측정치 벡터에 엑세스 하기 위한 명령을 포함할 수 있다; 그리고 iii) 픽셀 어레이의 N₂ 컬럼 각각에 대한 디지털 값을 형성하기 위한 명령은 각각의 엑세스된 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터와 대응하는 엑세스된 컬럼 바이너리 측정치 벡터 사이의 거리를 연산하기 위한 명령을 포함할 수 있다. 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터가 단일 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터인 다른 경우에서, i) 컬럼 바이너리 측정치 벡터에 엑세스하기 위한 명령은 픽셀 어레이의 N₂ 컬럼 각각에 대한 컬럼 바이너리 측정치 벡터에 엑세스하기 위한 명령을 포함할 수 있으며, 그리고 ii) 픽셀 어레이의 N₂ 컬럼 각각에 대한 디지털 값을 형성하기 위한 명령은 단일 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터와 각각의 엑세스된 컬럼 바이너리 측정치 벡터 사이의 거리를 연산하기 위한 명령을 포함할 수 있다. 여기서, 단일 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터는 메모리에 저장될 수 있다. 또한 여기서, 이미지 센서는 메모리와 디지털 프로세서를 포함할 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 양상은 본 개시를 검토할 때 더욱 완전하게 이해된다.

도 1a는 동작 환경에서 머신 비전 시스템의 양상의 세미-블록 다이어그램, 세미-일러스트레이션이다.
도 1b는 종래 기술의 비전 시스템의 연산에 대한 다이어그램이다.
도 2a는 본 발명의 특정 양상에 따른 머신 비전 시스템에 의해 수행되는 연산을 나타내는 프로세스의 플로우 다이어그램이다.
도 2b는 본 발명의 특정 양상에 따른 머신 비전 시스템에 의해 수행되는 연산을 나타내는 추가적인 프로세스의 플로우 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 특정 양상을 나타내는 이미지 센서 아키텍처의 고-레벨 블록-다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 양상에 따른 이미지 센서의 더 상세한 양상을 나타내는 회로 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 특정 양상과 일치하는 프로세싱 아키텍처의 블록 다이어그램이다.
도 6은 센서 응답 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 양상에 따른 이미지 신호의 근사를 형성하는 방법을 나타내는 다이어그램이다.
도 8은 본 발명의 양상에 따른 고 센서 동적 범위 획득을 나타내는 타이밍 다이어그램이다.
도 9a는 동작 환경에서 머신 비전 시스템의 구현의 다른 예시를 나타낸다.
도 9b는 9a에 나타낸 것과 같은 머신 비전 시스템의 카메라의 시야에서 볼 수 있는 장면의 일부의 구조적 양상을 나타낸다.
도 10a는 도 9b에 나타낸 장면이 조명면에 의해 조명되는 경우에 도 4에 나타낸 것과 같은 픽셀 어레이에 의해 수신된 이미지 신호의 양상을 나타낸다.
도 10b는 도 2a에 나타낸 것과 같은 기술을 사용하는 경우 이미지 신호에 기초하여 형성된 디지털 이미지의 양상과 도 10a에 나타낸 것과 같은 이미지 신호의 양상을 나타낸다.
도 11은 도 9a에 나타낸 것과 같은 머신 비전 시스템의 이미지 센서의 예시적인 구현을 나타낸다.
도 12는 도 11에서 나타낸 것과 같은 이미지 센서를 사용하여 도 13a에 나타낸 것과 같은 픽셀 어레이 입력 신호로부터의 디지털 이미지를 형성하기 위한 기술을 나타낸다.
도 13a는 도 9b에서 나타낸 장면이 조명면에 의해 조명되는 경우 도 11에 나타낸 것과 같은 이미지 센서의 픽셀 어레이에 의해 수신된 픽셀 어레이 입력 신호의 양상을 나타낸다.
도 13b는 도 13a에서 나타낸 것과 같은 픽셀 어레이 입력 신호의 양상, 픽셀 어레이 입력 신호에 기초하여 형성된 추정 신호의 양상 및 도 12에서 나타낸 것과 같은 기술을 사용하는 경우 추정 신호에 기초하여 형성된 디지털 이미지의 양상을 나타낸다.
도 14는 도 11에서 나타낸 것과 같은 이미지 센서를 사용하여, 이미지 신호 부분이 0으로 설정된 경우에 도 13a에 나타낸 픽셀 어레이 입력 신호와 같은 배경 신호와 도 13a에 나타낸 것과 같은 픽셀 어레이 입력 신호의 조합으로부터의 장면의 다양한 표면의 조명된 부분의 상대적 반사율에 대한 정보를 결정하는 기술을 나타낸다.
도 15는 신호 공간에서, 이미지 신호 부분이 0으로 설정된 경우에 도 13a에 나타낸 픽셀 어레이 입력 신호와 같은 배경 신호의 벡터, 도 13a에 나타낸 것과 같은 픽셀 어레이 입력 신호의 벡터 및 도 13a에 나타낸 픽셀 어레이 입력 신호의 이미지 신호 부분과 같은 이미지 신호 사이의 방위를 나타내는 벡터 다이어그램이다.
도 16a는 도 11에서 나타낸 것과 같은 이미지 센서에 의해 수신된 이미지 신호의 각 벡터의 크기를 나타내는 디지털 값의 어레이를 나타낸다.
도 16b는 도 11에서 나타낸 것과 같은 이미지 센서에 의해 수신된 이미지 신호의 벡터의 크기의 어레이를 나타낸다.

도 1a는 3D 범위 이미지를 캡처하는 공지된 방법을 구현하는 비전 시스템(100)의 다이어그램이다. 도 1a는 레이저-라인 생성기(101), 대상 컨베이어(102), 관심 대상(103), 레이저 조명 대상 평면(104), 디지털 카메라(105), 디지털 통신 채널(109) 및 관심 대상으로부터 추출된 3D 범위 데이터를 저장, 처리, 해석 및 디스플레이하기 위한 디지털 컴퓨터(111)를 포함하며, 이는 도 1a에서 결과(110)에 의해 도식적으로 나타낸다. 디지털 카메라(105)는 이미징 렌즈(106), 이미지 센서(107) 및 로컬 이미지 프로세서(108)를 더 포함한다.

동작시, 레이저-라인 생성기(101)에 의해 형성된, 좁은 조명면(112)은 컨베이어(102)와 관심 대상(103)을 포함하는 3D 장면과 교차한다. 레이저-라인 생성기(10)에 의해 형성된 좁은 조명면은 이미징 렌즈(106)의 대상 평면(104)과 일치한다. 이미징 렌즈(106)는 3D 장면에 의해 산란된 광을 모으고, 그것을 이미지 센서(107) 상에 집속시킨다. 이미지 센서(107)는 감광성 픽셀의 직사각형 어레이를 포함하며, 노광 기간에 걸쳐 렌즈(106)에 의해 형성된 평균 광 강도 신호를 나타내는 전기 신호를 캡처한다. 이미지 센서(107) 상에 형성된 전기 신호는 로컬 디지털 프로세서(108)에 의해 수신되는 디지털 정보 스트림으로 변환된다. 디지털 프로세서(108)는 디지털 컴퓨터(111)로의 전송을 위해 디지털 이미지 정보를 포맷한다. 일부 구현에서, 로컬 디지털 프로세서(108)는 또한 이미지를 프로세스하여 이미지의 대안적인 표현을 형성하거나 임계 측정 또는 디지털 이미지의 정보에 기초한 컴팩트 분류의 일부 다른 형태에 도달하기 위해 관련 특징을 추출한다.

일반적으로, 디지털 카메라(105)에 의해 캡처된 이미지가 로컬 디지털 프로세서(108) 또는 디지털 컴퓨터(111) 중 어느 하나에 의해 프로세스되어, 장면의 대상과 조명-면의 교차점에 의해 형성된 라인의 변위를 측정한다. 각각의 변위 측정치는 미리 결정된 카메라 캘리브레이션(calibration)에 따라, 대상 평면(104)의 대상 표면 좌표로 변환될 수 있는 이미지 좌표를 나타낸다. 일부 애플리케이션에서, 대상(103)은 연속적으로 이미지를 캡처하고 규칙적인 간격으로 변위 좌표를 추출하면서 레이저-라인 생성기(101)의 평면을 통해 이동된다. 이러한 방식으로, 도 1a의 비전 시스템(100)에 대해 볼 수 있는 대상(103)의 표면의 맵은 시간이 지남에 따라, 디지털 컴퓨터(111)에 의해 구축될 수 있다.

본 발명이 종래 기술의 기존 비전 시스템에 관련되므로, 본 발명의 양상의 더 나은 이해를 용이하게 하기 위해, 일반적으로 종래 기술에 기초한 예시가 도 1b에 대해 논의된다. 그러나, 논의는 본 발명에 대한 후속하는 개시와 일치하는 용어로 제시되어 있다.

다음 설명에서, 대문자 기호는, 일반적으로, 매트릭스 양을 나타내며, 매트릭스의 행 번호는 아래 첨자 i로, 열 번호는 아래 첨자 j로, 그리고 프레임 시간은 아래 첨자 t로 식별된다. 소문자 기호는 스칼라 또는 벡터값을 나타내며, 예를 들면,

는

의 한 요소를 나타내며,

는

의 열 벡터를 나타낸다. 괄호는 매트릭스의 모든 벡터와 요소를 집합적으로 참조하는데 사용되며, 예를 들면,

이다.

도 1b 에 요약된 연산에서,

기호

는 픽셀 어레이의 N₁ 픽셀 로우와 N₂ 픽셀 컬럼 상에 존재하는 이미지 강도 신호를 나타낸다.

기호

는

에 의해 256 레벨로 양자화된 표준 샘플링 함수와 이미지 신호

의 곱을 나타낸다.

기호

,

는 측정치

로부터 복원된 이미지 강도 신호를 나타낸다.

기호

는 컨볼루션 커널(convolution kernel)을 나타내며, 밴드-패스 필터일 수 있고, 평활화 계수

와 에지 검출 계수

의 선형 조합에 의해 생성된다.

기호

는

에 의해 컨볼루션된 복원된 이미지 신호

를 나타내며, 이는

, 예를 들면, 로우에 대하여 복원된 이미지 신호

의 근사 편도 함수를 나타낼 수 있다.

기호

는 로컬 신호 극한, 즉, 각 열 상의 신호

의

관련 신호 피크의 이미지 오프셋 파라미터를 나타낸다.

도 1b에서, 프로세스는 장면의 광 에너지를 나타내는 정보를 수신한다. 정보는 이미지 강도 신호, 예를 들면,

인

로 고려될 수 있으며, 픽셀 어레이의 N₁ 픽셀 로우와 N₂ 픽셀 컬럼 상에 존재하는 이미지 강도 신호를 나타낸다. 정보는 이미지 센서, 예를 들면 도 1a의 이미지 센서(107)에 의해 수신될 수 있다.

도 1b의 이미지 신호

는 제1 세그먼트와 제2 세그먼트 사이에서 수평으로 존재하고, 이들로부터 수직으로 오프셋 된 제3 세그먼트를 갖는 레이저 라인의 3개의 세그먼트를 포함하며, 이는, 예를 들면, 도 1a의 컨베이어(102)와 대상(103)의 조명면(112)과의 교차점의 이미지를 나타낸다. 이미지 신호

는 또한 원치 않는 오프-플레인(off-plane) 조명 아티팩트(artifact)와 노이즈(미도시)를 포함할 수 있다. 조명 아티팩트는 대상의 한 부분에서 다른 부분으로, 예를 들면, 레이저 라인의 광으로부터 내부적으로 확산되는 광일 수 있으며, 노이즈는 주변 광 또는 이미지 센서에 의해 도입될 수 있다.

일반적으로, 도 1b에 개략적으로 나타낸 연산의 함수는 물리적 장면에서 관심 대상과 조명면의 교차점으로 형성된 곡선의 이미지 특징과 관련된 로우 오프셋 파라미터를 추출하는 것이다. 종래의 방법은 이미지 신호를 샘플링하는 단계, 디지털 이미지를 형성하는 단계, 디지털 이미지를 필터링하는 단계 및 필터링 된 디지털 이미지로부터 이미지 특징을 추출하는 단계를 포함한다.

도 1b에서 개략적으로 나타낸 종래의 머신 비전 프로세스와 관련된 주된 제한은 상당한 크기의 2차원 강도 이미지가 시스템에 의해 형성된 물리적 좌표의 각각의 라인 모두에 대하여 디지털 카메라에 의해 캡처되어야 한다는 것이다. 이는 동일한 크기의 장면의 강도 이미지를 획득하는데 필요한 시간보다 장면의 3D 이미지를 캡처하는 시간을 100배 더 길게 만들 수 있으므로, 많은 산업 머신-비전 애플리케이션에 대해 레이저-라인 기반 3D 이미지 형성 방법을 너무 느리게 만든다.

이미지 센서에 의해 캡처된 이미지 신호의 종래의 디지털 표현을 생성하는데 걸리는 시간은 이미지 크기, 디지타이저의 속도 및 디지타이저의 수의 함수이다. 종래의 이미지 센서는 어레이의 각 픽셀에 의해 생성된 전압 신호를 샘플링하고; 디지털 강도 이미지를 형성하기 위해 전압을 수백 또는 심지어 수천 개의 레벨로 양자화함으로써 동작한다. 디지털 판독 프로세스는 샘플링 디바이스에 연결된 컨덕터 상에 픽셀의 전압 신호를 스위칭하고, 신호가 발생하고 안정화될 때까지 기다리며, 전압 신호를 샘플링하고, 다수의 이산(discrete) 단계로 샘플링된 전압 신호를 기준 신호와 비교하여 디지털 값에 도달하게 한다. 이미지 캡처 속도를 향상시키는 공지된 방법은 로우(또는 컬럼)의 수를 장면의 대상에 의해 예상되는 레이저-라인 변위를 수용하는데 필요한 최소의 수로 제한하는 것을 포함하지만, 실제로 유용한 변위 이미지는 여전히 수백 개의 로우의 픽셀 판독이 필요하다. 이미지 캡처 속도를 향상시키는 다른 방법은 다수의 아날로그-디지털 변환기를 사용하는 것을 포함한다. 그러나, 실제로는 아날로그-디지털 변환기의 수는 개개의 픽셀 전압에 엑세스하는데 필요한 컨덕터에 의해 제한된다. 종래의 CMOS 이미지 센서에서, 컨덕터는 불투명하고, 일반적으로 감광 영역 부근의 광학 경로에 배치되며, 제한된 수의 층에만 적층될 수 있다. 이는 일반적으로 유용한 디지타이저 수를 픽셀 어레이의 컬럼 또는 로우의 수와 같거나 더 적도록 제한한다. 이미지를 디지털화하는 고속 방법에 대해서는 많이 알려져 있지만, 궁극적으로, 디지털 이미지 획득의 종래의 방법을 사용하여 달성할 수 있는 속도는 실질적인 제한이 있다.

본 머신 비전 애플리케이션에서, 우리는 광의 평면에 의해 조명된 장면이 상대적으로 희박한(sparse) 이미지, 즉 이미지 센서 픽셀의 대다수를 숫자값 0으로 나타낼 수 있고, 장면으로부터 빛을 거의 (또는 전혀) 수신하지 못하는 이미지로서 카메라에 의해 보여질 것이라는 것을 알았다. 우리는 또한, 카메라 시야를 통해 움직이는 실제 관심 대상과 가시적인 조명면의 교차점이, 일반적으로, 구분적으로 부드럽고 연속적인 함수이며, 우리가 찾는 이미지 정보 컨텐츠는 이미지의 컬럼당 수 비트만으로 적절하게 나타낼 수 있다는 것을 알았다. 의도된 애플리케이션에서, 이미지 신호 스트림의 유용한 정보 컨텐츠는 신호의 차원에 비해 극단적으로 작으며, 종래의 이미지 디지털화 방법이 대부분의 시간을 중복된 신호 정보를 샘플링하고 변환하는데 소비한다는 것은 쉽게 알 수 있다. 아날로그 이미지 신호의 이러한 중복 판독과 변환을 피할수 있다면 비전 시스템의 처리량의 현저한 향상이 가능할 수 있다.

압축 감지 분야에서, 특정 조건 하에서, 제로 및

비 제로 계수로 구성되는 신호 벡터

는

측정만으로부터 복원될 수 있다. 이러한 공식에서:

(1)

여기서,

,

위에서 언급된 조건은 신호 벡터 x의 임의의 관련된 변형이 다음과 같이, 고유 측정치 벡터 y를 형성해야 한다는 것이다:

(2)

위와 같이 주어진 경우, x는 일치하는 측정치 벡터 y를 생성하는 최대 희소 벡터

를 검색하여 y와 A로부터 복원될 수 있다:

(3)

이러한 검색의 연산 복잡도는 K에 직접적으로 비례하는, 검색 공간의 차원, 신호 벡터 x의 희소성에 따라 기하급수적으로 커진다. 이러한 사실은 일반적으로, 더 큰 K 값에 대해, 즉, 1) x가 충분히 희소하고, 2) 측정 매트릭스 A가, 소위, 제한된 균등 특성(restricted isometry property) 에 부합하는 조건을 만족하지 않는 한 솔루션을 다루기 어렵게 만들며, 이는 희소성 K의 신호 벡터 x가 아래를 만족시키는 상수 δ의 존재를 요구한다.

(4)

상기는 작은 상수 δ 에 대해 측정치와 신호가 충분히 유사한

놈(norm)을 가지고 있는 것을 의미하며, 이러한 경우 볼록 최적화(convex optimization) 방법을 적용하여,

가 최소의

에서 발견될 수 있고, 측정치와 일치한다는 제약을 받는다.

(5)

에서, 부가 노이즈 벡터 n을 가정하면,

(6)

복원 방법에 관계없이, 압축 감지 모델의 필수 요소는 신호 희소성의 사전 지식이며, 이것 없이는 신호 벡터 x로부터 측정치 벡터 y로의 고유한 매핑을 보장하거나, 고유한 매핑이 존재하더라도 효율적인 복원을 제공하는 것이 어렵거나 불가능하다.

예상되는 이미지 신호의 희소성에 비추어, 압축 감지의 앞선 모델은 유망한 것으로 보인다. 그러나, 이미지 센서 설계 및 제조의 공지된 방법에 비해, 표면적으로, 상당한 어려움이 있다. 하나의 어려움은 측정치 벡터 y와 샘플링 함수 A 모두 실수의 세트에 속하는 계수로 구성된다고 가정된다는 것이다. 종래의 방법에 비해 속도의 향상을 달성하는 것은 병렬로 수행되는 많은 수의 다이나믹-레인지 아날로그 연산과 결과적인 아날로그 신호의 정밀 디지털화가 필요하다.

위에서 언급된 실제 구현과 관련된 몇가지 어려움은, 본질적으로, 측정 신호 y의 극단적인 양자화를 포함하는 종래의 압축 감지 이론인, 1-비트 압축 감지의 이론에 의해 다루어진다. 1-비트 압축 감지에서, 각각의 측정치는 함수

에 의해 1-비트로 양자화되며, 측정치의 부호만이 측정치 벡터 y에 저장된다.

(7)

여기서,

전술한 것은 현실적인 구현을 위한 약간의 희망을 제공하는, 아날로그-디지털 변환 프로세스의 단순화를 나타낸다. 그러나, 측정 프로세스의 본질은 원래 신호로부터의 스케일 정보를 파괴하는 것이다. 따라서, 이러한 공식에서는, 스케일 팩터 내에서의, 부분 재구성만이 가능하다. 이러한 사실은 후술하는 본 발명의 이미지 센서의 설계와 관련하여 중요하다.

광의 평면에 의해 조명된 장면의 이미지 내에 포함된 정보의 디지털 캡처를 가속시키는 것에 대한 1-비트 압축 감지의 실제 가능성을 추정하기 위해, 신호 벡터 x, 샘플링 매트릭스 A 및 측정치 벡터 y 사이에 존재하는 관계의 성질을 이해할 필요가 있다.

과

가 단위 구(unit sphere)로 정규화된 임의의 2개의 신호 벡터

를 나타내도록 하고, 측정

과 측정

,

로 매핑하는

는, 아래를 만족하면, 소위, K-희소 신호

에 대한 차수 K의 바이너리 ε-안정 임베딩(stable embedding)이다.

