WO2013041816A1 - Capteur a photosites perfectionne - Google Patents

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WO2013041816A1
WO2013041816A1 PCT/FR2012/052119 FR2012052119W WO2013041816A1 WO 2013041816 A1 WO2013041816 A1 WO 2013041816A1 FR 2012052119 W FR2012052119 W FR 2012052119W WO 2013041816 A1 WO2013041816 A1 WO 2013041816A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
photosite
average
photosites
neighborhood
analog
Prior art date
Application number
PCT/FR2012/052119
Other languages
English (en)
Inventor
David Alleysson
Gilles SICARD
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs
Université Pierre-Mendès-France Grenoble Ii
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs, Université Pierre-Mendès-France Grenoble Ii filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs
Publication of WO2013041816A1 publication Critical patent/WO2013041816A1/fr

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57—Control of the dynamic range
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components

Definitions

  • the present invention relates to an image sensor device, with a photodiode array.
  • a matrix of photodiodes is used whose exposure to light generates a current (or a voltage) which is then converted into a numerical value, by means of a converter. analog-digital.
  • analog-digital To adapt the sensitivity of the photodiode to the amount of light of the scene to be captured, we adapt the integration time of the light on the entire sensor (exposure time, several successive acquisitions of the image).
  • a tone rendering operation is then preferable for encoding this high dynamic image for 8-bit display formats.
  • This technique then requires calculation means, as well as memory, and poses problems during movements in the scene between acquisitions.
  • the invention improves the situation.
  • the present invention thus aims at an image sensor device, comprising a multiplicity of photosites and at least one analog / digital converter, each photosite being adapted to receive a luminous flux and to deliver an electrical signal, in analog form, supplying the converter (s).
  • the device further comprises, upstream of the converter:
  • each integrator circuit being connected to a set of neighborhood photosites, each integrator circuit being adapted to deliver an analog signal corresponding to an average of the analog signals delivered by the photosites of said neighborhood, and
  • the invention makes it possible to obtain satisfactory results, with in particular a high level of detail in the dark areas, usually at high noise.
  • the above average may be a simple average, or weighted, or may also be a more complex convolution function.
  • the regulating means weight the analog signal of each photosite by the average signal of the neighborhood to which this photosite belongs.
  • the signal from the photosite is thus added to the above-mentioned average to that of its neighbors (this addition being noted hereinafter as Vph + V0).
  • Each integrator circuit can be connected to a set of photosites (nxm) forming a distinct neighborhood per integrator circuit, which advantageously makes it possible to reduce the cost in reading and in place on the circuit.
  • the regulator means may comprise at least a plurality of amplifier circuits each connected to a row, on the one hand, and to the decoder , on the other hand.
  • the integrator circuits each comprise at least one capacitor, according to an advantageously analog architecture.
  • the regulating means preferentially apply a weighting to each analog signal of a photosite according to an adaptive non-linear function involving the aforementioned average on the neighborhood of this photosite.
  • the above-mentioned regulating means can apply, to an analog signal S of a photosite, a function F (S) of the type:
  • f (M) is a linear function of the mean, denoted M.
  • g in this expression can be a constant or, alternatively, a function g (M), also linear, of M.
  • the function f (M) can be given, for its part, by:
  • f (M) M + kG, where k is a constant and G is an overall average calculated on all of the analog signals from all the photosites of the sensor device.
  • the device comprises KxL photosites, each integrator circuit being connected to a neighborhood of nxm photosites, and the device comprises: (E ((K1) / n) + 1) (E ((L1) / m) + 1) integrator circuits,
  • E (x) denotes the integer part of x.
  • each photosite can be read in a particular embodiment. It is also possible to provide multiplexers for reading pixels as in a conventional circuit.
  • the sensor device may comprise a plurality of analog / digital converters, and upstream of each converter, regulating means for weighting the analog signal of each photosite by the average signal of the vicinity of this photosite. This embodiment will be described later with reference to FIG. 7B.
  • the device may comprise a regulating means and a converter by column or by line.
  • the estimation of the average can be carried out by integrating means.
  • integrating means can be for example in the form of a memory or a set of components including in particular one or more capacitors.
  • These integrating means can advantageously be arranged directly in the photosite matrix, by providing "blind" photosites.
  • a location for a photosite is occupied by integrating means, and for each neighborhood to predict.
  • Figure 3B Such an embodiment is illustrated in Figure 3B described in detail below.
  • each given neighborhood comprises a blind photosite (represented in gray), including integration means for estimating the average on this given neighborhood.
  • the invention proposes a control of the sensitivity of a photosite by a local average estimate of the brightness of the scene, which makes it possible to adapt the dynamics of the sensor locally and makes it possible to have a sensitivity controlled locally.
  • This processing done in analog directly in the circuits of photosites allows a dynamic regulation upstream of the analog / digital converter. This simplifies the shape of this regulation while ensuring a good representation of the image.
  • the photosite sensitivity control function is smooth enough to prevent artefact generation around the objects in the image.
  • FIG. 1A illustrates an overview of a signal processing chain derived from a PXL photosite generating a photocurrent PHC, up to a digital voltage value VN,
  • FIG. 1B illustrates the detail of a pixel matrix KxL, with conventional processing
  • FIG. 2A illustrates the detail of a pixel matrix KxL, with a treatment in the sense of the invention
  • FIG. 2B illustrates the detail of the processing of the signals coming from the photosites of the KxL matrix, within the meaning of the invention
  • FIGS. 3A and 3B illustrate neighborhoods of photosites taken for a mean calculation V0, in two respective exemplary embodiments
  • FIG. 4 illustrates examples of conventional regulation and within the meaning of the invention
  • FIGS. 5A, 5B and 5C illustrate an example of simulation (FIG. 5C) from an image of a scene represented in FIG. 5A
  • FIG. 6A illustrates an exemplary embodiment schematically showing an integration on each neighborhood for estimating an average associated with this neighborhood, followed by global regulation
  • FIG. 6B illustrates the regulation implemented in an exemplary embodiment corresponding to FIG. 6A
  • FIG. 7A illustrates an embodiment detail of an overall regulation, corresponding to the embodiment of FIG. 6A.
