超低功耗同步圖像傳感壓縮芯片設(shè)計理論研究

圖像信息傳感無線化趨勢日益明顯，功耗是其發(fā)展的主要瓶頸。傳統(tǒng)CMOS圖像傳感和信號處理架構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，這對超低功耗圖像傳感芯片設(shè)計理論研究提出了迫切需求。本項(xiàng)目主要研究同步實(shí)現(xiàn)CMOS圖像信息采集與數(shù)據(jù)壓縮處理的理論與技術(shù)：研究同步實(shí)現(xiàn)圖像采集和離散余弦變換理論，以非均勻方式配置像素陣列，在余弦函數(shù)值為±1的點(diǎn)進(jìn)行圖像信息的采集，消除后續(xù)壓縮中的浮點(diǎn)乘法以大幅降低功耗；研究低功耗像素級模數(shù)轉(zhuǎn)換理論與技術(shù)，在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中通過預(yù)先設(shè)定的參考電壓和時序信號編碼同步實(shí)現(xiàn)卷積、插值和離散余弦變換等算法，消除后續(xù)處理中的浮點(diǎn)乘法以大幅降度功耗；研究圖像傳感器自適應(yīng)讀出理論和技術(shù)，僅針對聚焦目標(biāo)采用高精度和高分辨率信息采集，降低背景圖像部分的數(shù)據(jù)處理量以降低系統(tǒng)功耗。研究成果可為超低功耗無線圖像傳感器芯片設(shè)計提供可行性理論指導(dǎo)和技術(shù)方案，并廣泛應(yīng)用于便攜攝像、監(jiān)控、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域。 2100433B

將壓縮感知技術(shù)引入CMOS圖像傳感器中，在傳感器像素陣列級實(shí)現(xiàn)冗余信息的集成壓縮，提高圖像轉(zhuǎn)換速度并降低系統(tǒng)功耗。本項(xiàng)目基于壓縮感知理論，主要研究了在圖像傳感過程中消減冗余數(shù)據(jù)的CMOS 圖像傳感器設(shè)計理論和方法，研究了數(shù)字降噪和頻域冗余數(shù)據(jù)壓縮的方法，研究了一種適用于時間延時積分電荷域累加型耦合式轉(zhuǎn)移輸出的機(jī)制，研究了解碼式3D堆疊結(jié)構(gòu)等模式提高像素存儲穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，研究了可應(yīng)用于圖像傳感器的高精度Cyclic ADC?；趬嚎s感知架構(gòu)重點(diǎn)研究了面向 SOPC 實(shí)現(xiàn)的快速圖像融合技術(shù)，研究了基于相似特征三角形的圖像配準(zhǔn)算法，研究了圖像分類的降維處理算法，以及圖像去噪、圖像濾波、圖像編解碼等相關(guān)應(yīng)用于壓縮感知圖像處理算法。最終建立一套基于壓縮感知的新型CMOS 圖像傳感器理論和方法模型，完成核心圖像信息壓縮處理算法及實(shí)現(xiàn)電路的建模、分析和優(yōu)化，在電路精度、功耗和面積占用實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)CIS高性能傳感成像和高效率數(shù)據(jù)輸出處理。

固態(tài)圖像傳感器是利用光敏元件的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號“圖像”，即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的電荷包空間分布，然后利用移位寄存器功能將這些電荷包在時鐘脈沖控制實(shí)現(xiàn)讀取與輸出，形成一系列幅值不等的時鐘脈沖序列，完成光圖像的電轉(zhuǎn)換。

1.1 固態(tài)圖像傳感器的特點(diǎn)

固態(tài)圖像傳感器是在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件而構(gòu)成的集成化、功能化的光電器件，其核心是電荷轉(zhuǎn)移器件（Charge Transfer Device，CTD），包括電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）、電荷注入器件（Charge Injected Device，CID）、金屬氧化物半導(dǎo)體器件等，最常用的是CCD。自1970年問世以后，CCD圖像傳感器以它的低噪聲、易集成等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于微光電視攝像、信息存儲和信息處理等眾多領(lǐng)域。

圖1給出了光導(dǎo)攝像管與固態(tài)圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)，其中（a）為光導(dǎo)攝像管，（b）為固態(tài)圖像傳感器。