(8)

말하자면, 임의의 두 신호 사이의 정규화된 벡터 각도는 어떠한 공차

내에서, 측정치 사이의 정규화된 해밍 거리와 같다.

1-비트 압축 감지에서, A가 독립적이고 동일하게 분산된(Independent and Identically Distributed, I.I.D) 랜덤 변수, 예를 들면, 베르누이(Bernoulli) 분포로 구성되고, 그리고 ε>0이면,

는 아래를 만족하는 확률

인 바이너리 ε-안정 임베딩이다.

(9)

전술한 수식은 특정 크기의 신호와 지정된 해상도의 희소성의 인식을 보장하기 위해 필요한 샘플의 수에 대한 하한을 예측한다.

광의 평면에 의해 조명된 장면으로 형성된 이미지의 컬럼을 인코딩하는데 필요한 샘플 M의 최소한의 수의 추정치에 도달하기 위해, 우리는 신호

가 일부 로우 오프셋

으로 시프트된 좁은 레이저-라인 펄스를 포함하는 희소 이미지 벡터로서 모델링될 수 있다고 가정함으로써 시작한다. 이러한 이상적인 레이저 라인 펄스 신호는 이미지의 각 컬럼 벡터 상의 K=1 스퍼스(sparse)가 된다.

약간의 시프트 공차

=1 내에서

를 추정하고자 한다고 가정하면, 최소 레벨의 정확도를 보장하기 위해

가 필요하다는 것을 의미한다.

따라서,

(8')

에서

로 주어진 경우, 확률적으로 0.90보다 크기 위해서는, 이론적으로 다음을 필요로 한다:

Bits/Image Column (9')

전술한 계산은 일반적으로 종래의 CMOS 이미지 센서에 의해 형성되는, 8-비트/픽셀 디지털 이미지에 비해 실질적인 데이터 감소의 가능성을 의미한다. 이미지 센서의 처리량, 즉 프레임 속도가 처리된 정보의 양에 의해 좌우되는 정도까지, 동일한 크기의 속도 개선을 예상하는 것은 무리가 아니다.

불행하게도, 전술한 이상적인 예시와 관련된 가정 중 일부는 실제 현실에서 크게 벗어난다. 예를 들면, 일반적으로 조명된 이미지보다 비제로 요소를 덜 포함하더라도, 대상의 표면을 조명하는 광의 평면으로 형성된 이미지의 컬럼 벡터는 여전히 가장 가까운 픽셀에 레이저 라인의 위치를 인코딩하기 위해 필요한 것보다 더 많은 비제로 값을 포함한다. 이는, 최상의 경우라 할지라도, 레이저 라인의 이미지가, 이미지의 임의의 주어진 컬럼 상에서 차지하는 로우의 개수 측면에서 유한하고 다양한 두께를 가지고 있다는 사실 때문이다. 또한, 대상에 의해 산란 또는 확산된 광의 일부가 레이저의 평면에 있지 않은 대상의 표면의 다른 지점을 조명하는 것이 일반적이지만, 그럼에도 불구하고, 카메라의 시야에 있으며, 따라서, 이미지의 비제로 값의 합계에 기여한다. 통상적인 레이저-라인 이미지는 이미 비교적 희소하기 때문에, 다른 기저로의 선형 변환은 일반적으로 비제로 신호 계수의 의미있는 감소를 제공하지 않는다. 레이저-라인 이미지와 관련된 특정 불가피한 방해 파라미터와 노이즈는 이미지 신호의 비제로 값의 수에 직접적으로 기여하며, 측정에서 레이저 라인 좌표를 정확하게 인코딩하는 측정을 캡처하는데 필요한 샘플 M의 수에 간접적으로 기여한다. 또한, 디지털 프로세서의 구현에 따라, 측정으로부터 디지털 신호를 복원하는 작업이 빠르게 증가하여 유효 사이클 시간을 지배할 수 있으며, 비전 시스템 처리량을 향상시키기 위한 목적으로서 압축 감지 방법을 쓸모 없게 한다.

본 발명의 일 양상은, 도 1b의 시스템과 달리, 원래 이미지 신호 X가 측정치 Y에서 인코딩되지 않는데, 이는 필연적으로, 물리적 장면에서 관심 대상과 조명면의 교차점의 오프셋 파라미터를 추출하는 것과 직접 관련되지 않은 추가 이미지 정보의 인코딩을 필요로 하기 때문이다. 오히려, 필터링된 이미지 신호 Z가 측정치 Y에서 인코딩된다. 이것에 대한 하나의 이유는, 전술한 바와 같이, 특정 오차 허용치

에 대한 신호의 모든 변화를 임베딩하는데 필요한 샘플의 수가 차수

이기 때문이다. 레이저-라인 오프셋 파라미터의 추출에 필수적인 정보를 포함하지 않는 공간 주파수를 감쇠시키기 위해 이미지 신호 X를 필터링함으로써, Z의 희소성이 증가하고,

이며, 오차 허용치

가 동일하게 유지된다고 가정하면, 측정치 Y에서 필터링 된 신호를 견고하게 인코딩하는데 필요한 샘플의 수는, 실제로, 로우 이미지 신호 X를 인코딩하는데 필요한 샘플의 수보다, 항상 적다(종종 훨씬 적다).

도 2a는 본 발명의 양상에 따른 머신 비전 시스템에 의해 수행되는 프로세스, 특히 프로세스의 연산의 세미-플로우 다이어그램을 나타낸다. 머신 비전 시스템은, 예를 들면, 도 1의 시스템(100)의 하드웨어 중 일부 또는 모두를 포함하는 시스템일 수 있다.

도 2a에 개략적으로 나타낸 연산에서,

기호

는 이미지 센서의

픽셀 엘리먼트 상에 존재하는 이미지 강도 신호를 나타내며, 예를 들면, 이미지 센서의 픽셀 엘리먼트는 N₁ 픽셀 로우와 N₂ 픽셀 컬럼을 가질 수 있는 픽셀 어레이를 형성한다.

기호

는 이미지 신호 X의 로우에 대해 1차 편미분의 중앙 차분 근사를 연산하는데 사용되는 계수를 포함하고, 일부 실시예에서는 이로 구성되는 이미지 필터링 함수를 나타낸다.

기호

는 희소(sparse) 랜덤 시퀀스를 나타내며, 일부 실시예에서는

에서,

차의 마르코프(Markov) 체인에 기초한다.

기호

는 r로부터 로우 벡터를 도출함으로써 생성된, 랜덤 기저 함수를 나타낸다.

기호

는 랜덤 기저

및 필터링 함수

의 곱으로부터 형성된, 이미지 샘플링 함수를 나타낸다.

기호

는 샘플링 함수

와 이미지 신호 X의 곱으로부터 형성되고,

에 의해 2개의 레벨

로 양자화된 필터링된 이미지 강도 신호의 측정치를 나타낸다.

기호

는 랜덤 기저 함수

의 전치와 측정치 Y의 곱으로부터 형성된, 필터링된 이미지 신호의 추정치를 나타낸다.

기호

는 원래 이미지 신호 X와 필터링 함수

의 곱의 추정치를 나타낸다.

기호

는 로컬 신호 극한의 이미지 오프셋 파라미터, 즉, 각 컬럼 상의 신호 Z의

관련 신호 피크를 나타낸다.

도 2a에서, 블록 215는 이미지 신호 X의 정보를 나타내며, 이는 장면의 광 에너지를 나타내는 정보이다. 정보는 이미지 센서, 예를 들면, 도 1a의 이미지 센서에 의해 수신될 수 있다. 광 에너지는 장면으로부터 산란된 광일 수 있으며, 광의 적어도 일부가 렌즈에 의해 이미지 센서 상으로 포커싱된다. 이미지는 또한 원치 않는 오프-플레인 조명 아티팩트 및 노이즈(미도시)를 포함할 수 있다. 조명 아티팩트는 대상의 한 부분에서 다른 부분으로 내부적으로 확산되는 광, 예를 들면, 레이저 라인의 광일 수 있으며, 노이즈는, 예를 들면, 주변광 또는 이미지 센서에 의해 도입될 수 있다.

블록 217은 이미지 강도 신호 X의 측정치 Y를 생성하는 프로세스의 표현을 포함한다. 측정치 Y는 이미지 신호 X와 샘플링 함수

의 곱을 나타내며, 2개의 레벨로 양자화 된다. 대부분의 실시예에서, 샘플링 함수는 랜덤 기저 함수와 공간 필터링 함수의 곱이다. 일부 실시에에서, 랜덤 기저 함수는 희소하며, 베르누이 분포 또는 임의의 다른 일반적인 랜덤 분포로부터 유도된 비제로 요소이다. 일부 실시예에서, 샘플링 함수는 일반적으로 레이저 라인을 형성하는 이미지의 부분과 관련된 공간 주파수를 통과시키고, 노이즈와 다른 원치 않는 이미지 정보를 포함하는 이미지의 부분과 관련된 공간 주파수를 실질적으로 제거하는 것으로 예상된다. 일부 실시예에서, 블록 217의 프로세스는 측정치 Y의 엘리먼트를 반복적으로 생성함으로써 이미지 신호 X의 정보를 추출한다. 측정치 Y의 정보의 생성은, 일부 실시예에서, 이미지 센서 디바이스 및/또는 관련 회로와 결합된 이미지 센서 디바이스에 의해 수행된다.

일부 실시예에서, Y의 엘리먼트는 M 반복으로 생성되며, 예를 들면, M 반복 각각은 상이한

엘리먼트를 생성한다. 일부 실시예에서, 예를 들면, N₁ 로우와 N₂ 컬럼으로 배열된 픽셀 엘리먼트를 갖는 이미지 센서와 M 로우와 N₁ 컬럼을 갖는 샘플링 함수를 포함하는 실시예에서, 각각의 반복에서, 샘플링 함수의 상이한 특정 로우의 정보는 컬럼 기저 단위로 부호 동작을 수행한 후,

를 획득하기 위해 이미지 센서의 컬럼에 효율적으로 적용된다. 일부 실시예에서,

의 엘리먼트는 실질적으로 동시에 획득된다. 일부 실시예에서, 비교기는 부호 동작을 수행하기 위해 사용된다.

일부 실시예에서, 각각의 반복에 대해 샘플링 함수의 각 로우

의 정보는 이미지 센서의 픽셀 엘리먼트에 적용하는 제어 신호를 생성하는데 사용되며, 픽셀 엘리먼트의 각 로우는 동일한 제어 신호 또는 신호들을 수신한다. 따라서, 일부 실시예에서, 첫번째 반복에 대해

의 정보에 기초한 제어 신호(들)는 픽셀 엘리먼트의 제1 로우의 픽셀 엘리먼트에 적용될 수 있고,

의 정보에 기초한 제어 신호(들)는 제2 로우의 픽셀 엘리먼트에 적용될 수 있으며, 나머지도 마찬가지이다. 마찬가지로, M번째 반복에 대해,

의 정보에 기초한 제어 신호(들)는 제1 로우의 픽셀 엘리먼트에 적용될 수 있으며,

의 정보에 기초한 제어 신호(들)는 제2 로우의 픽셀 엘리먼트에 적용될 수 있으며, 나머지도 마찬가지이다.

일부 실시예에서, 그리고 도 2a에 나타낸 바와 같이, 이미지 신호 샘플링 정보는 샘플링 함수 생성기 블록 260으로부터 제공된다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 샘플링 함수 생성기 블록은, 여러 실시예에서, 다양하게, 도 1a의 로컬 디지털 프로세서(108) 또는 디지털 컴퓨터(112)일 수 있는 이미지 프로세서(220)와 관련된다. 그러나, 다양한 실시예에서, 샘플링 함수 생성기, 또는 그 일부는 이미지 센서(211)에 포함될 수 있다는 것을 인식해야 한다. 일부 실시예에서, 이미지 센서, 또는 이미지 센서와 관련된 메모리 또는 회로가, 예를 들면, 도 2a의 블록 216으로 나타낸 것과 같이, 이미지 신호 샘플링 정보를 저장하는 스토리지를 제공한다. 일부 실시예에서, 이미지 센서 및 이미지 프로세서는 모두 샘플링 함수 생성기 블록을 포함하지 않고, 대신 미리 생성된 이미지 신호 샘플링 정보는 스토리지에 저장되거나 이미지 센서와 관련된다. 일부 실시예에서, 이미지 신호 샘플링 정보는 일부 픽셀 엘리먼트에 물리적으로 인접한 제1 저장 엘리먼트와 다른 픽셀 엘리먼트에 물리적으로 인접한 제2 저장 엘리먼트를 포함하는 2개의 저장 엘리먼트 모두에 저장될 수 있다. 예를 들면, 픽셀 어레이를 형성하는 픽셀 엘리먼트의 컬럼이 정사각형 또는 직사각형을 정의하는 방식으로 배열되는 것으로 고려되는 경우, 제1 저장 엘리먼트는 픽셀 어레이의 일 측으로 고려될 수 있는 것에 관한 것일 수 있고, 제2 저장 엘리먼트는 픽셀 어레이의 반대 측에 관한 것일 수 있다. 일부 이러한 실시예에서, 제1 저장 엘리먼트에 인접한 픽셀 엘리먼트는 제1 저장 엘리먼트와 관련된 제어 신호를 수신할 수 있고, 제2 저장 엘리먼트에 인접한 픽셀 엘리먼트는 제2 저장 엘리먼트와 관련된 제어 신호를 수신할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 양상에 따른 일부 실시예를 나타내는 이미지 로우에 대해 취해진, 공간 주파수 응답을 나타내는 예시적인 그래프이다. 도 6은 주파수 응답 축(601), 주파수 축(602), 평탄한 주파수 응답 라인(605) 및 종래의 압축 샘플링 함수의 주파수 응답 곡선(603), 그리고 본 발명의 일부 실시예의 예시적인 주파수 응답 곡선(604)을 포함한다.

일반적으로, 신호 감지 장치는, 예를 들면, 이미지 센서는, 측정에서의 신호로부터 정보를, 가능한 완전하게, 인코딩하기 위해 신호를 샘플링할 수 있는 기저 벡터의 세트를 제공한다. 최소한의 정규 샘플링 속도 기준(예를 들면, 나이퀴스트(Nyquist) 기준)을 준수하는 표준(canonical) 샘플링 함수는, 사실상, 주파수 응답 곡선(605에 나타낸 바와 같이, 완전히 평탄한 주파수 응답 곡선을 나타내며, 이론적으로, 임의의 일치 신호는 그것의 측정치 벡터로부터 완전히 재구성될 수 있다.

압축 감지 방법은 신호의 정보 컨텐츠에 관한 선험적인 지식에 기초하여 종래의 샘플링 속도 기준이 완화되도록 하며, 이는 희소성 또는 압축성의 관점에서 표현된 바와 같이, 아마도 알 수 없는 일부 직교(orthogonal) 선형 기저에서 신호를 정확히 나타내는데 필요한 계수의 최소의 수이다. 이러한 일반성을 제공하기 위해, 압축 샘플링 함수는, 랜덤 프로젝션에 기초한 종래의 압축 샘플링 함수로부터 유도된, 주파수 응답 곡선(603)에 나타낸 것과 같이, 대략 평탄한 주파수 응답을 가져야 한다. 이러한 요구는, 일반적으로, 신호에 포함된 정보의 양에 관한 지식이 주파수 분포에 관하여 어떠한 정보도 전달하지 않는다는 관점에서 자명하다. 따라서, 종래의 압축 샘플링 함수의 주파수 응답은 일반적인 희소 신호 복구 가능성을 보장하기 위해 대략 평탄해야 한다.

표준 샘플링 함수(605)와 종래의 압축 샘플링 함수(603)의 주파수 응답 곡선과 대조적으로, 본 발명의 일부 실시예의 예시인 곡선(604)으로 나타낸 주파수 응답은 확실히 평탄하지 않다. 이것은, 이 예시에서, 샘플링 함수가 신호의 일반적인 정보 컨텐츠의 선험적 지식 뿐 아니라 공간 주파수 분포의 사전 지식을 가지고, 신호 뿐 아니라, 신호의 정보 컨텐츠로 형성되었기 때문이다.

도 2a, 그리고 샘플링 함수 생성기의 블록 261, 262, 259로 돌아가서, 일부 실시예에서, 벡터

는,

및

인 경우, 공간 필터링 커널

의 크기이다. 일부 실시예에서, 벡터

의 정보는 2개의 벡터

와

의 엘리먼트별 곱으로부터 형성된 것으로 이해될 수 있으며, 다음과 같다:

(10)

여기서,

는 랜덤 분포에 기초함:

(11)

그리고,

는 차수

의 마르코프 체인에 기초함:

(12)

여기서,

랜덤 기저 함수

는 다음 식에 따른 벡터

을 샘플링 함으로써 유도된다:

(13)

말하자면, 랜덤 기저 함수

의 로우는 서로에 대해

만큼 시프트 된

의 N₁ 엘리먼트 세그먼트이다.

샘플링 함수

는 다음과 같이

의 로우와 필터링 커널

의 컨볼루션으로부터 형성되는 것으로 생각될 수 있다:

(14)

도 2a에서는 다음과 같이 언급된다:

(14')

여기서,

일부 실시예에서, 컨볼루션 커널

은, 1차 미분의 중앙 차분 근사에 기초한 공간 필터링을 수행하며, 예를 들면,

이고, 다음과 같다:

(15)

일반적으로,

은 이미지 센서 하드웨어에 의해 이산적인 레벨로 제한되는 샘플링 함수

의 범위가 보장되도록 하기에 충분한 크기여야 한다. 바람직한 실시예에서,

의 엘리먼트는 모두 범위, 즉,

내에 있고, 샘플링 함수

의 로우는 충분히 상관 관계가 없다.

블록 223에서, 프로세스는 이미지 신호의 측정치 Y를 버퍼링한다. 측정치는 이미지 강도 신호의 측정치의 컬럼 벡터

로 구성된다. 대부분의 실시예에서, 이미지 신호의 측정치는 이미지 센서의 회로 또는 이미지 센서와 관련된 회로에 의해 형성되며, 측정치는 이미지 프로세서의 메모리 또는 이미지 프로세서와 관련된 메모리에 저장될 수 있다. 도 2b의 실시예 및 다른 실시예에 대한 이미지 센서와 이미지 프로세서는, 일부 실시예에서는, 직렬 데이터 링크에 의해, 또는 다른 실시예에서는, 병렬 데이터 링크에 의해 커플링 될 수 있다. 또한, 이하에서 논의되는 블록 225-231의 동작은 또한 이미지 프로세서의 회로 또는 이미지 프로세서와 관련된 회로에 의해 수행될 수 있다.

블록 225에서, 프로세스는 필터링된 이미지

의 제1 추정치

를 형성한다. 도 2a의 실시예에서, 추정치는 랜덤 기저 함수

의 전치와 측정치 Y의 곱에 의해 결정된다. 블록 227에서, 프로세스는 필터링된 이미지 Z의 추정치를 리파인 한다. 일부 실시예에서, 그리고 도 2a에 나타낸 바와 같이, 블록 255의 프로세스에 의해 형성된 필터링된 이미지의 추정치는 커널 α와의 컨볼루션에 의해 리파인 된다.

레이저-라인 조명을 포함하는 일부 애플리케이션에서, 레이저-라인은 때때로, 레이저-라인 펄스의 폭이 필터링 커널

의 서포트보다 큰 (또는 동일한) 한정된 너비의 사각 펄스에 의해 모델링될 수 있다. 전술한 모델에 따르면, 이미지 평균화 커널은 때때로 필터링 커널

의 예상되는 출력에 매칭된다. 예를 들면, 필터링 커널이

로 주어지면, 블록 227의 컨볼루션 커널은

일 수 있다.

블록 227의 리파인먼트 단계는 측정치 Y와의 그 곱을 연산하기 이전에 커널 α를 랜덤 기저 함수

의 전치로 폴딩함으로써 수행될 수 있다. 그러나, 블록 227에서 컨볼루션에 의해 동작을 수행하는 것은 블록 225의 매트릭스 곱셈이 희소 매트릭스 곱셈의 방법에 의해 수행되는 일부 실시예에서 상당한 연산의 이점을 제공한다.