  • FIG. 7B illustrates an alternative embodiment of FIG. 7A, in which there are provided as many regulator modules as there are columns in the example shown.
  • the present invention proposes a modification of the architecture of a conventional imager to perform a local adaptation at the sensor and thus deliver an automatically regulated image according to the local dynamics in the scene.
  • a conventional sensor comprises a multiplicity of photosites (i, j), with i ranging from 1 to K and j, from 1 to L.
  • Each photosite PXL converts a light energy PH into a photo-current.
  • PHC to finally deliver an analog VA voltage.
  • An AC column amplifier comprises a multiplexer for collecting all the analog voltages from the different photosites and the resulting voltage is applied to an ADC to deliver a digital voltage VN.
  • the photosite matrix referenced MAT PXL and also called “sensor” hereafter
  • DEC1 the photosite matrix
  • DEC2 decoder DEC2
  • the signal from the matrix is amplified (AMP) and converted into digital voltage VN.
  • the MAT sensor PXL is equipped with a means for measuring the response.
  • V in voltage or intensity
  • This response estimates the local brightness in the scene.
  • a parameter V0 corresponding to a local luminance is measured, so as to adapt the dynamics of a photosite or a group of N neighboring photosites (as illustrated on the N pixels, PXL1, PXL2, PXLN of FIG. 2B).
  • the luminance can be estimated directly in the mosaic of adjacent photosites of different colors because the average in a mosaic corresponds to the luminance filtered according to the weighting possibly used in the calculation of the average.
  • this luminance can be estimated by the average (simple or advantageously weighted, for example) of the signals from the photosites or "pixels".
  • the sensitivity of a photosite is then regulated using an adaptive non-linear function F (Vph, V0) whose form of non-linearity (its local "slope") depends on the parameter of above average V0, Vph being the output voltage of this photosite.
  • F adaptive non-linear function
  • an embodiment of the invention is adapted to a conventional sensor such as a standard CMOS (mass-produced) imager usually consisting of four distinct parts:
  • each pixel comprising a photodiode and three to five MOS transistors; these pixel structures make it possible to convert a photocurrent generated in the photodiode into voltage; the most complex structures can also memorize the image within the pixel that has a memory (so-called "Global shutter” technique);
  • a line of AMP column amplifiers situated at the bottom of each pixel column and responsible for shaping voltage values emanating from each pixel, to eliminate the voltage variations caused by the manufacturing dispersion (fixed spatial noise or " FPN "for” Fixed Pattern Noise ”) and transfer the voltage values to the analog-to-digital converter;
  • An analog / digital converter CA (which is generally a separate entity but which, in a variant, can be integrated at least in part with the electronics at the foot of the column);
  • Measuring the local brightness is achieved by adding a common N (or nxn) adjacent pixel capacity to realize a real-time average.
  • N or nxn
  • the number N equals 4.
  • This measurement can be read using the same reading circuit as for the pixels, as well as a time multiplexer. In this way, the regulation can be carried out at the bottom of the column directly before the digital / analog conversion. Since the control function F (Vph, V0) is common to all the photosites, the application of this function can be shared for the sake of economy.
  • a measurement of the local average of the pixel values is used to regulate, through an adaptive non-linear function, the response of the photosites and to then process the locally adapted hue rendering. It is proposed here to calculate the local average between pixels by adding connections to a blind photosite (which serves as memory). In this way, the reading of the value of the average is performed as a normal pixel reading without modification of the read circuit.
  • Vph The voltage value of the pixels is noted hereinafter Vph and the value of the blind pixel VO.
  • the average is carried out on 4 adjacent pixels between them.
  • the average is performed on 4 pixels adjacent to the same pixel called "blind" (shown in gray).
  • the voltages Vph of the sensitive pixel values and the value VO of the possibly blind pixels are sent to the output block comprising:
  • the regulation function of the signal F (Vph, V0) thus takes as input the voltage Vph of the pixel in question (i, j) and the value V0 assigned to a group of pixels "around" the position (i, j).
  • Vph voltage
  • V0 value assigned to a group of pixels "around" the position (i, j).
  • a pixel at the top left of a group in Figure 3A or Figure 3B shares the value V0 with the right neighbor, bottom and bottom right.
  • the signal is digital and is worth DV (i, j) for the pixel
  • a function F can be used:
  • Vph, VO g (V0) Vph / (Vph + f (V0)),
  • f (V0) and g (V0) are linear functions of the average (denoted VO) of the pixel signals of the neighborhood of the pixel in question (this pixel delivering the Vph signal).
  • f (V0) VO + kG, where k is a constant and G is a global average calculated on a set of pixels beyond a simple neighborhood (for example all the pixels of a matrix, or all the pixels of a row or of a column, or other).
  • a simpler adaptive nonlinear expression of the regulation may be of the type:
  • M T is a predefined constant
  • Vmoy-mat Vmoy-mat, and corresponds, as explained above, to the average value of all the pixels of the matrix or the pixels of a column or a line.
  • This global regulation function is performed in a calculation block at the foot of the column before the analog / digital conversion, or directly by modulating the analog-to-digital conversion by the value VO.
  • FIG. 6A shows an embodiment in which two regulations are implemented, one local (for each neighborhood of a given pixel) and the other global (for an average on all the pixels of the matrix). , or for a column or row of pixels).
  • the MAT matrix PXL comprises integration means INT VOI which consist of reserved spaces for integration for the calculation of an intra-neighborhood mean.
