Object Location and Centroiding Techniques With CMOS Active Pixel Sensors(翻译2)

1、2003年12月12日，美国电气及电子工程师学会关于电子装置专题报告基于CMOS有源像素传感器的物体定位和质心技术Ryan D。Burns， ，美国电气及电子工程师学会成员，Joey Shah， 美国电气及电子工程师学会成员，Canaan Hong ，Srdjan Pepic，Ji Soo Lee ，Richard I。Hornsey，Paul Thomas ，美国电气及电子工程师学会成员。摘要 使用并行像素式CMOS有源传感器进行目标定位和大小估计的系统已经设计出来了。此系统是通过一个全局的阈值来区分目标和背景。用标准的CMOS技术实现了三种传感器。第一种:具有积分式比较器和三个晶体管的高填

2、充率传感器，已经表明这种传感器的性能受器件的差异性的限制，所以设计了第二种传感器。在第二种传感器中用单一电容器设计了一个新型的固定像素模式的噪声修正电路。累积交叉读出结构能在速度不降低的情况下提供与目标有关的额外信息，从而强化系统的功能。这篇文章也讨论了此系统在采用多个阈值来确定质心方面的应用。索引词 有源像素式传感器，质心，CMOS，图像传感器，集成电路，目标定位。I 介绍固态图像传感器已经用来捕获数字图像很多年了，并常常把这些图像看作最终结果。然而在很多情况中，它不是图像它本身原来的图像，仅仅在某种程度上包含图像的一点点信息。在数字图像能被处理来吸取信息的同时，总而言之，在CMOS图像传感

3、器结合信号处理电子芯片的潜在得允许我们分发捕获的真实图像。许多有关质心位置确定技术的芯片在以前就已经报道了，尽管有很少准确性和高设计等级的技术已经发行。一个主要传感器组织已雇佣电阻器网络来平滑图像并测定质心位置1，2。在1中，在经过阻抗滤波和像素完成的测定位置之后，质心被定义是最大信号的位置。滤除噪音和像素尺度是需要重要考虑的事项。在2中一个硅芯片也是被使用的。这种传感器的频率响应被限制为几十赫兹并且没有图像信息可以在像素尺度得到应用。微小像素不能准确性的查到地址。在3中，X和Y坐标轴上，一对有区别晶体管的网络可以被计算出它的质心及其边缘。专栏的质心不能被精确的计算出。对于这种传感器，读出时间

4、是1。5 s，并且这种信息没有把机械装置质心的重要性表现出来。在4中，用神经元MOSJ晶体管代替有区别对的网络是为了实现目标中心跟踪器。尽管质心的精确性还没有明白地讨论过，但是这种传感器是有能力在40 ns以内测定物体质心位置。在5中，图像像素沿着竖排不断累加来测定质心位置。这种结构方法是和描绘这里累积横截面的方法很相似。在5中，把图片信号电压与门槛相比较，也因此把它变成一个二元信号。紧接着在专栏边缘系统添加了这些跨过阵列的小块并提供了信号的总量。在每一个像素中这种具有二个跨导放大器的工具被用来执行减少填充因素。该系统被报告了展览会上仅一半的像素质心准确性和没有按照读出速度来提供信息的情况。这

5、份报纸将阐述几种处理在图像视野以内找到目标的技术问题。这个是一个普遍问题，这个问题可适用于极其宽广的应用领域，例如机器人-LIDAR，自由空间光学通讯，工业检查和控制手段，医学造像，及天文学。以前在这个区域的工作主要是依靠卫星跟踪，如68所示。我们的技术将物体位置的运算法则纳入传感器本身建筑学，而不是信赖数字信号处理器所捕获的图像。我们的目的是要在图像呈现中去除大的数据，而用采集的所需目标位置的数据来代替。这种CMOS有源像素传感器（美联社）依靠它随机存取像素的能力而变得理想了，因此也能使系统有兴趣地选择区域。在第二部分中描述了二元物件定位系统。这系统把图像变成两个一维的二元阵列，这个二元阵列

