TWI516121B

TWI516121B - 數位攝影機、以及採黑階校準的影像感測器信號讀取方法

Info

Publication number: TWI516121B
Application number: TW101148233A
Authority: TW
Inventors: 劉智民; 陳慶豐
Original assignee: 恆景科技股份有限公司
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2016-01-01
Also published as: TW201427416A

Description

數位攝影機、以及採黑階校準的影像感測器信號讀取方法

本發明係有關於數位攝影機，特別有關於採用黑階校準(black level calibration)技術的影像感測器信號讀取技術。

數位攝影機係採用影像感測器擷取影像，以數位化所拍攝的影片或是照片。目前常見的影像感測器為電荷耦合裝置(CCD)或者互補式金氧半主動式像素感測裝置(CMOS active pixel sensors)。

黑階校準係設計於影像感測器的信號讀取程序中，用於產生高品質影像，其功能包括補償電源、溫度等因素所造成的暫態偏移。

本技術領域需要一種高穩定度的黑階校準設計。

本發明揭露一種數位攝影機、以及採黑階校準的影像感測器信號讀取方法。

根據本發明一種實施方式所實現的一數位攝影機包括一影像感測器以及一信號讀取電路。所述影像感測器包括像素感測元件陣列。所述信號讀取電路係耦接該影像感測器接收一感測信號，並且，該信號讀取電路具有一補償器、一可程式化增益放大器、一類比-數位轉換器、一數位黑階校準單元以及一前餽控制(feed-forward control)設計。

所述補償器將一黑階參考自該感測信號減去，以產生一第一類比信號。該可程式化增益放大器放大該第一類比信號形成一第二類比信號。該類比-數位轉換器係由一類比-數位轉換參考電位控制，用以轉換該第二類比信號為一第一數位信號。該數位黑階校準單元係基於該第一數位信號在不同色彩空間產生黑階校準數位資料。

所述前餽控制設計包括一電位階產生器、一第一增益級、一多工器以及一第二增益級。該電位階產生器用於產生不同準位的多個參考電位。該第一增益級用於放大該等參考電位中一特定者，以產生上述類比-數位轉換參考電位。該多工器接收該電位階產生器所產生的該等參考電位，且根據該影像感測器的感測器特徵輸出所接收之該等參考電位其一。該第二增益級將該多工器輸出的參考電位放大，以產生所述黑階參考。特別是，該第二增益級所供應的增益係隨著該可程式化增益放大器變化。

另有一種實施方式針對數位攝影機揭露一種採用黑階校準技術的影像感測器信號讀取方法，包括以下步驟：

■自一數位攝影機的一影像感測器接收一感測信號，所述影像感測器包括一像素感測器陣列。

■將一黑階參考自該感測信號減去，以產生一第一類比信號。

■放大該第一類比信號以產生一第二類比信號。

■根據一類比-數位轉換參考電位，將該第二類比信號轉換為一第一數位信號。

■基於該第一數位信號，於不同色彩空間產生黑階校準數位資料。

所述類比-數位轉換參考電位係由一電位階產生器所產生的多個參考電位中一特定者放大形成。所述黑階參考係基於該影像感測器之感測器特徵自該等參考電位中選出其一放大形成。選中的參考電位以及該黑階參考之間的增益比例會隨著該第一以及該第二類比信號之間的增益變化。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖示，詳細說明如下。

以下揭露本發明多種實施方式，目的為說明本發明的基本原理，並不意圖限定發明範圍。本發明的範圍應當以申請專利範圍界定之。

根據本發明一種實施方式所實現的一數位攝影機包括一影像感測器以及一信號讀取電路。

第1圖圖解根據本發明一種實施方式所實現的一影像感測器100，包括有一像素感測器陣列。該陣列的像素感測器部分位於暗區102，其餘位於主動區104。暗區102的像素感測器用作黑階校準，遭遮蔽(例如，由一金屬板遮蔽之)，以與光線阻隔。至於主動區104的像素感測器則無遮蔽，用於感測影像。

第2圖圖解根據本發明一種實施方式所實現的一信號讀取電路200，自該影像感測器100接收一感測信號202，並且針對不同的色彩空間輸出黑階校準數位資料204作影像信號處理。信號讀取電路200包括一補償器206、一可程式化增益放大器208、一類比-數位轉換器210、一數位黑階校準單元212以及一前餽控制設計214。

補償器206將一黑階參考216自該感測信號202減去，以產生一第一類比信號218。可程式化增益放大器208放大該第一類比信號218，以產生一第二類比信號220。類比-數位轉換器210係基於一類比-數位轉換參考電位222動作，用於轉換該第二類比信號220為一第一數位信號224。數位黑階校準單元212係基於該第一數位信號224產生所述黑階校準數位資料204。

黑階校準數位資料204的形成與所述前餽控制設計214有關，恆為穩定。如圖所示，前餽控制設計214包括一電位階產生器226、一第一增益級228、一多工器230以及一第二增益級232。電位階產生器226產生具有不同電位的多個參考電位VREF1至VREFN。第一增益級228放大該等參考電位VREF1至VREFN中一特定者VREFi，以產生上述類比-數位轉換參考電位222。多工器230接收該電位階產生器所產生的該等參考電位VREF1至VREFN，並且基於該影像感測器100的感測器特徵輸出所接收的該等參考電位其一VREFj。第二增益級232放大該多工器230所輸出的該參考電位VREFj，以產生該黑階參考216。上述感測器特徵可能與電源、溫度、或製程…等相關。藉由妥善控制多工器230所作的選擇，不同裝置所可能具有的不同感測器特徵會考慮在該黑階參考216的產生中。

此外，產生該類比-數位轉換參考電位222用的所述參考電位VREFi以及產生該黑階參考216用的該參考電位 VREFj係由同樣的電位階產生器226形成。如此一來可緩和所拍攝影片的光拍問題(light beating problem)。