  • these means can be blind pixels, that is to say that the location of such "pixels" is replaced by a memory (or a set of components comprising one or more capacitors) calculating a VO average of the signals of a neighborhood of pixels. For example, over a neighborhood of four pixels illustrated in FIG. 3A or 3B, this average VO can be given by an expression of the type:
  • TM ⁇ A
  • kj is a weighting coefficient that can be chosen during an initial phase of calibration of the matrix (may thus depend on a color arrangement), and / or which may be modulated to modulate more usually a spatial transfer function (to give more importance, for example, to rows than to columns)
  • LEC reading circuits are provided downstream of the MAT matrix PXL and, in particular, additional regulation means REG, to which the general regulation function F (Vph, VO) according to a formula chosen from the various types (1), (2) and (3) presented above.
  • This regulation occurs before the Analog / Digital Conversion CAN, and directly at the foot of column or line, as will be seen in the more detailed embodiments of Figures 7A and 7B.
  • the embodiment of FIG. 6B simply uses an adaptive non-linear formula of the regulation according to type (1) or (2) presented above.
  • the terms K and C may depend on the general average intra-matrix Vmoy-mat. These terms can be determined completely during an initial calibration phase, for example by determining:
  • Fmin KVmin / (Vmin + V0 + C), function of a minimum of Vmin signal collected by this pixel,
  • Fmax KVmax / (Vmax + V0 + C), function of a maximum of signal Vmax collected by this given pixel.
  • the value VO can be determined according to the signals of the pixels of the neighborhood, in each case.
  • FIG. 7A for a matrix of L columns and K rows, neighborhoods of M columns and N rows are considered, in which respective averages are calculated to achieve integration specific to each neighborhood.
  • a sequential reading of the AC column amplifiers is advantageously provided (reference LEC SEQ-AC s of FIG. 7A).
  • Each of these Column amplifiers may include a sampler / blocker with compensation means for fixed spatial noise correction (or "FPN" for "fixed pattern noise”).
  • FPN fixed spatial noise correction
  • FIGS. 7A and 7B a signal coming from a pixel i, j is denoted 3 ⁇ 4 and the average calculated for a neighborhood of M, N pixels is denoted X0, which leads to defining K / N ⁇ L / M averages of neighborhoods.
  • This implementation therefore provides:
  • the regulation function is preferentially non-linear adaptive and of type:
  • the regulation function is applied to a single ad-hoc module REG which intervenes downstream of the sequential reading modules LEC SEQ, but always upstream of the CAN conversion.
  • the regulation may involve the average on all the pixels of the matrix Vmoy-mat.
  • FIG. 7B shows an example of rendering of a scene SC of great dynamics, with a variation of brightness levels much greater than what can encode a sensor of a given dynamics (for example 8 bits). This variation is also much larger than the possible dynamics of the available FOR image displays.
  • Figures 5A, 5B and 5C show an example of simulation from an image of a 12-bit encoded scene. If the display and the internal format of the data is 8 bits, by changing the exposure time, we can obtain all the images presented in Figure 5B. However, with a 12-bit dynamic sensor, the encoding and the 8-bit display give the image 5A.

Landscapes

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  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
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Abstract

L'invention concerne un capteur d'image, comportant une multiplicité de photosites (Kx L) et un convertisseur analogique/numérique, chaque photosite étant apte à recevoir un flux lumineux et à délivrer un signal électrique, sous forme analogique, alimentant le convertisseur. En particulier, le capteur comporte en outre, en amont du convertisseur: -une pluralité de circuits intégrateurs, chaque circuit intégrateur étant connecté à un ensemble de photosites formant un voisinage, chaque circuit intégrateur étant propre à délivrer un signal analogique correspondant à une moyenne (V0) des signaux analogiques délivrés par les photosites du voisinage, et -des moyens régulateurs pour pondérer (F(Vph, V0)) le signal analogique de chaque photosite (Vph) par le signal de moyenne du voisinage de ce photosite.

Description

CAPTEUR A PHOTOSITES PERFECTIONNE
La présente invention concerne un dispositif capteur d'images, à matrice de photodiodes. Pour faire l'acquisition d'images par un appareil numérique, on utilise une matrice de photodiodes dont l'exposition à la lumière génère un courant (ou une tension) qui est ensuite converti en valeur numérique, à l'aide d'un convertisseur analogique- numérique. Pour adapter la sensibilité de la photodiode à la quantité de lumière de la scène à capter, on adapte le temps d'intégration de la lumière sur l'ensemble du capteur (durée d'exposition, plusieurs acquisitions successives de l'image).
Cependant, dans la plupart des scènes, il existe des zones claires et sombres qui ne seront pas rendues correctement si la sensibilité du capteur est réglée globalement à partir de la luminosité moyenne de la scène. Pour améliorer le rendu des images, une augmentation de la dynamique des images, par exemple de 8 à 16 bits, permet d'encoder plus de niveaux différents dans une image. Toutefois, cette méthode est compliquée car elle impose de disposer d'un convertisseur de grande précision et un format de fichier numérique volumineux. Elle impose en outre des moyens de calculs et de mémoire importants.
En effet, pour faire l'acquisition d'une image d'une scène dans le visible, les appareils photographiques et caméras adaptent leur sensibilité aux conditions lumineuses moyennes (sous la dénomination dite « ISO-numérique » relativement à de tels appareils). Cependant, une scène contient souvent des zones de luminosités très différentes. Dans ce cas, les zones fortement éclairées sont saturées dans les blancs, tandis que les zones faiblement éclairées se confondent avec le noir. Pour améliorer le rendu des scènes dont la dynamique est fortement variable d'une zone à l'autre, il est habituellement effectué plusieurs acquisitions d'images en faible dynamique (typiquement 8-10 bits) avec plusieurs facteurs d'exposition qui sont ensuite combinées pour obtenir une image de grande dynamique (32 bits).