블록 229는 필터링 된 이미지의 최종 추정치

을 버퍼링한다. 추정치에서 레이저 라인의 에지의 위치는 블록 231의 프로세스에 의해, 예를 들면 피크 검출 알고리즘을 사용하여 결정된다.

도 2b는 본 발명의 특정 양상에 따른 머신 비전 시스템에 의해 수행되는, 프로세스, 특히 프로세스의 연산의 세미-플로우 다이어 그램을 나타낸다. 머신 비전 시스템은, 예를 들면, 도 1a의 시스템(100)의 하드웨어 중 일부 또는 모두를 포함하는 시스템일 수 있다.

도 2b의 프로세스는 3차원 관심 대상을 통과하는 조명면으로 형성되는 시간적인(temporal) 이미지 스트림이 도 2a의 방법에 의해 예상되는 것보다 일반적으로 더욱 희소하다는 선험적인 지식을 이용한다; 이미지 신호는 신호 X의 로우 차원뿐만 아니라, 컬럼과 시간에 대하여 희소하며 및/또는 압축 가능하다. 다시 말하면, X의 인접한 컬럼 j는 매우 유사할 수 있으며, 즉, 서로 상호 관련성이 높다. 마찬가지로, 이미지 신호 X는 일반적으로 한 프레임 시간에서 다른 프레임 시간 사이에 매우 유사하다. 프레임 시간은, 예를 들면, M 샘플이 이미지 신호의 컬럼 각각에 대해 획득되는 시간 주기일 수 있다.

도 2b는 랜덤 기저 함수

와 샘플링 함수

가 다수의 독립적인 세그먼트로 분할되고, 이들 세그먼트가 시공간적으로 인터리브(interleave) 된 방식으로 사용된다는 것을 제외하고, 도 2a의 것과 유사한 비전 시스템의 연산을 나타낸다. 바람직하게는, 그리고 일부 실시예에서, 시공간적인 인터리빙은, 임의의 주어진 프레임 시간 t에서, 이미지의 컬럼 j가 그것의 공간적 이웃 j-1 또는 j+1 중 어느 것과도 동일한 패턴으로 샘플링 되지 않으며, 현재 프레임 시간에서 사용되는 샘플링 패턴이 이전 프레임 시간의 샘플링 패턴과 다음 프레임 시간의 샘플링 패턴과 상이한 것을 보장한다.

도 2a와 비교하면, 도 2b에서 개략적으로 나타낸 연산은 3개의 프레임 시간에 걸쳐 사용되는 9개의 작은 샘플링 함수 -3개의 샘플링 함수는 임의의 주어진 시간 t에서

에 대해 동시에 적용됨- 로서 생각될 수 있는 것을 나타낸다. 실제로, 이 방법은 도 2a에 개략적으로 나타낸 방법에 비해 신호 Z의 바이너리 ε-안정 임베딩과 관련된 동일한 오차 허용치를 유지하면서, 프레임 시간 t 당 샘플 M의 수를 감소시키도록 하며, 따라서 도 2a의 비전 시스템에 비해 훨씬 높은 연산 효율을 제공한다.

도 2b는 샘플링 함수의 공간적 및 시간적 인터리빙 모두의 사용을 나타내지만, 그러나, 대안적인 실시예에서, 샘플링 함수의 사용은 공간 상에서, 또는 시간 상에서만 인터리빙 될 수 있다.

도 2b에서 개략적으로 나타낸 프로세스에서:

기호

는 시간 t에서 픽셀 어레이의 N₁ 픽셀 로우와 N₂ 픽셀 컬럼 상에 존재하는 이미지 강도 신호를 나타낸다.

기호

는 1차 편미분의 중앙 차분 근사를 연산하는데 사용되는 계수를 포함하며, 그리고 일부 실시예에서는 이를 구성하는 이미지 필터링 함수를 나타낸다.

기호

는 일부 실시예에서,

인, 차수 m의 마르코프 체인에 기초하는 희소 랜덤 시퀀스를 나타낸다.

기호

는 r로부터 로우 벡터를 도출함으로써 생성되는, 랜덤 기저 함수

의 어레이를 나타낸다.

기호

는 랜덤 기저

와 필터린 함수

의 곱으로부터 형성된, 이미지 샘플링 함수의 어레이를 나타낸다.

기호

는 샘플링 함수

와 이미지 신호

의 곱으로부터 형성되고,

에 의해 2개의 레벨

로 양자화된 시간 t에서 필터링 된 이미지 강도 신호의 측정치를 나타낸다.

기호

는 랜덤 기저 함수

의 전치와 측정치

의 곱이

에 의해 컨볼루션 되어 형성된, 필터링 된 이미지 신호의 추정치를 나타낸다.

기호

는

의 합계로부터 형성된, 필터링 함수

와 원래 이미지 신호 X의 곱의 추정치를 나타낸다.

기호

는 로컬 신호 극한의 이미지 오프셋 파라미터, 즉, 시간 t-1에서 각 컬럼 상의 신호 Z의 P 관련 신호 피크를 나타낸다.

따라서, 도 2a의 프로세스에서와 같이, 블록 255에서 도 2b의 프로세스는 장면의 광 에너지를 나타내는 정보를 수신하며, 그리고 블록 256에서 프로세스는 장면의 이미지의 상대적 광 에너지에 기초하여, 이미지 강도 신호의 측정치의 벡터를 반복적으로 생성한다. 도 2a의 프로세스에서와 같이, 블록 255와 256에 의해 제공된 기능은 이미지 센서(251)를 사용하여 수행될 수 있다.

그러나, 도 2b의 프로세스에서, 측정치의 생성은 복수의 샘플링 함수를 사용하여 수행된다. 도 2b의 실시예에서, 9개의 샘플링 함수가 사용되며, 공간적 및 시간적으로 인터리빙 된다. 일부 실시예에서, 임의의 프레임 시간 t에서 3개의 상이한 샘플링 함수가 사용되며, 이전 프레임 시간 및 후속 프레임 시간에서는 3개의 샘플링 함수의 상이한 세트를 사용한다. 9개의 샘플링 함수, 또는 샘플링 함수를 생성하는 정보는 이미지 센서의, 또는 이와 관련된 메모리(291)에 동적으로 생성 및/또는 저장될 수 있다.

블록 263에서, 프로세서는 프레임 시간 t에서 이미지 신호 X의 측정치

를 버퍼링 한다. 대부분의 실시예에서, 이미지 신호의 측정치 Y는 이미지 센서의, 또는 이와 관련된 회로에 의해 형성되며, 이미지 프로세서의, 또는 이와 관련된 메모리에 저장된다. 또한, 이하에서 논의되는 블록 265-281의 동작은 이미지 프로세서의, 또는 이와 관련된 회로에 의해 수행될 수도 있다.

블록 265에서, 프로세스는 필터링 된 이미지 신호 Z의 부분 추정치를 연산한다. 도 2b의 실시예에서, 추정치 W는 대응하는 랜덤 기저 함수

의 전치와 측정치

의 곱을 각 프레임 시간 t에 대해 형성된 새로운 추정치 W로서 취함으로써 결정된다.

블록 267에서, 프로세스는 블록 265에 의해 방출된 부분 합계를 커널 α로 컨볼루션하며, 도 2a에 대해, 이전에 설명된 바와 같이, 필터링 된 이미지의 추정치를 리파링하는 것에 추가로, 각각의 컬럼 벡터가 좌측 및 우측으로의 바로 옆의 이웃과 자신의 합계에 의해 대체되도록 이웃하는 컬럼 벡터를 결합한다.

블록 279에서, 프로세스는 프레임 시간 t-1에서 필터링 된 이미지 신호 Z의 최종 추정치를 형성하기 위해 이전의 3개의 프레임 시간에 걸쳐 블록 267에 의해 출력된 부분 합계를 결합하여, 그 결과를 블록 280에 저장한다. 도 2a에서와 같이, 조명면의 파라미터는 블록 281의 프로세스, 예를 들면 피크 검출 알고리즘을 사용하여, 결정된다.

도 3은 본 발명의 특정 양상을 나타내는 이미지 센서 아키텍처를 나타내는 고-레벨 블록-다이어그램이다. 도 3의 이미지 센서는 다음을 포함한다: 샘플링 함수 스토리지 버퍼(300); 샘플링 함수 시프트 레지스터 입력 버퍼(311, 312, 313); 샘플링 함수 시프트 레지스터(321, 322, 323); 픽셀 컬럼(331, 332, 333, 334)이 내부에 포함된 픽셀 어레이(301); 아날로그 신호 비교기(341, 342, 343, 및 344)를 포함하는 아날로그 신호 비교기 어레이(340); 1-비트 디지털 출력 신호 라인(351, 352, 353, 354); 및 출력 데이터 멀티플렉서(302). 각각의 픽셀 컬럼은 복수의 픽셀 엘리먼트를 포함한다. 일반적으로, 각각의 픽셀 엘리먼트는 방사(radiation) 감응 센서(대부분의 실시예에서는 감광) 및 관련된 회로를 포함한다.

픽셀 어레이(301)의 픽셀 엘리먼트는 로컬 전하 저장 사이트에서 광-생성 전기 전하를 축적한다. 이미지 센서 픽셀 상의 광-생성 전하는 일부 양상에서 이미지 강도 신호로 간주될 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 픽셀 엘리먼트는 축적된 전하를 픽셀 전압 신호로 변환하는 고정 커패시턴스를 포함한다. 각각의 픽셀 전압 신호는 픽셀 전류 신호를 제공하기 위해, 로컬 전류 소스를 제어한다. 픽셀 전류 소스는, 샘플링 함수의 제어 하에서, 픽셀 컬럼 당 사용 가능한 2개의 신호 출력 라인 중 하나로 선택 및 스위칭될 수 있다. 출력 라인은 컬럼 상에 형성된 2개의 전류 출력 신호 각각이 선택 픽셀에 의해 공급된 전류의 합을 나타내도록, 컬럼 상의 모든 픽셀에 의해 공유된다.

3개의 샘플링 함수 시프트 레지스터의 사용으로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 3의 실시예는 도 2b에 대해서 논의된 공간 인터리빙 (및 시공간 인터리빙)을 구현하는 시스템에서 사용하기에 적합하다. 도 3의 아키텍처는 또한 동일한 정보로 채워진 3개의 시프트 레지스터, 또는 단일 레지스터에 의해 대체된 3개의 시프트 레지스터로 도 2a의 비-인터리빙된 실시예에 대해 사용될 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에서, 샘플링 함수

의 로우는 시프트 레지스터를 사용하여 메모리 버퍼의 컨텐츠로부터 동적으로 형성된다. 언제든지 활성화되는 3개의 상이한 샘플링 함수가 있다.

를 포함하는 샘플링 함수 시프트 레지스터(321)는 컬럼

에서 모든 픽셀에 대한 출력 제어 신호를 제공한다.

를 포함하는 샘플링 함수 시프트 레지스터(322)는 컬럼

에서 모든 픽셀에 대한 출력 제어 신호를 제공한다.

를 포함하는 샘플링 함수 시프트 레지스터(323)는 컬럼

에서 모든 픽셀에 대한 출력 제어 신호를 제공한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 샘플링 함수 스토리지 버퍼(300)는 픽셀 제어 신호를 유지하는 디지털 메모리 버퍼이며, 각 픽셀 제어 신호는 만약 존재한다면 2개의 전류 출력 라인 중 어느 것이 선택되는지를 나타내는 2-비트로 구성된다. 일부 실시예에서, 제어 신호를 유지하는 디지털 메모리는 2(m)-비트 길이의 워드로 엑세스되며, 여기서,

이다. 본 발명의 일부 실시예에서,

이고 메모리 데이터 폭은 32-비트이다.

샘플링 함수의 새로운 로우 i를 동적으로 생성하기 위해, 도 3의 이미지 센서는 스토리지 버퍼(300)로부터 시프트 레지스터 입력 버퍼(311, 312, 313) 내부로 3개의 워드를 복사한 다음, 입력 버퍼(311, 312, 313) 및 시프트 레지스터(321, 322, 323)의 컨텐츠가 m 자리만큼 공통으로 시프트하게 한다. 일부 실시예에서, 샘플링 함수 시프트 레지스터(321, 322, 323)는 다음 시프트 동작이 발생하는 동안 픽셀 어레이(301)에 인가된 픽셀 제어 신호의 상태를 유지하는 수단을 제공하는 N₁ 엘리먼트 롱 쉐도우(long shadow) 레지스터를 더 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 시프트 레지스터(321, 322, 323)를 제1 로우로 채우는 프로세스는 파워-업 초기화시 한번만 수행되면 되도록 샘플링 함수 메모리 버퍼(300)는 주기적 패턴으로 엑세스된다.

초기화에 후속하여, 시프트 레지스터의 각 사이클에 대해 샘플링 함수의 새로운 로우가 형성되어, 픽셀 어레이(301)에 인가되며, 따라서 선택 픽셀 출력의 합계를 나타내는, 컬럼당 2개의 새로운 전류 출력 신호가 전류 비교기 어레이(340)의 입력 상에 형성되도록 한다. 컬럼의 2개의 전류 출력 신호는 그들의 상대적 크기를 나타내는 1-비트 값을 형성하기 위해 비교된다. 함께 취해진, 컬럼 출력 비트는, 하나의 로우의 디지털 출력을 나타내며, 픽셀 어레이의 이미지 센서 픽셀 상의 이미지 강도 신호의 측정치의 로우 벡터를 형성한다. 디지털 출력의 로우는 멀티플렉서(3020에 의해 더 작은 워드로 다중화되어, 디지털 출력 스트림을 형성한다.

동작에서, 픽셀 어레이의 N₂ 컬럼 각각에 대해 M-비트를 구성하는 일부 실시예에서, 3개의 상이한 샘플링 함수의 M 로우는 모든 프레임 시간 t에 대해 생성되어, 측정치 매트릭스

를 형성한다. 도 2a 및 2b에 따르면, 측정치 매트릭스

의 각 비트는, 도 2b에 대해 이전에 설명한 바와 같이, 픽셀 어레이

의 하나의 컬럼과 샘플링 함수

중 하나의 하나의 로우의 벡터곱의 부호로서 생각될 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 앞의 식에 사용되는

양자화의 하나의 효과는 일반적으로 측정치는 이미지 신호에 존재하는 공간 주파수의 DC 계수를 인코딩할 수 없다는 것이다. 이러한 이유에서, 본 발명의 일부 실시예는 샘플링 함수에 의해 선택될 때, 전류 출력에 대한 이미 알고 있는 기여를 제공하도록 구성될 수 있는 다크 픽셀의 다수의 로우를 제공한다. 이러한 방식으로, 우리는 모든 컬럼의 특정 픽셀이 완전히 복원되고 적절히 스케일링된 이미지 신호에서 알려진 상수값을 가질 것으로 예상한다. 이는, 각 컬럼에 대해, 재구성된 신호값에 대한 예상값의 비로부터 도출될 수 있는, 스케일 팩터의 연산을 허용한다. 재 스케일링 계산에서 노이즈를 증폭시키는 것을 피하기 위해 상대적으로 낮아야 하는 재구성된 스케일 계수의 노이즈가 스케일 정보를 전달하는 로우의 수의 제곱근에 비례하는 팩터에 의해 감소되기 때문에 다수의 로우가 사용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 양상에 따른 이미지 센서의 일부의 보다 상세한 양상을 나타내는 회로 다이어그램이다. 도 4의 이미지 센서의 일부는, 일부 실시예에서, 도 3의 이미지 센서의 일부이다. 도 4의 실시예는 (명료성을 위해 픽셀 어레이의 4개의 엘리먼트만을 갖는) 픽셀 어레이(400), 전류 컨베이어(401), 전류 리미터(402), 전류 미러(403), 전류 비교기(404), 픽셀 출력 제어 라인(405), 핀(pinned) 포토다이오드(406), 리셋 트랜지스터(407), 전송 게이트(408), 트랜스컨덕터(409), 출력 선택 트랜지스터(410, 411) 및 부동 확산 노드(412)를 포함한다.

일부 실시예에서, 각각의 픽셀은 핀 포토다이오드(406)를 포함한다. 핀 포토다이오드는 리셋 트랜지스터(407)를 통해 리셋될 수 있고, 전하는 임시 저장을 위해 전송 게이트(408)를 통해 부동 확산 노드(412)로 전송하여, 노출 기간 동안 광-생성 전기 전하를 축적하도록 허용된다. 부동 확산 노드에서의 전압

는 전압 신호에 비례하는 전류 소스를 제공하기 위해 트랜스컨덕터(409)를 제어한다. 픽셀 제어 라인(405)의 상태에 따라, 픽셀로부터의 전류는 트랜지스터(410) 또는 트랜지스터(411)를 통해 컬럼 상의 모든 픽셀에 의해 공유된 2개의 전류 출력 라인 중 하나로 스위칭될 수 있다. 개념적으로, 컬럼 출력 전류는 선택 픽셀로부터의 전류의 단순 합계를 나타내지만, 실제로는, 추가적인 요소가 있다. 보다 현실적인 추정치는 판독 회로 블록에 의해 도입되는 이득 오차 및 오프셋과 트랜스컨덕터(409)에 의해 도입되는 비-선형 오차를 포함하며, 다음과 같다:

(16)

여기서, a, b 및 c는

에 대한 2차 조정의 계수이고,

는 픽셀의 부동 확산 노드(412)에 저장된 전압이다. 계수는 트랜지스터의 동작점 (

, V₀₊ 및 V_0-)에 의존한다. 계수 a, b 및 c는 모든 픽셀에 대해 대략 동일하지만, 일부 불일치가 고려될 필요가 있을 수 있다.

각 컬럼의 전압 V₀₊ 및 V_0-는 전류 컨베이어 모두를 사용하여 고정된다. 일부 실시예에서, 전류 컨베이어는 단일 PMOS에 기초하며, 여기서:

(17')

(17'')

전류 컨베이어(401)는 안정화 요건을 이행하는데 필요한 최소 속도를 보장하기 위해 전류

로 바이어스 된다. 양 및 음의 브랜치는 전류 미러(403)을 사용하여 균형을 이루며, 부호는 전류 비교기(404)를 사용하여 획득된다. 컬럼 출력 라인을 구동하는 밝은 픽셀의 과도한 수를 갖는 이미지 컬럼에 의해 발생하는 브레이크-오프(break-off) 문제를 피하기 위해 전류 리미터(402)가 포함된다.

본 발명의 다른 양상은, 일부 실시예에서, 이미지 신호는 픽셀 리셋과 샘플링 사이의 시간 간격에 걸쳐 이미지 센서의 픽셀에 집적되기 때문에 측정치

의 각 로우 벡터가 이미지 신호

의 순간적인 상태를 나타낼 수 있도록 측정

의 로우가 이미지 신호

의 시간적인 발생과 함께 형성된다. 대부분의 실시예에서, 측정치 Y의 각 엘리먼트

는, 효과적으로,

함수에 의해 정규화된다. 그러나, 신호와 측정치 벡터 사이의 관계가 주어지면, 본 발명의 배경에서 설명된 바와 같이, 측정치 Y는 M개의 정규화된 신호 벡터의 합에 기초한 것으로 개념화될 수 있으며, 다음과 같다:

(18)

위의 개념적인 공식은

의 컬럼 벡터의 엘리먼트가, 크기의 측면에서, 이미지 센서의 고유 신호 저장 디바이스가 포화된 이후에도, 그들의 상대적 관계를 유지하는 경향이 있다는 것을 나타낸다. 이러한 행동은 이미지 센서의 픽셀이 그들의 선형 범위에서 여전히 동작하고 있는 기간에 걸쳐 측정치

의 일부 한정된 퍼센티지가 생성된다는 사실로부터 직관적으로 이해될 수 있다.

도 8은 본 발명의 양상에 따른 확장된 동적-범위 획득을 나타내는 타이밍 다이어그램이다. 타이밍 다이어그램은 트리거 신호 TRIG(841), 리셋 신호 RST(842) 및 선택 신호 SEL(843)을 포함한다. 일단 포토-다이오드가 리셋되면, 포토-다이오드의 전송 게이트가 특정 이미지의 M 샘플 동안 활성화가 계속되는 경우, 샘플링 매트릭스

의 각 벡터는 점진적으로 더 큰 노출 타임과 관련된 이미지 신호에 적용된다.