6、比整个图像更迅速被检测到。在第三部分中描述了一个改良系统。这个设计通过增加完全一致和比较准确性改进原来目标的建筑风格。在第四部分中描绘了第三系统，这个系统把累积的横截面总和区段读出。这是二元物件目标系统观念的进一步扩展并提供更多信息，同时和对一个未加工图像进行图像处理相比较仍然提供了实质性的有效信息。Fig。 1。二元物件位置系统的操作。排和专栏由于一全局的阈值上面，任何图像像素由寄存器指示排列的边缘。这些寄存器能够被连续的读出。II 二元物件位置系统二维(2- D)二元物件位置系统(OLS)将二维（2- D）图像信息编译为一对一维的(1- D)数据集9(图1)。这个传感器建筑进程的操作如下所

7、述:把每一个像素亮度和一门槛比较。如果像素亮度超过门槛亮度，像素二元编码为逻辑值1。除此之外，像素二元编码为逻辑值0。数据线沿每一个专栏延伸。在专栏里的每一个像素的输出在一种合乎逻辑"与非"中被连接，因此当专栏有一个亮度黑暗像素的时候，则专栏数据线将输入“1”，在亮度超过门槛亮度时即在专栏中所有的像素被照亮为逻辑值“0”。这系统开发利用的目的是发现一个有关光亮背景而暗的目标。结果是一个沿着造像芯片的两边缘二元阵列，其指示含有亮度暗的像素专栏。图像信息被减少了，但是一维阵列被扫描与整个图像被扫描相比运作速度要快得多。此外，进一步逻辑能被用来锁定和演示目标位置，以及其他的功能。

8、随着数据量比这一典型图像传感器的数据量的减少，这个系统将会帮助增加读出数据的速度，以因此增加了输出量。通过去除信号有源像素使它将变得很容易消灭空间的噪音。离开芯片分析，数据串大小测定的速度也很迅速。图像信息减少的好处被认为是运作速度将会变得随着阵列增大而更明确。因为像素规模的数量将变成，而OLS小刻度数目将为2N，由于N*N像素图像阵列。 为了在人的视野范围内能看清楚目标，门槛尺度(忽略比具体尺度门槛低的目标)被使用估计单独有源像素或者比较小的一组像素。Fig。 2。在像素和数据线回路中二元物件位置锁定系统。 A 简单比较器这个二元门槛操作系统的基础是一个像素比较器。这个环路把融合光敏电压和一

9、个参考电压相比较。这个光敏电压被重新设置为VDD，并且随着当前光敏二极管在电压电容上融合时减少。当光敏电压在参考电压以下的时候，输出从逻辑0变换到逻辑1。这台比较器的设计对传感器的运作是非常重要的。为了保持一个高效因素，这个二元OLS系统使用了一台非常简单一根晶体管比较器。有一个比较器是为了低输出，另一个为专栏输出。随着在阵列数据线的尾端把信号返还到满数字电平翻转这个比较器使用了一个单独普通电源放大器。在数据线尾端也有一根PMOS单向晶体管。 (Fig 2)当光敏电压比参考电压与高亮度电压低时，比较器晶体管截至，允许PMOS单向晶体管把数据线升到电源电压（如果其他所有在这个数据线的像素消失），

10、光敏电压在数据线尾端将会引起倒转而输出GND。如果光敏电压比参考电压与低亮度电压高时，比较器晶体管将倒通，并使数据线电压达到参考电压。此时光敏电压低于电源电压的一半，所以在数据线尾端倒转将会强制输出信号以达到数字逻辑电源电压的水平。当域值电压低于数字逻辑电压一半时这个系统操作将会强制执行。B 二元OLS系统测试结果以0.35毫米CMOS进程同时有0.33伏电源提供而制造了元芯片。这包含一个64*64像素图像阵列。在表格一中显示了一些芯片的重要特征。二元OLS原型传感器被检测后发现符合功能需求。圆圈的图象被提供给图像并且编码输出被捕获(图3)。二元阵列数据能变为二维图像被再现，但是圆的物件将会被

11、表现成方框取决于读出系统的"与非"功能性。但是，物件的位置被保存。多个物件的重新构建是很少那么直接的。(图四)显示，由于模式噪音被校正传感器输出中信息不统一。在一个通常APS图像中，模式噪音通过在黑暗中使图像弄上斑点被表现。因为OLS图像者不提供图像输出， 模式噪音被不同像素不同的亮度表现出来。在可控光源和一阵列波前面通过造像芯片来检测系统。在阵列里的每一个像素这个平台能提供不统一的亮度。光强度能被分解成连续的门槛电压，或者门槛电压能被分解成连续的光强度，并且特定像素的数量能被测量。 当光强度接进门槛电压的时候所有的像素将会同时开关。模式噪音蔓延这些开关点，并且传播的程度表

