图像传感器以及像素级曝光控制方法技术

本发明专利技术提供了图像传感器以及像素级曝光控制方法，其中，图像传感器包括：二维像素阵列，包括多个传感器像素，传感器像素被配置为根据可调曝光时间采集目标场景的图像数据；图像分割模块，对二维像素阵列采集的图像数据进行图像分析，提取图像特征，并基于具有相同的图像特征的传感器像素建立若干像素分区；预测曝光模块，根据像素分区的图像特征分别获得一预测曝光时间；区域曝光控制模块，基于预测曝光时间生成曝光时序控制信号，并发送给预测曝光时间对应的像素分区中的传感器像素。本发明专利技术能够实现单帧超高动态范围成像，有效减少运动伪影，适用于高速摄像应用，并且，无须牺牲传感器分辨率，在同样分辨率下可以降低芯片成本。在同样分辨率下可以降低芯片成本。在同样分辨率下可以降低芯片成本。

【技术实现步骤摘要】
图像传感器以及像素级曝光控制方法


[0001]本专利技术涉及光敏图像传感器领域，具体地说，涉及图像传感器以及像素级曝光控制方法。

技术介绍

[0002]动态范围(Dynamic Range，DR)定义了图像传感器在同一帧图像中可同时探测到的最大光强信号和最小光强信号的范围，是CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)最重要的参数之一。
[0003]普通的CIS，由于受到像素满阱容量、曝光时间和噪声的限制，动态范围一般在60
‑
70dB。在一些特定领域，例如安防监控、自动驾驶等环境光线复杂的应用，往往要求图像传感器具备大于100dB的高动态范围(High Dynamic Range，HDR)成像能力。
[0004]图1是现有技术的图像传感器的像素架构示意图。图2是现有技术的图像传感器的曝光相关的时序控制示意图。如图1、2所示，现有技术的图像传感器主要包含如下器件：光电二极管32(Photodiode，PD)，用于累积光电效应产生的电子。传输门31(transfer gate，TX)，用于将PD内产生的电子转移至浮动扩散区33(floating diffusion，FD)。复位(Reset，RST)晶体管34，用于清空PD和FD内存储的电子。源跟随(Source follower，SF)晶体管35，用于将FD产生的电压信号放大。选择(Select，SEL)晶体管36，用于选取需要读出信号的像素。对于传统CIS，由于第一像素P1和第二像素P2的曝光时间受到同一个TX信号控制，因此两个像素的曝光时间相同，无法进行像素级的调控。
[0005]目前，现有技术已经产生了一些动态范围扩展技术的技术方案，但各有功能性、使用场景或是成本等方面的缺点，例如：
[0006](1)时域多次曝光，是常见的动态范围扩展技术之一。对同一目标场景进行时间长短不同的多次曝光，再将多次曝光得到的多帧图像进行融合。这种方法的缺点在于多次曝光时被摄景物不能移动，否则会造成运动伪影，因此不适合车载摄像头等高速摄像场景。
[0007](2)采用单帧空间域多重曝光的方案可以减少运动伪影。典型的方法是将像素阵列划分为行，并以两行间隔设置长曝光和短曝光。当按下快门时，长曝光和短曝光同时开始。这种技术可以一次拍摄长曝光和短曝光图像，并最终获得一张HDR图像。由于需要将长、短曝光的像素获得的数据融合，此类方案的缺点是需要牺牲传感器的空间分辨率。
[0008](3)还有一种拓展动态范围的方法是在CIS像素单元中使用两个对光响应率不同的光电二极管。其中，对光响应率高的光电二极管工作负责对场景中暗的部分成像，对光响应率低的光电二极管工作负责对场景中亮的部分成像。此类方法无法实现小像素图像传感器(每个像素单元实际包含两个像素)。
[0009]现有HDR技术的缺点：
[0010](1)容易造成运动伪影，和/或，需要牺牲CIS分辨率
[0011](2)可达到的动态范围有限(大约120
‑
130dB)，难以满足自动驾驶等应用(要求大于140dB)
[0012]有鉴于此，本专利技术提出了图像传感器以及像素级曝光控制方法
[0013]需要说明的是，上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于加强对本专利技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0014]针对现有技术中的问题，本专利技术的目的在于提供图像传感器以及像素级曝光控制方法，克服了现有技术的困难，能够实现单帧超高动态范围成像，有效减少运动伪影，适用于高速摄像应用，并且，无须牺牲传感器分辨率，有利于兼容小尺寸像素，在同样分辨率下可以降低芯片成本。
[0015]本专利技术的实施例提供一种图像传感器，包括：
[0016]二维像素阵列，包括多个传感器像素，所述传感器像素被配置为根据可调曝光时间采集目标场景的图像数据；
[0017]图像分割模块，对所述二维像素阵列采集的图像数据进行图像分析，提取图像特征，并基于具有相同的图像特征的传感器像素建立若干像素分区；
[0018]预测曝光模块，根据所述像素分区的图像特征分别获得一预测曝光时间；以及
[0019]区域曝光控制模块，基于所述预测曝光时间生成曝光时序控制信号，并发送给所述预测曝光时间对应的像素分区中的传感器像素。
[0020]优选地，所述传感器像素包括：
[0021]一光电二极管；
[0022]一浮动扩散区；
[0023]一传输晶体管，所述传输晶体管的源极和漏极分别与所述光电二极管和所述浮动扩散区耦合；以及
