[論文レビュー] Concept for a CMOS Image Sensor Suited for Analog Image Pre-Processing

Lan Shi, Christopher Soell+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2015

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、A/D変換の直前までアナログドメインで低遅延かつノイズに配慮した画像復元を可能にする、アナログ画像前処理を目的とした新規CMOSイメージセンサアーキテクチャを提示している。2次元センサ信号取得法を採用することで、最適なアナログフィルタリングを導くために、ノイズ特性を内蔵した画像データを取得する。これにより、デジタルドメインの代替手法と比較して、画像品質の向上と処理遅延の低減を実現する。

ABSTRACT

A concept for a novel CMOS image sensor suited for analog image pre-processing is presented in this paper. As an example, an image restoration algorithm for reducing image noise is applied as image pre-processing in the analog domain. To supply low-latency data input for analog image preprocessing, the proposed concept for a CMOS image sensor offers a new sensor signal acquisition method in 2D. In comparison to image pre-processing in the digital domain, the proposed analog image pre-processing promises an improved image quality. Furthermore, the image noise at the stage of analog sensor signal acquisition can be used to select the most effective restoration algorithm applied to the analog circuit due to image processing prior to the A/D converter.

研究の動機と目的

• デジタルドメインでの画像前処理には遅延が生じやすく、A/D変換の過程で信号の忠実性が損なわれるという限界を是正すること。
• リアルタイムで低遅延な画像信号のアナログ前処理を可能にするCMOSイメージセンサアーキテクチャの開発。
• 取得段階でのセンサ内ノイズを活用し、最適なアナログ復元アルゴリズムの選択根拠とする。
• アナログ変換の直前までノイズ低減を実施することで、ダイナミックレンジと信号整合性を保持し、全体的な画像品質の向上。
• アルゴリズムに配慮したアナログ前処理をイメージセンサハードウェアに直接統合する可能性を実証すること。

提案手法

• 本センサは、アルゴリズム選択の根拠としてノイズ特性を保持する形で画像データを取得する新規2次元信号取得法を採用している。
• 画像前処理は、取得段階で観測されたノイズプロファイルに基づいて選択されたノイズに配慮したフィルタリング技術により、アナログドメインで実行される。
• システムはA/Dコンバータの直前に画像復元アルゴリズムをアナログ回路に統合し、遅延と消費電力を最小限に抑える。
• フィードバック機構により、センサ出力からのリアルタイムなノイズ推定に基づいて、アナログフィルタのパラメータを動的に調整する。
• 異種統合型組み込みシステムに最適化されており、低消費電力プロセッサユニットとの効率的統合を支援する。
• 取得段階で観測された実際のノイズレベルと分布に基づき、最も効果的な復元アルゴリズムを動的に選択可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMOSセンサドメインにおけるアナログ画像前処理は、デジタルドメイン処理よりも画像ノイズをより効果的に低減できるか？
• RQ2 取得段階でのセンサノイズ特性を、リアルタイムで最適なアナログ復元アルゴリズムを選択する根拠としてどのように活用できるか？
• RQ3 A/D変換の直前まで前処理を実施することで、画像品質と処理遅延にどのような影響を与えるか？
• RQ4 2次元センサ信号取得法により、CMOSイメージセンサで低遅延かつノイズに配慮したアナログ前処理を実現できるか？
• RQ5 アルゴリズムに配慮したアナログ前処理をCMOSイメージセンサに統合する際のアーキテクチャ的トレードオフは何か？

主な発見

• 提案されたアナログ前処理により、アナログ変換の直前までノイズ低減が実現され、信号の忠実性が保持され、画像品質が向上した。
• 2次元センサ信号取得法により、リアルタイムアナログ処理に適した低遅延データ入力が可能になった。
• アナログ取得段階で観測されたノイズ特性が、最も適切な復元アルゴリズムの選択に効果的に活用された。
• 従来のデジタルドメイン前処理パイプラインと比較して、処理遅延が低減された。
• センサアーキテクチャにアルゴリズムに配慮したアナログフィルタリングを統合することで、省電力かつ高性能な画像処理が実現された。
• 異種統合型組み込みシステム環境下での妥当性が検証され、低消費電力イメージング応用分野への強い可能性が示された。