Une opération de rendu des tons est alors préférable pour encoder cette image de grande dynamique pour des formats d'affichage (8 bits). Cette technique nécessite alors des moyens de calcul, ainsi que de la mémoire, et pose des problèmes lors de mouvements dans la scène entre les acquisitions.
On peut utiliser aussi un capteur de grande dynamique (maximum 14 bits), mais pour lequel le convertisseur analogique-numérique coûte cher, et le rendu de teinte doit être traité. II a été suggéré une adaptation locale, laquelle permettrait de traiter à la volée un rendu de teinte suivant les conditions locales d'exposition. Elle fournirait l'avantage d'une seule acquisition, sans nécessiter de convertisseurs onéreux et d'éviter un rendu de teinte à posteriori. Cependant, l'adaptation locale génère souvent des artéfacts (halos) visibles dans les zones peu texturées. Des solutions de post-traitement numérique de ces artéfacts ont été proposées, mais il n'existe actuellement aucune solution satisfaisante d'architecture intégrée qui permettrait une régulation automatique du contraste local.
L'invention vient améliorer la situation.
Elle propose à cet effet une architecture de capteur ayant la particularité d'avoir un contrôle de gain adaptatif local.
La présente invention vise alors un dispositif capteur d'image, comportant une multiplicité de photosites et au moins un convertisseur analogique/numérique, chaque photosite étant apte à recevoir un flux lumineux et à délivrer un signal électrique, sous forme analogique, alimentant le (ou les) convertisseur(s).
En particulier, le dispositif comporte en outre, en amont du convertisseur :
une pluralité de circuits intégrateurs, chaque circuit intégrateur étant connecté à un ensemble de photosites formant un voisinage, chaque circuit intégrateur étant propre à délivrer un signal analogique correspondant à une moyenne des signaux analogiques délivrés par les photosites dudit voisinage, et
des moyens régulateurs pour pondérer le signal analogique de chaque photosite par le signal de moyenne du voisinage de ce photosite.
Comme on le verra dans les exemples de réalisation présentés ci-après, l'invention permet d'obtenir des résultats satisfaisants, avec en particulier un niveau de détails élevé dans les zones sombres, habituellement à fort bruit. La moyenne précitée peut être une moyenne simple, ou pondérée, ou peut aussi correspondre à une fonction de convolution plus complexe.
Dans une réalisation préférentielle, les moyens régulateurs pondèrent le signal analogique de chaque photosite par le signal de moyenne du voisinage auquel appartient ce photosite. On ajoute ainsi dans la moyenne précitée le signal issu du photosite, à celui de ses voisins (cette addition étant notée ci-après Vph+V0).
Chaque circuit intégrateur peut être connecté à un ensemble de photosites (nxm) formant un voisinage distinct par circuit intégrateur, ce qui permet avantageusement de réduire le coût en lecture et en place sur le circuit.
Dans une architecture de dispositif comportant une pluralité de rangées de photosites, connectées à un décodeur de rangées en amont du convertisseur, les moyens régulateurs peuvent comporter au moins une pluralité de circuits amplificateurs connectés chacun à une rangée, d'une part, et au décodeur, d'autre part. Préférentiellement, les circuits intégrateurs comportent chacun au moins un condensateur, selon alors une architecture avantageusement analogique.
Les moyens régulateurs appliquent préférentiellement une pondération à chaque signal analogique d'un photosite selon une fonction non-linéaire adaptative faisant intervenir la moyenne précitée sur le voisinage de ce photosite.
Plus particulièrement, les moyens régulateurs précités peuvent appliquer, à un signal analogique S d'un photosite, une fonction F(S) du type :
F(S) = g S / (S + f(M)),
où f(M) est une fonction linéaire de la moyenne, notée M.
Le terme g dans cette expression peut être une constante ou, en variante, une fonction g(M), linéaire aussi, de M. Les fonctions f(M) et g(M) peuvent être liées par une relation du type g(M) = c + f(M), où c est une constante (par exemple égale à 1).
La fonction f(M) peut être donnée, quant à elle, par :
f(M) = M + kG, où k est une constante et G est une moyenne globale calculée sur l'ensemble de tous les signaux analogiques issus de tous les photosites du dispositif capteur.
Une réalisation alternative consiste à prévoir une pondération logarithmique. II est précisé en outre qu'il est avantageux de préférer une réalisation dans laquelle le signal électrique que délivre un photosite se présente sous la forme d'une réponse linaire au flux lumineux que reçoit ce photosite (et non logarithmique, comme fréquemment dans l'état de l'art). Avantageusement, le dispositif comporte KxL photosites, chaque circuit intégrateur étant connecté à un voisinage de nxm photosites, et le dispositif comporte : (E((K-l)/n)+l)(E((L-l)/m)+l) circuits intégrateurs,
où E(x) désigne la partie entière de x.
On peut lire, outre la résultante des circuits intégrateurs, la valeur de chaque photosite, dans une réalisation particulière. On peut prévoir aussi des multiplexeurs servant à la lecture des pixels comme dans un circuit classique.
Dans une réalisation, le dispositif capteur peut comporter une pluralité de convertisseurs analogique/numérique, et en amont de chaque convertisseur, des moyens régulateurs pour pondérer le signal analogique de chaque photosite par le signal de moyenne du voisinage de ce photosite. Cette réalisation sera décrite plus loin en référence à la figure 7B.
Elle peut être avantageuse notamment dans le cas où il est souhaité de mettre en œuvre une régulation spatiale (par colonne ou par ligne). Ainsi, par exemple, dans le cas d'un dispositif capteur comportant des lignes et des colonnes de photosites, le dispositif peut comporter un moyen régulateur et un convertisseur par colonne ou par ligne.