트리거 신호는 센서에 의한 이미지 획득의 시작을 나타낸다. 리셋 신호는 센서의 픽셀의 부동 확산 노드를 리셋한다. 선택 신호는 센서의 선택 픽셀의 출력을 선택한다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 선택 신호는 다양한 선택 픽셀로부터 M개의 샘플을 획득하고, 시간 t₁에서 시작하여 시간 t_m까지(845) 계속된다. 시간 t₁은 일반적으로 리셋 신호가 로우(low)로 된 이후, 충분한 노출 시간 및 그에 따른 전하 축적 시간을 허용하여 픽셀이 유효한 응답을 획득하게 한다. 이러한 시간 요건은 최소 노출 시간인 T_{exp_min}(844)로서 표시된다. 픽셀은 t₁ 에서 t_m까지 기간 동안 노출된 채로 있다. 따라서, 일반적으로 l 내지 m의 각 후속 샘플링 시간 동안, 픽셀은, 노출 기간이 길어져, 효과적으로, 센서의 동적 범위를 증가시킨다.

일부 실시예에서, 샘플의 획득과 전하의 축적은 동기하여 발생할 수 있으며, 예를 들면 도 8의 타이밍 다이어그램에 나타낸 바와 같이, 측정치에 대한 M개의 샘플은 리셋 신호의 인가들 사이에서 획득된다. 다른 실시예에서, 측정치에 대한 M개의 샘플을 획득하는 것은 M개의 샘플이 획득되는 기간 동안 인가되는 리셋 신호로 인터럽트 될 수 있으며, 전하 축적 기간은 측정치에 대한 샘플이 얻어지는 동안의 기간과 비동기적일 수 있다.

본 발명의 일부 구현에서, 도 5에서 나타낸 것과 유사한 아키텍처를 갖는 병렬적인 프로세싱 디바이스가 측정 스트림을 프로세스하도록 제공된다. 도 5는 본 발명의 양상과 일치하는 프로세싱 아키텍처의 블록 다이어그램이다.

도 5는 측정 입력 버퍼(501); 측정 프로세싱 버퍼(502); 기저 함수 버퍼(504); 측정 레지스터(503), 곱셈기(505), 합산 정션(506) 및 축적 레지스터(507)를 포함하는 매트릭스 멀티플렉서(500)를 포함한다. 또한, 도 5의 프로세서에는 부분 합 레지스터(508); 부분 합 버퍼(509); 신호 평균화 프로세서(510); 신호 재구성 로우 레지스터(511); 신호 재구성 로우 버퍼(512); 피크 검출 프로세서(513); 신호 파라미터 레지스터(514) 및 출력 버퍼(515)가 포함된다.

동작시, 입력 측정 스트림은 측정 입력 버퍼(501)에 기록된다. 전체 프레임-시간 측정치

가 입력 버퍼(501)에서 이용가능한 경우, 측정 프로세싱 버퍼(502)에 전송된다. 여기서 고려되는 구현에서, 측정치 비트의 로우는 프로세싱을 위해 한 번에 하나의 로우씩 측정 버퍼(502)에서 측정 프로세싱 버퍼(503)로 전송된다. 버퍼(508)에서

의 각 엘리먼트를 형성하기 위해, 버퍼(502)에서의 측정치 Y의 각 컬럼

의 각 비트는 하나의 컬럼 벡터

의 대응하는 비트에 의해 곱해지며, 다음과 같다:

(19)

여기서,

및

이다.

레지스터(511)의 재구성 신호 로우 벡터

는 매트릭스 곱셈기(500)의 출력인

를 두 이전 프레임 시간

및

로부터의 대응하는 로우와 합산하고 도 2a 및 도 2b에 대해 전술한 바와 같이, 커널 α에 의해 컨볼루션함으로써, 신호 평균화 프로세서(510)에 형성된다. 이러한 이미지 평균화 기능의 효율적인 구현을 위한 방법은 고속 디지털 이미지 프로세싱 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다.

피크 검출 프로세서(513)는 관심 대상과 조명면의 교점의 지점과 관련된 오프셋 파라미터를 추정함으로써 버퍼(512)에 저장된 재구성된 신호의 로우를 프로세스한다. 재구성된 신호

는 공간 필터링 함수

에 의해 프로세스된 원래 이미지 신호 X의 추정치이며, 일부 구현에서, 이는 로우에 대한 이미지 신호의 1차 미분의 중앙 차분 근사임을 상기하라. 이러한 필터링 된 이미지 신호

로부터 오프셋을 추출하는 공지된 방법은 재구성된 이미지의 각 컬럼 상에서 발견된 로컬 최소값 및 최대값을 찾아 정렬하는 단계, 관심 포인트를 찾기 위해 이웃하는 최소/최대 쌍을 페어링하는(paring) 단계, 차분 크기 순으로 각 컬럼 상의 관심 포인트를 정렬하는 단계 및 이러한 P 관심 포인트의

로우 오프셋 좌표로부터 오프셋 좌표 벡터

를 형성하는 단계를 포함한다. 추가적인 단계는 서브-픽셀 파라미터를 추정하기 위한 보간과, 관심 대상의 표면에 대한 선험적 예상치에 대해 불일치하는 이러한 포인트를 제거하기 위해 좌표 세트를 프루닝(pruning)하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 피크 검출 기능의 효율적인 구현 방법은 머신-비전 분야에서 통상의 기술자에게 잘 알려져 있을 것이다.

일부 실시예에서, 신호 Z의 보다 정확한 근사는 기저 함수

와 측정치 Y에 기초하여 형성될 수 있다.

도 7은 이미지 신호

의 보다 정확한 근사를 순차적으로 형성하는 방법을 나타내는 다이어그램이다. 도 7은 플로우차트(700)와 설명도(750)를 포함한다. 플로우차트(700)는, 재구성된 이미지 버퍼를 초기화하는 단계(701), 재구성된 이미지를 공간적으로 필터링하는 단계(702), 재구성 오차를 연산하는 단계(703), 재구성 오차를 테스트하는 단계(704), 신호 구배를 연산하는 단계(705), 스토리지 버퍼(707)의 새로운 재구성된 이미지를 형성하는 단계(706) 및 스토리지 버퍼(707)로부터 최종 결과를 판독하는 단계(708)를 포함한다.

플로우차트(700)의 재구성 방법은 예시적인 도면(750)에 의해 다음과 같이 설명될 수 있다:

701. 원래 측정치 벡터 Y는 측정 공간에서 신호 공간으로 변환되어, 신호의 제1 근사

을 형성한다.

702. 신호의 제1 근사

은 필터링되어, 제2 근사

(미도시)를 형성한다. 필터링은 재구성 노이즈를 감쇠시키면서, 신호의 관련 정보를 보존하도록 의도된 신호의 선형 또는 비선형 변형을 포함한다.

703. 제2 근사

는 측정 영역으로 다시 변환되며, 원래 측정치 벡터 Y에서 뺀 제2 측정치 벡터를 형성하여, 측정치 구배

를 형성한다.

704. 측정치 구배의 크기

가 충분히 작다면, 신호

의 현재 제1 근사는 신호 Z의 최상의 근사로서 보고된다.

705. 704에서 조건을 만족시키지 못하면, 측정치 구배

는 신호 공간으로 변환되어, 신호 구배

를 형성한다.

706. 신호 구배

는 신호의 제2 근사

에 추가되어, 신호의 새로운 제1 근사

를 생성하고, 재구성 프로세스는 단계 702로 돌아간다.

플로우차트(700)의 방법은 이미지 신호 Z의 선험적 지식, 특히 정보 컨텐츠가 신호의 크기와 비교하여 작다는 지식에 기초한다. 신호의 제1 근사는, 701에서 연산된 바와 같이, 희소 신호에 더하여 복잡성을 증가시키는 것으로 여겨지는 샘플링 노이즈와 다른 노이즈를 포함하는 것으로 가정된다. 702의 필터링 프로세스는 원래 신호에서 예상되는 희소성 또는 정보 컨텐츠 레벨로 신호 근사를 제한하도록 설계된다. 제2 신호 근사는 원래 신호와 동일한 희소성을 가질 수 있지만, 그것이 충분히 정확한 근사를 나타내기 위해 원래 신호에 실제로 충분히 가깝다는 보장이 없다. 원래 신호 Z가 알려지지 않았기 때문에, 근사

의 정확도를 테스트하는 직접적인 방법은 없다. 그러나, 간접적인 방법이 있으며, 즉, 신호의 근사를 측정치 공간으로 다시 변환하고, 측정치 벡터까지의 거리를 연산하는 것이며, 측정치 벡터는 정확히 알려져 있다. (본 발명의 배경에서 설명된 바와 같이) 측정치 공간에서의 거리와 신호 공간에서의 거리 사이의 알려진 관계가 있기 때문에, 측정치 공간의 그래디언트 벡터로부터, 사실상, 원래 신호의 방향으로 가리키는 신호 공간에서의 그래디언트 벡터를 추론할 수 있다. 신호 그래디언트 벡터를 현재 근사에 추가함으로써, 우리는 원래 신호에 보다 가까운 새로운 신호 근사를 형성한다. 그래디언트를 필터링, 형성 및 적용하는 전술한 프로세스는 필터링된 이미지로부터 형성된 측정치 벡터가 실제 측정치 벡터에 충분히 가까워질 때까지 또는 측정치 공간에 형성된 그래디언트 벡터가 더 작아지지 않게 될 때까지 반복될 수 있으며, 이는 샘플링 함수의 정확한 한계를 초과하였다는 것을 나타낸다.

압축 감지 문헌에서, 상기와 유사한 공지된 방법은 K 계수 이외의 모든 것을 제로화하는 방법에 의해 재구성된 신호를 필터링하는 프로세스를 참조하여 명명된, 바이너리 하드 임계처리(Binary Hard Thresholding, BIHT)를 포함하며, 여기서 K는 특정 기준에서 신호의 공지된 희소성을 나타낸다. 이러한 필터링 방법은 효과적일 수 있지만, 실제로 효율적으로 구현하기 어려울 수 있다. 일부 애플리케이션에서,

에 적용된 간단한 중간값 필터(median filter)는 계수 잘라내기(truncation)의 보다 복잡한 방법과 동일한 역할을 할 수 있지만, 보다 쉽게 구현되며, 원래 이미지 신호의 희소성 K의 정확한 지식 또는 임계값 프로세스에 적용하기 위한 최대 압축 기준의 지식(또는 이를 탐색하는 지식)에 의존하지 않는다.

픽셀 어레이(400)를 갖는 이미지 센서(107)를 포함하는 머신 비전 시스템(100)은 조명면으로 희미하게 조명된 장면의 디지털 이미지(110)를 형성할 수 있으며, 형성된 디지털 이미지는 조명면에 의해 조명되는 부분에 걸친 장면의 다양한 표면 사이의 높은 불연속성으로 인한 디지털 이미지 내의 조명 프로파일의 세그먼트의 상대적 변위에 관한 정보를 포함하지만, 이들 표면의 조명된 부분의 상대적 반사율에 관한 정보가 부족하다. 본 명세서의 앞에서 언급된 바와 같이, 개시된 기술은 디지털 이미지를 형성하기 위해 이하에서 설명되는 시스템과 기술을 사용함으로써 수정될 수 있으며, 디지털 이미지는 (1) 장면에서 다양한 표면의 대응하는 조명된 부분의 높은 불연속성으로 인한 디지털 이미지 내의 조명 프로파일의 세그먼트의 상대적 변위 및 (2) 이들 표면의 조명된 부분의 상대적 반사율에 관한 정보를 포함한다.

도 9a는 동작 환경에서 머신 비전 시스템(900)의 구현의 예시를 나타낸다. 머신 비전 시스템(900)은 조명면(112)으로, 컨베이어(102) 상에 배치된 관심 대상을 포함하는 3차원 장면 (또는 단순히 장면)을 조명하는데 사용되며, 이러한 방식으로 조명된 장면의 디지털 이미지를 형성한다. 또한, 머신 비전 시스템(900)은 조명면(112)을 형성하는 레이저-라인 생성기(101)를 포함한다. 그리고, 머신 비전 시스템(900)은 이미징 렌즈(106)와 이미지 센서(907)를 포함하는 디지털 카메라(905)를 포함한다. 이미지 센서(907)는 이미징 렌즈(106)의 이미지 평면 상에 배치된 직사각형 픽셀 어레이를 포함한다. 또한, 조명면(112)은 대상 평면(104)에서 컨베이어(102)와 관심 대상(103a)에 교차한다. 이러한 방식으로, 이미징 렌즈(106)는 장면에 의해 산란된 광을 모으고, 이미지 센서(907)의 픽셀 어레이 상에 산란된 광을 포커싱한다.

도 9b는 장면이 불균일하게 조명된 것처럼, 카메라(905)의 시야에서 볼 수 있는 장면의 부분(903a)을 나타낸다. 다시 말해, 도 9b는 가시 장면 부분(903a)의 구조적 양상을 나타낸다. 이와 같이, 가시 장면 부분(903a)은 저-효율 광 산란자(예를 들면, 컨베이어의 재료는 강한 광 흡수자임)인 어두운 회색 표면을 갖는 컨베이어(120)의 부분을 포함한다. 가시 장면 부분(903a)은 또한 대상(103a)의 부분을 포함한다. 여기서, 대상(103a)은 컨베이어(102) 상에 유한한(비-제로) 높이를 갖는다. 또한, 대상(103a)의 상부 표면은 고-효율 광 산란자인 백색 배경과 중간-효율 광 산란자인 (예를 들면, 대상의 상부 표면 상에 프린트된 라벨에 대응하는) 옅은 회색 전경을 갖는다. 장면과 조명면(112)의 교차점은 도 9b에 나타낸 가시 장면 부분(903a)에서 점선으로 표시된다. 여기서, 교차점은 제1 세그먼트와 제2 세그먼트 사이에서 수평으로 늘어나고, 그리고 이들로부터 수직으로 오프셋되는 제3 세그먼트를 갖는, 3개의 세그먼트로서 나타난다. 제1 및 제2 세그먼트는 컨베이어(102)와 조명면(112)의 교차점이며, 제3 세그먼트는 대상(103a)과 조명면의 교차점이다.

도 9a를 다시 참조하면, 이미지 센서(907)는 노출 시간 기간 동안 이미징 렌즈(106)에 의해 형성된 평균 광 강도 신호를 나타내는, 이미지 신호를 수신(즉, 캡처 또는 감지)하며, 바이너리 측정 신호를 형성한다. 머신 비전 시스템(900)은 디지털 카메라(905) 내부의 부분(908)과 디지털 카메라 외부의 다른 부분(911)을 갖는 디지털 프로세서를 더 포함한다. 예를 들면, 내부 부분은 로컬 이미지 프로세서(908)일 수 있고, 외부 부분은 디지털 컴퓨터(911)일 수 있으며, 디지털 프로세서의 내부 및 외부 부분은 디지털 통신 채널(109)을 통해 서로 통신 가능하게 커플링 된다. 디지털 프로세서(908/911)는 바이너리 측정 신호를 저장하고 프로세스하도록 구성되어, 후자가 조명면(112)에 의해 희미하게 조명되는 경우, 가시 장면 부분(903a)에 대응하는 디지털 이미지(910)를 형성하고 잠재적으로 디스플레이한다. 도 9a에서 나타낸 예시에서, 디지털 이미지(910)는 캘리브레이션에 따라, 대상 평면(104)의 대상 표면 좌표로 변환될 수 있는 이미지 좌표에서의 변위 정보와 조명면(112)에 의해 조명된 장면의 이미지의 강도 정보를 포함하고, 강도 정보는 컨베이어(102) 대상(103a)의 배경 및 전경의 상대적 반사율에 대응한다.

이미지 센서(907)와 전술한 디지털 이미지(910)를 획득하기 위한 머신 비전 시스템(900)에서 구현되는 기술의 상세한 양상을 설명하기에 앞서, 머신 비전 시스템(100)을 사용하여 가시 장면 부분(903a)에 대응하는 디지털 이미지를 획득하는 양상이 먼저 설명된다.

도 10a는 도 9b에서 나타낸 가시 장면 부분(903a)이 조명면(112)에 의해 희미하게 조명되는 경우, (도 1a에서 나타낸 머신 비전 시스템(100)의 이미지 센서(107)의 일부일 수 있는) 도 4에서 나타낸 픽셀 어레이(400)에 의해 수신된, 이미지 신호 X_S'의 양상을 나타낸다. 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 픽셀 어레이(400)는 N₁ 로우와 N₂ 컬럼을 갖고, 픽셀 어레이의 로우 및 컬럼의 교차점에서 배열된 감광 픽셀을 포함한다. 이와 같이, 이미지 신호 X_S'는 도 9b에서 나타낸 가시 장면 부분(903a)의 대응하는 포인트로부터 픽셀 어레이(400)의 감광 픽셀에 산란된 광의 에너지를 나타내는 값의 N₁xN₂ 어레이이다. 이러한 방식으로, 대부분의 가시 장면 부분(903a)이 어둡기 때문에(즉, 조명면(112)에 의해 조명되지 않음), 픽셀 어레이(400)에 의해 수신된 이미지 신호 X_S'의 대부분은 배경값으로 지칭되는 (도 10a에서 검정으로 나타낸) 낮은 값을 갖는다. 가시 장면 부분(903a)의 3개의 조명된 부분은, 이 예시에서 픽셀 어레이(400)의 로우를 따라 배향된, 이미지 신호 X_S' 내의 조명 프로파일의 3개의 세그먼트에 대응된다.

여기서, 이미지 신호 X_S' 내의 조명 프로파일의 제1 세그먼트와 조명 프로파일의 제2 세그먼트는 동일 선상에 있고, 컨베이어(102)의 제1 조명 부분 및 제2 조명 부분에 대응한다. 조명 프로파일의 제1 세그먼트와 조명 프로파일의 제2 세그먼트를 따른 이미지 신호 X_S'의 값은 (도 10a에서 어두운 회색으로 나타내며, 그리고) 배경 값보다 높고, 컨베이어(102)의 조명 부분으로부터 적은 에너지의 광이 산란된 것을 나타낸다. 예를 들면, (도 9b에서 나타낸 가시 장면 부분(903a)의 수직 스트립 j₁에 대응하는) 이미지 신호 X_S'의 컬럼

은 조명 프로파일의 제1 세그먼트에 교차하고, 도 10b의 그래프 215-j₁에 나타내며, 배경 값은 대략 0이고, 컨베이어(102)의 조명 부분에 대응하는 이미지 신호값은 전체 스케일의 ¼과 대략 동일하다. 또한, 이미지 신호 X_S' 내의 조명 프로파일의 제3 세그먼트는 조명 프로파일의 제1 세그먼트와 조명 프로파일의 제2 세그먼트 사이에 있으며, 이들에 대해 변위되고, 대상(103a)의 상부 평면의 조명 부분에 대응한다. 조명 프로파일의 제3 세그먼트를 따르는 이미지 신호 X_S'의 일부 값은 (도 10a에서 연한 회색으로 나타내며, 그리고) 조명면(112)에 의해 조명된 대상(103a)의 부분의 상부 표면의 전경으로부터 중간(moderate) 에너지의 광이 산란된 것을 나타낸다. 예를 들면, (도 9b에서 나타낸 가시 장면 부분(903a)의 수직 스트립 j₂에 대응하는) 이미지 신호 X_S'의 컬럼

은 조명 프로파일의 제3 세그먼트에 교차하고, 도 10b의 그래프 215-j₂에서 나타내며, 배경 값은 대략 0이고, 대상(103a)의 상부 표면의 전경의 조명 부분에 대응하는 이미지 신호는 전체 스케일의 ¾과 대략 동일하다. 조명 프로파일의 제3 세그먼트를 따르는 이미지 신호 X_S'의 일부 다른 값은 (도 10a에서 백색으로 나타내며, 그리고) 조명면(112)에 의해 조명된 대상(103a)의 부분의 상부 표면의 배경으로부터 높은 에너지의 광이 산란된 것을 나타낸다. 예를 들면, (도 9b에서 나타낸 가시 장면 부분(903a)의 수직 스트립 j₃에 대응하는) 이미지 신호 X_S'의 컬럼

은 조명 프로파일의 제3 세그먼트에 교차하고, 도 10b의 그래프 215-j₃에서 나타내며, 배경 값은 대략 0이고, 대상(103a)의 상부 표면의 배경의 조명 부분에 대응하는 이미지 신호값은 전체 스케일과 대략 동일하다.

