[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出一种新颖的CMOS图像传感器架构，专为模拟图像预处理而设计，可在模数转换前直接在模拟域内实现低延迟、噪声感知的图像恢复。通过采用二维传感器信号采集方法，传感器能够捕获具有固有噪声特性的图像数据，从而指导最优模拟滤波，相比数字域方案，实现了更高的图像质量与更低的处理延迟。

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.

研究动机与目标

• 为解决数字域图像预处理的局限性，其会引入延迟，并可能在模数转换过程中损失信号保真度。
• 开发一种CMOS图像传感器架构，实现图像信号在模拟域的实时、低延迟预处理。
• 利用采集过程中固有的传感器噪声作为依据，选择最优的模拟恢复算法。
• 通过在数字化之前执行降噪处理，提升整体图像质量，保留动态范围与信号完整性。
• 证明在图像传感器硬件中直接集成算法感知的模拟预处理的可行性。

提出的方法

• 传感器采用一种新颖的二维信号采集方法，以保留噪声特性，用于算法选择。
• 图像预处理在模拟域内通过基于噪声感知的滤波技术实现，该技术根据采集期间观察到的噪声分布进行选择。
• 系统将图像恢复算法直接集成在模数转换器之前的模拟电路中，最大限度降低延迟与功耗。
• 设计采用反馈机制，根据传感器输出的实时噪声估计动态调整模拟滤波器参数。
• 该架构针对异构嵌入式系统进行了优化，支持与低功耗处理单元的高效集成。
• 该方法可基于采集过程中实际观测到的噪声水平与分布，动态选择最有效的恢复算法。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CMOS传感器域内进行模拟图像预处理，是否能比数字域处理更有效地降低图像噪声？
• RQ2 如何利用采集过程中的传感器噪声特性，指导实时选择最优的模拟恢复算法？
• RQ3 在模数转换前执行预处理，对图像质量和处理延迟有何影响？
• RQ4 二维传感器信号采集方法是否能够实现在CMOS图像传感器中低延迟、噪声感知的模拟预处理？
• RQ5 在CMOS图像传感器中集成算法感知的模拟预处理，其架构权衡为何？

主要发现

• 所提出的模拟预处理通过在数字化前降噪，有效提升了图像质量，保留了信号保真度。
• 二维传感器信号采集方法实现了适合实时模拟处理的低延迟数据输入。
• 在模拟采集过程中观测到的噪声特性被有效用于选择最合适的恢复算法。
• 与传统数字域预处理流水线相比，该系统显著降低了处理延迟。
• 将算法感知的模拟滤波集成到传感器架构中，实现了功耗高效、高性能的图像处理。
• 该方法在异构嵌入式系统环境中得到验证，展现出在低功耗成像应用中的强大潜力。