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  子学 指导教师:李斌桥 2011-12 摘要 CMOS图像传感器相对于CCD图像传感器具有低功耗以及高集成度等优 点天津大学硕士学位论文 一种用于暗电流消除的数字解压系统设计 姓名:钟晨峰 申请学位级别:硕士 专业:微电子学与固体电。CCD图像传感器有着更高的随机噪声但是由于CMOS图像传感器通常比,噪声和暗电流噪声更大的固定模式,围与信噪 比低于CCD图像传感器因此CMOS图像传感器的动态范,像传感器在高端领域的应用这严重制约着CMOS图。这种情况针对于,图像传感器为基础本论文以CMOS,暗电流噪声的数字解压系统着重研究应用于图像去 ,暗电流不一致的问题以及CMOS图像中,电流噪声的研究打下良好基础为CMOS 图像传感器去暗。S图像传感器暗电流的不一致性本文首先通过数据证明了CMO,电流消除的解决方法并提出逐 点进行暗。决方法的基础上在提出该种解,I 总线为基础搭建了以SP,感器暗电流的数字解压系统用于消除CMOS图像传。uffman压缩算法为基础该解压系统 以DPCM.H,据进行压缩编码通过对暗电流数,于Flash中将压缩 数据存,像传感器工作过程中而后在CMOS图,流数据进行Huffman.DPCM解码通过数据解压系统读 取Flash中暗电,原始图像 数据做差最后将暗电流数据与,像传感器去暗电流完成CMOS图。缩与精度保持的问题压缩系统的关键是压。的压缩 比提高到3.22本文提出的压缩系统数据。它压缩解压算法同时相对于其,有效提高 数据的精度本文采用的压缩算法将,E(均方误差)减小了15—20相对于无损去暗电流图像的MS,数据程度明显趋近 于原。缩算法与小波压缩算法同时相对于DCT压,号解压缩的精度提高了4..5、O.4.0.5PSNR(峰值信 噪比)与SNR(信噪比)信, 据精度保持具有良好的数。了算法提出与验证整个设计过程经历,设计以及仿真验证1Verilog。载到FPGA中进行验证最后进行逻辑综合后下。测试经,实现 了既定目标本系统稳定高效的,数据压缩与去暗电流成像效果实现了CMOS图像传感器的。hCCD imagesensogtheCMOS image sensorhaslow power consumption关键词: CMOS图像传感器图像压缩系统去暗电流DPCM.Huffi'nan ABSTRACT Compared wit,and greater fixed pattern noiseanddarkcurrent noiseandhighintegration.Howeverbecause higherrandomnoise,inconsistencies ofthe CMOS image sensor data demonstratedfirstlyand thesolutionismadetoeliminatedarkcurrentone onepixel.Then digitaldecompressionsystemthedynamicrange andSNRof CMOS image sensorcannotreachtheleveloftheCCD imagesensorwhich limitsthe CMOS image sensorinthefieldof application. In paperthe,sedontheSPIbusbasedonbuiltba,OSimage sensor.The decompression systemisdesigned eliminatedarkcurrentintheCM, compressionalgorithmbased onDPCM—Huffman,ndstores inFlashcompresses dataa,urrentdatais removedfromthe originalimage dataandtheCMOSdarkcurrentisremoved. Inthe decompressionsystemandthentheCMOS image sensorreadthe compressed datafromFlashand decoded byHuffman-DPCM.Finally thedarkc,roblems.In datadecompressionsystemthe most importantthing accuracyp,data significantly.At:the sametimerelativetothe DCT compressionalgorithm andwavelet compressionalgorithmthe