머신 비전 시스템(100)의 입력으로서 수신된, (도 10a에 나타낸) 이미지 신호 X_S'는, 예를 들면, 도 2a와 관련되어 전술된 기술에 따라, 디지털 프로세서(108/111)에 의해 프로세스 되어 디지털 이미지

(110)를 획득할 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 언급된 바와 같이, 도 2a와 관련되어 전술된 기술을 수행하는 경우 머신 비전 시스템(100)에 의해 사용되는, sign(.)의 양자화의 하나의 효과는 획득된 디지털 이미지(110)가 이미지 신호 X_S' 내의 조명 프로파일의 세그먼트의 위치에 관한 정보만을 포함하지만, 배경 값에 대한 조명 프로파일의 값에 관한 정보는 결여되어 있다는 것이다. 예를 들면, 그래프 229-j₁에 의해 나타낸, 디지털 이미지

(110)의 컬럼

은 그래프 215-j₁에 의해 나타낸 이미지 신호 X_S'의 대응하는 컬럼

의 피크와 동일한 위치에서 피크를 가지나, 피크의 이미지 신호값이 그래프 215-j₁에서는 전체 스케일의 대략 ¼과 동일한 반면, 피크의 디지털 이미지값이 그래프 229-j₁에서는 전체 스케일과 대략 동일하다. 다른 예시로서, 그래프 229-j₂에 의해 나타낸, 디지털 이미지

(110)의 컬럼

은 그래프 215-j₂에서 나타낸, 이미지 신호 X_S'의 대응하는 컬럼

의 피크와 동일한 위치에서 피크를 가지나, 피크의 이미지 신호값이 그래프 215-j₂에서는 전체 스케일의 대략 ¾과 동일하면, 피크의 디지털 이미지값은, 다시 한번, 그래프 229-j₂에서는 전체 스케일과 대략 동일하다. 그래프 229-j₃에 의해 나타낸, 디지털 이미지

(110)의 컬럼

의 경우, 그래프 215-j₃에 의해 나타낸 이미지 신호 X_S'의 대응하는 컬럼

의 피크와 동일한 위치에서 그것의 피크를 가지며, 동시에, 그래프 215-j₃에서 피크의 이미지 신호값은 그래프 229-j₃에서 피크의 디지털 이미지 값과 같이, 전체 스케일과 대략 동일하다.

이러한 방식으로, 디지털 이미지

(110)이 도 2a와 관련되어 전술된 기술에 따른 머신 비전 시스템(100)에 의해 형성되는 경우, 조명면(112)에 의해 조명된 가시 장면 부분(903a)의 표면의 상대적인 반사율에 관한 이미지 신호 X_S'의 정보는 손실된다. 그러나, 이미지 센서(907)를 포함하는 머신 비전 시스템(900)은 도 12와 관련하여 후술되는 바와 같이, 조명면(112)에 의해 희미하게 조명된 가시 장면 부분(903a)에 대응하는 이미지 신호를 수신하고, 이미지 신호 내의 (장면의 조명 부분에 대응하는) 조명 프로파일의 세그먼트의 위치 및 강도 (즉, 이미지 신호값) 모두에 관한 정보를 보존하는 디지털 이미지를 형성하는 기술을 구현하는데 사용될 수 있다. 언급된 기술을 설명하기에 앞서, 이미지 센서(907)가 다음에 상세하게 설명된다.

도 11은 머신 비전 시스템(900)의 이미지 센서(907)의 구현의 예시를 나타낸다. 이미지 센서(907)는 이미지 신호 X_S를 수신(즉, 감지 또는 캡처)하고, 바이너리 측정 신호 Y를 출력하도록 구성된다. 예를 들면, 이미지 신호 X_S는 후자가 조명면(112)에 의해 희미하게 조명되는 경우, 가시 장면 부분(903a)으로부터 산란된 광의 에너지를 나타낸다. 도 11에 나타낸 예시에서, 이미지 센서(907)는 픽셀 어레이(1100), 샘플링 패턴 생성기(1120) 및 디지타이저(1128)를 포함한다.

여기서, 픽셀 어레이(1100)는 N₁ 로우와 N₂ 컬럼에 의해 배열된다. 예를 들면, 픽셀 어레이(1100)는 N₁=512 로우와 N₂=512 컬럼 또는 N₂=768 컬럼을 가질 수 있다. 픽셀 어레이(1100)는 N₁ 픽셀 출력 제어 버스의 어레이(1105)와 N₂ 픽셀 컬럼 회로의 어레이(1110)를 포함한다. 어레이(1105)의 N₁ 픽셀 출력 제어 버스는 픽셀 어레이(1100)의 로우와 일대일 대응한다. 이러한 방식으로, 각각의 픽셀 출력 제어 버스(1105-i)는 픽셀 어레이(1100)의 i_th 로우 상의 픽셀에 i_th 픽셀 출력 제어 신호를 제공하도록 배열 및 구성되며, 여기서 i=1…N₁이다. 도 11에 나타낸 예시에서, 각각의 픽셀 출력 제어 버스(1105-i)는 2개의 컨덕터를 포함한다. 다른 구현에서, 픽셀 출력 제어 버스(1105-i)는 하나의 컨덕터 또는 2개 초과의 컨덕터를 포함할 수 있다.

또한, 어레이(1110)의 N₂ 픽셀 컬럼 회로는 픽셀 어레이(1100)의 컬럼에 일대일 대응한다. 각 픽셀 컬럼 회로(1110-j)는 출력 신호를 합산하기 위한 픽셀 출력 버스(1112-j)를 포함하며, 여기서, j=1…N₂이다. 도 11에 나타낸 에시에서, 픽셀 출력 버스(1112-j)는 2개의 컨덕터를 포함한다. 다른 구현에서, 픽셀 출력 버스(1112-j)는 하나의 컨덕터 또는 2개 초과의 컨덕터를 포함할 수 있다.

또한, 각각의 픽셀 컬럼 회로(1110-j)는 픽셀 출력 제어 버스(1105)의 어레이와 일대일 대응으로 커플링된 N₁ 픽셀의 선형 어레이를 포함한다. 픽셀의 선형 어레이는 (N₁-N_D) 감광 픽셀의 선형 어레이(1101) 및 N_D 다크 픽셀의 선형 어레이(1106)를 포함한다. 도 11에 나타낸 예시에서, (N₁-N_D) 감광 픽셀의 선형 어레이(1101)는 픽셀 어레이(1100)의 첫번째 (N₁-N_D) 로우에 대응하며, N_D 다크 픽셀의 선형 어레이(1106)는 픽셀 어레이의 마지막 N_D 로우에 대응한다. 이러한 방식으로, 픽셀 어레이(1100)는 i₁=1…(N₁-N_D) 및 j=1…N₂인 감광 픽셀 1101-(i₁,j)의 (N₁-N_D) 로우와 i₂=(N₁-N_D+1)…N₁인 다크 픽셀 1106-(i₂,j)의 N_D 로우를 갖는 것으로 할 수 있다. 여기서, 다크 픽셀의 로우의 수 N_D는 픽셀 어레이(1100)의 로우의 전체 수 N₁의 작은 부분으로 선택되며, 예를 들면, N_D/N₁=1/128 또는 1/32 또는 1/8이다.

1101-(i₁,j)로 라벨렝 된 감광 픽셀은 픽셀 컬럼 회로 1110-j의 부분이고, 픽셀 어레이(1100)의 i_1th 로우 상에 배열되며, 여기서 i₁=1…(N₁-N_D) 및 j=1…N₂이다. 감광 픽셀 1101-(i₁,j) 각각은 (여기서, 이미지 신호 X_S의 계수

로서 수치화 된) 감광 픽셀에 의해 수신(즉, 감지 또는 캡처)된 광 에너지에 응답하는 광 신호 소스 1102-(i₁,j)와 출력 선택 회로 1103-(i₁,j)를 포함하며, 후자는 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₁에 커플링 되며, 감광 픽셀이 픽셀 출력 버스에 픽셀 출력 신호 I-(i₁,j)를 제공하도록 하는 픽셀 출력 버스 1112-j에 광 신호 소스의 커플링을 제어한다. 여기서, 감광 픽셀 1101-(i₁,j)에 의해 형성된 픽셀 출력 신호 I-(i₁,j)는 이미지 신호 X_S의 계수

에 비례한다, 즉,

. 광 신호 소스 1102-(i₁,j)는 핀 포토다이오드(406), 리셋 트랜지스터(407), 전송 게이트(408), 트랜스컨덕터(409) 및 부동 확산 노드(412)를 포함한다. 핀 포토다이오드(406)는 리셋 트랜지스터(407)를 통해 리셋될 수 있으며, 일시적인 저장을 위해 전송 게이트(408)를 통해 부동 확산 노드(412)에 전하를 전송하여, 노출 기간 동안 광-생성된 전기 전하를 축적하도록 허용된다. 부동 확산 노드에서의 픽셀 전압

는 픽셀 전압에 비례하는 전류 소스를 제공하기 위해 트랜스컨덕터(409)를 제어한다. 출력 선택 회로 1103-(i₁,j)는 픽셀 출력 버스 1112-j의 2개의 컨덕터 중 각 하나에 연결된 출력 선택 트랜지스터(410, 411)를 포함한다. 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₁의 상태에 의존하여, 여기서, 광 신호 소스 1102-(i₁,j)의 트랜스컨덕터-제공된 전류 소스에 의해 형성된 전류인 픽셀 출력 신호 I-(i₁,j)는, 출력 선택 트랜지스터(410 또는 411)를 통해 픽셀 출력 버스 1112-j의 2개의 컨덕터 중 각 하나에 커플링(스위칭이라고도 함)되거나 픽셀 출력 버스로부터 픽셀 출력 버스로부터 디 커플링될 수 있다.

1106-(i₂,j)에 의해 라벨링된 다크 픽셀은 픽셀 컬럼 회로 1110-j의 부분이고, 픽셀 어레이(1100)의 i_2th 로우 상에 배열되며, 여기서, i₂=(N₁-N_D+1)…N₁ 및 j=1…N₂이다. 각각의 다크 픽셀 1106-(i₂,j)은 다크 픽셀에 의해 수신된 기준 신호

에 응답하는 다크 신호 소스(413)와 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₂에 커플링된, 출력 선택 회로 1107-(i₂,j)를 포함하며, 다크 픽셀이 픽셀 출력 버스에 픽셀 출력 신호 I-(i₂,j)를 제공하도록 하는 픽셀 출력 버스 1112-j에 다크 신호 소스의 커플링을 제어한다. 여기서, 다크 픽셀 1106-(i₂,j)에 의해 형성된 픽셀 출력 신호 I-(i₂,j)는 기준 신호

에 비례한다, 즉,

. 여기서, 기준 전압인, 다크 픽셀 1106-(i₂,j)에 의해 수신된, 기준 신호

는 여기서, 트랜스컨덕터인 다크 신호 소스(413)를 제어하여, 기준 전압에 비례하는 전류 소스를 제공한다. 출력 선택 회로 1107-(i₂,j)는 픽셀 출력 버스 1112-j의 2개의 컨덕터 중 각 하나에 연결된 출력 선택 트랜지스터(414, 415)를 포함한다. 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₂의 상태에 의존하여, 여기서, 다크 신호 소스(413)에 의해 형성된 전류인 픽셀 출력 신호 I-(i2,j)는, 트랜지스터(414 또는 415)를 통해 픽셀 컬럼 회로 1110-j의 픽셀 출력 버스 1112-j의 2개의 컨덕터 중 각 하나에 커플링 (스위칭 됨이라고도 함) 되거나, 픽셀 출력 버스로부터 디커플링될 수 있다.

이러한 방식으로, 픽셀 출력 버스 1112-j 상에 형성된 전류는, 이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 선형 어레이(1101)의 선택된 감광 픽셀로부터, 그리고 선형 어레이(1106)의 선택된 다크 픽셀로부터의 전류의 합을 나타낸다.

픽셀 어레이(1100)는 다크 픽셀 1106-(i₂,j)의 N_D 로우와 일대일 대응인 N_D 컨덕터 1126-i₂의 어레이를 더 포함하며, 여기서, i₂=(N₁-N_D+1)…N₁ 및 j=1…N₂이다. 이러한 방식으로, 각각의 컨덕터 1126-i₂는 기준 신호

를 다크 픽셀의 N_D 로우중 i₂ ^th 로우의 N₂ 다크 픽셀 1106-(i₂,j)에 제공하도록 배열 및 구성된다. 여기서, 실질적으로 동일한 기준 신호

가 편차 ΔX_D 내로 i₂ ^th 로우의 모든 N₂ 다크 픽셀에 제공되며, 즉, 예를 들면,

- ΔX_D ≤

≤

+ ΔX_D, 여기서, ΔX_D/

= 0.5%, 1% 또는 2%이다.

또한, 샘플링 패턴 생성기(1120)는 기준 신호 소스(1124)를 포함한다. 도 11에서 나타낸 예시에서, 기준 신호 소스(1124)는 N_D 포트를 포함하며, 픽셀 어레이(1100)의 N_D 컨덕터 1126-i₂는 일대일 대응으로 커플링된다. 이러한 방식으로, 기준 신호 소스(1124)는 동일한 기준 신호를, 예를 들면

= … =

를 다크 픽셀의 N_D 로우 각각의 N₂ 다크 픽셀(1106)에 제공할 수 있으며, 또는 상이한 기준 신호를, 예를 들면,

≠

를 N_D 로우의 다크 픽셀의 일부 또는 모두의 N₂ 다크 픽셀(1106)에 제공할 수 있다. 다른 예시로서, 기준 신호 소스(1124)는 단일 포트를 포함하며, 여기에 픽셀 어레이(1100)의 N_D 컨덕터 1126-i₂는 일-대-N_D 대응으로 커플링된다. 후자의 예에서, 기준 신호 소스(1124)는 다크 픽셀의 각각의 N_D 로우의 N₂ 다크 픽셀(1106)에 동일한 기준 신호를, 예를 들면,

= … =

를 제공한다. 위 예시에서, 다크 픽셀의 N_D 로우의 기준 신호는, 예를 들면, i₂ 및 i₂'=(N₁-N_D+1),…,N₁인 경우, 편차 (

) /

= 1%, 2% 또는 5% 내로 실질적으로 동일하다.

기준 신호 소스(1124)에 의해 다크 픽셀의 N_D 로우의 다크 픽셀에 제공된, N_D 기준 신호

의 값은 기준 신호 소스에 의해 픽셀 어레이(1100)에 제공된 기준 신호 X_D의 계수이다. 또한, 기준 신호 X_D의 통계치, 예를 들면, 평균(X_D), 중앙값(X_D), 절사 평균(X_D) 등은 픽셀 어레이(1100)의 감광 픽셀(1101)에 의해 수신된 이미지 신호 X_S의 통계치, 예를 들면, 평균(X_S), 중앙값(X_S) 또는 절사 평균(X_S)과 동일한 크기의 순서인 것으로 미리 결정된다.

또한, 샘플링 패턴 생성기(1120)는 픽셀 출력 컨트로러(1122)를 더 포함한다. 픽셀 출력 컨트롤러(1122)는 N₁ 픽셀 출력 제어 버스의 어레이(1105)와 커플링되며, M 로우와 N₁ 컬럼을 갖는 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 정보를 저장한다. 샘플링 패턴 매트릭스 Φ는 그것의 인접한 로우 Φ_i, Φ_i+1(여기서, i=1…M )가 서로 상관 관계가 없도록 (또는, 일부 구현에서, 서로 실질적으로 상관 관계가 없도록) 구성된다. 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 예시는 도 2a-2b, 3 및 6과 관련하여, 본 명세서에서 전술되었다. 또한, 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 정보는 픽셀 출력 컨트롤러(1122)에 의해 그것의 메모리 버퍼에 또는 샘플링 패턴 생성기(1120)와 관련된 영구 저장 매체에 저장된다.

i=1…M인 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 로우 Φ_i는 어레이(1105)의 N₁ 픽셀 출력 제어 버스 각각에 실질적으로 동시에 제공될 N₁ 픽셀 출력 제어 신호를 생성하기 위해 픽셀 출력 컨트롤러(1122)에 의해 사용된다. 이러한 방식으로, 로우 Φ_i에 대해, 계수

가 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₁에 제공될 픽셀 출력 제어 신호를 생성하기 위해 사용되며, 여기서, i₁=j₁=1…(N₁-N_D)이고, 계수

는 픽셀 출력 제어 버스 1105-(i₁+1) 등에 제공될 픽셀 출력 제어 신호를 생성하기 위해 사용되며, 계수

는 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₂에 제공될 픽셀 출력 제어 신호를 생성하기 위해 사용되고, 여기서, i₂=j₂=(N₁-N_D+1)…N₁이며, 계수

는 픽셀 출력 제어 버스 1105-(i₂+1) 등에 제공될 픽셀 출력 제어 신호를 생성하기 위해 사용된다. 픽셀 출력 컨트롤러(1122)는 응용 주문형 집적 회로(application-specific integration circuit, ASIC), 또는 도 3과 관련하여 전술된 것과 유사한, 하나 이상의 시프트 레지스터 입력 버퍼를 사용하여, (i) 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 저장된 정보로부터 N₁ 출력 제어 신호를 생성하며, (ii) 어레이(1105)의 N₁ 픽셀 출력 제어 버스 각각에 생성된 출력 제어 신호를 제공하는 상태-머신의 다른 유형으로서 구현될 수 있다.

샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 계수는 +1, 0 또는 -1의 값을 가지며, 다음의 방식으로 픽셀 출력 제어 버스의 어레이(1105)의 상태를 결정한다. i=1…M 일 때, 샘플링 매트릭스 Φ의 로우 Φ_i에 대해, 계수

의 값이 +1이면, 픽셀 출력 컨트롤러(1122)는 i₁=j₁=1…(N₁-N_D)인 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₁를 통해, 제1 픽셀 출력 제어 신호를 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₁과 커플링된 감광 픽셀 1101-(i₁,1), …, 1101-(i₁,N₂)에 제공하며, 제공된 제1 픽셀 출력 제어 신호는, 출력 선택 트랜지스터(410)를 통해, -각각의 감광 픽셀 1101-(i₁,j)의 광 신호 소스 1102-(i₁,j) 에 의해 형성된- 픽셀 출력 신호 I-(i₁,j)의 각 픽셀 출력 버스 1112-j의 2개의 컨덕터 중 첫번째 컨덕터로의 커플링을 발생시키며, j=1…N₂이다. 또한, 계수

의 값이 +1이면, 픽셀 출력 컨트롤러(1122)가 i₂=j₂=(N₁-N_D+1)…N₁인 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₂를 통해, 제1 픽셀 출력 제어 신호를 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₂에 커플링된 다크 픽셀 1106-(i₂,1), …, 1106-(i₂,N₂)에 제공하며, 제공된 제1 픽셀 출력 제어 신호는, 출력 선택 트랜지스터(414)를 통해, -각각의 다크 픽셀 1106-(i₂,j)의 다크 신호 소스(413)에 의해 형성된- 픽셀 출력 신호 I-(i₂,j), 여기서, j=1…N₂의, 각 픽셀 출력 버스 1112-j의 2개의 컨덕터 중 첫번째 컨덕터로의 커플링을 발생시킨다.

또한, 계수

의 값이 -1이면, 픽셀 출력 컨트롤러(1122)는 i₁=j₁=1…(N₁-N_D)인 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₁를 통해, 제2 픽셀 출력 제어 신호를 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₁과 커플링된 감광 픽셀 1101-(i₁,1), …, 1101-(i₁,N₂)에 제공하며, 제공된 제2 픽셀 출력 제어 신호는, 출력 선택 트랜지스터(411)를 통해, -각각의 감광 픽셀 1101-(i₁,j)의 광 신호 소스 1102-(i₁,j) 에 의해 형성된- 픽셀 출력 신호 I-(i₁,j)의 각 픽셀 출력 버스 1112-j의 2개의 컨덕터 중 두번째 컨덕터로의 커플링을 발생시킨다. 또한, 계수

의 값이 -1이며, 픽셀 출력 컨트롤러(1122)가 i₂=j₂=(N₁-N_D+1)…N₁인 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₂를 통해, 제2 픽셀 출력 제어 신호를 픽셀 출력 제어 버스 1105-i2에 커플링된 다크 픽셀 1106-(i₂,1), …, 1106-(i₂,N₂)에 제공하며, 제공된 제2 픽셀 출력 제어 신호는, 출력 선택 트랜지스터(415)를 통해, -각각의 다크 픽셀 1106-(i₂,j)의 다크 신호 소스(413)에 의해 형성된- 픽셀 출력 신호 I-(i₂,j)의 각 픽셀 출력 버스 1112-j의 2개의 컨덕터 중 두번째 컨덕터로의 커플링을 발생시킨다.

