CMOS图像传感器可处理高难度任务

1 CMOS 图像传感器技术

从系统集成角度讲，CMOS 技术通常是照相机系统及图像采集设备实施平台的最佳解决方案。CMOS 图像传感器能将其所有辅助电路集成到同一芯片上，因为这些电路都是以相同技术实施的。

CMOS 图像传感器满足了现代图像传感器快速增长的应用要求。举例来说，日益提高的要求有：简化的系统集成；低功耗要求；灵活的图象捕获；多种快门类型；更高的动力。

便携式设备对低功耗的要求尤其突出。CMOS 技术因其节能特性而闻名，是低功耗应用领域的理想选择，因为它的电源电压较低，仅 3.3 V。CMOS的另一优势在于其不使用外部电路，因为一块图像传感器芯片上可集成一切。就传感器读取而言，CMOS 提供了更多的可能性，因其具有与存储器一样的可自由寻址特性，而且还能读出单独的像素。多种多
样的图像次级采样 (subsampling) 操作模式能够以较低的分辨率实现更高的图像速率，这是因为传感器的工作带宽大体保持不变。同样，窗口函数 (window function) 也能大大加快对传感器阵列有意义部分的读取速度。

CMOS 技术为客户提供了读取全帧图像的最佳性能。170 万像素的 CMOS 传感器能容易获得1000帧/秒图像。在这种高速读取速度下也不会产生高功耗（它与噪音增大密切相关）等问题。

2 高分辨率传感器

图像捕获发展的趋势显然是面向更高分辨率的。FillFactory 已经为柯达数码相机提供了 35mm规格 1400 万像素的图像传感器；不过，660 万像素的传感器 IBIS4-6600 已经能够提供A4 页面所需的良好分辨率了。此性能可为弱视力人士造就一款具有突破性的产品。下文将详细介绍一款称为MyReader的弱视力自动阅读器，它的构建基础是 FillFactory 提供的、先进的 CMOS 技术，可帮助弱视力人群阅读任何书籍或信件，甚至能够像视力正常者一样进行书写，从而改善弱视力者的生活。该设备在同一芯片上提供了由模拟图像捕获、数字化以及信号预处理构成的完整的子系统。其 2210 x 3002 像素的传感器阵列建立在具有高填充因子的 3.5 x 3.5_m的3晶体管器件（受专利保护的 n-Well pixel 技术）基础之上。具备 10 位分辨率的并行输出转换器可每秒生成 5 帧全图像，采样40 MSPS。
  


图1：CMOS 图像传感器 IBIS4-6600

如果针对特别感兴趣的图像部分利用5种图像子采样操作模式中的一种或采用窗口功能，我们就能大帧提高图像速率：VGA 格式（640 x 480 像素）的部分窗口输出为每秒超过 80 帧。图像传感器还允许无损读取，即采用相关双采样进一步消除噪声。该设备提供黑白或彩色传感器版本，具有红、绿、蓝彩色过滤器（RGB，Bayer 模式），采用68 引脚 LCC陶瓷封装。表1 列出了其关键的技术参数。对于与标准视频编码器的连接而言，该图像传感器为图像、扫描线路以及像素均提供了同步信号及 10 位图像数据。

图2 给出的结构图显示了图像传感器的架构，它基本上包括像素阵列、在 X 及 Y 轴方向的读出移位寄存器、并行模拟输出放大器以及降低固定模式噪声的列放大器。位于相同芯片上的辅助电路完全与双通道图像捕获区的电路隔离，也。这些辅助电路包含两个可调整像素偏移水平的数模转换器 (DAC)，还包括一个用于特殊功能的 DAC，以及两个 10 位ADC，分别以 20 MSPS 的速率将模拟传感器数据进行数字化。它们是工作在 40 MSPS的输出速率上的多路复用模式。用于决定窗口函数的 X 及 Y 寄存器起始地址等许多参数都可通过三线接口传输至模块，灵活性大幅帧增加。


  
图2：高分辨率CMOS图像传感器IBIS4-6600结构图

我们还提供一款评估套件，以支持 IBIS4-6600 用户，其包括一个多功能数字 PCB（存储器、序列发生器及 FireWi
re 接口)以及一个带有图像传感器的模拟 PCB。Visual Basic 开发环境实现了传感器的图像捕获、复制以及图像序列，并能够以多种文件格式进行保存。操作过程中还可更改所有设置，因此可针对目标应用检查及设置传感器参数。

3 MyReader 弱视力自动阅读器

视力下降尤其会影响阅读能力，也给日常生活造成不便。仅德国而言，受影响的人群就超过 50 万。起初，视力下降者会借助放大镜的帮助进行阅读，这种放大镜只是采用光学放大的原理。随着视力不断恶化，这种方法就不够用了，他们转而采用不同类型的光电屏幕阅读系统（视频放大镜）。

上述系统可通过半导体照相机捕获书籍、杂志、报纸以及用药手册或说明上的内容，并在屏幕上显示这些内容。即使是视力极其微弱的人，若使用更高的对比度，经过放大的图像也能在一定程度上弥补其视力的不足。不过，必须手动将要阅读的物件置放在放大设备下，因此我们还得从一行结尾移动至下一行的开头。人工手动从事上述工作会造成许多不便，比如难以找到所需的正确行或列等。特别是在放大度很高的情况下，相关工作也会变得相当单调繁重，而且也妨碍了阅读的进行，从而影响我们对文本的理解，破坏了阅读的乐趣。这样的阅读也会使读者疲惫不堪。

由于有了 660 万像素的 CMOS 图像传感器 IC IBIS4-6600，我们得以推出阅读设备。开发人员多年来努力改善阅读设备，提高性能及用户使用的便利性。目前，来自新西兰的一项新的开发成果已登陆欧洲市场。一款领先的自动阅读器在法兰克福举行的专业展览 SightCity 2004 (www.sightcity.de) 上推出，专门为盲人和视力障碍人士提供帮助。与其前代产品不同，Pulse Data (www.myReader.com) 推出的新型 myReader 设备（图 3）可扫描并捕获的最大页面格式为A4页面，并以您希望的布局自动显示：可在 15 英寸或 21 英寸无抖动显示屏上断行显示（列布局）、连续行显示（行布局），也可逐词地显示（词布局），从而可根据用户要求通过方便易用的控制设备随意调整阅读速度。在自动滚动技术的帮助下，我们不再需要通过 XY进行传统的文档“导航”。  


  
图3：针对视力减弱者推出的第一款自动阅读器

因此，MyReader 使人们不再受困于视力问题，也不再为使用手工阅读器而苦恼。该影像设备不仅能够阅读，而且还能帮助用户写信、找出填字游戏的答案或以即时写入模式作记录，这些功能都采用了 CMOS 技术提供的各种资源，从而使用户能够轻松完成其任务。高分辨率的CMOS 图像传感器正在征服越来越多的新应用领域，并改善着我们的生活。