compression ratioincreasedto3.22.Andthe MSE(meansquareerror)reduces 15—20.whichisclosetotheoriginal ,curacyoftheextracted4—5and0.4-0.5.The designprocess verification.FinallythePSNR(peak signal tonoise ratio)andSNR(signal tonoise ratio)signals ac,ng ofdark current. KEYWORDS:CMOS Image Sensor Data CompressionSystem Removing DarkCurrent DPCM.Huffrnan 第一章绪论 1.1课题背景 第一章绪论 弟一早瑁比 1.1.1CMOS图像传感器的发展概况 在科学技术不断进步的今天itdownloadedtotheFPGA after logicsynthesis.Thesystem isstableandefficienttc achievethestated objectives andfmishtheCMOS image sensordata compression andthe removi,器件逐渐成为半导 体器件的主流金属.氧化物.半导体(MOS)。OS器件基于M,要出现了两种典型的 类型固体图像传感器的发展主,与CMOS图像传感器即CCD图像传感器。认可和普 CCDSCMOS 图1.1CMOS与CCD读出电路CCD是一种将光信号变为电荷包CCD图像传感器与CMOS图 像传感器作为固体图像传感器的两种主要发展方向已经取得了市场的,递信息的半导 体表面器件并以电荷包的形式贮存和传,储器的基础上发展起来的是在MOS结构电荷存,列起来的电容阵列”【2]所以有人将其称 之为“排。像传感器一直在占 据支配地位在传统图像传感领域CCD图,星成 像等高端领域以及消费类电子等基本消费类电子领域中CCD图像传感器广泛应用于光学成像、高精度图像仪器、卫。用范围 的扩大但随着CCD应,渐显露出来其缺点逐。OS与CCD读出电路图1.1对比了CM,) 中可以看出从图1.1(a,在进行全局曝光后CCD读出方式是,进 第一章绪论 行读出通过垂直转移和水平转移。CCD阵列具有复杂的驱动脉冲 电路垂直转移与水平转移的读出方式要求了,成性差、工作电压高等缺点具有从而形成CCD电路集;动电路及模拟和数字信号处理电路的集成同时CCD光敏 单元阵列难以实现与驱;强、成本高、读出速率慢、工艺垄断性严重等 缺点此外CCD图 像传感器还具有芯片抗干扰能力不。下的CMOS图像传感器应用中得以弥 补CCD图像传感器的缺点在CMOS技术。进行帧读出信号和行读出信号控 制进行滚筒式曝光如图1.1(b)所示CMOS图像传感器主要通过,AD转换电路以及改进的界面可以在CMOS技术下集成在一起因此图像传感器像素阵列、信号放大电路、时序控制电路、 ,D电路的高工作电压、集成度差的缺点从而可以使 CMOS电路克服CC,高集成度的应用需要从而满足低电压和 。的CMOS图像传感器图1.2为一种典型。构 成包括其基本单元,数据译码器、程序计数器以 及门闩电路等像元阵列、信号处理电路、定时控制电路、,括ISP数字图像处理系统等同时CMOS图像传感器还包。传感器基本处理包括该 CMOS图像,号转换为电信号像元阵列将光信, 电路处理后经片选信号,的形式输出以数字信号。系统处理经ISP, 的图像信息进行处理读取像素阵列中感兴趣。对CMOS图像传感 器工作进行控制行曝光控制信号以及帧曝光控制信号。构 CMOS图像传感器出现于70年代末图1-2 CMOS图像传感器的基本结,具有的工艺局限性由于出现时本身,的时间内在相当长,有效像元与总面积之比)低(10%'-'20%)、响应速慢等缺点CMOS图像传感器存在成像质量差、像素单元尺寸小、填充 率(。件主要由无源像元结构构成传统早期的 CMOS器,及像元寻址开关包括光敏元件以,件缺少信号读出电路以及放大电路这种 第一章绪论 CMOS器,器件噪声大、 性能差因此早期的CMOS。代初开始从90年,工艺的发展随着半导体,度不断提高电路的集成,出现并逐渐形成主流因此有源像元结构,功耗成 像系统的需求不断增加于此同时面积小、低成本以及低,感器得到迅速发展使CMOS图像传。SP处理等功能模块:不断集成在CMOS图像传 感器之中像素、读出电路、 放大电路、A/D转换、存储结构、I,元和读出电路以及放大电路 和处理等电路即它同时具有早期CMOS器件的像素单,敏度和动态范围的提高以 及噪声的降低保证了CMOS图像传感器像素单元灵,像传感器可以比拟的性能使它具有了与CCD图,小尺寸和低成本价格等方面具有显著的优势同时CMOS图 像传感器低功耗功耗以及,的发展空间具有广泛 ,图像传感器市场的主导在不久的将来会成为。