Kamerasensorer är vanliga i tillämpningar som industriell kontroll och säkerhet/övervakning, och möjligheterna fortsätter att växa inom områden som drönare, robotik och förstärkt verklighet (AR). Aaron Behman från Xilinx och Adam Taylor, CEng FIET, inleder här en artikelserie om kamerabaserad systemdesign.

Ett inbäddat kamerasystem omfattar hela signalkedjan från bildsensor till systemutdata, som kan omfatta behandlade eller obehandlade bilder eller information som har extraherats från bilderna. Systemarkitekten måste vara bekant med koncept och tekniker som hör samman med bildsensorn och bildbehandlingssystemet.

Välja rätt sensor
När det gäller valet av sensor är CMOS-bildsensorer de mest använda i system som utvecklas idag. Å andra sidan kan CCD-enheter (Charge-Coupled Devices) leverera enastående prestanda för avancerad eller specialiserad utrustning.

Oavsett vilken typ av sensor du väljer är det första steget att avgöra vilken upplösning som krävs i termer av pixlar per rad och antal rader. En vetenskaplig astronomitillämpning till exempel kan kräva en högupplöst tvådimensionell sensor medan den bästa lösningen för ett industriellt inspektionssystem kan vara en linjeskanner.

Linjeskannrar täcker en eller ett par rader med pixlar i X-riktningen. Typiska användningsområden inkluderar inspektion eller optisk teckenigenkänning (OCR), där kameran eller objektet flyttas för att läsa in bilden i Y-riktningen.

Det finns även TDI-linjeskanningssensorer (Time Domain Integration), som har flera rader i X-riktningen. När objektet rör på sig ackumuleras pixelvärdet från en till nästa och ökar därmed den effektiva känsligheten för att möjliggöra högre skanningshastighet eller bättre prestanda vid svagt ljus. Synkronisering krävs mellan linjeöverföringen och objektets rörelse för att förhindra utsmetning och bilddefekter. Bildfrekvenserna kan vara mycket höga, eftersom det bara är ett fåtal rader att läsa av.

I en tvådimensionell matris med ett stort antal rader är storleken på matrisen en faktor som avgör den maximala bildfrekvensen. I vissa sensorer kan pixlar läsas parallellt för bättre prestanda. 2D-sensorer kan även utföra fönster- eller intresseområdesanalys, alltså att endast läsa av pixlar från en viss del av bilden. Detta kan öka effektiva prestanda i tillämpningar där information av intresse ligger inom en liten del av den tagna bilden, till exempel i avancerade system för förarassistans i bilar, vid övervakning eller i forskningsutrustning.

När du har valt kameraformat och avgjort vilken upplösning som krävs är pixelpitch nästa viktigt val. Pitchen definierar hur stor del av pixeln som är tillgänglig för att samla upp laddning som skapas av inkommande fotoner. Pixlar på en mindre pixelpitch samlar in mindre laddning under en given tidsperiod och kan därmed kräva längre integreringstid för att ta en bild. Detta kan försämra prestanda i svagt ljus eller vid snabbrörliga objekt.

Fotograferingshastighet och prestanda under förväntade ljusförhållanden styrs även av sensortekniken och valet av antingen frontbelyst eller bakbelyst sensor. Nyckelparametern här är kvantverkningsgraden, som uttrycker antalet elektroner som produceras i förhållande till antalet fotoner som träffar sensorn. Vanligtvis ska kvantverkningsgraden hos den valda sensorn vara så hög som möjligt över det aktuella spektrumet. Absorption, reflektion och överföring är de viktiga kriterier som påverkar sensorns kvantverkningsgrad.

I en frontbelyst sensor träffar fotonerna frontytan, men kretskomponenter som metalledningar eller grindar av polykristallint kisel kan skymma vissa pixlar, vilket ger lägre kvantverkningsgrad. Bakbelysta sensorer är en alternativ variant som är särskilt förtunnade på baksidan för att fånga upp fotoner där och därmed undvika sådana hinder. Dessa enheter ger vanligtvis en överlägsen kvantverkningsgrad.