與光導(dǎo)攝像管相比，固態(tài)圖像傳感器再生圖像失真度極小，因此，非常適合測試技術(shù)及圖像識別技術(shù)。此外，固態(tài)圖像傳感器還具有體積小、重量輕、堅固耐用、抗沖擊、抗振動、抗電磁干擾能力強(qiáng)以及耗電少等許多優(yōu)點(diǎn)。又因?yàn)楣虘B(tài)圖像傳感器所用的敏感元件易于批量生產(chǎn)，所以固態(tài)圖像傳感器的成本較低。

固態(tài)圖像傳感器也有不足之處，例如分辨率和圖像質(zhì)量都不如光導(dǎo)攝像管。此外，固態(tài)圖像傳感器的光譜響應(yīng)通常只能限定在0.4～1.2μm（可見光與近紅外光）范圍內(nèi)，應(yīng)用有一定的局限性。

1.2 固態(tài)圖像傳感器分類

固態(tài)圖像傳感器一般都包括光敏單元和電荷寄存器兩個主要部分。根據(jù)光敏元件排列形式不同，固態(tài)圖像傳感器可分為線形和面型兩種。根據(jù)所用的敏感器件不同，又可分為CCD、MOS線型傳感器以及CCD、CID、MOS陣列式面型傳感器等。

1.2.1線型圖像傳感器

線型固態(tài)傳感器有4種類型，分別為：

l MOS式，以光電二極管構(gòu)成，如圖2（a）所示；

l 光積蓄式，采用CCD元件構(gòu)成，如圖2（b）所示；

l 分離式，即光敏單元與電荷寄存器分離，采用CCD元件構(gòu)成，如圖2（c）所示；

l 光敏單元兩側(cè)放置電荷寄存器的雙讀出式，采用CCD元件，如圖2（d）所示。

其中，雙讀出式器件是線型固態(tài)圖像傳感器的主要形式。

1.2.2面型圖像傳感器

固態(tài)面型圖像傳感器主要有4種類型：

l X-Y選址式，由MOS或CID器件構(gòu)成，如圖3（a）所示；

l 行選址式，由CCD器件構(gòu)成，如圖3（b）所示；

l 幀場傳輸式，由CCD器件構(gòu)成，如圖3（c）所示；

l 行間傳輸式，由CCD器件構(gòu)成，如圖3（d）所示。

上述面型圖像傳感器中，基于MOS元件的X-Y選址式傳感器最早出現(xiàn)。因圖像質(zhì)量不佳，MOS型傳感器正在被CID型X-Y選址式圖像傳感器取代。幀場傳輸式和行間傳輸式是比較實(shí)用的面型圖像傳感器。

目前，面型CCD圖像傳感器使用得越來越多，產(chǎn)品的單元數(shù)也越來越多。無論面型或是線型，CCD圖像傳感器都是當(dāng)今圖像探測技術(shù)的主流。

將壓縮感知技術(shù)引入CMOS圖像傳感器中，可以在圖像光電轉(zhuǎn)換之后，直接對信號進(jìn)行壓縮采樣，將信號采集和壓縮同時進(jìn)行，可以有效減少輸入數(shù)據(jù)量，提高轉(zhuǎn)換速度并降低系統(tǒng)功耗。利用CMOS 工藝特征尺寸縮小等新技術(shù)工藝，結(jié)合現(xiàn)代信息處理和壓縮理論，可以在傳感器像素陣列級實(shí)現(xiàn)冗余信息的集成壓縮。本項(xiàng)目基于壓縮感知理論，研究在圖像傳感過程中消減冗余數(shù)據(jù)的CIS設(shè)計理論，研究像素級數(shù)字降噪和頻域冗余數(shù)據(jù)壓縮的方法，借鑒存儲陣列冗余糾錯編碼等模式提高像素存儲穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，結(jié)合運(yùn)動估計進(jìn)行幀差時域冗余信息消除。最終建立一套基于壓縮感知的新型CMOS 圖像傳感器理論和方法模型，完成核心像素圖像信息壓縮處理電路的建模、分析和優(yōu)化，在電路精度、功耗和面積占用實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)CIS高性能傳感成像和高效率數(shù)據(jù)輸出處理。研究成果為小尺寸工藝下新一代高智能化CMOS 圖像傳感器芯片設(shè)計提供可行性理論指導(dǎo)和技術(shù)方法，并廣泛應(yīng)用于圖像信息采集系統(tǒng)。