传感器的不断发展随着CMOS图像,传感器重要组成部分作为CMOS图像,器成像质量起着至关重要的作用去除噪声对CMOS图像传感。定模式噪声与随机噪声传统的噪声分为 固。像素都有A/D转换和放 大由于CMOS图像传感器每个,面积比较大因此像素,之间不可能完全一致同时由于每个放大器,声和暗电流噪声都远高于CCD图像传感器因此CMOS 图像传感器的固定模式噪,传感器在高端领域的发展应用这严重制 约着CMOS图像。件在反偏电 压下所谓暗电流是指器,生的反向直流电流没有入射光时产。D图像传感器相对于CC,传感器暗电流较高CMOS图 像,cm2量级为lnA/,以降低 到100pA/cm2经过工艺优化后暗电流量级可,平为2~10pA/cm2由于CCD的暗电流噪声水。 图像传感器的图像质量因此想要提高CMOS,暗电流的影响必须要消除。前目,噪声、高分辨率以及 宽动态范围等的多方向发展CMOS图像传感器正朝着高集成度、低暗电流,图像传感器相 竞争的局面【3J-驯并在图像摄像领域中形成了与CCD。简介 所谓数据压缩技术1.1.2数字压缩技术,码来表示信号的技术就是用最少数据编。 信息技术领域在当今的电子,不断发展的今天数据化革命的,据量逐渐增大信号处理的数,变得越来越为重要数 据压缩技术。为一种基本技术数字压缩技术作,以及音频编码等领域中有着广泛的应用在数字信号处 理、传输、压缩存储,重要的 作用并起着至关。比未经编码少的数据位表 示信息的过程[61所谓数据压缩是指对数据按照特定的编码机制用。缩技术数据压,源消耗的优点具有节省资,、 增大传输带宽等比如节省硬盘空间。损压缩编码与无损压缩编码数据压缩解码主要分为有,的数据与原始数据不同但是非常接近的压缩方法有损压 第一章绪论 缩是指经过压缩、解压,压缩、小波压缩、DPCM压缩等包括 DCT(离散余弦变换)。据经过 压缩后无损压缩在指数,受损失信息不,复压缩前的信息解压后能完全恢。码与Huffinan编码等无损数据压缩包括算 数编。提高了传输速率数据压缩技术,信机功率降低了发,尤其是在多媒体移动通信中适合应用在当今通信系统。年来近些,传感器的不断发展随着CMOS图像,UXGA(16001200)甚至QXGA(20481536)CMOS图像传感器已经由 VGA(640480)级别发展到。率的不断加随着分辨,采集到的数据不断增多CMOS图像传感器,S图像传感器设计的一个重要课题因此数据的海 量存储成为CMO。的数据压 缩系统在此基础上提出,多的研究和关注不断受到越来越。(1)利用数据中重复出现或者可预知的部分进行压缩数据压缩压缩方式具体包括以下几个 方面【7】: 。处理中在数据,或者已知部分进行数据编码通过去除 数据中频繁出现,量完成数据压缩进而减少数据。换的而且无精度损失的这种数据是可以双向变,用相邻数据间的相关性进而进行数据编码压缩因此该种变换方式也叫做无 失线)通过利,具有一定的不变性以及规律如图像数据各个像素 之间,行图像编码压缩通过这种规律进。精度的损失并且是单向的该种压 缩方式会造成。失真压缩编码因此相对于无,降低数据变化幅度等进行压缩该种 压缩叫做失线)通过。据具有一定敏感性如人眼对图像数,像数据进行处理和压缩通 过将不敏感的图,降低数据量可以有效,压 缩程度提高数据。种不可逆转的压缩方法这种压缩方法也是一。第一章绪论 数据压缩被认为是一种“开放技术”图1.3一种典型的数据压缩技术示意图 动向量。据传输领域外除了传统的数,辨率以及电视广播信息标准的不断发展由于现代 图像传感器不断提高空间分,为一项基本技术数据压缩也 成。外此,同的应用领域发挥着重 要作用数据压缩在许多关键但方向不,、航空应用以及废物管理、自动化控制等方面应 1.1.3国内外发展现状和前景作为数字压缩编码的基础例如视频通话、远距离控制(如卫星应用)、记录文献和医疗成像压缩、 远距离传输、无人车辆驾驶控制,提出了信息熵理论1948年香农, 码技术的先河开创了压缩编。论的基础上在信息熵理,年进一步提出了Fano 编码R.M.Fano于1951。规律同时去除相关性进行数字压缩这些编码方法分析数据变换的基本,技术的基础是 编码,在实际的工程中但并不适合应用。52年119,法”中提出的Huffman编码是第一个实用编码[8】由D.A.Huffman 在“最小冗余度代码的构造方。损失、高压缩比、高效率等特点Huff-man具有无精度,被广泛应用在工程上。8 年196,an编码提出后在Huffm,前人的算法进行分析EElias综合,Rissanen进行改进并在1976年被 J.,限逼近熵的编码方法从而提出了一种极,术编码即算。 