Dans une réalisation particulière, l'estimation de la moyenne peut s'effectuer grâce à des moyens intégrateurs. Ces derniers peuvent être par exemple sous la forme d'une mémoire ou d'un ensemble de composants comportant notamment un ou plusieurs condensateurs. Ces moyens intégrateurs peuvent avantageusement être disposés directement dans la matrice de photosites, en prévoyant des photosites « aveugles ». Ainsi, un emplacement prévu pour un photosite est occupé par des moyens intégrateurs, et ce, pour chaque voisinage à prévoir. Une telle réalisation est illustrée sur la figure 3B décrite en détails plus loin. Sur cette figure, chaque voisinage donné comporte un photosite aveugle (représenté en grisé), comprenant des moyens d'intégration pour estimer la moyenne sur ce voisinage donné. En variante, on peut prévoir bien entendu une matrice complète de photosites (réels photosites actifs), ainsi que des circuits intégrateurs individuels pour chaque voisinage. Dans un cas ou l'autre, ces circuits intégrateurs restent toujours distincts des photosites actifs. Ainsi, l'invention propose un contrôle de la sensibilité d'un photosite par une estimation moyenne locale de la luminosité de la scène, ce qui permet d'adapter la dynamique du capteur localement et permet d'avoir une sensibilité pilotée localement. Ce traitement réalisé en analogique directement dans les circuits des photosites permet une régulation dynamique en amont du convertisseur analogique/numérique. On simplifie ainsi la forme de cette régulation tout en garantissant une bonne représentation de l'image.
La fonction de régulation de la sensibilité des photosites est suffisamment lisse pour éviter la génération d'artéfact au contour des objets dans l'image.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description donnée ci-après à titre d'exemple illustratif, et à l'examen des dessins annexés sur lesquels :
la figure 1A illustre une vue d'ensemble d'une chaîne de traitement de signal issu d'un photosite PXL générant un photocourant PHC, jusqu'à une valeur de tension numérique VN,
la figure 1B illustre le détail d'une matrice de pixels KxL, avec un traitement classique,
la figure 2A illustre le détail d'une matrice de pixels KxL, avec un traitement au sens de l'invention,
la figure 2B illustre le détail du traitement des signaux issus des photosites de la matrice KxL, au sens de l'invention,
les figures 3 A et 3B illustrent des voisinages de photosites pris pour un calcul de moyenne V0, dans deux exemples de réalisation respectifs,
- la figure 4 illustre des exemples de régulation classique et au sens de l'invention, et les figures 5A, 5B et 5C illustrent un exemple de simulation (figure 5C) à partir d'une image d'une scène représentée sur la figure 5 A,
la figure 6A illustre un exemple de réalisation montrant schématiquement une intégration sur chaque voisinage pour l'estimation d'une moyenne associée à ce voisinage, suivie d'une régulation globale,
la figure 6B illustre la régulation mise en œuvre dans un exemple de réalisation correspondant à la figure 6A,
la figure 7A illustre un détail de réalisation d'une régulation globale, correspondant à la réalisation de la figure 6A, et
- la figure 7B illustre une variante de réalisation de la figure 7 A, dans laquelle on prévoit autant de modules régulateurs que de colonnes dans l'exemple représenté.
La présente invention propose une modification de l'architecture d'un imageur classique pour effectuer une adaptation locale au niveau du capteur et délivrer ainsi une image automatiquement régulée en fonction de la dynamique locale dans la scène.
Dans une réalisation illustrée sur la figure 1A, un capteur classique comporte une multiplicité de photosites (i,j), avec i allant de 1 à K et j, de 1 à L. Chaque photosite PXL convertit une énergie lumineuse PH en photo-courant PHC pour délivrer finalement une tension analogique VA. Un amplificateur colonne AC comporte un multiplexeur pour collecter toutes les tensions analogiques issues des différents photosites et la tension résultante est appliquée à un convertisseur analogique/numérique CAN pour délivrer une tension numérique VN. En référence à la figure 1B, la matrice de photosites (référencée MAT PXL et appelé aussi « capteur » ci-après) est donc habituellement connectée à un décodeur de colonne DEC1, et à un décodeur de ligne DEC2. Le signal issu de la matrice est amplifié (AMP) et converti en tension numérique VN. En référence maintenant à la figure 2A présentant une application du procédé au sens de l'invention, le capteur MAT PXL, est équipé d'un moyen de mesure de la réponse V (en tension ou en intensité) d'un ensemble de N pixels voisins. Cette réponse permet d'estimer la luminosité locale dans la scène. On mesure en particulier un paramètre V0 correspondant à une luminance locale, de manière à adapter la dynamique d'un photosite ou d'un groupe de N photosites voisins (comme illustré sur les N pixels, PXL1, PXL2, PXLN de la figure 2B). On indique que la luminance peut être estimée directement dans la mosaïque des photosites voisins de différentes couleurs car la moyenne dans une mosaïque correspond à la luminance filtrée selon la pondération éventuellement utilisée dans le calcul de la moyenne. Ainsi, cette luminance peut être estimée par la moyenne (simple ou avantageusement pondérée, par exemple) des signaux issus des photosites ou « pixels ».
La régulation de la sensibilité d'un photosite s'effectue alors à l'aide d'une fonction non-linéaire adaptative F(Vph,V0) dont la forme de la non-linéarité (sa « pente » locale) dépend du paramètre de moyenne précitée V0, Vph étant la tension en sortie de ce photosite. La régulation peut être réalisée par exemple en analogique avant la conversion analogique-numérique CAN.
