TWI422224B - 黑階補償電路、影像感測器及相關方法 - Google Patents

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黑階補償電路、影像感測器及相關方法
本發明係有關於一種黑階補償電路及其相關方法，尤指一種同時利用數位及類比電路以對影像感測訊號進行黑階補償的黑階補償電路、影像感測器及其相關方法。
半導體影像感測器(例如電荷耦合元件(CCD)或互補金屬氧化半導體(CMOS)感測器)普遍使用於照相機或攝影機中，用以將可見光之影像轉換為電子信號，便於後續的儲存、傳輸或顯示。
由於電子電路的非完美性質，使得影像感測器在未接收任何光線的情形下仍然會具有漏電流，因此使得影像感測器所產生的影像感測訊號會包含有此漏電流的成分，而無法真實反應所感測到的影像亮度值。為了克服此問題，通常會讀取多行的光學黑(optical black)像素(或光遮(light-shielded)像素)，經平均後作為一黑階補償值，此黑階補償值即用來表示影像感測器在未接收任何光線下仍具有之漏電流。
請參考第1圖，第1圖為習知黑階補償電路100的示意圖。如第1圖所示，黑階補償電路100包含有一加法器102、一類比放大器104、一類比數位轉換器106、一數位放大器108、一黑階校正單元110以及一數位類比轉換器112。在黑階補償電路100的操作上，黑階補償電路100會讀取影像感測訊號Vin中的黑像素感測訊號，並藉由類比放大器104、類比數位轉換器106以及數位放大器108的處理後，輸入至黑階校正單元110中。而黑階校正單元110將所接收的黑像素感測值進行平均計算，以得到一黑階補償值，之後該黑階補償值經由數位類比轉換器122回到加法器102以補償影像感測訊號Vin，以使得影像處理單元120所接收到的影像感測訊號可以真實反應出所感測到的影像亮度值。
然而，上述黑階補償電路100的類比數位轉換器106以及黑階校正單元110會具有較大的時間延遲，且數位類比轉換器112會產生量化誤差，因此，傳統之黑階補償電路100的速度及準確度都無法提高。
另外，若是利用類比電路來進行黑階補償，則會有無法有效率進行熱像素濾除的問題，而無法準確的進行黑階補償。
因此，本發明的目的之一在於提供一種同時利用數位及類比電路以對影像感測訊號進行黑階補償的黑階補償電路及其相關方法，以解決上述的問題。
依據本發明一實施例，一種黑階補償電路包含有一第一處理單元、一第二處理單元以及一補償單元。該第一處理單元依據一第一臨界值以對所接收之一第一數位黑像素感測訊號進行熱像素濾除操作，以產生一濾除後第一黑像素感測訊號，並依據該濾除後第一黑像素感測訊號以產生一第二臨界值；該第二處理單元依據該第二臨界值以對所接收之一第二數位黑像素感測訊號進行熱像素濾除操作，以產生一濾除後第二黑像素感測訊號，並依據該濾除後第二黑像素感測訊號以產生一黑階補償值；該補償單元依據該黑階補償值以對所接收之影像感測訊號進行黑階補償以得到一輸出訊號。
依據本發明另一實施例，一種黑階補償方法，包含有：依據一第一臨界值以對一第一數位黑像素感測訊號進行熱像素濾除操作，以產生一濾除後第一黑像素感測訊號，並依據該濾除後第一黑像素感測訊號以產生一第二臨界值；依據該第二臨界值以對一第二數位黑像素感測訊號進行熱像素濾除操作，以產生一濾除後第二黑像素感測訊號，並依據該濾除後第二黑像素感測訊號以產生一黑階補償值；以及依據該黑階補償值以對所接收之影像感測訊號進行黑階補償以得到一輸出訊號。
依據本發明另一實施例，一種影像感測器包含有一影像感測單元以及一黑階補償電路，其中該影像感測單元包括複數個感測像素及複數個黑像素。該黑階補償電路包含有一第一處理單元、一第二處理單元以及一補償單元。該第一處理單元耦接至該些黑像素，用以依據一第一臨界值以對所接收之該些黑像素的感測訊號進行熱像素濾除操作，以產生一濾除後第一黑像素感測訊號，並依據該濾除後第一黑像素感測訊號以產生一第二臨界值；該第二處理單元耦接至該些黑像素，用以依據該第二臨界值以對所接收之該些黑像素的感測訊號進行熱像素濾除操作，以產生一濾除後第二黑像素感測訊號，並依據該濾除後第二黑像素感測訊號以產生一黑階補償值；該補償單元耦接於該些感測像素，用來依據該黑階補償值以對該些感測像素之影像感測訊號進行黑階補償以得到一輸出訊號。