后此,riten提出的部分匹配预测模型与算术编码人们组合J.G.Cleary和I.H.W,量的压缩编码算法从 而创造出高质。法的不断发展随着压缩算,失的压缩算法也不断进行发展一些允许损失一定 精度损。EG标准被工程 广泛采用其中基于DCT算法的JP。定并成为国际标准并在1986年制,效进行图像压缩该算法可以有,好的数据精度同时保留了良。标准的基础上在JPEG,小波变换的JEPG2000标准2001年人们提出了基于离 散,别是采用小 波变换作为压缩算法的核心该标准与传统的JPEG标准最大的区。PEG压缩相比与J,像 大小的下具有更高的图像质量JPEG2000压缩的在相同图,显著减小精度损失。标准的制定针对压缩,多种压缩应用方向国际 上已出现有。】以及Nein.HsienLin等人2007年提出的基于 JPEG2000的3D数据流等如Devaux等人在2009年提出的应用于远程监控 的JPEG2000图像压缩算法[1o。于多种数据处理领域[1目前数据压缩已经应用。不断发展的同时在国外压缩技术,突破得了。频编解码领域尤其在音视,然起步晚国内虽,于多种音视频编解 码的DSP处理芯片但己在部分领域取 现己推出了多款基。.264/AVC标准的编解码 芯片如暨南大学设计的支持A'V7S与H,及便携式试听消费电子等产品可用于新一代移动多媒体通讯。H.264/AVC算法的分析同时清华大 学李宇等人通过对,AVS的视 频解码器芯片系统结构提出了基于H.264/AVC和,和高吞吐量的要求以满足高处理能力。论 的处理速度不断加快由于Pc主机 第一章绪,时处理已在我国取得广 泛的应用利用CPU实现视频压缩编解码实,我国越来越具有吸引力发展数据压缩技术在。人才的前 提下在过充分利用,码领域取得了一定得成绩我国己在视频压缩编解。前目,AVS标准的SoC高清编解码芯片已经实现量产我国首个由唐桥 微电子有限公司设计研发的基于,息化的不断发展随着数字化、信,数据化的核心组成部分压缩解压编码芯片作为,得越来越重要其地位将变。数据编解码产品因此着重开发,当今数字化发展的重点研究对象搭建数据压缩解压系 统成为。题将主要研究数字图像去暗电流过程中1.2课题主要研究内容与方向 本课,统的搭建问题数字解压系。流形成的原因与其形成的不均匀性通 过对CMOS图像传感器暗电,储的暗电流消除方法提出暗电流数 据存,电流消除方法并针对该种暗,据解压算 法提出相应的数。缩算法的分析通过对数据压,fman组合解压算法提出DPCM.Huf。算法进行数字设计最终将 对提出的,解压系统搭建数字,系统包括该解压,模块、Flash控制模块以及Flash存储 器4个大部分Huffman解 压模块、DPCM解压模块与图像去暗电流。压系统进行设计与仿真本文将着重对该数据解,进行FPGA验证并将设计的解压 ,传感器的去暗电流工作最终实现CMOS图像。构 随着CMOS图像传感器分辨率的不断提高图1.4CMOS图像传感器数据解压缩系统结,不断增大数据量。 压缩算法采用合适的,器进行数据压缩存储时对CMOS图像传感,外的数据精度是当今研究的主流方向提高数据的压缩比同时 不损失额。方向的前提下本文将在该大,成像特点以及暗电流的产生机理针 对CMOS图像传感器的,行优化 改进对压缩算法进。时同,工艺的不断发展由于CMOS,第一章绪论 为本文研究的另一主流方向高集成度与高稳定性CMOS芯片成 。ogHDL等硬件描述语言本文将通过采用Veril,进行硬件描述对 该算法,逻辑综合软件上进行逻辑综合并将其在synplify等,GA芯片上加以实现最后 集成到FP。文章节安排第一章主要介绍CMOS图像传感器的发展和应用从而完成本设计的高集成度与高稳定性的研究工 1.3论,基本原理与国内外发展情况并介绍了数据压缩系 统的。时同,容、科 研目的以及研究方向本文介绍了本论文的主要内。图像传感器暗电流的不均匀性第二章详细讲解了CMOS,的去暗电流方法以及由此形成 ,缩暗电流系数的压缩算法同时针对该方法提出了压。压系统架构并提 出解。各个模块基本原理以及设计仿真 结果第三章主要介绍本文采用的解压系统中。统的仿真验证及测试第四章详细介绍本系。并提出未来展望第五章总结全文。 2.1 CMOS图像传感器暗电流不一致性 2.1.1暗电流不一致性 CMOS图像传感器暗电流是指器件在反偏电压下第二章 基于CMOS图像传感器去暗电流的数据压缩系统架构 第二章基于CMOS图像传感器去暗电流的数据压缩系统架构,的反向 直流电流没有入射光时产生。CD器件相对于C,有较大的暗电流噪声水平CMOS图像传感器具,10~50倍n31一般为CCD器件的。此因,传感器的图像质量提高CMOS图像,MOS图像传感器的影响必 须要消除暗电流对C。注入.漂移电 流以及体内耗尽区电子空穴对产生和复合而引起的产生.复合电流【14】图2.1暗电流产生结构 引起暗电流的因素主要包括少数热载流子的注入和漂移引起的。