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Bildsensor-SoC mit 132 dB Dynamik

Sehen bei extremen Lichtverhältnissen

26. Mai 2010, 11:24 Uhr | Von Pierre-François Rüedi und Simon Gray

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Bildsensor plus Bildprozessor in einem

Das icycam genannte Bildsensor-System-on-Chip besteht aus einem QVGA-Pixel-Array mit hohem Dynamikbereich, einem 32-bit-DSP/MCU-»icyflex-Prozessor« [3] mit 64-bit-Datenbus, 128 Kbyte SRAM sowie allen nötigen peripheren Datenübertragungseinheiten auf einem einzigen Chip. Ein Grafikprozessor entlastet den Hauptprozessor von repetitiven Aufgaben – z.B. dem Unterschied zwischen zwei Bildern.Das Pixel-Array verwendet eine logarithmische Codierung in der Zeitdomäne, um einen extrem großen szeneninternen Dynamikbereich mit äußerst hoher Bildqualität zu erreichen. Zusätzlich zur Lichtintensität liefert das Pixel-Array zur Erleichterung der visuellen Szenenanalyse auch Größe und Richtung des Kontrastes.

Der Kontrast – definiert als die relative Beleuchtungsänderung zwischen benachbarten Pixeln – ist unabhängig von der Beleuchtungsstärke, wodurch auch unter unkontrollierten Beleuchtungsbedingungen eine stabile Darstellung des Blickfeldes ermöglicht wird. Dies ist vor allem bei der visuellen Szenenanalyse von Interesse. Außerdem ist die Kontrastrichtung äußerst wertvoll bei Konturerfassung, Formsegmentierung und Voraussage der Objektbewegung. Beim bestehenden Sensor wird die logarithmische Codierung der Daten auf dem Chip benutzt, um den Bildkontrast durch einfache Subtraktionen zwischen benachbarten Pixeln zu berechnen.

Das Pixel-Array bedient sich der logarithmischen Kompression im digitalen Bereich, um das bei der analogen Kompression auftretende starke Rauschen zu vermeiden. Jedes Pixel integriert den von einer Fotodiode gelieferten Fotostrom auf einem Kondensator.

Ein Pixel besteht aus einem Komparator sowie einem 10-bit-Datenspeicher, der misst, wie lange es dauert, den lokalen Fotostrom bis zu einer bestimmten konstanten Spannungsdifferenz zu integrieren. Im Pixel-Speicher wird ein digitaler Code eingetragen, der proportional zum Logarithmus dieser Integrationsdauer ist. Dieses digitale Wort entwickelt sich mit der Zeit. Es codiert den Logarithmus der Zeit, die seit dem Beginn der Integration vergangen ist. Sobald die Integration des Fotostroms beendet ist, werden die im Pixel-Array gespeicherten 10-bit-Wörter ausgelesen.

Das Ergebnis liefert einen szeneninternen Dynamikbereich von 132 dB, der logarithmisch auf einem 10-bit-Wort mit 149 Schritten pro Dekade codiert ist – und dies bei einem Rauschen von 0,51 LSB. Dieser Aufbau reduziert die Anforderungen an die Rechenleistung, da der Dynamikbereich ohne Anpassung an die Beleuchtungsveränderungen erreicht wird, während die konstante Transferfunktion über den ganzen Dynamikbereich bedeutet, dass die Signalverarbeitung nicht von der Beleuchtungsstärke abhängen muss.