12、明不统一的程度。Fig。 3。二元目标位置系统图像捕获:(一)传感器当前场景(b)再现输出。在像素比较仪中这种基本OLS系统具有一根晶体管而遇到很多困难。因为它使用一根单一的晶体管作为一台比较器，所以它是很容易受模式噪音的影响。由于在不同像素的比较器晶体管之间的不匹配，所有的像素将在同样的亮强度下不能做出选择。此外，考虑到 OLS系统输出是一个二进制图像，尽可能最好质心准确度是0。5像素，这对很多应用领域是不够的。和当前系统相比至少应该是0。1像素才符合条件(例如7所示)。Fig 4(a)二元目标位置锁定原型芯片的开关特征(b)在所有的白色和所有的黑色之间扩展不统一。Fig。 5。在像素高填充

13、率模式噪音减少回路的图表。III 改进目标位置系统 一种新的建筑学发展起来，它克服了二进制OLS系统的两个重要缺陷。首先，像素被重新设计成包含一个更精确差分比较器，它代替了原来使用的单根晶体管环路。其次，因为在和门槛电压比较之前当前的电源跟随器的不统一性必须纠正，所以一个新型的像素高充满率模式噪音减少回路也随之发展起来。最后， 用一个可选门槛制成二进制图像而代替了以前使用一个固定的门槛来做。这个多重门槛算法能使质心的准确性提高到0。1像素以下。A 改进像素设计这种多重门槛OLS系统包含了一个差分式像素回路比较器。这种比较器是和以前报道用ADC像素1011设计的比较器是很相似的。差分式比较器比以

14、前使用单晶体管比较器先进，这也有很多原因。它能聚集高电压，典型的超过200伏，在光敏电压和参考电压之间其允许有小的电压被辨识。而且它运行的也很快，因为两个电源跟随器的门电容限制比较器输出可识别电容，跟随器是小容量的。对于保持一个系统执行的高速度来说高比较速度是不可缺少的。结果在操作的阈下地区偏比较器减少了能源的消耗，偏置电压比晶体管电压小。另一种可能，它将会降低比较器的速度。当执行比较功能时能源消耗将被偏置电压弥补，在其他时间能源消耗为零。这将防止当前电流流失，因此当比较器不工作的时候能源浪费，也会降低平均能源消耗。随着域值像素的执行，在每一个像素的电源跟随晶体管之间的不统一不会因为阵列基础而

15、被抵消。在比较器运作以前这种不统一必须被消灭。以前的像素暂时复位工作已经证明噪声会降低1213。在像素中时间的重新安放噪音减少。无论如何，像素填充式噪音减少回路的实例出现了并且也早已经被发展了。因此一个新型电容器环路已经为像素填充模式噪音的减少而是设计了(图5)。在这个环路操作中，光敏二极管是通过一根PMOS晶体管复位到电源电压。微光产生一个光电流，它被二极管电容一体化降低光敏二极管电压。电源跟随晶体管M2缓冲光敏二极管电压并且通过减少交换分享效应来增加感光度。在一体化后卸载储存电容C能启动放电信号。在放电信号回到低值以前，充电由最高终端电容电压变为零，在取样开始之前确保M2是饱和的。随着当前

16、的充电波峰值和放电波谷值，电容C改变于（1） （1）在(1)中光敏电压通过一体化在光敏二极管上变化。有源光敏二极管电压是电源电压减光敏电压。此刻充电电压变成波谷值并且电容电压也正发生漂移现象;它的存储电压也将要改变。所提供的复位信号会导致电容的最高终端电压(V1)变成 （2）并且最低终端电压（V2）变成在电源跟随晶体管中这个表达式会取图片 6 a不具有像素开关特性测量 b具有填充型有源噪音调整回路。消当前存在的不统一，也因此使执行的比较器准确性提高。试验结果揭示了和没有调整的同像素输出相比，用缓和像素提供开关执行会使输出更一致(图 6)。经过再一次试验，由特定的开关测量出不一致性。在不同运作方