与掺杂浓度ni成正比由于产生. 复合电流,ni2成正比漂移电流跟,斋)+吃.彬冰T3*exp(音)(2-2)由于暗电流与温度的指数关系可以得到 茸oc Z3*exp(音) L=4删术T312*exp(,温下在室,产生一复合电流漂移电流远小于,电流的主要来源是耗尽区内电子空穴对的产生和复合引起的产生. 复合电流第二章基于CMOS图像传感器去暗电流的数据压缩系统架构 所以室温下暗,可以近似表达为: 式中所以图像传感器的暗电流,'辨Ad。生复合率是指产,仃是指漂移率Bd'dj。中可以看出’从模型,温下在室,由电子和 空穴的产生和复合引起的CMOS图像传感器的暗电流主要是,密度产生电子和空 穴的产生与复合同时由于器件体内耗尽区内的缺陷。要是由器件本身耗尽区 的密度来决定的因此CMOS图像传感器的暗电流噪声主。水平限制由于工艺,的缺陷密度完全一 致不可能保证每个像素点,暗电流大小并不一致所以每个像素点的。.2所示如下图2,65是在。下C,的暗电流分布直方图同 一像素阵列中。以看出.从图中可,电流并不 一致像素点之间的暗。265图2-。 目前常用一种的消除暗电流方法C下像素阵列暗电流分布直方图,素中暗行 像素中暗电流的平均值即利用当前图像值减去CMOS像,图像传感器中像素得 不到完全消除该方法有可能会引起一部分CMOS,于暗电流噪声平均值形成缺补 偿既一部分像素由于暗电流噪声大,平均暗电流噪声形成过补偿而一部分像素暗电流小于。电流后 的信号同时由于去暗,拟放大器进行放大需要经过后端模,暗电流消除干净如果没:有将,大的图像误差将产 生较。工艺加工过程中引入的像素体内的缺陷是在,图像传感器完成一旦CMOS,会发生变化暗电流将不。暗电流模型结合上面对,个像素来讲可知相对一,暗电流的数据压缩系统架构 或者K撇经确定其~鲫 第二章基于CMOS图像传感器去,发生变化就不会再。的像素点对于不同,~鲫固定假设其,的比值将被固定那 么其像素间。当前条件下的暗电 流值Idl所以如果确定其固定比值k值和,像素的暗电流Id2值就可以很方便的获得。获得Idl为了方便,器中个别像素进行遮黑处理将对CMOS 图像传感,像传感器感光不同时这样即使CMOS图,生的比值将不发生变化感光像素与遮黑像素产。与不感光像素点的暗电流比例系数因此通过该方法计算所有像素点 。同条件下可知在不, 像素点的暗电流平均值只需要得到当前不感光,中每个像素点的暗电流值即可以相应求出当前图像,行消除并 进。实验对CMOS图像传感器暗电流验证如下2.1.2暗电流系数矩阵求解验证 通过,声CMOS图像传感器进行本文实验首先选取已经去除其它固 定模式噪。感器完全遮 黑的条件下其次在CMOS图像传,1倍增益分别在,增益4倍, 和600ms曝光时间各拍摄50幅图像8倍增益以及16倍增益下以400ms。0幅图像分别求平均最后将各场景下的5,平均值图像各得到一个。随机噪声和行噪声的影响在平均的过程中消除了,均值图像完全是像素的暗电流值因此 可以认为得到的16幅平。分别计算其暗电流系数矩阵对当前16幅平均值图 像。...................1.......一 第二章基于CMOS图像传感器去暗电流的数据压缩系统架构 图23第一行和第二行为不感光的暗行计算过程如下: 像素G1 G2Gl/G: G2/G:B/ij 32/G2 32/G2Gl/G: 32/G2图2.4按电流系数矩阵示意图 10 G21,域正常的像素单元其余行是感光区。下对图像拍摄在无光条件,值均为当前暗电流的值因此此时所有像素点的。两暗行中的值如图 中前。随机噪声的影响同时为了消除,求得CMOS图像传感器的系数矩阵我们利用多次拍摄求平均值 的方法,.3为例如图2,-4) 其中darkcurrent为暗光条件下感光像素的暗电流有公式: K=dark—current/dark—row (2,件下暗行 像素的平均值darkrow为暗光条,电流系数K为暗。所有像素点的暗电流系数依次求取16幅图像中,个系数矩阵得到16。表2.1暗电流系数标准差 由表2.1中结果可以看出计算 16个矩阵之间的标准差可以得到如下结果: ,条件下在不同,有一定的浮动性虽然系数矩阵,化不大但是变,的暗电流系数矩阵是保持不变的所以可以近似认为不同条件下。此因,的方式保存暗电流数据可以采用暗电流系数。2.1消除暗电流流程 由于图像暗电流具有不一致性2.2CMOS图像传感器数据压缩系统架构 2.,此因,于应用在要求图像质量较高的CMOS图像传感器中采用传统的减去暗行平均值的去暗电 流算法将不适。过获得暗电流系数矩阵采用本文上 述方法通,电流系数矩阵去除 暗电流并在去暗电流过程中利用暗。暗电流的不一致性将有利于消除图像,S图像传感器 精度有利于提高CMO,感器成像质型161保证CMOS图像传。