超低功耗同步图像传感压缩芯片设计理论研究

图像信息传感无线化趋势日益明显，功耗是其发展的主要瓶颈。传统CMOS图像传感和信号处理架构远远不能满足要求，这对超低功耗图像传感芯片设计理论研究提出了迫切需求。本项目主要研究同步实现CMOS图像信息采集与数据压缩处理的理论与技术：研究同步实现图像采集和离散余弦变换理论，以非均匀方式配置像素阵列，在余弦函数值为±1的点进行图像信息的采集，消除后续压缩中的浮点乘法以大幅降低功耗；研究低功耗像素级模数转换理论与技术，在模数转换过程中通过预先设定的参考电压和时序信号编码同步实现卷积、插值和离散余弦变换等算法，消除后续处理中的浮点乘法以大幅降度功耗；研究图像传感器自适应读出理论和技术，仅针对聚焦目标采用高精度和高分辨率信息采集，降低背景图像部分的数据处理量以降低系统功耗。研究成果可为超低功耗无线图像传感器芯片设计提供可行性理论指导和技术方案，并广泛应用于便携摄像、监控、医疗和军事等领域。 2100433B

将压缩感知技术引入CMOS图像传感器中，在传感器像素阵列级实现冗余信息的集成压缩，提高图像转换速度并降低系统功耗。本项目基于压缩感知理论，主要研究了在图像传感过程中消减冗余数据的CMOS 图像传感器设计理论和方法，研究了数字降噪和频域冗余数据压缩的方法，研究了一种适用于时间延时积分电荷域累加型耦合式转移输出的机制，研究了解码式3D堆叠结构等模式提高像素存储稳定度和准确度，研究了可应用于图像传感器的高精度Cyclic ADC。基于压缩感知架构重点研究了面向 SOPC 实现的快速图像融合技术，研究了基于相似特征三角形的图像配准算法，研究了图像分类的降维处理算法，以及图像去噪、图像滤波、图像编解码等相关应用于压缩感知图像处理算法。最终建立一套基于压缩感知的新型CMOS 图像传感器理论和方法模型，完成核心图像信息压缩处理算法及实现电路的建模、分析和优化，在电路精度、功耗和面积占用实现优化，实现CIS高性能传感成像和高效率数据输出处理。

固态图像传感器是利用光敏元件的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器功能将这些电荷包在时钟脉冲控制实现读取与输出，形成一系列幅值不等的时钟脉冲序列，完成光图像的电转换。

1.1 固态图像传感器的特点

固态图像传感器是在同一半导体衬底上布设光敏元件阵列和电荷转移器件而构成的集成化、功能化的光电器件，其核心是电荷转移器件（Charge Transfer Device，CTD），包括电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）、电荷注入器件（Charge Injected Device，CID）、金属氧化物半导体器件等，最常用的是CCD。自1970年问世以后，CCD图像传感器以它的低噪声、易集成等特点，已广泛应用于微光电视摄像、信息存储和信息处理等众多领域。

图1给出了光导摄像管与固态图像传感器的基本结构，其中（a）为光导摄像管，（b）为固态图像传感器。

与光导摄像管相比，固态图像传感器再生图像失真度极小，因此，非常适合测试技术及图像识别技术。此外，固态图像传感器还具有体积小、重量轻、坚固耐用、抗冲击、抗振动、抗电磁干扰能力强以及耗电少等许多优点。又因为固态图像传感器所用的敏感元件易于批量生产，所以固态图像传感器的成本较低。

固态图像传感器也有不足之处，例如分辨率和图像质量都不如光导摄像管。此外，固态图像传感器的光谱响应通常只能限定在0.4～1.2μm（可见光与近红外光）范围内，应用有一定的局限性。

1.2 固态图像传感器分类

固态图像传感器一般都包括光敏单元和电荷寄存器两个主要部分。根据光敏元件排列形式不同，固态图像传感器可分为线形和面型两种。根据所用的敏感器件不同，又可分为CCD、MOS线型传感器以及CCD、CID、MOS阵列式面型传感器等。

1.2.1线型图像传感器

线型固态传感器有4种类型，分别为：

l MOS式，以光电二极管构成，如图2（a）所示；

l 光积蓄式，采用CCD元件构成，如图2（b）所示；

l 分离式，即光敏单元与电荷寄存器分离，采用CCD元件构成，如图2（c）所示；

l 光敏单元两侧放置电荷寄存器的双读出式，采用CCD元件，如图2（d）所示。

其中，双读出式器件是线型固态图像传感器的主要形式。

1.2.2面型图像传感器

固态面型图像传感器主要有4种类型：

l X-Y选址式，由MOS或CID器件构成，如图3（a）所示；

l 行选址式，由CCD器件构成，如图3（b）所示；

l 帧场传输式，由CCD器件构成，如图3（c）所示；

l 行间传输式，由CCD器件构成，如图3（d）所示。

上述面型图像传感器中，基于MOS元件的X-Y选址式传感器最早出现。因图像质量不佳，MOS型传感器正在被CID型X-Y选址式图像传感器取代。帧场传输式和行间传输式是比较实用的面型图像传感器。

目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，产品的单元数也越来越多。无论面型或是线型，CCD图像传感器都是当今图像探测技术的主流。

将压缩感知技术引入CMOS图像传感器中，可以在图像光电转换之后，直接对信号进行压缩采样，将信号采集和压缩同时进行，可以有效减少输入数据量，提高转换速度并降低系统功耗。利用CMOS 工艺特征尺寸缩小等新技术工艺，结合现代信息处理和压缩理论，可以在传感器像素阵列级实现冗余信息的集成压缩。本项目基于压缩感知理论，研究在图像传感过程中消减冗余数据的CIS设计理论，研究像素级数字降噪和频域冗余数据压缩的方法，借鉴存储阵列冗余纠错编码等模式提高像素存储稳定度和准确度，结合运动估计进行帧差时域冗余信息消除。最终建立一套基于压缩感知的新型CMOS 图像传感器理论和方法模型，完成核心像素图像信息压缩处理电路的建模、分析和优化，在电路精度、功耗和面积占用实现优化，实现CIS高性能传感成像和高效率数据输出处理。研究成果为小尺寸工艺下新一代高智能化CMOS 图像传感器芯片设计提供可行性理论指导和技术方法，并广泛应用于图像信息采集系统。