專利名稱:影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng)及方法
技術領域:
本發(fā)明涉及影像傳感器,特別涉及一種影像傳感器的自適應幀速率控制。
背景技術:
半導體影像傳感器,例如互補金屬氧化半導體(CMOS)影像傳感器普遍使用于照相機或攝影機中,用以擷取光能量并將其轉換為電子信號。電子信號經放大、數字化及處理后可得到影像。影像傳感器所擷取的光能量大小等比于曝光時間,在該時間內影像傳感器的主動區(qū)域暴露于光的照射下。曝光時間的長度通常由兩個因素決定相對于所需信號電平的測得入射光、傳感器幀速率(frame rate)。對于前者,例如在暗環(huán)境下,需較長的曝光時間以獲得所需信號電平。對于后者,在各種相關應用中,幀速率經常用以設定曝光時間的最大限值。放大器一般放大傳感器的輸出信號,用以獲得所需信號電平。與曝光時間的增大相比較,傳感器輸出的放大并不會減小其幀速率。然而,由于增大信號增益會增加噪聲并降低整體影像質量,因此,通常在到達最大曝光時間后,當需要更大的信號時才會增大信號增
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frff. ο鑒于傳統(tǒng)影像感測系統(tǒng)或方法無法有效讓傳感器噪聲效能最佳化,因此亟需提出一種新穎系統(tǒng)及方法,動態(tài)控制影像傳感器的幀速率,用以讓傳感器噪聲效能(例如信號噪聲比(SNIO)相對于幀速率能夠最佳化。
發(fā)明內容
鑒于上述,本發(fā)明實施例的目的之一在于提出一種影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng)及方法,用以讓傳感器噪聲效能(例如信號噪聲比(SNIO)能夠最佳化。根據本發(fā)明實施例,放大器(例如可編程增益放大器)以一增益將影像傳感器的感測輸出信號予以放大。自動曝光增益(AEG)控制器根據入射光強度決定曝光時間和增益的乘積(EGP),并控制時序控制器及可編程增益放大器。由此,可自適應地調整影像傳感器的曝光時間及增益,使得放大感測輸出信號可大約接近感測目標信號;其中,曝光時間的改變優(yōu)先于增益的改變。在一實施例中,AEG控制器將多組最大曝光限值及增益限值分別提供給時序控制器及放大器,用以調整影像傳感器的曝光時間及增益。在另一實施例中,AEG 控制器將多組感測頻率及增益限值分別提供給時序控制器及放大器,用以調整影像傳感器的曝光時間及增益。
圖1所示為本發(fā)明實施例的影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng)的功能框圖;圖2所示為圖1中相關參數的時序圖;圖3所示為本發(fā)明另一實施例的影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng)的功能框圖4所示為圖3中相關參數的時序圖。主要元件符號說明1自適應幀速率控制系統(tǒng)3自適應幀速率控制系統(tǒng)10影像傳感器12放大器14模數轉換器16自動曝光增益(AEG)控制器18時序控制器
具體實施例方式圖1的功能框圖示出本發(fā)明實施例的影像傳感器10的自適應幀速率控制系統(tǒng)1。 圖2所示為圖1中相關參數的時序圖。在本實施例中,影像傳感器10可以是互補金屬氧化半導體(CM0Q影像傳感器(又稱為CIQ ;—般來說,影像傳感器10可以是半導體影像傳感器。本實施例的自適應幀速率控制系統(tǒng)1至少包括放大器12、自動曝光增益(AEG)控制器 16及時序控制器18。其中,放大器12,例如可編程增益放大器以一增益(或信號放大率) 將影像傳感器10的感測輸出信號予以放大,該增益由AEG控制器16來控制提供。放大器 12所輸出的放大感測輸出信號通??赏ㄟ^模數轉換器(ADC) 14轉換為數字形式后,接著由 AEG控制器16在數字領域進行處理。AEG控制器16連同時序控制器18用于自適應調整曝光時間及增益,使得感測輸出信號可以趨近感測目標信號(如圖2所示)。具體而言,AEG控制器16根據入射光強度,首先決定目前幀的曝光時間和增益的乘積值(簡稱為曝光增益乘積或EGP),用以達到所需的感測目標信號。根據所決定的EGP, 自適應調整曝光時間及增益,用以讓感測噪聲效能(例如信號噪聲比(SNIO)相對于幀速率能夠達到最佳化。鑒于大的增益會增加噪聲并降低整體影像質量,因此,在本實施例中,增大曝光時間優(yōu)先于增大增益。相同的道理,在本實施例中,降低增益優(yōu)先于降低曝光時間。 本實施例將主要采用這一原則,其一些限制條件將在下文中描述。參照圖2,本實施例使用多組最大曝光時間限值和增益限值。例如,最大曝光限值 Kel)適用于第一期間tl-t2,最大曝光限值2(e2)適用于第二期間t2_t3,最大曝光限值 3(e3)適用于第三期間t3-t4。在每一期間內,相應有最大增益限值g2及最小增益限制gl。 雖然在附圖中的每一期間內,最大增益限值g2及最小增益限制gl都相同,然而在其它實施例中,不同期間內也可使用不同的增益限值gl/g2。