請參考第2圖，第2圖為依據本發明一實施例之黑階補償電路200的示意圖。如第2圖所示，黑階補償電路200包含有一類比黑階校正單元202、一類比數位轉換器208、一第一處理單元210、一第一多工器220、一加法器222、一乘法器224、一第二處理單元230、一第二多工器240以及一補償單元(於本實施例中，該補償單元為一加法器250)，其中類比黑階校正單元202包含有一加法器203、一類比放大器204以及一黑階值計算單元206。
在黑階補償電路200的操作上，首先，類比黑階校正單元202接收來自影像感測器(未繪示)的類比黑像素感測訊號Vin，並對類比黑像素感測訊號Vin進行黑階調整操作以產生一調整後類比黑像素感測訊號。詳細來說，類比黑像素感測訊號Vin經過加法器203以及類比放大器204之後輸入至黑階值計算單元206，接著，黑階值計算單元206將所接收的類比黑像素感測訊號Vin作平均操作(例如，低通濾波操作)以產生一校正值VBLC 至加法器203，以使得類比黑像素感測訊號Vin在經過加法器203之後會儘可能的接近一代表全黑的灰階值。在其他實施例中，類比黑階校正單元202可以使用減法器或是混合器來代替加法器203。
然而，由於影像感測器在製作過程上的瑕疵，有少部分的黑像素會有所謂的“熱像素”現象，亦即在某些情形下，該些黑像素所輸出的感測訊號會具有很大的電流/電壓。因此，黑階值計算單元206所計算出的校正值VBLC 至很可能會因為少部分的黑像素的“熱像素”現象而有所誤差，進而造成類比黑階校正單元202的輸出並不會接近一代表全黑的灰階值，亦即，類比數位轉換器208接收黑階校正單元202之輸出以產生的數位黑像素感測訊號Din可能無法達到一接近於“0”或一很低的數位值。
因此，接著，第一處理單元210接收數位黑像素感測訊號Din中的一第一數位黑像素感測訊號，並依據一第一臨界值TH1以對該第一數位黑像素感測訊號進行熱像素濾除操作以產生一濾除後第一黑像素感測訊號，其中第一數位黑像素感測訊號可以是包含有複數個黑像素(例如一整行黑像素)的感測訊號，且熱像素濾除操作即是將該第一數位黑像素感測訊號中大於第一臨界值TH1的數位值去除。接著，第一處理單元210繼續將該濾除後第一黑像素感測訊號中複數個數位值作平均操作，以產生一第二臨界值TH2。
接著，第一多工器220依據一第一選擇訊號SEL1以選擇性地輸出第一臨界值TH1或是第二臨界值TH2，之後，第一多工器220的輸出經由加法器222以及乘法器224的調整之後輸入至第二處理單元230。
需注意的是，加法器222以及乘法器224係用來對第一臨界值TH1或是第二臨界值TH2作數值上的調整，且均為非必須(optional)的元件，亦即加法器222以及乘法器224可以自黑階補償電路200移除而不影響到黑階補償電路200的操作。
接著，第二處理單元230接收數位黑像素感測訊號Din中的一第二數位黑像素感測訊號，並依據第一多工器220所輸出的第一臨界值TH1或是第二臨界值TH2，以對該第二數位黑像素感測訊號進行熱像素濾除操作以產生一濾除後第二黑像素感測訊號，其中第二數位黑像素感測訊號可以是包含有複數個黑像素(例如另一整行黑像素)的感測訊號，且熱像素濾除操作即是將該第二數位黑像素感測訊號中大於第一臨界值TH1或是第二臨界值TH2的數位值去除。接著，第二處理單元230繼續將該濾除後第二黑像素感測訊號中複數個數位值作平均操作，並據以產生一黑階補償值DBLC 。
舉例說明上述第一處理單元210以及第二處理單元230的操作，請參考第3圖，假設第3圖所示之黑點為該第一數位黑像素感測訊號的數值分佈圖，縱軸為數值大小。則第一臨界值TH1可以設定為一較高的數位值，例如“100”，以使得第一處理單元210濾除很明顯的“熱像素”值。而圖示之第二臨界值TH2可以是位於第一臨界值TH1以下之所有黑像素感測訊號的平均，於此例中假設為“55”。因此，假設該第二數位黑像素感測訊號與該第一數位黑像素感測訊號具有類似的數值分佈，則第二處理單元230可以進一步濾除較不明顯的“熱像素”值(亦即數值位於“55”以上的黑像素感測訊號)，並將圖示之第二臨界值TH2以下之所有黑像素感測訊號的作平均計算，並據以得到黑階補償值DBLC 。