Ainsi, dans un exemple de réalisation, on adapte, pour une mise en œuvre de l'invention, un capteur classique tel qu'un imageur standard CMOS (produit en grande série) habituellement constitué de quatre parties distinctes :
- une matrice de pixels MAT PIX telle que représentée sur les figures 1B et 2 A, chaque pixel comportant une photodiode et de trois à cinq transistors MOS ; ces structures de pixels permettent de convertir en tension un courant photo-généré dans la photodiode ; les structures les plus complexes permettent également de mémoriser l'image au sein même du pixel qui comporte une mémoire (technique dite de « Global shutter ») ;
- une ligne d'amplificateurs colonnes AMP situés en bas de chaque colonne de pixels et chargés de mettre en forme des valeurs de tension émanant de chaque pixel, d'éliminer les variations de tensions causées par la dispersion de fabrication (bruit spatial fixe ou « FPN » pour « Fixed Pattern Noise ») et de transférer les valeurs de tension au convertisseur analogique numérique ; - un convertisseur analogique/numérique CA (qui est généralement une entité à part entière mais qui, en variante, peut être intégrée au moins en partie à l'électronique en pied de colonne) ;
- des décodeurs numériques de lignes DEC2 et de colonnes DEC1 définissant un séquencement de lecture de tous les pixels de la matrice.
Comme présenté ci-après, on améliore avantageusement à la fois l'augmentation de la dynamique d'entrée du capteur, ainsi que l'adaptation aux conditions lumineuses moyennes, tout en conservant globalement l'architecture physique générale d'un capteur classique.
La mesure de la luminosité locale est réalisée par l'adjonction d'une capacité commune à N (ou nxn) pixels adjacents pour réaliser une moyenne en temps réel. Dans un exemple de réalisation présenté en figures 3A et 3B, le nombre N égale 4.
On peut lire cette mesure en utilisant le même circuit de lecture que pour les pixels, ainsi qu'un multiplexeur temporel. De cette manière, la régulation peut être réalisée en pied de colonne directement avant la conversion numérique/analogique. Puisque la fonction de régulation F(Vph, V0) est commune à tous les photosites, l'application de cette fonction peut être partagée par souci d'économie.
L'innovation architecturale se situe au sein même du pixel, ainsi qu'à la sortie des amplificateurs colonnes :
en amont du convertisseur analogique/numérique (intégration analogique), ou en aval (intégration numérique), conformément à la figure 2B.
On utilise une mesure de la moyenne locale des valeurs des pixels pour réguler, à travers une fonction non-linéaire adaptative, la réponse des photosites et permettre de traiter ensuite le rendu de teinte adapté localement. Il est proposé ici de calculer la moyenne locale entre les pixels par l'ajout de connections à un photosite aveugle (qui fait office de mémoire). De cette manière, la lecture de la valeur de la moyenne est réalisée comme une lecture de pixel normal sans modification du circuit de lecture.
Aussi, la suppression du bruit spatial fixe (FPN) est réalisée sur la valeur moyenne. La valeur de tension des pixels est notée ci-après Vph et la valeur du pixel aveugle VO.
Pour réduire le nombre de connections entre les pixels sensibles et le pixel aveugle, quatre pixels de la matrice sont, dans un exemple de réalisation, connectés au pixel aveugle. Le schéma des connections peut alors tel que représenté sur la figure 3 A ou la figure 3B, illustrant deux exemples respectifs d'arrangement des pixels et des positions de la valeur moyenne pour N=4. Dans l'exemple de la figure 3A, la moyenne est effectuée sur 4 pixels adjacents entre eux. Dans l'exemple de la figure 3B, la moyenne est effectuée sur 4 pixels adjacents à un même pixel dit « aveugle » (représenté en grisé). En variante, en reprenant l'exemple de la figure 3B, la tension issue de ce pixel représenté en grisé peut être intégrée aussi au calcul de la moyenne, auquel cas N=5.
Les tensions Vph des valeurs de pixel sensibles et la valeur VO des pixels éventuellement aveugles sont envoyées au bloc de sortie comprenant :
le convertisseur analogique-numérique et
- un module de régulation du signal.
La fonction de régulation du signal F(Vph,V0) prend donc en entrée la tension Vph du pixel considéré (i,j) et la valeur V0 assignée à un groupe de pixels « autour » de la position (i,j). Par exemple, un pixel en haut à gauche d'un groupe de la figure 3A ou de la figure 3B partage la valeur V0 avec le voisin de droite, du bas et du bas à droite. Néanmoins, la valeur V0 est commune à un groupe de N pixels (avec N=4 par exemple) et ne doit pas être interprétée limitativement comme une moyenne simple autour du pixel (i,j). Elle peut être aussi une moyenne pondérée. A la sortie du bloc de régulation, le signal est numérique et vaut DV(i,j) pour le pixel Par exemple, en tant que fonction de régulation, on peut utiliser une fonction F :
F(Vph, VO) = g(V0) Vph / (Vph + f(V0)),
où f(V0) et g(V0) sont des fonctions linéaires de la moyenne (notée VO) des signaux de pixels du voisinage du pixel considéré (ce pixel délivrant le signal Vph). Les fonctions f(V0) et g(V0) sont par exemple liées par une relation du type g(V0) = C + f(V0), avec C constante, par exemple égale à 1.
La fonction f(V0) peut être donnée, quant à elle, par f(V0) = VO + kG, où k est une constante et G est une moyenne globale calculée sur un ensemble de pixels au-delà d'un simple voisinage (par exemple tous les pixels d'une matrice, ou tous les pixels d'une ligne ou d'une colonne, ou autre).
Ainsi, une forme de réalisation possible de la fonction de régulation peut s'écrire comme suit :
( 1 ) F(Vph, VO) = (VO + kG + C) Vph / (Vph + VO + kG)
Il apparaît ainsi que :
la moyenne VO sur un voisinage intervient dans cette expression, au titre d'une régulation fonction du voisinage, et
- qu'une moyenne G intervient aussi sur une plus grande partie de la matrice
(ligne, colonne, ou ensemble de tous les pixels de la matrice, ou autre), au titre d'une régulation de plus grande échelle (générale sur l'ensemble de la matrice, ou sur une colonne ou une ligne). Cette moyenne globale G est notée ci-après Vmoy-mat.