또한, 계수

의 값이 0이면, 픽셀 출력 컨트롤러(1122)는 i₁=j₁=1…(N₁-N_D)인 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₁를 통해, 제3 픽셀 출력 제어 신호를 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₁과 커플링된 감광 픽셀 1101-(i₁,1), …, 1101-(i₁,N₂)에 제공하며, 제공된 제3 픽셀 출력 제어 신호는, -각각의 감광 픽셀 1101-(i₁,j)의 광 신호 소스 1102-(i₁,j) 에 의해 형성된- 픽셀 출력 신호 I-(i₁,j)의 각 픽셀 출력 버스 1112-j로부터의 디커플링을 발생시킨다. 또한, 계수

의 값이 0이면, 픽셀 출력 컨트롤러(1122)가 i₂=j₂=(N₁-N_D+1)…N₁인 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₂를 통해, 제3 픽셀 출력 제어 신호를 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₂에 커플링된 다크 픽셀 1106-(i₂,1), …, 1106-(i₂,N₂)에 제공하며, 제공된 제3 픽셀 출력 제어 신호는 -각각의 다크 픽셀 1106-(i₂,j)의 다크 신호 소스(413)에 의해 형성된- 픽셀 출력 신호 I-(i₂,j)의 각 픽셀 출력 버스 1112-j로부터의 디커플링을 발생시킨다.

이러한 방식으로, j=1…N₂인, 각 픽셀 컬럼 회로 1110-j에 대해, i₁=1…(N₁-N_D) 및 i₂=(N₁-N_D+1)…N₁인, 감광 픽셀 1101-(i₁,j)과 다크 픽셀 1106-(i₂,j)에 의해 각각 형성된 픽셀 출력 신호 I-(i₁,j) 및 I-(i₂,j)는, (i=1…M, j₁=i₁ 및 j₂=i₂인 경우,

=

= +1에 대응하는) 제1 픽셀 출력 제어 신호가 그들의 각 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₁ 및 1105-i₂에 제공되면, 픽셀 출력 버스 1112-j의 제1 컨덕터; 또는 (

=

= -1에 대응하는) 제2 픽셀 출력 제어 신호가 그들의 각 픽셀 출력 제어 버스로 제공되면, 픽셀 출력 버스의 제2 컨덕터;로 선택적으로 스위칭되며, 또는 (

=

= 0에 대응하는) 제3 픽셀 출력 제어 신호가 그들의 각 픽셀 출력 제어 버스로 제공되면, 픽셀 출력 버스에 스위칭되지 않는다. 이와 같이, -샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 로우 Φ_i에 대응하는- 차동 신호

는, 픽셀 출력 버스의 제1 컨덕터 상에 선택적으로 스위칭되는 픽셀 출력 신호의 합 및 픽셀 출력 버스의 제2 컨덕터 상에 선택적으로 스위칭되는 픽셀 출력 신호의 합으로서, 각 픽셀 컬럼 회로 1110-j의 픽셀 출력 버스 1112-j 상에 형성된다. 이는 수학적으로 다음과 동등하다.

(I-(i₁,j)|I-(i₂,j)) (20)

차동 신호

의 어레이

는 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 로우 Φ_i에 대해, N₂ 픽셀 컬럼 회로 1110-j에서 모두 형성된다.

도 11에 나타낸 예시에서, 디지타이저(1128)는 픽셀 어레이(1100)의 N₂ 픽셀 컬럼 회로 1110-j와 일대일 대응되는 N₂ 비교기(404-j)를 갖는다. 여기서, 각 비교기(404-j)는 각 픽셀 컬럼 회로 1110-j의 픽셀 출력 버스 1112-j와 커플링되어, -샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 로우 Φ_i와 대응하는- 픽셀 출력 버스 상에 형성된 차동 신호

를 수신한다. 비교기 404-j는 수신된 차동 신호

를 바이너리화하여, 차동 신호

의 부호를 나타내는 1-비트 값 Y_i,j를 출력한다. 따라서, 차동 신호

이면,

이고, 그렇지 않고 차동 신호

이면,

이다. 이는 수학적으로 다음과 동등하다.

=

=

=

(21)

여기서, i=1…M, j₁=i₁=1…(N₁-N_D), j₂=i₂=(N₁-N_D+1)…N₁ 및 j=1…N_2. 또한, 1-비트 값

의 어레이 Y_i는 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 로우 Φ_i에 대해, 디지타이저(1128)의 N₂ 비교기 404-j 모두에 의해 출력된다.

일단 디지타이저(1128)가 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 로우 Φ_i를 사용하여 픽셀 출력 컨트롤러(1122)에 의해 생성된 픽셀 출력 제어 신호에 기초한 1-비트 값의 어레이 Y_i를 출력하면, 픽셀 출력 컨트롤러는 샘플링 패턴 매트릭스의 다음 로우 Φ_i+1를 사용하여, 다른 N₁ 픽셀 출력 제어 신호를 생성하고, 그들을 동시에 어레이(1105)의 각 N₁ 픽셀 출력 제어 버스에 제공한다. 로우 Φ_i+1이 이전 로우 Φ_i와 상관 관계가 없으므로, 로우 Φ_i+1를 사용하여 생성된 N₁ 픽셀 출력 제어 신호도 또한 이전의 로우 Φ_i를 사용하여 생성된 이전의 N₁ 픽셀 출력 제어 신호와 상관 관계가 없다. 이와 같이, 전술한 것과 유사한 방식으로, -샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 로우 Φ_i+1에 대응하는- 차동 신호

가 픽셀 출력 버스의 제1 컨덕터 상에 선택적으로 스위칭되는 픽셀 출력 신호의 합과, 픽셀 출력 버스의 제2 컨덕터 상에 선택적으로 스위칭되는 픽셀 출력 신호의 합으로서 각 픽셀 컬럼 회로 1110-j의 픽셀 출력 버스 1112-j 상에 형성된다. 또한, 비교기 404-j는 차동 신호

를 바이너리화하여, 차동 신호

의 부호를 나타내는 1-비트 값

을 출력한다. 차동 신호

의 어레이

는 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 로우 Φ_i+1에 대한 N₂ 픽셀 컬럼 회로 1110-j 모두에서 형성되며, 따라서, 1-비트 값

의 어레이 Y_i+1은 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 로우 Φ_i+1에 대해, 디지타이저(1128)의 N₂ 비교기 404-j 모두에 의해 출력된다. 또한, 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 로우를 사용하여 N₁ 픽셀 출력 제어 신호를 생성하는 단계, N₁ 픽셀 출력 제어 버스에 생성된 N₁ 픽셀 출력 제어 신호를 동시에 인가하는 단계, N₂ 픽셀 컬럼 회로 각각의 픽셀 출력 버스 상에 차동 신호를 형성하는 단계는 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 M 로우 각각에 대해 한번씩, M번 반복된다.

i=1…M 및 j=1…N₂인 경우, 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 로우 Φ_i를 사용하여 픽셀 출력 컨트롤러(1122)에 의해 생성된 픽셀 출력 제어 신호에 기초하여 픽셀 출력 버스 1112-j 상에 형성된, 차동 신호

는 M x N₂ 측정 계수를 갖는 측정 신호 ΔI 의 측정 계수이다. 또한, N₂ 차동 신호의 어레이

는 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 로우 Φ_i에 대응하는 측정 신호 ΔI의 로우이다. 측정 신호 ΔI는 (도 2a-2b, 3, 및 6 또는 도 11과 관련하여 전술된 바와 같이) 불일치 변환(non-identity transformation)을 사용하여, 픽셀 어레이(1100)의 감광 픽셀(1101)에 의해 수신된, 이미지 신호 X_S에 의해 변환됨으로써 획득되며, 측정 신호 ΔI는 비-표준 기저로 나타낸 이미지 신호 X_S의 정보를 포함한다고 여겨진다. 또한, 전술한 측정 신호 계수

의 부호를 나타내는 1-비트 값 Y_i,,j는 M x N₂ 바이너리 측정 계수를 갖는 바이너리 측정 신호 Y의 바이너리 측정 계수이다. 이와 같이, N₂개의 1 비트 값의 어레이 Y_i는 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 로우 Φ_i에 대응하는 바이너리 측정 신호 Y의 로우이다.

-노출 기간에 걸처 픽셀 어레이(1100)의 감광 픽셀(1101)에 의해 수신된 이미지 신호 X_S에 대응하는- 바이너리 측정 신호 Y 중 적어도 일부가 추가 프로세스를 위해 버퍼링되면, 적어도 픽셀 어레이의 감광 픽셀이 리셋되며, 따라서 후속 노출 기간에 걸쳐 다른 이미지 신호가 픽셀 어레이의 감광 픽셀에 의해 수신될 수 있다. 그리고, 필요한 경우, 도 11과 관련하여 전술한 바와 같이, 이미지 센서(907)가 수신된 다른 이미지 신호와, 기준 신호 소스(1124)에 의해 픽셀 어레이(1100)의 다크 픽셀(1106)로 제공된 기준 신호로부터 다른 바이너리 측정 신호를 형성한다.

도 12는 디지털 이미지를 형성하는 기술(1200)을 나타낸다. 예를 들면, 기술(1200)은 도 11과 관련하여 전술된, 이미지 센서(907) 및 디지털 프로세서(908/911)를 사용하는 머신 비전 시스템(900)에서 구현될 수 있다. 1210에서, 이미지 센서(1100)는 (1) 도 9b에서 나타낸 가시 장면 부분(903a)이 조명면(112)에 의해 희미하게 조명된 경우, 픽셀 어레이의 감광 픽셀(1101)에 의해 수신(즉, 감지 또는 캡처)된 이미지 신호 Xs와, (2) 기준 신호 소스(1124)로부터 픽셀 어레이의 다크 픽셀(1106)에 의해 수신되는 기준 신호 X_D를 포함하는 픽셀 어레이 이미지 신호 X를 수신한다. 일반적으로, 픽셀 어레이 입력 신호 X는 (3) 고정 패턴 노이즈 X_N을 더 포함한다. 고정 패턴 노이즈 X_N은 감광 픽셀(1101)에 의해 수신된 광 에너지로부터 독립적이고, 다크 픽셀(1106)에 의해 수신된 기준 신호 X_D와 관련이 없으므로, 전체 픽셀 어레이(1100)에 걸쳐 분포된다. 따라서, 픽셀 어레이 입력 신호 X는 벡터의 형태로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(22)

또한, 고정 패턴 노이즈 X_N의 값은 기준 신호 X_D의 값에 비해 낮은 것으로 가정되며, 결과적으로 이미지 신호 X_S의 최대 값보다 작게 선택된다.

도 13a는 픽셀 어레이 입력 신호 X의 양상을 나타낸다. 이미지 신호 X_S는 가시 장면 부분(903a)의 대응하는 지점으로부터 픽셀 어레이(1100)의 감광 픽셀(1101)에 산란된 광의 에너지를 나타내는 계수의 (N₁-N_D)xN₂ 어레이이며, 기준 신호 X_D는 계수의 N_DxN₂ 어레이이다. 이러한 방식으로, 도 9b에 나타낸 가시 장면 부분(903a)의 대부분이 어둡기 때문에(조명면(112)에 의해 조명되지 않았기 때문에), 픽셀 어레이(1100)의 감광 픽셀(1101)에 의해 수신된 이미지 신호 X_S의 대부분은 산란 노이즈라고 하는 낮은 값을 갖는다. 도 13a에서, 고정 패턴 노이즈 X_N의 값과 산란 노이즈의 값을 포함하는 노이즈 값은 검정으로 나타낸다. 고정 패턴 노이즈 X_N의 값에 대한 보다 자세한 것과 희미하게 조명된 가시 장면 부분(903a)에 대한 상보적인 정보를 결정하는데 어떻게 사용될 수 있는지가 도 14와 관련되어 이하에서 설명될 것이다. 다시 도 13a를 참조하면, (중간-범위 회색으로 나타낸) 기준 신호 X_D의 값은 여기서, 기준 신호 소스(1124)에 의해 픽셀 어레이(1100)의 다크 픽셀(1106)의 N_D 로우로 제공되는 기준 신호 X_D의 레벨이 이미지 신호 X_S의 가장 높은 에너지값과 노이즈값 사이의 범위의 대략 중간으로 선택되었다는 사실을 나타낸다.

도 9b에서 나타낸 가시 장면 부분(903a)의 3개의 조명된 부분은 이미지 신호 X_S 내의 조명 프로파일의 3개의 세그먼트와 대응하며, 이는, 본 예에서, 픽셀 어레이(1100)의 로우를 따라 배향된다. 여기서, 이미지 신호 X_S 내의 조명 프로파일의 제1 세그먼트와 조명 프로파일의 제2 세그먼트는 동일 선상에 있고, 컨베이어(102)의 제1 조명 부분과 제2 조명 부분에 대응된다. 조명 프로파일의 제1 세그먼트와 조명 프로파일의 제2 세그먼트를 따르는 이미지 신호 X_S의 값은 (도 13a에서 어두운 회색으로 나타내며, 그리고) 노이즈값보다 높지만, 기준 신호값보다 낮으며, 조명면(112)에 의해 조명된 컨베이어(102)의 부분으로부터 낮은 에너지의 광이 산란된 것을 나타낸다. 예를 들면, (도 9b에서 나타낸 가시 장면 부분(903a)의 수직 스트립 j₁에 대응하는) 픽셀 어레이 입력 신호 X의 컬럼

은 조명 프로파일의 제1 세그먼트와 픽셀 어레이(1100)의 다크 픽셀(1106)의 N_D 로우에 교차하며, 도 13b에서 그래프 1315-j₁로 나타내고, 노이즈값은 대략 0이며, 컨베이어(102)의 조명된 부분에 대응하는 이미지 신호값은 전체 스케일의 대략 ¼과 동일하며, 픽셀 어레이의 N_D 다크 픽셀에 대응하는 기준 신호값은 전체 스케일의 대략 ½과 동일하다. 또한, 이미지 신호 X_S 내의 조명 프로파일의 제3 세그먼트는 조명 프로파일의 제1 세그먼트와 조명 프로파일의 제2 세그먼트의 사이에 있고, 이들에 대해 변위되며, 대상(103a)의 상부 표면의 조명된 부분에 대응한다. 조명 프로파일의 제3 세그먼트를 따르는 이미지 신호 X_S의 일부 값은 (도 13a에서 연한 회색으로 나타내며, 그리고) 조명면(112)에 의해 조명된 대상(103a)의 부분의 상부 표면의 전경으로부터 중간 에너지의 광이 산란된 것을 나타낸다. 예를 들면, (가시 장면 부분(903a)의 수직 스트립 j₂에 대응하는) 픽셀 어레이 입력 신호 X의 컬럼

은 조명 프로파일의 제3 세그먼트 및 픽셀 어레이(1100)의 다크 픽셀(1106)의 N_D 로우와 교차하며, 도 13b에서 그래프 1315-j₂로 나타낼 수 있고, 노이즈값은 대략 0이며, 대상(103a)의 상부 표면의 전경의 조명된 부분에 대응하는 이미지 신호값은 전체 스케일의 대략 ¾과 동일하며, 픽셀 어레이의 N_D 다크 픽셀에 대응하는 기준 신호값은 전체 스케일의 대략 ½과 동일하다. 조명 프로파일의 제3 세그먼트를 따르는 이미지 신호 X_S의 일부 다른 값은 (도 13a에서 흰색으로 나타내며, 그리고) 조명면(112)에 의해 조명된 대상(103a)의 부분의 상부 표면의 배경으로부터 높은 에너지의 광이 산란된 것을 나타낸다. 예를 들면, (도 9b에서 나타낸 가시 장면 부분(903a)의 수직 스트립 j₃에 대응하는) 픽셀 어레이 입력 신호 X의 컬럼

은 조명 프로파일의 제3 세그먼트 및 픽셀 어레이(1100)의 다크 픽셀(1106)의 N_D 로우와 교차하며, 도 13b의 그래프 1315-j₃로 나타내고, 노이즈값은 대략 0이며, 대상(103a)의 상부 표면의 배경의 조명된 부분에 대응하는 이미지 신호값은 전체 스케일과 대략 동일하며, 픽셀 어레이의 N_D 다크 픽셀에 대응하는 기준 신호값은 전체 스케일의 대략 ½이다.

다시 도 12를 참조하면, 1220에서, 픽셀 출력 컨트롤러(1122)는 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 로우 Φ_i로부터, N₁ 픽셀 출력 제어 신호를 생성하기 위해 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 정보를 사용하며, 픽셀 어레이(1100)의 N₁ 픽셀 출력 제어 버스(1105)에 생성된 N₁ 픽셀 출력 제어 신호를 동시에 제공하고, 픽셀 어레이의 N₂ 픽셀 컬럼 회로(1110)의 각 픽셀 출력 버스(1112) 상의 픽셀 출력 신호의 선택적인 합산을 통해, i=1…M인 측정 신호 ΔI의 N₂ 측정 신호 계수의 어레이

를 형성한다. 이는 수학적으로 다음과 동등하다.

(23)

여기서, X는 픽셀 어레이 입력 신호이며, (도 13a에 나타낸 바와 같이) 수신된, 이미지 신호 X_S와 기준 신호 소스(1124)에 의해 제공된, 기준 신호 X_D를 포함한다. 그러므로, 각각의 측정 신호 계수는 이미지 X_S에 기초한 감광 픽셀(1101)에 의해 형성된 픽셀 출력 신호로부터 그리고 기준 신호 X_D에 기초한 다크 픽셀(1106)에 의해 형성된 픽셀 출력 신호로부터의 기여를 포함한다. 이러한 방식으로, 측정 신호 ΔI는 비표준 기저로 나타낸 픽셀 어레이 입력 신호 X의 정보를 포함한다.

1230에서, N₂ 픽셀 출력 버스(1112)와 커플링되는, 디지타이저(1128)의 N₂ 비교기(404)는 측정 신호 ΔI의 N₂ 측정 신호 계수의 어레이

를 바이너리화하여, 바이너리 측정 신호 Y의 N₂ 바이너리 측정 계수의 어레이 Y_i를 형성하며, 이 때, i=1…M이다. 이는 수학적으로 다음과 동등하다.

Y_i =

=

(24)

1220 및 1230에서 수행되는 동작은 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 각 로우 Φ_i에 대해 한번씩, M번 반복되어, i=1…M인, 측정 신호 ΔI의 N2 측정 신호 계수의 M 어레이

와, 바이너리 측정 신호 Y의 N2 바이너리 측정 계수의 그들의 각 M 어레이 Y_i를 형성한다.

1240에서, 바이너리 측정 신호 Y의 N2 바이너리 측정 계수의 어레이 Y_i가 디지타이저(1128)에 의해 형성되면, 이미지 센서(907)는 디지털 프로세서(908/911)에 어레이 Y_i를 전송하며, 디지털 프로세서는 i=1…M인, 이전에 수신된 어레이 Y₁,…,Y_i-1를 따라 함께 수신된 어레이 Y_i를 버퍼링한다. M개의 어레이 Y_i 중 마지막이 이미지 센서(907)로부터 수신되면, 전체 바이너리 측정 신호 Y는 디지털 프로세서(908/911)에 의해 버피링 되었다고 간주된다.

1250에서, 디지털 프로세서(908/911)는 (1) 버퍼링된 바이너리 측정 신호 Y로부터 픽셀 어레이 입력 신호 X의 컬럼 X_j에 대응하는, 컬럼 바이너리 측정치 벡터 Y_j 및 (2) 샘플링 패턴 매트릭스 Φ의 정보를 검색하며, (1) 및 (2)를 사용하여, j=1…N₂인, 컬럼 바이너리 측정치 벡터 Y_j와 실질적으로 상관 관계가 있는 바이너리 측정 공간 표현을 갖는 신호 Z의 컬럼 신호 벡터 Z_j의 부분을 찾는다. 후자의 상관 관계 조건은 적어도 Z_j의 부분에 걸쳐 수학적으로 다음과 동등하다.