17、面使用两个光敏器鉴别开关(具有相应域值调整)来确定系统操作。当没有调整像素仅仅精确到操作五时，调整设计提供了足够范围来计算16域值。A 原型传感器一个原型芯片使用CMOS0。18毫米技术制成，它使用64*64像素阵列。这芯片的特性在表1(b)已经说明。在所提供的专栏中所有像素输出连接在一起，这样的目的是如果某一个像素超过了总的域值，这个像素所在的专栏输出将很高。图 7具有像素填充型噪音减少回路和差分比较器的像素设计。像素规格是16。6*15。8毫米。每一个专栏输出都连接到反向器，它能恢复整个数字信号水平线。专栏总线也被连接到阵列偏置晶体管，把它当作一个电流源释放在比较周期内专栏总线的大电容。当

18、读取的信号波动低时把反向器的输出连接到一个储存单数字小块的D-型发声器。这些发声器是由一个移位寄存器把它们按顺序连接到输出总线才被触发，因此可以提供一个二进制数据的连续移位输出。为最小化测试芯片复杂性的目的在设计中数字质心回路不被考虑。因为这些回路是数字的，证实通过物理测试它们的操作是没有必要的，估计运算法则仿真是很充分的。二进制OLS读出系统的基本优点是它的速度。因为整个光敏电压阵列没有被扫描，在相当大的程度上更高桢速率能用一个全局复位信号和并行融合在一起来实现。通过测定域值电压和在专栏输出差异的时间延时，比较器的速度可以被估计。由于这个时间是5。5微秒，这也就相当于每秒进行180 000次

19、比较。如果16域值在一个图像中被显示， 在理论上11250 fps的最大桢速度将是可能。但是，在快速估计16域值以前允许一些积分时间，它将可能是符合理想的，所以图像在域值期间是相对的不变。 通过计算域值的数目在速度和准确性之间交替换位是可用的。图8交叉局部系统的累积读出运作;在专栏中每一个寄存器含一个电压与有源像素成比例。IV 累积交叉局部读取电路为进一步改进准确性和显示性，已经制作一个新型读取电路: 累积的交叉局部(CCS)读出。类似以前的OLS设计，这种系统依靠光敏电压和一个总的域值电压比较，然后测定某个像素是在域值之上还是在域值之下。但是，一个新型读取系统被介绍用来提供附加没有信号丢失的

20、空间信息。如果在专栏中有一个或更多的有源像素则二进制OLS系统记录一个有源专栏，而CCS读取系统能有效计算在专栏中有源像素的数目(图 8)。尽管这种建筑提供一对一维阵列数据，然而在二进制OLS系统中，这些阵列的每一个像素事实上包含二维信息。这个附加信息是非常有用的，因为在每一桢中提供附加信息将用一个减少域值量的数目获得加更准确质心。此外，计算每一排有源像素的数目，这样能容易识别不能形成目标的虚假像素。一旦是域值图像，每一像素就有一个二进制标记，“on”表示亮强度在域值之上或者“off”表示亮度在域值之下。通过两个电流反射器使一个“on”像素将向输出线增加一个量子流，并且将等量的量子向专栏线输出

21、。在每一个专栏的尾端，这些电流量子漂移通过一个充满的电阻器数据库(图。 9)，导致在专栏里有源像素的数量和电压成比例的降低。通过读出在每一个专栏底部电压，一个累积所需要的目标交叉局部。每一个排底端电压提供其他累积的交叉局部，这些交叉部分和列输出是正交的。在特定域值强度方面提供了一个目标的空间直方图。图9 为累积交叉局部读取方法的像素和数据线回路。A CCS像素设计CCS像素包含一个通过融和光敏电压超过融合时间的光敏二极管来逆转微光为存储变化。在不匹配的像素之间重复使用一个PMOS复位晶体管来消除光敏电压。被融合的光敏电压连接到差分放大器输入端，域值电压连接到其他的差分输入端。这个差分放大器的输

22、出是通过一个反向器提供一个单通数字信号实现的，还提供更多可预知输入到电流反射器晶体管。如果光敏电压在域值电压之上，差分放大器的输出会降低，并且反向器的输出会上升到电源电压。这样使电流反射到着个像素，并且它们通过在专栏尾端的参考电阻来吸引量子电流。此刻是通过外部电阻的方法来调整的，但是可产生大约10微安电流。在负域值区域，差分放大器的结果是有差异的。为了降低能源消耗，差分放大器内设置了多重域值CLS系统像素。在原型芯片上不包含像素模式噪音的减少，这样使测试设计变得简化。当像素不统一性被检测到时，这个原型芯片依然能够执行新的CCS读取操作技术。在生产制造芯片时，像素模式噪音降低回路在比较阶段就应该