5CMOS图像传感器暗电流消除流程 如图2—5表示本文采用的CMOS图像传感器暗电流消除流程11 第二章 基于CMOS图像传感器去暗电流的数据压缩系统架构 CMOS图像传感器 图2.,像传感器结构获取图像传感器的暗电流系数本文将首先 通过图2.3中CMOS图。法 为具体方,续拍摄的50帧图片通过在暗光环境中连,图片的平均值求出50帧。均值的方法利用求 平,像暗电流噪声将有利于求图,像暗电流取 值不准确消除随机噪声造成的图。后而,对于暗行像素平均值的比值本文将求得图中各个像素相,器的系数矩阵得到 传感。的系数矩阵求出图像,缩了数据一方面压。方面另一,益的改变而引起的图像噪声加大防止 了暗电流等噪声随图像增。如公式2系数获取。所示4 。次其,的曝光方式为滚筒式曝光由于CMOS图像传感器,时间)和linevalid(行时间)的控制其读出时序受到 fi'amevalid(帧, 行进行DPCM压缩编码因此本文将对数据图像逐,转换为量化数据将暗电流系数,步进行Huffman编码而后将对量化数据进 一。次压缩编码数据经过两,挂 Flash存储器之中通过软件将数据存储写入外。后最,工作过程中每曝光一行在CMOS图像传感器,器中该 行暗电流数据读出Flash存储,ffinan与DPCM解码进行该行暗电流数据的Hu。读出 阶段在该行的,暗行数据的平均值做乘法将解码出的系数数据与,暗电流数据得到图像的。据减去暗电流数据进而用该行图像数,电流的数据得到消除暗。(2.2.1)所示其基本公式如公 式。eDecoder (2.5) 其中Sig 为暗电流后的像素值sig denoise=sig original一如彘ov,如席口ve为CMOS图像暗行的平均值Sig_originalCMOS ,r为系数解码值Decode。构 图2.5为本此设计采用的解码去暗电流系统架构2.2.2CMOS图像传感器解压去暗电流系统架,程如上节所述.其工作流。条件下进行抓取、计算、编码本次设计先通过对数据暗光,去暗电流的数据压缩系统架构 存于Flash存储器中而后将编码后的数据 第二章 基于CMOS图像传感器,器解码去暗电流过程中当CMOS图像传感,时钟控制信号到解码去暗电流系统中传递相应的含 暗电流图像数据以及。an解码模块、DPCM解码与去暗电流模块、 以及Flash存储该解码去暗电流系统 主要包括以下Flash控制模块、Huffm。与去暗电流模块中又分别 包含了两个小模块其中Flash控制模块以及DPCM解码。中其,(a)Flash控制模块各个模块的具体功能为: 。lash模块给予时序控制主要通过利用外部信号对F,取的过程中而后 在读,对数据进行读取通过SPI模块。中其,SPI 总线协议SPI模块遵循。据后进行转换同时在读取数,an解码模块 进行解码传递给后端的Huffm。man解码模块(b)Huff。的数据进行Huffman解码通过接受Flash控制模块,M解码与去暗电流模块进行解码 去暗电流在解码的同时解码数据传递给后端DPC。码与去暗电流模块(c)DPCM解。模块的数据进行 DPCM解码通过接受Huffinan解码,数据进行存储将解码后的,步图像数据同时读取异。行同步化后相减将两个 数据进,像去暗电流最终实现图,输出并。ash模块(d)Fl。035E型串行Flash 存储器对压缩数据进行存储通过采用现成的Macronix公司的MX25L8。过程中在解码, 令对Flash模块进行读取通过Flash控制模块写入命。CMOS图像传感 第二章基于CMOS图像传感器去暗电流的数据压缩系统架构 器去暗电流的全部流程图2-6本文所采用的解码去暗电流系统架构 本文通过以上四部分实现从CMOS图像传感器数据读出到,中其,接桥梁起着核心控制的作 用Flash控制模块作为连。总线对Flash存储器中数据进行读取该模块通过外部信号进行控制利用SPI。端解码模块进行解码去暗电流同时将读取出的数据传入后。的模块主要工作是进行Huffman解码而Huffman解码模块 作为一个独立,PCM模块进行进一步解码得到量化数据供给后端 D,不可少的一部分是整个系统必。块直接与图像输入输出相连接DPCM解码去暗 电流模,步逻辑通过异,数据进行 同步将两个时钟所得,始终数据相减去暗电流而后通过减法器对两个。时同, 存储器进行系统搭建采用现有的Flash,统的稳定性保证了该系,时同,统本身的面 积节省了图像系,模块写入相应的控制信号通过对flash控制,存储器中 数据的读出工作可以较好的完成Flash。-6的系统架构本文采用图2,像传感器的工作模式综合考虑CMOS图,模块进行调整对 系统各个。电流模块中包 含了两个或两个以上模块的功能其中Flash控制模块与DPCM解码去去暗,系统的集成度充分考虑了, 传感器的硬件开销减小CMOS图像。