在本實施例中,最大曝光限值設為幀高度或大于幀高度,其為影像傳感器10的像素行的數目。由于最大曝光限值設為或大于幀的高度,因此個別的最大曝光限值將直接地決定、調整其幀速率。在操作自適應幀速率控制系統(tǒng)1時,當入射光強度在第一期間tl_t2內漸減,則 AEG控制器16提供(給放大器1 的增益將漸增且趨向(但不超過)最大增益限值g2,而 AEG控制器16提供(給時序控制器18)的曝光時間則維持在最大曝光時間1 (el)。值得注意的是,在此期間tl-t2內,相應有一個第一幀速率rl。當入射光線強度持續(xù)漸減,直到EGP超過最大曝光時間1 (el)和最大增益限值g2 的乘積,亦即,EGP > el X g2,則以另一更大的最大曝光限值(例如最大曝光限值2 (e2))來取代前一個限值。當入射光強度在第二期間t2_t3內漸減,則AEG控制器16提供(給放大器12)的增益將從最小增益限值gl漸增且趨向(但不超過)最大增益限值g2,而AEG控制器16提供(給時序控制器18)的曝光時間則維持在最大曝光時間2 (e2)。值得注意的是, 在此期間t2-t3內,相應有一個(較小的)第二幀速率r2。同樣的道理,當入射光線強度持續(xù)漸減,直到EGP超過最大曝光時間2(d)和最大增益限值g2的乘積,亦即,EGP >e2 X g2,則以另一更大的最大曝光限值(例如最大曝光限值3(e3))來取代前一個限值。當入射光強度在第三期間t3-t4內漸減,則AEG控制器16 提供(給放大器12)的增益將從最小增益限值gl漸增且趨向(但不超過)最大增益限值 g2,而AEG控制器16提供(給時序控制器18)的曝光時間則維持在最大曝光時間3 (e3)。 值得注意的是,在此期間t3-t4內,相應有一個(更小的)第三幀速率r3。本實施例假設第三幀速率r3為可接受的最小幀速率,如果小于此幀速率將會造成影像運動模糊。因此,如圖2所示,當入射光線強度持續(xù)減低時,感測輸出信號將會偏離感測目標信號,而曝光時間及增益則維持不變。根據上述的操作描述,當曝光時間被設定之后,增益將從最小增益限值gl漸增至最大增益限值g2。AEG控制器16重新分配曝光增益乘積,用以分配較大的曝光時間及較小的增益。這一重新分配將使得幀速率及增益降低,因而增進噪聲效能并獲得較佳信號噪聲比(S·)。雖然上述操作描述針對漸減的入射光強度,然而,時序波形圖也可用以描述入射光強度由小至大的漸增情形。換句話說,當入射光強度大到致使曝光增益乘積(EGP)小于最大曝光時間3(e3)和最小增益限值gl的乘積,亦即EGP < e3 X gl,則最大曝光限值將從最大曝光時間3(e!3)改變?yōu)樽畲笃毓鈺r間2 (d)(在期間t2-t!3)。當入射光強度大到致使曝光增益乘積(EGP)小于最大曝光時間2 (e2)和最小增益限值gl的乘積,亦即EGP < e2 X gl, 則最大曝光限值將從最大曝光時間2 (e2)改變?yōu)樽畲笃毓鈺r間1 (el)(在期間tl_t2)??偠灾?,每當達到最大增益限值g2或最小增益限值gl時,則設定不同的曝光限值。其中,在各個期間之間,當已達到最大增益限值g2,則增大曝光限值;當已達到最小增益限值gl,則減小曝光限值。圖3的功能框圖示出本發(fā)明另一實施例的影像傳感器10的自適應幀速率控制系統(tǒng)3。圖4所示為圖3中相關參數的時序圖。和圖1相同的功能塊使用相同的元件符號,且各塊之間的連接關系描述也予以省略。在本實施例中,AEG控制器16將多個感測頻率(而非前一實施例的多個曝光限值)提供給時序控制器18。由于感測頻率決定曝光時間,因此每一感測頻率可決定相應的曝光時間。例如,感測頻率1對應至第一曝光時間el,(較小的)感測頻率2對應至第二曝光時間e2,而(更小的)感測頻率3則對應至第三曝光時間e3。自適應幀速率控制系統(tǒng)3的操作(圖3及圖4)類似于自適應幀速率控制系統(tǒng)1 的操作(圖1及圖2)。主要的不同在于,每當達到最大增益限值g2或最小增益限值gl時, 則設定不同的感測頻率(而非曝光限值)。其中,在各個期間之間,當已達到最大增益限值 g2,則減小感測頻率;當已達到最小增益限值gl,則增大感測頻率。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已,并非用以限定本發(fā)明的范圍;凡其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或變型,均應包括在權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng),包括放大器,以一增益將所述影像傳感器的感測輸出信號予以放大;自動曝光增益(AEG)控制器,其根據入射光強度以決定曝光時間和所述增益的乘積 (EGP),所述AEG控制器控制所述放大器;以及時序控制器,受控于所述AEG控制器,所述AEG控制器、所述放大器及所述時序控制器可自適應地調整所述影像傳感器的曝光時間及增益,使得所述放大感測輸出信號可大約接近感測目標信號;其中,所述曝光時間的改變優(yōu)先于所述增益的改變。