23、被考虑。CCS像素测量规格是12*12微米。在每一个像素中有12根晶体管和一个光敏二极管，规定每个像素有51%的填充率。为了增加感光性，光敏二极管区域亮度模糊。单个像素被反映到4个像素图画，这样可以充分利用中间区域的共享空间。无论如何，在以后这也许不是最好的方法。它能导致不统一像素程度，因为三维空间样本的作用将会降低图像的清晰度14。Fig。 10。在指示桢速度方面(在每秒桢)原型累积交叉局部输出传感器的图像反映。B 原型CCS传感器CCS目标定位系统是以标准0。18微米CMOS规格设计，一些芯片的特征在表1（c）中展示出。一个图像80*80像素的阵列是用固定测量3*2毫米和含有大约万根晶体管

24、来实现的。原型CCS芯片的测试系统包含测量各种传感器的重要参数，也捕获测试图像在图10中可以看到传感器通过各种结构率有一个合理直线性，也指示以尺度变化。图11表示当发光二极管在传感器前面大约30厘米处发光时，装置中有镜头的原型传感器输出两个图像的框架被显示。几秒钟后发光二极管已经移到左侧保持大约相同的垂直位置。数据以100fps被捕获。这个传感器的原型设计没有提供很多适应性来选择电阻阻值的大小。但是，它允许选择是高电阻还是低电阻。通过降低电阻阻值大小有源像素的电子流将引起大电压下降，导致二进制OLS系统传感器操作能力有效。这种设计的一个不利之处是它很难识别小数量的有源像素，因为仅仅少数电流通过

25、数据电阻而流失了(图)导致因为那些像素使小电压降低如果用滑动数据电阻来设计类似的芯片依靠图像它将可能调试输出的动力学范围通过降低数据电阻，它也比较容易辨别三个有源像素和五个有源像素的区别，通过增大它，有足够的动力学范围来辨别40个有源像素和50个像素的差别。当按比例增加分辨率到更有用水平时，它显得更加重要。例如，一个几兆像素的图像。基本的二进制OLS系统是不精确的。因为如果在一个排的单信号像素在域值之上，则列将读出为亮，因此它比CCS系统对像素间的噪声和不统一性更加灵敏。当没有像素在域值之上时，能源消耗是低的。因为没有电流反射器时有源的，并且消耗电流。这是一种进步，因为许多放大器将在可视的区域

26、侦查特性。并且等待一个目标的出现，因此在等待这段时间能源消耗是最小的。V 多重域值质心测量我们目标锁定技术的要求是芯片质心测量，为了改进计算的准确性，多重域值实现实用价值。A 利用二进制OLS多重域值质心测量多重域值质心测量方法允许改进图像的强度外形，尽管仅仅从传感器那读取基本信息。Fig 11 以100桢/s红色发光二极管累积交叉局部读取传感器输出。两个桢之间发光二极管向左边移动。随着域值电压的降低，在域值之上的许多明亮像素将会记录。每个捕获的二进制串被域值水平加重重量。一个负重的平均值被计算来测定质心位置。MATLAB仿真技术被用来估计计算中的出错律。通过增加域值的数量来减少出错率。错误被

27、定义为真实位置和纠正位置之间的差异。因为纠正用途的准确率依靠于像素之间的质心位置。在图 12。13中，最大错误的位置用途也包括在内。这些仿真技术显示了如果工作目标是亮点，16域值在准确性和速度(图。 12)之间是一个适宜的交替换位。这个域值的数目在部分III。所提到改进后的OLS系统也是能完成的。Fig 12 在质心测量锁定中积累纠错高斯噪声是二进制目标传感器域值数目的功能。B 利用CCS的多重域值质心测量Fig 13在质心测量锁定积累纠错高斯噪声作为一个累积交叉局部读出传感器域值数目的功能。CCS构造风格比原来二进制OLS系统配置提供更多信息。这个系统用少数域值提供更准确的质心测量将取决于设备和不确定的耐力。MATLAB仿真技术(图13)显示质心测量的准确性