用该架构同时采,现简单逻辑实,感 器简单高效的工作有利于CMOS图像传。 Din———<二二>——一<二=3卜…<二二二>——<二二)——一 Dour———(二二)——_<二二二>-…—二)——_<二二二>-——一 图2.7(b)解压去暗电流系统数据读写时序 图2-7表示本系统设计所采用的控制时序2.2.3 CMOS图像传感器解压系统时序控制 fpndc_end ramp_en 图2.7(a)解压去暗电流系统Flash读写控制时序frm_val id厂————————————————弋 linevalid nn…nn。中其,图像传感器去暗电流的数据压缩系统架构 存储器的读写控制时序图(a)表示本文采用的Flash 14 第二章基于CMOS,图像数据的读写时序图(b)表示本文。可以看出从图中,方式读取两种数据本文采用异步的。以对数据读取 时间进行控制采用异步数据读取的优点是可,数据读取之前保证在图像,流系数的读取与解 压完成Flash中暗电。数据读取的同时进而在读取图像,电流数据进行相减对图像数据与暗,像暗电流去除 图。a)所示如图(,要由spielk时钟进行控制本文Flash数据读写时序主,中其,信号开始时当数据读取,pndc为高时即loadf,入读取状态数据开始进,信号rampeil信号为高进而开 始等待数据读取使能,可以开始读取当ramp ,为低时当其,lash存储器表示不可读取F。所示如图,号为高时使能信,或者若干个时钟经过一个时钟,spi CSb变为低SPI总线控制信号,I总线开始读取Flash数据Flash 控制模块通过SP。b)所示如图(,出的过程中在数据读,选信号对数 据读取进行控制本文主要通过帧选信号与行,所示如图,号开始时当帧选信,帧的数据读取当前,对每行的数据进行读取而后通过 行选信号,前行开始之间准备好 的由于暗电流数据是在当。此因,据与暗电流数据做差值通过对每行读取的数,所需数据即可得到,出到后端电路进行处理而 后将数据继续输。 解码器 图2-8一种常用的压缩系统模型 如图所示2.3压缩算法设计 2.3.1压缩算法简介 编码器,同的两个部分:编码器和解码器一个数据压缩系统通常包括不。F(x当数据,到编码器中y)输入,行信源编码生成 一个特定的符号这个编码器可以根据输入信号进。信道中进行传输而后将符号送入,的符号送 入解码器进而将编码器编码。输出数据F‘(x经过重构就生成,)y。(xF‘,于原始数据y)可能等,等于原始数据也可能 不。输入数据完全相等如果输出数据与,的或具有信息保持的编解码系统则该编码解码系统就是无 误差;之反,现某种程度的失真重建数据就会呈,据产生差异与原始数。电流的数据压缩系统架构 如前文所提第二章基于CMOS图像传感器去暗,式包括以下三个方面常用的数据压缩方,成 分进行数据压缩为利用数据中冗余,及降低数据变化幅度进行压缩利用数据相关性进行压缩以。算法多种多样数 据压缩的,法思想是不变的但其基本压缩算。种基本的数据压缩模型信道 数据编码压缩是一个渐进的过程一种基本的数据压缩 模型如下图2.8所示: 图2-9一。先首,据之间的相关 性冗余转换器将去除输入数,无冗余的数据格式将数据转换为具有。可反向转换的这一步压缩是,压缩数据的数据量可 直接降低未。数据的方法与此相 反的例子本文中将采用系数矩阵的压缩。次其,量化器进行数据量化去冗余数据将被送入,度调整以便与预先的精度保证一致量化主要对去冗余数据的 进行精。入数据的变化幅度这一步减少了输。通常是不可逆的这一步压缩处理。去除本步压缩操作因此无损压缩一般,缩无精度损失进而保 证压。后最,后的数据进行编码赋值符号编码器将对量化,量化压缩数据相应的数字符号按量化数据出现概率给 予,编码长度减少进而保证数据。是量化编码数据的集合此过程编码数据 一般,数据的无损压缩从而按符号保证,上文提到数据压缩的三个相继操作此操作一般是可 图2-9显示了,含在所有数据压缩系统中但该三个操作并不是包。无损压缩时如需要进行,缩中的量化步 骤需要去掉数据压。外此,分开的某些模块进行合并后建立 的模型某些数据压缩技术是将图2-9中物理。常用一个模块表示如转换器和量化器。数据压缩算法一般包括两种压缩算法这个模块同时执行这两部分的操 ,及有损算压缩算法即无损压缩算法以。在医疗或者商业归档里其中无算压缩主要应用。种应用中不过在此,据的损失而被法律所禁止有损压 缩通常由于数。 作组成: (1)减少数据编码冗余无算压缩算法通常由两种彼此独立的操,的数据表达方式建立一种可替代。行编码以便消除编码冗余(2)对这种表达方式进。方法就是减少仅有的编码冗余无损误差数据压缩的最简单。去暗电流的数据压缩系统架构在于数据二进制编码中编码冗余经常存 第二章基于CMOS图像传感器。从而使数据最小化进行消 除它可以通过对灰度级进行编码。