[0024]一个传输栅控制单元，所述传输栅控制单元与所述传输晶体管的栅极耦合，所述传感器像素被配置为仅当所述传输晶体管和所述传输栅控制单元同时导通时，所述光电二极管在曝光累积的电子被传输到浮动扩散区。
[0025]优选地，所述传输栅控制单元为一个晶体管或是若干个晶体管组成的控制电路。
[0026]优选地，所述图像分割模块将所述图像数据输入图像分割神经网络，输出多个像素分区，每个所述像素分区中包括具有相同图像特征的图像像素，所述图像特征包括灰度、色彩、空间纹理、几何形状中的一种或者多种。
[0027]优选地，所述预测曝光模块根据每个所述像素分区的图像特征获得一预测曝光时间，建立所述预测曝光时间与所述像素分区中每个传感器像素的映射关系。
[0028]优选地，所述区域曝光控制模块基于所述预测曝光时间生成一脉冲信号，所述脉冲信号的下降沿到周期结束之间的时长等于所述预测曝光时间，并分别发送到与所述预测曝光时间具有映射关系的传感器像素，令所述传感器像素基于接收到的所述脉冲信号包含的所述预测曝光时间分别进行曝光。
[0029]优选地，还包括一第一缓存器，缓存上一帧的动态图像作为所述图像数据，建立上一帧的动态图像中每个图像像素与传感器像素的映射关系，所述区域曝光控制模块将曝光时序控制信号发送给具有映射关系的传感器像素。
[0030]优选地，还包括一第二缓存器，缓存采用传感器中的部分像素拍摄低分辨率的图
像数据，根据被使用的部分像素对应的传感器像素在图像传感器中的位置关系，建立采样照片中每个图像像素与若干个传感器像素的映射关系，所述区域曝光控制模块将曝光时序控制信号发送给具有映射关系的传感器像素。
[0031]本专利技术的实施例提供一种像素级曝光控制方法，包括以下步骤：
[0032]获得采样图像，所述采样图像的每个图像像素与至少一传感器像素建立映射关系；
[0033]对采样图像进行图像分割，基于所述图像像素的图像特征建立若干个像素分区；
[0034]获得每个像素分区的预测曝光时间；
[0035]根据所述预测曝光时间获得时序控制信号；
[0036]将所述时序控制信号发送给与所述像素分区中的图像像素具有映射关系的传感器像素；以及
[0037]获得当前帧的高动态范围图像。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种图像传感器，其特征在于，包括二维像素阵列，包括多个传感器像素，所述传感器像素被配置为根据可调曝光时间采集目标场景的图像数据；图像分割模块，对所述二维像素阵列采集的图像数据进行图像分析，提取图像特征，并基于具有相同的图像特征的传感器像素建立若干像素分区；预测曝光模块，根据所述像素分区的图像特征分别获得一预测曝光时间；以及区域曝光控制模块，基于所述预测曝光时间生成曝光时序控制信号，并发送给所述预测曝光时间对应的像素分区中的传感器像素。2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述传感器像素包括：一光电二极管；一浮动扩散区；一传输晶体管，所述传输晶体管的源极和漏极分别与所述光电二极管和所述浮动扩散区耦合；以及一个传输栅控制单元，所述传输栅控制单元与所述传输晶体管的栅极耦合，所述传感器像素被配置为仅当所述传输晶体管和所述传输栅控制单元同时导通时，所述光电二极管在曝光累积的电子被传输到浮动扩散区。3.如权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述传输栅控制单元为一个晶体管或是若干个晶体管组成的控制电路。4.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述图像分割模块将所述图像数据输入图像分割神经网络，输出多个像素分区，每个所述像素分区中包括具有相同图像特征的图像像素，所述图像特征包括灰度、色彩、空间纹理、几何形状中的一种或者多种。5.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述预测曝光模块根据每个所述像素分区的图像特征获得一预测曝光时间，建立所述预测曝光时间与所述像素分区中每个传感器像素的映射关系。6.如权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述区域曝光控制模块基于所述预测曝光时间生成一脉冲信号，所述脉冲信号的下降沿到周期结束之间的时长等于所述预测曝光时间，并分别发送到与所述预测曝光时间具有映射关系的传感器像素，令所述传感器像素基于接收到的所述脉冲信号包含的所述预测曝光时间分别进行曝光。7.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括一第一缓存器，缓存上一帧的动态图像作为所述图像数据，建立上一帧的动态图像中每个图像像素与传感器像素的映射关系，所述区域曝光控制模块将曝光时序控制信号发送给具有映射关系的传感器像素。8.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，还包括一第二缓存器，缓存采用传感器中的部分像素拍摄低分辨率的图像数据，根据被使用的部分像素对应的传感器像素在图像传感器中的位置关系，建立采样照片中每个图像像素与若干个传感器像素的映射关系，所述区域曝光控制模块将曝光时序控制信号发送给具有映...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘明，
申请(专利权)人：深圳市元视芯智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：