在決定黑階補償值DBLC 的步驟中，在一實施例中，可以將第二臨界值TH2以下之所有黑像素感測訊號的平均值設為黑階補償值DBLC 的，亦即，若是第3圖所示之第二臨界值TH2以下的所有黑像素感測訊號的平均值為“40”，則將黑階補償值DBLC 設為“40”以使得黑階補償電路200的輸出訊號Dout消除黑像素漏電流的成分；在另一實施例中，若是第3圖所示之第二臨界值TH2以下的所有黑像素感測訊號的平均值為“40”，則可以依據此平均值，經由運算或調整而設定黑階補償值DBLC ，例如為“25”。
接著，第二多工器240依據一第二選擇訊號SEL2以選擇性地輸出黑階補償值DBLC 或是一第三臨界值TH3至加法器250，之後，加法器250依據黑階補償值DBLC 或是第三臨界值TH3以對所接收之影像感測訊號進行黑階補償以得到一輸出訊號Dout至後端的影像處理電路(未繪示)。
需注意的是，第一多工器220的功能僅是供設計者/使用者選擇是否略過第一處理單元210的輸出，並直接讓第二多工器230使用第一臨界值TH1來進行熱像素濾除操作。因此，若是不需要此選擇功能，第一多工器220亦可以自黑階補償電路200中移除，且第一處理單元210所輸出的第二臨界值TH2直接輸入至加法器222。
類似地，第二多工器240的功能是供設計者/使用者選擇是否略過第二處理單元230的輸出，並直接讓加法器250使用第三臨界值TH3以對所接收之影像感測訊號進行黑階補償。因此，若是不需要此選擇功能，第二多工器240亦可以自黑階補償電路200中移除，且第二處理單元230所輸出的黑階補償值DBLC 以直接輸入至加法器250。
如上所述，黑階補償電路200中的數位電路可以得到一理想的黑階補償值DBLC ，以使得對應至數位黑像素感測訊號Din的輸出訊號Dout可以接近於“0”或為一很低的數位值。如此一來，黑階補償電路200便可以對後續所接收的影像感測訊號進行準確地黑階補償。
此外，由於黑階補償電路200先利用類比電路來進行第一階段的黑階補償，之後再利用數位電路來消除“熱像素”影響後來進行第二階段的黑階補償，因此，可以避免習知技術中數位黑階補償電路的速度及準確度問題，以及避免習知技術中類比黑階補償電路因為熱像素因素而造成的準確性問題。
第4圖為依據本發明一實施例之影像感測器400的示意圖，如第4圖所示，影像感測器400包含有一影像感測單元420以及黑階補償電路460。影像感測單元420包括複數個感測像素及複數個黑像素，且用來輸出該些黑像素的感測訊號以及該些感測像素之影像感測訊號Vin至黑階補償電路460。在影像感測器400的操作上，黑階補償電路460接收該些黑像素的感測訊號，並對該些黑像素的感測訊號進行處理以產生一黑階補償值，接著，黑階補償電路460再依據該黑階補償值以對該些感測像素之影像感測訊號進行黑階補償以得到輸出訊號Dout。
黑階補償電路460包括類比數位轉換器408、第一處理單元410、第二處理單元430以及補償單元(加法器)450。第一處理單元410依據第一臨界值TH1以對所接收之黑像素的感測訊號進行熱像素濾除操作，以產生濾除後第一黑像素感測訊號，並依據該濾除後第一黑像素感測訊號以產生一第二臨界值TH2。第二處理單元430耦接至該些黑像素，依據第二臨界值TH2以對所接收之黑像素的感測訊號進行熱像素濾除操作，以產生濾除後第二黑像素感測訊號，並依據濾除後第二黑像素感測訊號以產生黑階補償值DBLC 。補償單元450用來依據該黑階補償值DBLC 以對感測像素之影像感測訊號進行黑階補償以得到一輸出訊號Dout。其中，第一處理單元410及第二處理單元430所接收的黑像素感測訊號可以是直接從影像感測單元420而來的類比訊號或是，如本實施，例透過類比數位轉換器408而來的數位訊號。
在一實施例中，第二臨界值TH2係小於第一臨界值TH1。其中第一處理單元410將濾除後第一黑像素感測訊號作平均操作，並據以產生第二臨界值TH2。本實施例黑階補償電路460亦可包括上述其他實施例中的類比黑階校正單元202。