2.根據權利要求1所述的影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng),還包括模數轉換器, 用以將所述放大感測輸出信號轉換為數字形式,使得所述AEG控制器可隨后進行處理。
3.根據權利要求1所述的影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng),其中所述AEG控制器將多組最大曝光限值及增益限值分別提供給所述時序控制器及所述放大器,用以調整所述影像傳感器的曝光時間及增益。
4.根據權利要求3所述的影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng),其中每當已達到所述增益限值時,則置換所述最大曝光限值。
5.根據權利要求4所述的影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng),其中所述增益限值包括最大增益限值及最小增益限值。
6.根據權利要求5所述的影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng),當所述入射光強度減小時,所述增益增加但不超過所述最大增益限值,然而所述最大曝光限值維持不變;當所述入射光強度增大時,所述增益減小但不低于所述最小增益限值,然而所述最大曝光限值維持不變。
7.根據權利要求1所述的影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng),其中所述AEG控制器將多組感測頻率及增益限值分別提供給所述時序控制器及所述放大器,用以調整所述影像傳感器的曝光時間及增益。
8.根據權利要求7所述的影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng),其中每當已達到所述增益限值時,則置換所述感測頻率。
9.根據權利要求8所述的影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng),其中所述增益限值包括最大增益限值及最小增益限值。
10.根據權利要求9所述的影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng),當所述入射光強度減小時,所述增益增加但不超過所述最大增益限值,然而所述感測頻率維持不變;當所述入射光強度增大時,所述增益減小但不低于所述最小增益限值,然而所述感測頻率維持不變。
11.一種影像傳感器的自適應幀速率控制方法,包括以一增益將所述影像傳感器的感測輸出信號予以放大;根據入射光強度以決定曝光時間和所述增益的乘積(EGP);以及自適應地調整所述影像傳感器的曝光時間及增益,使得所述放大感測輸出信號可大約接近感測目標信號;其中,所述曝光時間的改變優(yōu)先于所述增益的改變。
12.根據權利要求11所述的影像傳感器的自適應幀速率控制方法,還包括將所述放大感測輸出信號轉換為數字形式,使其可隨后進行處理。
13.根據權利要求11所述的影像傳感器的自適應幀速率控制方法,還包括提供多組最大曝光限值及增益限值,用以調整所述影像傳感器的曝光時間及增益。
14.根據權利要求13所述的影像傳感器的自適應幀速率控制方法,其中每當已達到所述增益限值時,則置換所述最大曝光限值。
15.根據權利要求14所述的影像傳感器的自適應幀速率控制方法,其中所述增益限值包括最大增益限值及最小增益限值。
16.根據權利要求15所述的影像傳感器的自適應幀速率控制方法,當所述入射光強度減小時,所述增益增加但不超過所述最大增益限值,然而所述最大曝光限值維持不變;當所述入射光強度增大時,所述增益減小但不低于所述最小增益限值,然而所述最大曝光限值維持不變。
17.根據權利要求11所述的影像傳感器的自適應幀速率控制方法,還包括提供多組感測頻率及增益限值,用以調整所述影像傳感器的曝光時間及增益。
18.根據權利要求17所述的影像傳感器的自適應幀速率控制方法,其中每當已達到所述增益限值時,則置換所述感測頻率。
19.根據權利要求18所述的影像傳感器的自適應幀速率控制方法,其中所述增益限值包括最大增益限值及最小增益限值。
20.根據權利要求19所述的影像傳感器的自適應幀速率控制方法,當所述入射光強度減小時,所述增益增加但不超過所述最大增益限值,然而所述感測頻率維持不變;當所述入射光強度增大時,所述增益減小但不低于所述最小增益限值,然而所述感測頻率維持不變。
全文摘要
一種影像傳感器的自適應幀速率控制系統(tǒng)及方法。放大器以一增益將影像傳感器的感測輸出信號予以放大。自動曝光增益(AEG)控制器根據入射光強度以決定曝光時間和增益的乘積(EGP),并控制時序控制器及放大器。由此,可自適應地調整影像傳感器的曝光時間及增益,使得放大感測輸出信號可大約接近感測目標信號;其中,曝光時間的改變優(yōu)先于增益的改變。
文檔編號H04N5/235GK102196183SQ20101012485
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月1日 優(yōu)先權日2010年3月1日
發(fā)明者江志堅, 米塔·艾民 申請人:英屬開曼群島商恒景科技股份有限公司