(25)

이러한 방식으로, 신호 Z는 픽셀 어레이 입력 신호 X의 추정치이며, 신호 Z는 수신된, 이미지 신호 X_S의 추정치인 신호 Z_S와 기준 신호 소스(1124)에 의해 제공된, 기준 신호 X_D의 추정치인 신호 Z_D를 포함한다.

일부 구현에서, 디지털 프로세서(908/911)는 Z_j=Φ^TY_j가 되도록, 샘플링 패턴 매트릭스의 전치 Φ^T와 컬럼 바이너리 측정치 벡터 Y_j를 곱함으로써 컬럼 신호 벡터 Z_j를 찾을 수 있다. 1250에서 엑세스와 발견은 버퍼링된 바이너리 측정 신호 Y의 컬럼 바이너리 측정치 벡터 Y_j 각각에 대해 한번씩 N₂번 반복되어, 추정 신호 Z를 획득할 수 있다. 이는 수학적으로 다음과 동등하다.

(26)

여기서, Φ_S는 픽셀 출력 컨트롤러(1122)에 의해 사용되는 Mx(N₁-N_D) 계수를 갖는 부분 샘플링 패턴 매트릭스이며, i₁=1…(N₁-N_D) 및 j=1…N₂인, 감광 픽셀 1101-(i₁,j)의 N-N_D 로우에 대응하는 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₁에 픽셀 출력 제어 신호를 제공하고, Φ_D는 픽셀 출력 컨트롤러에 의해 사용되는 MxN_D 계수를 갖는 부분 샘플링 패턴 매트릭스이며, i₂=(N₁-N_D+1)…N₁인, 다크 픽셀 1106-(i₂,j)의 N_D 로우에 대응하는 픽셀 출력 제어 버스 1105-i₂에 픽셀 출력 제어 신호를 제공한다.

그러나, 비록 추정 신호 Z가 (1) 기준 신호 X_D 및 이미지 신호 X_S 내의 조명 프로파일의 세그먼트의 픽셀 어레이 입력 신호 X에서의 위치 및 (2) j=1…N₂인, 각 컬럼 신호 벡터 Z_j 내의 기준 신호와 조명 프로파일의 상대값에 관한 정보를 포함하지만, 추정 신호 Z를 결정하기 위해 디지털 프로세서(908/911)에 의해 sign(.) 양자화가 사용되기 때문에, 추정 신호 Z는 다음에 설명하는 바와 같이, N₂ 컬럼 신호 벡터 Z_j들 사이의 스케일 공통성이 결여된다.

예를 들면, 도 13b에서 그래프 1355-j₁로 나타낸, 추정 신호 Z의 컬럼 신호 벡터

은 이미지 신호 X_S의 피크 및 그래프 1315-j₁에서 나타낸 픽셀 어레이 입력 신호 X의 대응하는 컬럼

의 기준 신호 X_D의 플래토(plateau)와 동일한 각 위치에 위치하는 플래토와 피크를 가지며, 컬럼 신호 벡터

에 대한 피크 대 플래토의 비율은 픽셀 어레이 입력 신호 X의 컬럼

에 대한 피크 대 플래토의 비율에 대응한다. 다른 예시로서, 그래프 1355-j₂에서 나타낸, 추정 신호 Z의 컬럼 신호 벡터

는 이미지 신호 X_S의 피크 및 1315-j₂에서 나타낸 픽셀 어레이 입력 신호 X의 대응하는 컬럼

의 기준 신호 X_D의 플래토와 동일한 각 위치에 위치하는 플래토와 피크를 가지며, 컬럼 신호 벡터

에 대한 피크 대 플래토의 비율은 픽셀 어레이 입력 신호 X의 컬럼

에 대한 피크 대 플래토의 비율에 대응한다. 또 다른 예시로서, 그래프 1355-j₃에서 나타낸, 추정 신호 Z의 컬럼 신호 벡터

는 이미지 신호 X_S의 피크 및 그래프 1315-j3에서 나타낸 픽셀 어레이 입력 신호 X의 대응하는 컬럼

의 기준 신호 X_D의 플래토와 동일한 각 위치에 위치하는 플래토와 피크를 가지며, 컬럼 신호 벡터

에 대한 피크 대 플래토의 비율은 픽셀 어레이 입력 신호 X의 컬럼

에 대한 피크 대 플래토의 비율에 대응한다. 그러나, 그래프 1355-j₁에서 나타낸, 컬럼 신호 벡터

의 스케일, 그래프 1355-j₂에서 나타낸, 컬럼 신호 벡터

의 스케일 및 그래프 1355-j₃에서 나타낸, 컬럼 신호 벡터

의 스케일은 서로 다르며, 이는 다크 픽셀의 로우에 대응하는 플래토의 레벨이 픽셀 어레이 입력 신호 X의 컬럼

,

,

에 대해 동일하고,

인 반면, 컬럼 신호 벡터

에 대한 다크 픽셀(1106)의 로우에 대응하는 플래토의 레벨

, 컬럼 신호 벡터

에 대한 다크 픽셀의 로우에 대응하는 플래토의 레벨

및 컬럼 신호 벡터

에 대한 다크 픽셀의 로우에 대응하는 플래토의 레벨

이 서로 다르기 때문이다. 컬럼 신호 벡터

,

및

과 일반적으로 추정 신호 Z의 컬럼 신호 벡터 Z_j 각각의 스케일링은 다음에 수행된다.

1260에서, 디지털 프로세서(908/911)는 다크 픽셀(1106)에 제공된, 기준 신호 X_D 상의 정보와 함께 컬럼 신호 벡터 Z_j를 프로세스하여, 픽셀 어레이 입력 신호 X와 동일한 방식으로 스케일링되고 이에 대응하는 디지털 이미지

의 디지털 픽셀값을 형성한다. 여기서, 디지털 이미지

는 N₁ x N₂ 이미지 픽셀을 갖는다. 디지털 이미지

를 형성하기 위해, 디지털 프로세서(908/911)는 다크 픽셀(1106)에 대응하는 컬럼 신호 벡터

의 하나 이상의 계수

를 사용하여, j=1…N₂인 컬럼 신호 벡터

에 대한 스케일 팩터를 결정한다. 도 12에서 나타낸 예시에서, 스케일 팩터는

으로 결정되며,

는 기준 신호 소스(1124)에 의해 픽셀 어레이(1100)의 다크 픽셀(1106)의 로우에 제공되는 기준 신호의 레벨이고,

는 픽셀 어레이의 다크 픽셀의 로우에 대응하는 컬럼 신호 벡터 Z_j의 계수의 값이다. 이러한 방식으로, 디지털 이미지

의 컬럼

의 하나 이상의 디지털 픽셀값은 스케일링 팩터에 컬럼 신호 벡터 Z_j를 곱하여 형성된다.

(27)

1260에서 수행된 스케일링은 다음의 이유에 대해, 디지털 이미지

의 N₂ 이미지 픽셀 컬럼

에 걸쳐 공통 스케일이 존재함을 보장한다: 디지털 이미지

의 N₂ 이미지 픽셀 컬럼 중 어느 것의 다크 픽셀(1106)의 로우에 대응하는 이미지 픽셀의 값

의 평균은 다음으로 결정된다.

(28)

그러나, 픽셀 어레이 입력 신호 X의 N₂ 컬럼에 걸쳐

=상수이며, 따라서,

의 N₂ 컬럼에 걸쳐

=상수이다. 이러한 이유로, 디지털 이미지

의 N₂ 이미지 픽셀 컬럼

은 공통 스케일을 갖는다.

1270에서, 디지털 프로세서(908/911)는 1210에서 수신되고, 픽셀 어레이 입력 신호 X와 동일한 방식으로 스케일링된 이미지 신호 X_S에 대응하는 디지털 이미지

를 출력한다. 여기서, 디지털 이미지

는 (N₁-N_D) x N₂ 이미지 픽셀을 갖는다. 디지털 이미지

는 도 9a에 나타낸 머신 비전 시스템(900)에서 참조 번호 910을 갖는다. 일부 구현에서, 디지털 이미지

를 출력하기 위해, 디지털 프로세서(908/911)는 1260에서 형성된 디지털 이미지

로부터 이미지 픽셀의 마지막 N_D 로우를 제거한다.

-디지털 프로세서(908/911)에 의해 1270에서 출력된- 디지털 이미지

는 픽셀 어레이 입력 신호 X의 이미지 신호 X_S 부분과 매우 유사하다. 예를 들면, 그래프 1375-j₁에서 나타낸, 디지털 이미지

의 컬럼

은 그래프 1315-j₁에서 나타낸 픽셀 어레이 입력 신호 X의 이미지 신호 X_S 부분의 대응하는 컬럼

와 동일한 위치에 위치하고 동일한 레벨인, 전체 스케일의 대략 ¼의 피크를 갖는다. 다른 예시로서, 그래프 1375-j₂에서 나타낸, 디지털 이미지

의 컬럼

는 그래프 1315-j₂에서 나타낸 픽셀 어레이 입력 신호 X의 이미지 신호 X_S 부분의 대응하는 컬럼

와 동일한 위치에서 위치하고 동일한 레벨인, 전체 스케일의 대략 ¾의 피크를 갖는다. 또 다른 예시로서, 그래프 1375-j₃에서 나타낸, 디지털 이미지

의 컬럼

은 그래프 1315-j₃에서 나타낸 픽셀 어레이 입력 신호 X의 이미지 신호 X_S 부분의 대응하는 컬럼

와 동일한 위치에서 위치하고 동일한 레벨인, 대략 전체 스케일인 피크를 갖는다.

상기 개시에 따라, 머신 비전 시스템(900)은 그것의 모든 픽셀

와 관련된 디지털 픽셀값이, i=1…(N₁-N_D) 및 j=1…N₂에서, 장면(903a)의 대응하는 부분으로부터 수집된 광 에너지와 실질적으로 동일한 방식으로 관련되는 디지털 이미지

(910)를 출력할 수 있다. 대조적으로, 머신 비전 시스템(100)은 i=1…N₁ 및 j=1…N₂인, 컬럼

에서의 모든 픽셀

과 관련된 디지털 픽셀값이 장면(903a)의 스트립 j의 대응하는 부분으로부터 수집된 광 에너지의 단일 함수인 디지털 이미지

(110)를 출력하며, 그러나, 함수는 다양할 수 있다. 여기서, 개별 컬럼에 의해 수신된 전체 광 에너지에 따라, 함수는 컬럼

에서 컬럼

까지, 그리고 디지털 이미지

(110)에서 후속적으로 형성된 다른 디지털 이미지

(110')까지 다양할 수 있다.

또한, 머신 비전 시스템(900)은 디지털 값 V의 어레이를 출력하도록 구성될 수 있으며, 각 엘리먼트 V_j가 j=1…N₂인 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j의 모든 (N₁-N_D) 감광 픽셀(1101)에 의해 수신된 누적 광 에너지를 나타낸다. 일부 구현에서, 머신 비전 시스템(900)은 디지털 값 V의 어레이를 사용하여 어레이

를 획득할 수 있으며, 각 엘리먼트

는 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j에 대한 이미지 신호 X_S의 컬럼

의 크기이다. 도 13a에서 나타낸 바와 같이, 이미지 신호 X_S는 픽셀 어레이(1100)에 의해 수신된 입력 픽셀 어레이 신호 X의 부분이다. 이하에서 설명되는 기술에 따라, 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j에 대한 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

는 (예를 들면, 기술(1200)의 동작(1250, 1260, 1270)을 사용하여) 디지털 이미지

의 컬럼

의 디지털 픽셀 값을 결정 및 추가 프로세스할 필요 없이, 컬럼 이미지 신호 벡터

에 대응하는 바이너리 측정 신호 벡터 Y_j로부터 직접 유리하게 결정될 수 있다.

도 14는 픽셀 어레이(1100)의 감광 픽셀(1101)에 의해 수신된 이미지 신호 X_S에 대응하는 디지털값 V의 전술한 어레이를 결정하는 기술(1400)을 나타낸다. 예를 들면, 기술(1400)은 도 11과 관련하여 전술된, 이미지 센서(907) 및 디지털 프로세서(908/911)를 사용하는 머신 비전 시스템(900)에서 구현될 수 있다. 기술(1400)을 수행하기 위해, 디지털 프로세서(908/911)는 배경 신호 X_B에 관련된 정보에 대한 엑세스를 갖도록 구성된다.

배경 신호 X_B는 식 (22)와 도 13a-13b에 나타낸 바와 같이, 이미지 신호 X_S에 대응하는 부분이 0인 경우인 픽셀 어레이 입력 신호 X의 특별한 경우이다:

(22')

배경 신호 X_B는 (예를 들면, 렌즈 앞의 셔터를 활성화 하거나, 장면으로부터의 광이 픽셀 어레이에 도달하는 것을 막기 위해 렌즈 위에 캡을 놓음으로써) 그 감광 픽셀(1101)이 머신 비전 시스템(900)의 렌즈(106)에 의해 가시 장면 부분(903a)으로부터 수집되는 광 에너지를 수신하는 것이 방지될 때, 픽셀 어레이(1100)로부터 수신된다. 이와 같이, 배경 신호 X_B는 기준 신호 X_D와 고정 패턴 노이즈 X_N을 포함한다. (도 12와 관련하여 전술된) 기술(1200)의 동작(1210, 1220 및 1230)은 배경 신호 X_B에 대응하는 배경 바이너리 측정 신호 Y_B를 획득하기 위해 사용될 수 있다:

. (24')

기술(1200)에 따라, 배경 바이너리 측정 신호 Y_B는 N₂ 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터

를 포함하며, 각각이 M 계수를 포함하고, j=1…N₂인, 배경 신호 X_B의 N₂ 컬럼

중 각 하나에 대응한다. 기술(1200)의 동작(1240)은 디지털 프로세서(908/911)와 관련된 메모리에, 배경 신호 X_B에 대응하는 배경 바이너리 측정 신호 Y_B를 저장하는데 사용될 수 있으며, 기술(1400)을 수행하기 위해 디지털 프로세서에 의해 사용될 수 있다. 또한, N₂ 컬럼 배경 신호 벡터

각각의 크기

는 다음 중 임의의 방식으로 계산될 수 있다. 일부 구현에서, 고정 패턴 노이즈 X_N이 무시될 수 있는 경우, 즉, X_N

0이면, 기준 신호 X_D의 동일한 레벨이 다크 픽셀(1106)의 N_D 로우 각각에 인가되고, 각각의 컬럼 배경 신호 벡터

의 크기

는

로 근사될 수 있다. 일부 구현에서, 고정 패턴 노이즈 X_N가 비록 기준 신호 X_D에 비해 작지만, 무시될 수 없으면, 즉, X_N ≠ 0이면, 크기

은 다음과 같이 근사될 수 있다:

(29)

여기서,

은 배경 신호 X_B에 대응하는 디지털 이미지

의 디지털 픽셀값의 컬럼

의 크기이다. 여기서, 기술(1200)을 사용함으로써, 예를 들면 k=2, 5, 또는 10일 때, M=kN₁ 의 로우 수를 갖는 오버 샘플링된 배경 바이너리 측정 신호 Y_B를 형성함으로써, 디지털 이미지

가 획득될 수 있다. 일단 결정되면, 전술한 방식 또는 임의의 다른 방식 중 하나를 사용하여, 배경 신호 X_B의 컬럼

의 각 크기

는 또한 디지털 프로세서(908/911)와 관련된 메모리에 저장되며, 기술(1400)을 수행하는 디지털 프로세서에 의해 사용된다.

기술(1400)은 (예를 들면, 도 13a와 식 (22)에서 나타낸) 센서 어레이(1100)에 의해 수신되는 픽셀 어레이 입력 신호 X를 프로세스하는데 사용된다. 수신된 픽셀 어레이 입력 신호 X를 바이너리 측정 신호 Y로 변환하기 위해 이미지 센서(907)에 의해 사용되는, 기술(1400)의 동작(1210, 1220 및 1230)과 추가적인 프로세싱을 위해 디지털 프로세서와 관련된 버퍼 메모리에 바이너리 측정 신호 Y를 버퍼링하는 디지털 프로세서(908/911)에 의해 사용되는, 동작(1240)은 도 12와 관련되어, 전술된 기술(1200)의 부분으로서 수행되는 동작(1210, 1220, 1230 및 1240)과 동일하다. 이러한 이유로, 기술(1400)의 동작(1210, 1220, 1230 및 1240)은 도 14와 관련되어 여기서 다시 설명되지 않을 것이다. 이와 같이, 이하의 설명은 바이너리 측정 신호 Y의 프로세싱을 위해 사용되는 기술(1400)의 동작에 관한 것이다.

1450에서, 디지털 프로세서(908/911)는 (1) 버퍼링된 바이너리 측정치 벡터 Y로부터, j=1…N₂인, 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j에 대한 픽셀 어레이 입력 신호 X의 컬럼 X_j에 대응하는 컬럼 바이너리 측정치 벡터 Y_j, 그리고 (2) 저장된 배경 바이너리 측정 신호 Y_B로부터, 픽셀 어레이의 동일한 컬럼 j에 대해, 배경 신호 X_B의 컬럼

에 대응하는 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터

를 검색하며, 검색된 컬럼 바이너리 측정치 벡터 Y_j와 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터

사이의 거리 V_j를 결정한다. 바이너리 벡터 Y_j와

사이의 거리 V_j의 값은 바이너리 벡터 Y_j와

가 얼마나 다른지에 대한 척도이다. 여기서, 검색된 컬럼 바이너리 측정치 벡터 Y_j와 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터

사이의 결정된 거리 V_j는 이하에서 설명되는 바와 같이, 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j의 (N₁-N_D) 감광 픽셀(1101)에 의해 수신된 이미지 신호 X_S의 컬럼

의 크기

를 나타낸다.

일부 구현에서, 디지털 프로세서(908/911)에 의해, 1450에서, 검색된 컬럼 바이너리 측정치 벡터 Y_j와 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터

사이의 거리 V_j가 정규화된 해밍 거리

로서, 결정된다. 또한, 식 (8)에 따르면, 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j에 대한 픽셀 입력 신호 X의 컬럼 X_j와 픽셀 어레이의 동일한 컬럼 j에 대한 배경 신호 X_B의 컬럼

사이의 정규화된 벡터 각

이 오차범위 내에서 그들의 각 측정치

의 정규화된 해밍 거리와 동일하다. 이는 수학적으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(8'')

도 15에 나타낸 벡터 다이어그램(1445)은, 신호 공간에서, (예를 들면, 도 13b의 그래프 1315에서 나타낸) 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j의 컬럼 픽셀 입력 신호 벡터 X_j, (예를 들면,

가 0일 때, 도 13b의 그래프 1315에서 나타낸) 대응하는 컬럼 배경 신호 벡터

및 (예를 들면, 도 13b의 그래프 1315의 -감광 픽셀(1101)의 (N₁-N_D) 로우에 대응하는- 부분에 걸쳐 나타낸) 대응하는 컬럼 이미지 신호 벡터

사이의 배향을 나타낸다. (픽셀 입력 신호 X와 배경 신호 X_B 각각에 포함된) 고정 패턴 노이즈 X_N이 대략 0이기 때문에, 컬럼 이미지 신호 벡터

는 컬럼 배경 신호 벡터

와 실질적으로 직교한다. 이와 같이, 컬럼 픽셀 입력 신호 벡터 X_j와 컬럼 배경 신호 벡터

사이의 벡터각

이, 벡터 다이어그램(1445)에 의해 나타낸 구성에 의해 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

에 관련되며, 즉,

이다. 이러한 방식으로 컬럼 바이너리 측정치 벡터 Y_j와 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터

사이의 거리 V_j가 디지털 프로세서(908/911)에 의해 1450에서 결정되며, 또한 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

에 관련된다:

(30)

동작(1450)이 j=1…N₂인, 검색된 컬럼 바이너리 측정치 벡터 Y_j와 대응하는 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터

의 각각의 쌍에 대해 한번씩 N₂번 반복되어, 픽셀 어레이(1100)의 각 1_st, 2_nd, …, N_2th 컬럼에 대해 각각의 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

를 나타내는 디지털 값의 어레이

를 형성한다. 동작(1450)의 N₂ 반복은 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다.