变长编码结构这样做需要,予出现概率最大的数据它可把最短的码字赋。据精度上做出让步用以以 换取高压缩比为基础有损压缩算法与无算压缩算法最大的区别是以数。生数据精度损失该种算法会产,是可以容忍的但该种损失。频传输以及信号处理中无算压缩一般应用在视,许数据有部分损 失该:种应用场合允,保证数据传输时的资源利用率同时需要较高的压缩程度来。化后量化成所需数据实现的数据压缩该种压缩算法主 要对数据进行转。,压缩算法编码对象 如上图所示两种压缩编码主要进行压缩变换的编码对象十压口—三]M三班信道 有损压缩编码 无算压缩编码 图2.10两种,对转换器以及量化器进行更改其中有损压缩编码 主要通过,化后量化压缩实现数据变。 化器的存在其中由于量,据将产生精度损失在压缩过程中数。 编码器实现数据的编码重构而无损压缩主要通过更改符号,数据的压缩进而实现,可 以有效的保持数据精度其中采用无算压缩的方式,符号编码器但由于改变,比一定其压缩, 度的数据压缩不能完成高程,转换器实现数据形式的变动而有损压缩编码通过变化,缩程度提高从而使压 ,化器进行量化但由于需要量,据的原有精度因此不能数,度 损失造成精。缩算法 如上节所示2.3.2经典压,压缩算法与无损压缩算法传统的压缩算法包括有损,的研究与不断发展随着压缩 算法,数据压缩算法产生出多种。缩算法[17】、算术编码算法[181如无损压缩算法中的 Huffman压;CT压缩算法【20】、以及小波压缩算法【21]有损压缩算法中的DPCM压缩算法[19】、 D。缩算法是一种常见的数据压缩算法其中DCT(离散余弦变换)压。离散傅里叶变换)压缩算法相对于 传统的DFT(,LT(Karhunen.Loeve变换)压缩算法DCT压缩算法具有更强的数据压缩 能力而相对于K,务简单 易于实现DCT算法计算任。S图像传感器去暗电流的数据压缩系统架构 (2-8)进而实现数据的压缩该算法主要利用离散余弦变换通过采用离散核: 17 第二章 基于CMO,和计算 的复杂性执行之间提供了一种很好的平衡通过上述讨论可知DCT变换方法在信息压缩能力。为国际标准所采纳DCT压缩算法已。G标准等如JPE。独立的压缩算法相对于其它输入,的集成 电路中即可实现DCT压缩算法在单一,的数据装载在尽量少的系数中该种压缩算法可以将尽量多。缩 数据 压缩 数据 如图所示为一种典型DCT数据压缩系统输入 数据 压缩 数据 图2.11DCT数据压缩系统 解压,数据进行分组该系统首先将,子数据构 建,DCT变换而后通过,数形式并进行量化将数据转换成系,编码器进行编码最后通过 符号。解码过程中同时在数据,进行反解码变换通过将压缩数据,压后的数据还原成解。码公式为: 其中f(x进行DCT反变换的解,经压缩的数据y)为原始未,(uT,缩后的数据v)为压,(xh,uy,T反变换的核v)为DC。波变换的数据压缩算法小波压缩是一种基于小,数据压缩算 法相对于传统的,的小波变换对数据进行压缩编码该压缩算法采用近些年发展起来,颖的数据变换分析方法小波变换 是一种新,叶变换的基础上它在传统傅里,率改变的时间窗口引进了一个随 频,数据时序与频率分析处理该频率窗口可以有效进行。具有以下特点小波 变换。据压缩系统架构 (1)小波分解可以覆盖整个频域18 第二章基于CMOS图像传感器去暗电流的数。适当滤波变换的基础上(2)小波变换在选取,同数据关系的 相关性可以减小或者去除不。率和时间上进行分辨率切换(3)小波变换可以在频,低频率阶段如在数据,时间分辨率进行数据分析可用 高频率分辨率和低,理同,频阶段在高,时间分辨率进行数据分析可用低频 率分辨率和高。可以提供快速算法(4)小波变换,解算法等如小波分。

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  _生物学_自然科学_专业资料强电离放电产生臭氧气体的方法。CE v01.22.No.2 Mar..2001 强电离放电产生臭氧气体的方法 张芝涛第22卷第2期 2001年3月 环 境 科 ENVIRoNMENTAL 学 SCIEN,慧韩,庆东初,白

  模块带有串口功能手头有一个GPS,L电平TT,430实现控制希望用MSP,应该是吧?如果不是请纠正由于都是TTL电平的(,3V供电的有点拿不准)因为MSP430是3.,X交叉连接实现直接通信考虑可以采用TX/R,样是否存在问题但是不知道这,感觉IO直连不是很妥当)大家有什么建议么?多是否需要接其他一些电阻啊什么的保护一下(总谢

  电源采用12V由于CMOS,.6V为低电平则输入低于3,为1.8V噪声容限,V为高电平高于3.5,为1.8V噪声容限高。高的噪声容限比TTL有更。

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