Förstå sensorbrus
Nästa sak att tänka på är hur mycket brus inom sensorn som kan tolereras. Det finns tre huvudsakliga bruskällor:

* Enhetsbrus är tillfälligt till sin natur och omfattar bildtagningsbrus samt brus som tillkommer från effektförstärkare och återföringskretsar.
* Brus med fast mönster är av rumslig karaktär och hör till de olika svar som olika pixlar ger från samma ljusintensitet. Bland teknikerna för att kompensera för brus med fast mönster är en av de populäraste korrelerad dubbel sampling av utsignalen.
* Mörk ström orsakas av termiskt brus i bildsensorn och finns även om inget ljus ligger på. Effekten av den mörka signalen på den slutliga bildkvaliteten är mindre märkbar vid högre bildfrekvenser. Den är även temperaturrelaterad och kan reduceras genom att kyla sensorn med till exempel ett Peltierelement.

Förståelse för brusmodellen underlättar när det gäller att avgöra vilket signal till brus-förhållande som kan uppnås. Därefter kan det önskade dynamiska omfånget fastställas. Dynamiskt omfång är ett mått på sensorns förmåga att fotografera motiv med både ljusstarka och mörka områden. Det uttrycks vanligen i dB eller som förhållandet mellan pixelns mättnadskapacitet och sensorns avläsningsbrus. Det dynamiska omfånget avgörs ofta med ett fotonöverföringskurvtest, som kartlägger brus mot mättnadskapacitet. Om enheten har digitala utdata kan det dynamiska omfånget även påverkas av antalet bitar.

Återstående kriterier
Vidare är I/O-standarden som används för data-, kommando- och kontrollanslutningar viktig och kan påverka den effektiva bildfrekvensen. Exempelvis är LVCMOS inte lämplig för höga bildfrekvenser, men är godtagbar för en enkel övervakningskamera. Dedikerade seriella LVDS-höghastighetslänkar används normalt där hög bildfrekvens, hög upplösning och många bitar per pixel krävs.

Dessutom kan sensorer vara för färg eller svartvitt. Kraven för tillämpningen dominerar valet. En färgsensor kräver ett mönstrat Bayerfilter ovanpå varje pixel, med omväxlande rött och grönt på en rad och omväxlande blått och grönt på nästa. Övervikten för grönt återspeglar det faktum att det mänskliga ögat är känsligare för gröna våglängder. Pixelns verkliga färg avgörs av efterbehandling med resultat från omgivande pixlar. Detta kan minska bildupplösningen med upp till ungefär 20 procent.

I en svartvit sensor får varje pixel alla fotoner eftersom det inte finns något Bayerfilter ovanpå bildmatrisen. Detta ger ökad bildkänslighet och ger enklare avläsning av bilden eftersom avmönstringstekniken som krävs för färgrekonstruktionen inte behövs.
Om urvalsprocessen lutar mot att välja en CMOS-bildsensor är dessa i själva verket komplexa dedikerade SoC-enheter som ger konstruktörerna ytterligare alternativ och konstruktionsöverväganden. Integreringstiden till exempel måste vanligen konfigureras genom att skriva till ett register via kommandogränssnittet. Dessutom finns ofta olika slutarlägen tillgängliga, till exempel globalt slutarläge som förbättrar avläsningen av snabbrörliga objekt till priset av relativt mycket brus, eller rullande slutarläge som minskar bruset men även begränsar prestanda vid höga hastigheter.

I den här artikeln har vi utforskat flera viktiga aspekter av bildsensorn som första steg i den komplexa signalkedjan som är hjärtat i ett modernt kamerabaserat system. I nästa artikel i den här serien ska vi gå igenom krav på signalbehandling efter sensorn och möjliga lösningar.
Aaron Behman, Director of Strategic Marketing, Embedded Vision, Xilinx, Inc.
Adam Taylor CEng FIET, Embedded Systems Consultant.

Filed under: Embedded