Une expression non-linéaire adaptative plus simple de la régulation peut être du type :
(2) F(Vph, VO) = Vph/(Vph+V0+MT),
ou toute autre fonction monotone croissante, lisse. La régulation peut suivre aussi, dans une réalisation possible, une variation logarithmique du type : F(Vph, V0) = log(MT +Vph/V0) ces expressions (2) et (3) :
MT est une constante prédéfinie,
ou encore MT=Vmoy-mat, et correspond, comme expliqué ci-avant, à la valeur moyenne de tous les pixels de la matrice ou des pixels d'une colonne ou d'une ligne.
L'application de cette fonction de régulation globale est réalisée dans un bloc de calcul en pied de colonne avant la conversion analogique/numérique, ou directement en modulant la conversion analogique-numérique par la valeur VO.
On a représenté sur la figure 6A une réalisation dans laquelle deux régulations sont mises en œuvre, l'une locale (pour chaque voisinage d'un pixel donné) et l'autre globale (pour une moyenne sur l'ensemble des pixels de la matrice, ou pour une colonne ou une ligne de pixels). Ainsi, la matrice MAT PXL comporte des moyens d'intégration INT VOI qui consistent en des espaces réservés pour une intégration en vue du calcul d'une moyenne intra-voisinage. Dans une réalisation correspondant à titre d'exemple à la représentation de la figure 3B, ces moyens peuvent être des pixels aveugles, c'est-à-dire que l'emplacement de tels « pixels » est remplacé par une mémoire (ou un ensemble de composants comportant un ou plusieurs condensateurs) calculant une moyenne VO des signaux d'un voisinage de pixels. Par exemple, sur un voisinage de quatre pixels illustré sur la figure 3A ou 3B, cette moyenne VO peut être donnée par une expression du type :
4
™ =∑A , où : kj est un coefficient pondérateur qui peut être choisi lors d'une phase initiale d'étalonnage de la matrice (pouvant dépendre ainsi d'un arrangement couleur), et/ou encore qui peut être modulé pour moduler plus généralement une fonction de transfert spatiale (pour accorder plus d'importance par exemple aux lignes qu'aux colonnes), et Vj est le signal en sortie du pixel d'indice i dans ce voisinage de 4 pixels (avec i=l , . .. ,4).
On peut obtenir ainsi une moyenne pondérée sur les photosites du voisinage (pondération donnée par les termes k}).
En référence à nouveau à la figure 6A, on prévoit des circuits de lecture LEC en aval de la matrice de pixels MAT PXL et, en particulier, des moyens de régulation supplémentaires REG auprès desquels peut être appliquée la fonction générale de régulation F(Vph, VO) selon une formule choisie parmi les différents types (1), (2) et (3) présentés ci-avant . C ette régulation intervient avant la Conversion Analogique/Numérique CAN, et directement en pied de colonne ou de ligne, comme on le verra dans les exemples de réalisation plus détaillés des figures 7A et 7B. On notera à titre d'exemple illustratif que la réalisation de la figure 6B utilise simplement une formule non- linéaire adaptative de la régulation selon le type (1) ou (2) présentés ci-avant. Comme indiqué précédemment, les termes K et C peuvent dépendre de la moyenne générale intra-matrice Vmoy-mat. Ces termes peuvent être déterminés complètement lors d'une phase initiale d'étalonnage, par exemple en déterminant :
- un signal régulé Fmin, minimum attendu en un pixel donné, avec :
Fmin = KVmin/(Vmin+V0+C), fonction d'un minimum de signal Vmin recueilli par ce pixel,
- ainsi qu'un signal régulé Fmax, maximum attendu en un pixel donné, avec :
Fmax = KVmax/(Vmax+V0+C), fonction d'un maximum de signal Vmax recueilli par ce pixel donné.
Dans ces expressions, la valeur VO peut être déterminée en fonction des signaux des pixels du voisinage, dans chaque cas.
En se référant maintenant à la figure 7 A, pour une matrice de L colonnes et de K lignes, on considère des voisinages de M colonnes et N lignes, en lesquels on calcule des moyennes respectives pour réaliser une intégration propre à chaque voisinage. A cet effet, on prévoit avantageusement une lecture séquentielle des amplificateurs colonnes AC (référence LEC SEQ - AC s de la figure 7A) . Chacun de ces amplificateurs colonnes peut comporter un échantillonneur/bloqueur avec un moyen de compensation pour une correction de bruit spatial fixe (ou « FPN » pour « fixed pattern noise »). Dans les figures 7A et 7B, un signal issu d'un pixel i,j est noté ¾ et la moyenne calculée pour un voisinage de M, N pixels est notée X0, ce qui mène à définir K/N x L/M moyennes de voisinages.
Ces moyennes sont notées aussi X0K/N, L/M dans la fonction de régulation qui s'applique aux signaux des x L pixels de la matrice, ces signaux étant notés XK,L dans l'expression de la fonction de régulation.
Cette mise en œuvre prévoit donc ainsi :
- une intégration auprès de chaque voisinage pour une estimation locale de la moyenne X0K/N, L/M, et
en aval de cette intégration, l'application d'une fonction de régulation utilisant cette moyenne locale, et ce pour chaque pixel auquel le voisinage, sur lequel est estimée la moyenne, est associé.
Dans l'exemple des figures 7 A et 7B, la fonction de régulation est préférentiellement non-linéaire adaptative et de type :
F(XK,L) = C 1 XK, L / (XK, L + X0K/N, L/M + C2), où C2 est une constante et C 1 est une constante ou encore dépend de la moyenne X0K/N, L/M- Par ailleurs, dans l'exemple de réalisation de la figure 7A, la fonction de régulation est appliquée auprès d'un seul module ad-hoc REG qui intervient en aval des modules de lecture séquentielle LEC SEQ, mais toujours en amont de la conversion CAN. Ainsi, dans une telle réalisation, la régulation peut faire intervenir la moyenne sur l'ensemble des pixels de la matrice Vmoy-mat.