도 16a는 동작(1450)의 N₂ 반복의 결과로서 출력된 디지털 값 V의 어레이의 예시를 나타내는 그래프(1455)이다. 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j₁에 대한 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

를 나타내는 디지털 값

은 조명면(112)에 의해 조명되는 컨베이어(102)의 부분으로부터 산란된 광의 낮은 에너지와 대응하는, 대략 최소의 레벨 V_min에 있다. 또한, 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j₃에 대한 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

를 나타내는 디지털 값 V_j3는 조명면(112)에 의해 조명된 대상(103a)의 부분의 상부 표면의 배경으로부터 산란된 광의 높은 에너지에 대응하는, 대략 최대 레벨 V_MAX에 있다. 그리고, 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j₂에 대한 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

를 나타내는 디지털 값 V_j2는 조명면(112)에 의해 조명된 대상(103a)의 부분의 상부 표면의 전경으로부터 산란된 광의 중간 에너지에 대응하는, 중간 레벨을 갖는다. 디지털 값 V_j는 식 (30)에 따른 각 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

와 관련되지만, 최소 레벨 V_min, 중간 레벨 및 최대 레벨 V_MAX는 가시 장면(903a)의 각 부분에 의해 산란된 광의 에너지에 필연적으로 선형 비례할 필요는 없다. 1450에서 결정된 디지털 값 V_j는 후술하는 바와 같이, 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

를 계산하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 이들 크기가 가시 장면(903a)의 각 부분에 의해 산란된 광의 에너지에 선형적으로 비례하기 때문이다.

1460에서, 디지털 프로세서(908/911)는 배경 신호 X_B의 컬럼

의 저장된 크기

를 검색하고, 이를 1450에서 결정된, 컬럼 바이너리 측정치 벡터 Y_j와 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터

사이의 거리 V_j와 결합하여, 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j의 (N₁-N_D) 감광 픽셀(1101)에 의해 수신된 이미지 신호 X_S의 컬럼

의 크기

를 계산한다. 이와 같이, 디지털 프로세서(908/911)는 벡터 다이어그램(1445)과 식 8'을 사용하여 다음에 따라, 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j에 대한 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

를 획득한다.

(31)

동작(1460)은 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j에 대한 컬럼 배경 신호 벡터

의 검색된 크기

와, 대응하는 디지털 값 V_j의 각각의 쌍에 대해 한번씩, N₂번 반복되어, 픽셀 어레이(1100)의 각 1^st, 2^nd, …, N₂ ^th 컬럼에 대한 각 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

의 어레이를 계산한다. 동작(1460)의 N₂ 반복은 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다.

1470에서, 디지털 프로세서(908/911)는 픽셀 어레이(1100)의 각 1^st, 2^nd, …, N₂ ^th 컬럼에 대한 각 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

의 어레이를 하나 이상의 출력 장치에 출력한다. 일부 구현에서, 출력 장치는 디지털 프로세서(908/911)와 관련된 디스플레이 장치일 수 있다. 일부 구현에서, 출력 장치는 디지털 프로세서(908/911)와 관련된 저장 장치일 수 있다.

도 16b는 동작(1460)의 N₂ 반복의 결과로서 출력된 크기

의 어레이의 예시를 나타내는 그래프(1475)이다. 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j₁에 대한 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

는 전체 스케일의 대략 ¼의 레벨을 가지며, 이는 조명면(112)에 의해 조명된 컨베이어(102)의 부분으로부터 산란된 광의 낮은 에너지에 선형적으로 비례한다. 또한, 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j₃에 대한 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

는 대략 전체 스케일의 레벨을 가지며, 이는 조명면(112)에 의해 조명된 대상(103a)의 부분의 상부 표면의 배경으로부터 산란된 광의 높은 에너지에 선형적으로 비례한다. 그리고, 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j₂에 대한 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

는 전체 스케일의 대략 ¾ 의 레벨을 가지며, 조명면(112)에 의해 조명된 컨베이어(102)의 부분으로부터 산란된 광의 중간 에너지에 선형적으로 비례한다.

관심있는 일부 경우에서, 기술(1400) 중 하나 이상의 동작은 다음의 방식으로, 수정될 수 있으며, 예를 들면, 단순화될 수 있다. 전술한 바와 같이, 고정 패턴 노이즈 X_N이 무시될 수 있다면, 즉, X_N

0이면, 기준 신호 X_D의 동일한 레벨이 다크 픽셀(1106)의 N_D 로우 각각에 인가되며, j=1…N₂인, 각각의 컬럼 배경 신호 벡터

의 크기는

로 근사될 수 있다. 이러한 경우, 배경 신호 X_B에 대응하는 배경 바이너리 측정 신호 Y_B는

가 M 계수를 가지는, N₂개의 동일한 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터

를 갖는다. 이러한 경우, 단지 단일 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터

와 단일 크기

만 동작(1450 및 1460)을 수행하기 위해 나중에 사용될 스토리지에 기록될 필요가 있으므로, 스토리지는 따라서, 작은 크기를 가지며, 이미지 센서(907) 자체 부분일 수 있다. 이와 같이, j=1…N₂인 각각의 검색된 컬럼 바이너리 측정치 벡터 V_j와 단일 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터

사이의 정규화된 해밍 거리

가 1450에서,

로 결정된다. 이러한 방식으로, 각각의 검색된 컬럼 바이너리 측정치 벡터 Y_j와 단일 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터

사이의 정규화된 해밍 거리

의 전술한 단순화된 결정은 이미지 센서(907) 자체 상에 위치한 디지털 프로세서(908/911)의 회로를 프로세스함으로써 수행될 수 있다. 또한, 픽셀 어레이(1100)의 관련된 컬럼 j에 대한 각각의 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

은 1460에서, 식 31에 따라,

로 계산된다. 픽셀 어레이(1100)의 관련된 컬럼 j에 대한 각각의 컬럼 이미지 신호 벡터

의 크기

의 전술한 단순화된 계산은 이미지 센서(907) 자체 상에 위치한 디지털 프로세서(908/911)의 회로를 프로세스함으로써 수행될 수 있다.

상기 개시에 따르면, 머신 비전 시스템(900)은 조명면(112)에 의해 희미하게 조명된 장면(903a)의 1D-표현을 출력할 수 있으며, 1D-표현은 머신 비전 시스템의 픽셀 어레이(1100)의 컬럼 j에 대해 형성된 프로젝션이다. 기술(1400)에 따라 전술한 바와 같이, 프로젝션은 이미지 신호 컬럼 벡터

의 크기

의 어레이로서 형성될 수 있다. 유리하게도, 개시된 크기

의 어레이의 형성 단계는 (i) (예를 들면, 도 12와 관련하여 전술된 기술(1200)의 동작(1250, 1260 및 1270)의 시퀀스를 사용하여) 이미지 신호 Xs에 대응하는 디지털 이미지

의 각 N₂ 픽셀 컬럼

의 모든 디지털 픽셀 값

의 계산과, 이어서 (ii) 각각의 픽셀 컬럼

의 크기

의 계산을 포함하는 장면(903a)의 유사한 1D-표현의 형성 단계보다 더 빠르고, 더 적은 계산 리소스를 필요로 한다.

본 발명이 다양한 실시예에 관하여 논의되었지만, 본 발명은 본 개시에 의해 뒷받침되는 신규하고 명백하지 않은 청구항을 포함하는 것으로 인식되어야 한다.

Claims (15)

1. 낮은 정보 컨텐츠 장면의 1차원 디지털 표현을 형성하는데 유용한 머신 비전 시스템으로서,
   상기 시스템은 다음을 포함함:
   a) 이미지 신호를 수신하고, 상기 이미지 신호를 프로세스하여 바이너리 측정 신호를 출력하도록 구성되는 이미지 센서 -상기 이미지 신호는 장면으로부터 수집된 광 에너지를 나타냄- 상기 이미지 센서는 다음을 포함함,
   i) 로우와 컬럼에 의해 배열된 감광 픽셀과 다크 픽셀의 픽셀 어레이, 상기 어레이는 다음을 포함함,
   A) 상기 픽셀 어레이의 로우와 일대일 대응인 픽셀 출력 제어 버스의 어레이 -각각의 상기 픽셀 출력 제어 버스는 픽셀 출력 제어 신호를 상기 픽셀 어레이의 각각의 로우 상의 픽셀에 제공하도록 구성되고 배열됨-, 및
   B) 상기 픽셀 어레이의 컬럼과 일대일 대응인 픽셀 컬럼 회로의 어레이, 각각의 픽셀 컬럼 회로는 다음을 포함함,
   Ⅰ) 픽셀 출력 신호를 합산하도록 구성되고 배열되는 픽셀 출력 버스, 및
   Ⅱ) 픽셀 제어 버스의 어레이와 일대일 대응으로 커플링되는, 픽셀의 선형 어레이, 상기 픽셀의 선형 어레이는 다음을 포함함,
   (a) 상기 이미지 신호의 부분을 수신하는 상기 감광 픽셀의 선형 어레이, 각각의 감광 픽셀은 다음을 포함함,
   (i) 상기 감광 픽셀에 의해 수신된 광 에너지에 응답하는 광 신호 소스, 및
   (ii) 픽셀 출력 제어 버스에 커플링되며, 상기 감광 픽셀이 상기 픽셀 출력 버스에 픽셀 출력 신호를 제공하도록 하는 상기 픽셀 출력 버스에 대한 상기 광 신호 소스의 커플링을 제어하는 출력 선택 회로,
   (b) 상기 다크 픽셀의 선형 어레이, 각각의 다크 픽셀은 다음을 포함함,
   (i) 상기 다크 픽셀에 의해 수신된 기준 신호에 응답하는 다크 신호 소스, 및
   (ii) 다른 픽셀 출력 제어 버스에 커플링되며, 상기 다크 픽셀이 상기 픽셀 출력 버스에 픽셀 출력 신호를 제공하도록 하는 상기 픽셀 출력 버스에 대한 상기 다크 신호 소스의 커플링을 제어하는 출력 선택 회로
   ii) 상기 픽셀 어레이와 커플링되는 샘플링 패턴 생성기 -상기 샘플링 패턴 생성기는 상기 픽셀 출력 제어 버스의 어레이에 상기 픽셀 출력 제어 신호의 시퀀스를 제공하도록 구성되며, 또한 상기 다크 픽셀에 상기 기준 신호를 제공하도록 구성됨- 여기서,
   A) 상기 픽셀 출력 제어 신호의 시퀀스의 각 엘리먼트는 샘플링 패턴 매트릭스의 로우와 대응하고, 이는 상기 출력 버스의 어레이 상의 상기 픽셀 출력 신호의 선택적인 합산을 통해, 상기 픽셀 어레이의 컬럼과 대응하는 측정 계수의 어레이를 형성하도록 미리 결정되며, 측정 계수는 비-표준 기저로 나타낸 상기 이미지 신호의 정보를 포함하고,
   B) 상기 픽셀 출력 제어 버스의 어레이의 상기 시퀀스의 상기 엘리먼트를 제공함으로써 측정 신호가 상기 픽셀 출력 버스 상에 형성되도록 하며, 상기 측정 신호는 상기 샘플링 패턴 매트릭스의 각 로우에 대한 측정 계수의 어레이를 포함하고, 그리고
   C) 상기 픽셀 어레이의 상기 다크 픽셀에 대한 상기 기준 신호를 제공함으로써 상기 측정 신호에 대한 다크 픽셀의 기여를 제어함-,
   iii) 상기 픽셀 출력 버스의 어레이와 커플링되며, 상기 바이너리 측정 신호를 형성하기 위해 상기 측정 신호를 바이너리화하는 디지타이저(digitizer), 및
   
   b) 상기 이미지 센서와 커플링되어, 상기 바이너리 측정 신호를 수신하는 디지털 프로세서
   상기 디지털 프로세서는,
   i) 상기 이미지 센서가 상기 이미지 센서에 의해 수신된 배경 신호를 프로세스할 때, 상기 이미지 센서에 의해 출력되는 배경 바이너리 측정 신호로부터, 상기 픽셀 어레이의 컬럼과 관련된 상기 배경 신호의 부분에 대응하는 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터에 엑세스하기 위한 명령 -상기 배경 신호는 상기 감광 픽셀이 상기 장면으로부터 수집된 상기 광 에너지를 수신하는 것이 방지될 때, 상기 다크 픽셀에 의해 수신된 상기 기준 신호를 포함함-,
   ii) 상기 바이너리 측정 신호로부터, 상기 픽셀 어레이의 컬럼의 상기 감광 픽셀에 의해 수신되는 상기 이미지 신호의 상기 부분에 대응하는 컬럼 바이너리 측정치 벡터에 엑세스하기 위한 명령, 및
   iii) 상기 픽셀 어레이의 컬럼의 상기 감광 픽셀에 의해 수신되는 상기 이미지 신호의 상기 부분의 크기를 나타내는 디지털 값을 형성하기 위한 명령 -상기 디지털 값을 형성하기 위한 명령은 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터와 컬럼 바이너리 측정치 벡터 사이의 거리를 계산하기 위한 명령을 포함함- 으로 구성되는 머신 비전 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 배경 신호는 상기 픽셀 어레이 상에 존재하는 고정 패턴 노이즈를 더 포함하며, 상기 고정 패턴 노이즈는 상기 기준 신호와 관련없는, 상기 픽셀 출력 버스 상의, 상기 측정 신호의 광 에너지-독립적 변화에 의해 결정된 픽셀 출력 신호를 발생시키는 머신 비전 시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 디지털 값을 형성하기 위해 상기 디지털 프로세서에 의해 사용되는 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터와 컬럼 바이너리 측정치 벡터 사이의 거리는 정규화된 해밍(Hamming) 거리인 머신 비전 시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 디지털 프로세서는 (i) 상기 픽셀 어레이의 컬럼과 관련된 상기 배경 신호의 컬럼의 크기에 엑세스 하고, 그리고 (ii) 상기 배경 신호 컬럼의 크기를 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터와 컬럼 바이너리 측정치 벡터 사이의 거리와 결합하여, 상기 픽셀 어레이의 컬럼의 상기 감광 픽셀에 의해 수신되는 상기 이미지 신호의 상기 부분의 크기에 선형적으로 비례하는 디지털 값을 형성하는 머신 비전 시스템.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 배경 바이너리 측정 신호와 상기 픽셀 어레이의 각 컬럼과 관련된 배경 신호 컬럼의 크기는 상기 디지털 프로세서와 관련된 메모리 상에 저장되는 머신 비전 시스템.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 디지털 프로세서는 상기 픽셀 어레이에 의해 수신된 상기 이미지 신호에 대응하는 디지털 값의 어레이를 출력하기 위해 상기 픽셀 어레이의 컬럼 각각에 대한 디지털 값을 형성하기 위한 명령으로 구성되는 머신 비전 시스템.
7. 청구항 6에 있어서,
   i) 상기 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터에 엑세스하기 위한 명령은 상기 픽셀 어레이의 컬럼 각각에 대한 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터에 엑세스하기 위한 명령을 포함하며,
   ii) 상기 컬럼 바이너리 측정치 벡터에 엑세스하기 위한 명령은 상기 픽셀 어레이의 컬럼 각각에 대한 컬럼 바이너리 측정치 벡터에 엑세스 하기 위한 명령을 포함하며, 그리고
   iii) 상기 픽셀 어레이의 컬럼 각각에 대한 디지털 값을 형성하기 위한 명령은 각각의 엑세스된 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터와 대응하는 엑세스된 컬럼 바이너리 측정치 벡터 사이의 거리를 연산하기 위한 명령을 포함하는 머신 비전 시스템.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터는 단일 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터이며,
   i) 상기 컬럼 바이너리 측정치 벡터에 엑세스하기 위한 명령은 상기 픽셀 어레이의 컬럼 각각에 대한 컬럼 바이너리 측정치 벡터에 엑세스하기 위한 명령을 포함하며, 그리고
   ii) 상기 픽셀 어레이의 컬럼 각각에 대한 디지털 값을 형성하기 위한 명령은 상기 단일 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터와 각각의 엑세스된 컬럼 바이너리 측정치 벡터 사이의 거리를 연산하기 위한 명령을 포함하는 머신 비전 시스템.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 단일 컬럼 배경 바이너리 측정치 벡터는 메모리에 저장되는 머신 비전 시스템.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 이미지 센서는 상기 메모리와 상기 디지털 프로세서를 포함하는 머신 비전 시스템.
11. 낮은 정보 컨텐츠 장면의 1차원 디지털 표현을 형성하는데 유용한 방법으로서,
    상기 방법은,
    로우와 컬럼으로 배열된 감광 픽셀과 다크 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이를 사용하여 배경 신호를 형성하는 단계 -상기 다크 픽셀은 상기 감광 픽셀과 상이한 로우에 배열되며, 상기 배경 신호가 형성되는 동안 상기 다크 픽셀은 기준 신호를 수신하고, 상기 감광 픽셀은 입력되는 광 에너지를 수신하는 것이 방지됨-;
    상기 배경 신호의 배경 측정 신호를,
    i) 상기 픽셀 어레이의 로우에 제어 신호의 세트를 공급하는 단계 -각 로우의 픽셀은 공통 제어 신호를 공유하고, 제어 신호의 각각의 세트는 샘플링 매트릭스의 상이한 벡터를 나타냄-, 및
    ii) 제어 신호의 상기 세트 각각에 대해, 상기 컬럼 중 적어도 하나에 대한 픽셀 출력 신호를 합산하는 단계 -상기 배경 측정 신호는 컬럼 각각에 대해 사용 가능한 배경 측정치 벡터를 포함함-에 의해 획득하는 단계;
    상기 픽셀 어레이를 사용하여 이미지 신호를 형성하는 단계 -상기 이미지 신호의 형성 동안, 상기 다크 픽셀은 상기 기준 신호를 수신하고, 상기 감광 픽셀은 상기 입력되는 광 에너지를 수신함-;
    상기 이미지 신호의 이미지 측정 신호를,
    i) 상기 픽셀 어레이의 로우에 상기 샘플링 매트릭스를 나타내는, 제어 신호의 세트를 공급하는 단계, 및
    ii) 제어 신호의 상기 세트 각각에 대해, 상기 컬럼 각각에 대한 픽셀 출력 신호를 합산하는 단계 -상기 이미지 측정 신호는 상기 컬럼 각각에 대한 이미지 측정치 벡터를 포함함-에 의해 획득하는 단계;
    상기 픽셀 어레이의 각 컬럼에 대해,
    i) 상기 이미지 측정치 벡터와 상기 배경 측정치 벡터 사이의 거리를 결정하는 단계; 및
    ii) 상기 결정된 거리로부터, 상기 컬럼의 상기 감광 픽셀에 의해 수신되는 상기 이미지 신호의 부분의 크기를 나타내는 디지털 값을 생성하는 단계를 포함하는 방법.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 이미지 측정치 벡터와 상기 배경 측정치 벡터 사이의 거리를 결정하는 단계는 정규화된 해밍 거리를 계산하는 단계를 포함하는 방법.
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 출력 픽셀값을 생성하는 단계는 상기 결정된 거리의 탄젠트와 상기 컬럼에 대한 상기 배경 신호의 크기를 곱함으로써 결정된 거리 각각을 스케일링하는 단계를 포함하는 방법.
14. 청구항 11에 있어서,
    상기 배경 신호의 상기 배경 측정 신호를 획득하는 단계는, 제어 신호의 상기 세트 각각에 대해, 상기 컬럼 각각에 대한 픽셀 출력 신호를 합산하는 단계를 포함하며, 상기 배경 측정 신호는 상기 컬럼 각각에 대한 배경 측정치 벡터를 포함하는 방법.
15. 청구항 11에 있어서,
    상기 픽셀 어레이와 함께 배치된 메모리에 상기 컬럼 각각에 대해 사용 가능한 상기 배경 측정치 벡터를 저장하는 단계를 포함하며,
    상기 거리를 결정하는 단계와 상기 디지털 값을 생성하는 단계는 상기 픽셀 어레이와 함께 배치된 프로세서에 의해 수행되는 방법.

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