此外，第二增益級232的增益可隨著該可程式化增益放大器208之增益改變。當以主動區104之像素感測器擷取影像時，該可程式化增益放大器208的增益以及第二增益級232的增益可取決於環境亮度。例如：面對較亮的環境，該可程式化增益放大器208可提供較低的增益，第二增益級232可提供較高的增益；面對較暗的環境，該可程式化增益放大器208可提供較高的增益，該第二增益級232可提供較低的增益。該可程式化增益放大器208的增益以及該第二增益級232的增益可由一自動曝光演算法控制。

在一種實施方式中，第一以及第二增益級228以及232可由兩個開關電容增益級(switched-capacitor gain stages)分別實現。所述兩個開關電容增益級可具有匹配設計-呈相同的架構且採同步的開關控制。如此一來可有效解決所擷取之影片的光拍問題。

此段落討論所述數位黑階校準單元212。數位黑階校準單元212可包括一數位增益級234以及一數位黑階校準器236。數位增益級234係以一數位增益放大該第一數位信號224，以產生一第二數位信號238。數位黑階校準器236將該第二數位信號238轉換為不同色彩空間的黑階校準數位資料204。所述數位增益級234所供應的數位增益係由該數位黑階校準器236補償，因此得以確保黑階校準數位資料236的動態區間(dynamic range)。

如第2圖所示，所揭露之信號讀取電路200可更包括一偏移校準器240。偏移校準器240係作用於該感測信號202產生自該影像感測器100暗區102之像素感測器時，用於基於該第一數位信號224(或該第一數位信號224所放大形成的該第二數位信號238)最佳化該多工器230的選擇信號242。若感測信號202非源自暗區102(如，乃源自影像感測器100之主動區104)的像素感測器，偏移校準器240除能；此時，多工器230維持以最佳化的選擇信號242控制。基於最佳化之選擇信號242，影像感測器100的感測器特徵將妥善考量於黑階參考216的形成中，供該亮區104之像素感測器所接收的感測信號202使用。

在一種實施方式中，信號讀取電路200為單端電路結構。或者，信號讀取電路200可為全差動式電路結構，以擴展動態區間。

第3圖以流程圖圖解一影像感測器上一像素感測器的信號讀取方法，可以多種方式實現，如：以韌體實現、以採硬體邏輯電路之硬體實現、或以綜合軟硬體的方式實現。步驟S302自該影像感測器接收一感測信號。步驟S304將一黑階參考自該感測信號減去，以產生一第一類比信號。步驟S306放大該第一類比信號，以形成一第二類比信號。步驟S308根據一類比-數位轉換參考電位將該第二類比信號轉換為一第一數位信號。步驟S310則基於該第一數位信號，於不同色彩空間產生黑階校準數位資料。特別是步驟S308所使用到的類比-數位轉換參考電位係以放大一電位階產生器所產生的多個參考電位中一特定者獲得。此外，步驟S302所使用到的該黑階參考係由放大基於該影像感測器之感測器特徵而自該等參考電位中選出者形成，並且，所選擇的參考電位以及該黑階參考之間的增益係隨著該第一以及該第二類比信號之間的增益改變。第3圖所述、針對單一像素設計信號讀取方法可被反覆實施，應用於該影像感測器主動區的所有像素感測器上，達成完整畫面之擷取。

在一種實施方式中，採匹配設計(具相同架構、且採同步之開關控制)的兩個開關式電容增益級可應用來產生該類比-數位轉換參考電位以及該黑階參考。

第4圖為流程圖圖解步驟S310的一種實施方式，用於產生黑階校準數位資料。步驟S402以一數位增益放大上述第一數位信號，以產生一第二數位信號。步驟S404將該第二數位信號轉換為該黑階校準數位資料。特別是，該第一以及該第二數位信號之間的數位增益係於該第二數位信號轉換至該黑階校準數位資料時補償。

一種實施方式係於上述感測信號源自像素感測器陣列之暗區時參考該第一數位信號選定用於產生該黑階校準的參考電位。暗區的像素感測器係遭遮蔽，不受光線干擾之像素。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧影像感測器

102‧‧‧暗區

104‧‧‧主動區

200‧‧‧信號讀取電路

202‧‧‧感測信號

204‧‧‧黑階校準數位資料

206‧‧‧補償器

208‧‧‧可程式化增益放大器

210‧‧‧類比-數位轉換器

212‧‧‧數位黑階校準單元

214‧‧‧前餽控制設計

216‧‧‧黑階參考

218‧‧‧第一類比信號

220‧‧‧第二類比信號

222‧‧‧類比-數位轉換參考電位

224‧‧‧第一數位信號

226‧‧‧電位階產生器

228‧‧‧第一增益級

230‧‧‧多工器

232‧‧‧第二增益級

234‧‧‧數位增益級

236‧‧‧數位黑階校準器

238‧‧‧第二數位信號

240‧‧‧偏移校準器

242‧‧‧選擇信號

S302…S310‧‧‧步驟

S402、S404‧‧‧步驟

VREF1、VREF2…VREFi、VREFj…VREFN‧‧‧參考電位

第1圖圖解根據本發明一種實施方式所實現的一影像感測器100，包括像素感測器陣列，其中部分像素感測器位於暗區102，且其餘像素感測器位於主動區104；第2圖圖解根據本發明一種實施方式所實現的一信號讀取電路200，自該影像感測器100接收感測信號202，並且輸出不同色彩空間的黑階校準數位資料204作影像信號處理用；第3圖以流程圖說明一像素感測器的信號讀取方法；以及第4圖以流程圖圖解步驟S310的一種實施方式，描述產生該黑階校準數位資料的流程。