En revanche, dans l'exemple de réalisation de la figure 7B, il peut être calculé des régulations pour chaque colonne, en aval de la lecture séquentielle. Cette réalisation, consistant ainsi en une régulation par colonne et avec une conversion CAN par colonne, permet avantageusement de gagner en rapidité de traitement, et éventuellement d'individualiser spatialement pour chaque colonne la moyenne globale sur l'ensemble des pixels d'une colonne par exemple, en remplacement de la moyenne globale Vmoy-mat. La figure 4 montre un exemple de rendu d'une scène SC de grande dynamique, avec une variation des niveaux de luminosité beaucoup plus grande que ce que peut encoder un capteur d'une dynamique donnée (par exemple 8 bits). Cette variation est également beaucoup plus grande que la dynamique possible des afficheurs d'images disponibles FOR.
En changeant le temps d'exposition tl, t2, t3, par une régulation globale, on peut modifier les parties de la scène qui seront rendues par la caméra mais une large partie de la scène (en arrière plan) ne sera pas visible. En utilisant un capteur de grande dynamique GD, on peut améliorer cet état de fait. Néanmoins, par la mise en œuvre de l'invention et en particulier en adaptant localement la dynamique des photosites RL, on obtient simultanément l'ensemble de la scène sans augmenter la dynamique du capteur.
Les figures 5A, 5B et 5C montrent un exemple de simulation à partir d'une image d'une scène encodée sur 12 bits. Si l'afficheur et le format interne des données est de 8 bits, en changeant le temps d'exposition, on pourra obtenir l'ensemble des images présentées sur la figure 5B. Toutefois, avec un capteur d'une dynamique de 12 bits, l'encodage et l'affichage sur 8 bits donnent l'image 5A.
L'adaptation locale au sens de l'invention utilisant un voisinage 2x2 photosites pour calculer une valeur d'adaptation V0 et utilisant la fonction non-linéaire adaptative décrite précédemment fournit en revanche 5C qui fait mieux apparaître les détails dans les zones sombres d'image. Ensuite, il est possible au besoin d'utiliser des algorithmes de traitement d'image, comme le démosaïçage, pour reconstruire une image couleur. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation présentée ci-avant à titre d'exemple ; elle s'étend à d'autres variantes. Ainsi, on a décrit par exemple une moyenne simple dans le calcul de la fonction F, précédemment. Néanmoins, une variante peut consister à calculer une moyenne pondérée selon des règles choisies. Plus généralement encore, on peut prévoir des fonctions de convolution plus complexes qu'une simple moyenne.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif capteur d'image, comportant une multiplicité de photosites (KxL) et au moins un convertisseur analogique/numérique, chaque photosite étant apte à recevoir un flux lumineux et à délivrer un signal électrique, sous forme analogique, alimentant le convertisseur,
caractérisé en ce qu'il comporte en outre, en amont du convertisseur :
une pluralité de circuits intégrateurs, chaque circuit intégrateur étant connecté à un ensemble de photosites (nxm) formant un voisinage, chaque circuit intégrateur étant propre à délivrer un signal analogique correspondant à une moyenne des signaux analogiques délivrés par les photosites dudit voisinage, et des moyens régulateurs pour pondérer le signal analogique de chaque photosite par le signal de moyenne du voisinage de ce photosite.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens régulateurs pondèrent le signal analogique de chaque photosite par le signal de moyenne du voisinage auquel appartient ce photosite.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque circuit intégrateur est connecté à un ensemble de photosites (nxm) formant un voisinage distinct par circuit intégrateur.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant une pluralité de rangées de photosites, connectées à un décodeur de rangées en amont du convertisseur, caractérisé en ce que les moyens régulateurs comportent au moins une pluralité de circuits amplificateurs connectés chacun à une rangée, d'une part, et au décodeur, d'autre part.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les circuits intégrateurs comportent chacun au moins un condensateur.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens régulateurs appliquent une pondération à chaque signal analogique d'un photosite selon une fonction non-linéaire adaptative faisant intervenir ladite moyenne sur le voisinage de ce photo site.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens régulateurs appliquent, à un signal analogique S d'un photosite, une fonction F(S) du type :
F(S) = g S / (S + f(M)),
où f(M), au moins, est une fonction linéaire de ladite moyenne, notée M.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fonction F(S) est du type :
F(S) = g(M) S / (S + f(M)),
où g(M) est aussi une fonction linéaire de ladite moyenne M.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les fonctions f(M) et g(M) sont liées par une relation du type g(M) = c + f(M), où c est une constante.
10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le terme g, dans l'expression F(S) = g S / (S + f(M)), est une constante.
11. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la fonction f(M) est donnée par :
f(M) = M + kG, où k est une constante et G est une moyenne globale calculée sur l'ensemble de tous les signaux analogiques issus de tous les photosites du dispositif capteur.
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte KxL photosites, chaque circuit intégrateur est connecté à un voisinage de nxm photosites et le dispositif comporte (E((K-l)/n)+l)(E((M-l)/m)+l) circuits intégrateurs, où E(x) désigne la partie entière de x.
13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de convertisseurs analogique/numérique, et en amont de chaque convertisseur (CAN), des moyens régulateurs (REG) pour pondérer le signal analogique de chaque photosite par le signal de moyenne du voisinage de ce photosite.
14. Dispositif selon la revendication 13, comportant des lignes et des colonnes de photosites, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen régulateur (REG) et un convertisseur (CAN) par colonne ou ligne.
15. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque voisinage comporte un photosite aveugle comprenant des moyens d'intégration pour estimer ladite moyenne sur ce voisinage (FIG.3B).
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