簡要歸納本發明，於本發明之黑階補償電路及相關方法中，係同時利用數位及類比電路以對影像感測訊號進行黑階補償的黑階補償電路及其相關方法，其中黑階補償電路中的數位電路部份可以準確消除熱像素所造成的影響，並進一步對所接收的影像感測訊號進行黑階補償，以得到一理想的輸出訊號。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100、200、460．．．黑階補償電路
102、203、222、250、450．．．加法器
104、204．．．類比放大器
106、208、408．．．類比數位轉換器
108．．．數位放大器
110．．．黑階校正單元
112．．．數位類比轉換器
120．．．影像處理單元
202．．．類比黑階校正單元
206．．．黑階值計算單元
210、410．．．第一處理單元
220．．．第一多工器
224．．．乘法器
230、430．．．第二處理單元
240．．．第二多工器
400．．．影像感測器
420．．．影像感測單元
第1圖為習知黑階補償電路的示意圖。
第2圖為依據本發明一實施例之黑階補償電路的示意圖。
的3圖為第2圖所示之第一處理單元的操作示意圖。
第4圖為依據本發明一實施例之影像感測器的示意圖。
200．．．黑階補償電路
202．．．類比黑階校正單元
203、222、250．．．加法器
204．．．類比放大器
206．．．黑階值計算單元
208．．．類比數位轉換器
210．．．第一處理單元
220．．．第一多工器
224．．．乘法器
230．．．第二處理單元
240．．．第二多工器

Claims (16)

  1. 一種黑階補償電路，包含有：一第一處理單元，用來依據一第一臨界值以對所接收之一第一數位黑像素(dark pixel)感測訊號進行熱像素(hot pixel)濾除操作，以產生一濾除後第一黑像素感測訊號，並依據該濾除後第一黑像素感測訊號以產生一第二臨界值；一第二處理單元，耦接於該第一處理單元，用來依據該第二臨界值以對所接收之一第二數位黑像素感測訊號進行熱像素濾除操作，以產生一濾除後第二黑像素感測訊號，並依據該濾除後第二黑像素感測訊號以產生一黑階補償值；以及一補償單元，耦接於該第二處理單元，用來依據該黑階補償值以對所接收之影像感測訊號進行黑階補償以得到一輸出訊號；其中該第一數位黑像素感測訊號與該第二數位黑像素感測訊號係來自於一影像感測單元上不接收外界光線的多個黑像素，且該影像感測訊號係來自於該影像感測單元上異於該些黑像素的感測像素。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之黑階補償電路，其中該第二臨界值係小於該第一臨界值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之黑階補償電路，其中該第一處理單元將該濾除後第一黑像素感測訊號中複數個數位值作平均操作，並據以產生該第二臨界值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之黑階補償電路，另包含有：一第一多工器，耦接於該第一處理單元與該第二處理單元之間，用來依據一第一選擇訊號以選擇性地輸出該第一臨界值或是該第二臨界值至該第二處理單元。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之黑階補償電路，其中當該第一多工器輸出該第二臨界值至該第二處理單元時，該第二處理單元依據該第二臨界值以對所接收之該第二數位黑像素感測訊號進行熱像素濾除操作，以產生該濾除後第二黑像素感測訊號，並依據該濾除後第二黑像素感測訊號以產生該黑階補償值；以及當該第一多工器輸出該第一臨界值至該第二處理單元時，該第二處理單元依據該第一臨界值以對所接收之該第二數位黑像素感測訊號進行熱像素濾除操作，並據以產生另一黑階補償值至該補償單元。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之黑階補償電路，另包含有：一第二多工器，耦接於該第二處理單元與該補償單元之間，用來依據一第二選擇訊號以選擇性地輸出該黑階補償值或是一第三臨界值至該第二處理單元。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之黑階補償電路，其中當該第二多工器輸出該黑階補償值至該補償單元時，該補償單元依據該黑階補償值以對所接收之該影像感測訊號進行黑階補償以得到該輸出 訊號；以及當該第二多工器輸出該第三臨界值至該補償單元時，該補償單元依據該第三臨界值以對所接收之該影像感測訊號進行黑階補償以產生另一輸出訊號。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之黑階補償電路，另包含有：一類比黑階校正單元，用來接收一類比黑像素感測訊號，並對該類比黑像素感測訊號進行黑階調整操作以產生一調整後類比黑像素感測訊號；以及一類比數位轉換器，耦接於該類比黑階校正單元，用來將該調整後類比黑像素感測訊號進行類比數位轉換，以產生該第一數位黑像素感測訊號以及該第二數位黑像素感測訊號。
  9. 一種黑階補償方法，包含有：依據一第一臨界值以對一第一數位黑像素(dark pixel)感測訊號進行熱像素(hot pixel)濾除操作，以產生一濾除後第一黑像素感測訊號，並依據該濾除後第一黑像素感測訊號以產生一第二臨界值；依據該第二臨界值以對一第二數位黑像素感測訊號進行熱像素濾除操作，以產生一濾除後第二黑像素感測訊號，並依據該濾除後第二黑像素感測訊號以產生一黑階補償值；以及依據該黑階補償值以對所接收之影像感測訊號進行黑階補償以得到一輸出訊號；其中該第一數位黑像素感測訊號與該第二數位黑像素感測訊號 係來自於一影像感測單元上不接收外界光線的多個黑像素，且該影像感測訊號係來自於該影像感測單元上異於該些黑像素的感測像素。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之黑階補償方法，其中該第二臨界值係小於該第一臨界值。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之黑階補償方法，其中依據該濾除後第一黑像素感測訊號以產生該第二臨界值的步驟包含有：將該濾除後第一黑像素感測訊號中複數個數位值作平均操作，並據以產生該第二臨界值。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之黑階補償方法，另包含有：接收一類比黑像素感測訊號，並對該類比黑像素感測訊號進行黑階調整操作以產生一調整後類比黑像素感測訊號；以及將該調整後類比黑像素感測訊號進行類比數位轉換，以產生該第一數位黑像素感測訊號以及該第二數位黑像素感測訊號。
  13. 一種影像感測器，包括：一影像感測單元，包括複數個感測像素及不接收外界光線的複數個黑像素；一黑階補償電路，包括：一第一處理單元，耦接至該些黑像素，依據一第一臨界值以 對所接收之該些黑像素的感測訊號進行熱像素濾除操作，以產生一濾除後第一黑像素感測訊號，並依據該濾除後第一黑像素感測訊號以產生一第二臨界值；一第二處理單元，耦接至該些黑像素，依據該第二臨界值以對所接收之該些黑像素的感測訊號進行熱像素濾除操作，以產生一濾除後第二黑像素感測訊號，並依據該濾除後第二黑像素感測訊號以產生一黑階補償值；以及一補償單元，耦接於該些感測像素，用來依據該黑階補償值以對該些感測像素之影像感測訊號進行黑階補償以得到一輸出訊號。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之影像感測器，其中該些黑像素的感測訊號係為數位黑像素感測訊號。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之影像感測器，其中該第二臨界值係小於該第一臨界值。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之影像感測器，其中該第一處理單元將該濾除後第一黑像素感測訊號作平均操作，並據以產生該第二臨界值。
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