一种曝光时间自适应宽动态行车记录仪设计

周辉，黄焕立，户晋文，李玉琪

(1.广州飞歌汽车音响有限公司，广东广州 510670；2.华南理工大学，广东广州 510640)

一种曝光时间自适应宽动态行车记录仪设计

周辉1，黄焕立1，户晋文2，李玉琪1

(1.广州飞歌汽车音响有限公司，广东广州 510670；2.华南理工大学，广东广州 510640)

针对夜间行车环境中，行车记录仪后路摄像头处于逆光、强光或明暗反差大等复杂光线情况下不能清晰获取汽车后方影像的问题，提出一种像素单元曝光时间自适应技术来拓宽CMOS图像传感器的动态范围。在有源像素传感器像素单元电路基础上增加积分电容、电压比较器和时间-电压编码信号读入电路。其功能是当积分电容电压低于曝光时间阈值电压时，光电二极管停止积分，像素单元曝光时间短；当积分电容电压高于曝光时间阈值电压时，光电二极管曝光至固定时间，以此实现像素单元曝光时间自适应。在受到后方车辆远光灯照射情况下对两种行车记录仪摄像头进行测试，试验结果表明：与采用传统有源像素传感器的行车记录仪相比，安装有宽动态CMOS图像传感器的行车记录仪所拍摄的图像明亮区域图像不刺眼、阴暗区域图像不失真，降低了眩光、反射光、阴影对画面清晰度的影响，能够清晰、真实地还原拍摄环境图像信息。

CMOS图像传感器；行车记录仪；动态范围；电压比较器；曝光时间自适应

0 引言

行车记录仪的图像质量受到多种外界环境的影响，例如路况、天气状况、环境光线(夜间路灯、行车灯)等。为了获得满意的图像质量，这就要求行车记录仪在图像的分辨率、细节呈现等方面有更好的性能。然而，普通的行车记录仪很难在逆光、强光或者明暗反差大等复杂光线情况下清晰记录汽车的行驶环境信息，尤其是后路摄像头的视频质量更加不理想。

动态范围DR(Dynamic Range)是图像传感器主要性能指标之一，定义为传感器所能感知的最大非饱和信号与最小可探测信号的比值[1]。由于感光器的动态范围越高，需要采集的光源信号就越能够被真实、准确、充分地投射到感光器上，因此成像质量也就越高，画面就会越真实，层次就会更丰富。所以研发在复杂光线条件下能够准确、清晰记录车辆行驶环境信息的宽动态WDR(Wide Dynamic Range)行车记录仪一直是国内外行车记录仪厂商不断研究的目标。近年来，国内外诸多学者从CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器像素单元结构出发，在拓宽其动态范围方面做了大量的研究。D SCHEFFER等[2]将光电二极管电压置于某电平，使二极管连接的负载晶体管电流等于光电二极管产生的光电流，使光电流-电压转换呈对数关系，提高了动态范围，但是图像对比度小，信噪比低。O SCHREY等[3]提出具有单个像素复位功能的像素结构，以此控制每一个像素的积分时间，允许照度小的像素积分时间较长，照度大的像素积分时间较短，但该结构要求像素单元读出频率高，在高读出频率下实现光电转换及模拟-数字转换器(Analog to Digital Converter，ADC)功能困难。S KAVADIAS等[4]采用横向溢出栅(Lateral Overflow Gate)像素结构增加等效电容的电荷容量，从而达到拓宽动态范围的目的，但光电二极管在帧间没有复位，可能会导致图像拖尾现象，从而影响成像质量。S DECKER等[5]在不改变一般CMOS APS像素结构基础上，增加一个列信号输出路径，达到同时读出两幅图像的目的，但图像的重构处理在像素单元外执行。

作者拟采用像素单元曝光时间自适应技术，设计了基于曝光时间自适应技术的像素单元的电路结构，采用该技术的行车记录仪摄像头将具有高动态范围的特性，因而可以获得更佳的视频以及图像信息。

1 基于像素单元曝光时间自适应的动态范围扩展方法设计

为保证像素单元在光强差异大的环境下正常工作，防止因像素饱和而产生图像模糊问题，作者提出像素单元曝光时间自适应技术。该技术通过在有源像素传感器(Active Pixel Sensor, APS)像素单元电路结构基础上增加积分电容、电压比较器，并且在像素单元外增加时间-电压编码电路，当积分电容电压低于曝光时间阈值电压时，光电二极管停止积分，像素单元曝光时间短；当积分电容电压高于曝光时间阈值电压时，光电二极管曝光至固定时间，因此像素单元具有高光强下短时间曝光、低光强下长时间曝光的特性，实现了像素单元曝光时间自适应。

1.1 像素单元整体电路的设计

图1是具有曝光时间自适应特性的像素单元电路整体结构框图。

图1 曝光时间自适应特性像素单元电路工作流程

高光强下，光电二极管输出电压高于曝光时间阈值电压V0，电压比较器翻转，光电二极管中的积分电容停止放电，比较器翻转时刻记为tc(即像素单元积分时间)。此时，电压比较器输出单边下降脉冲，经延时脉冲产生电路处理后得到采样脉冲，此脉冲通过时间-电压编码读入电路采样信号，通过采样时间-编码脉冲(signal1和signal2)可以将tc对应的时间信息转换成电压信号存储在电容中，即为电压信号1和电压信号2。当光电二极管受到光照时，若其输出电压不足以使电压比较器翻转，此时光强定义为低光强。低光强下，光电二极管在固定曝光时间下输出电压信号3。经过行/列选通输出电路、采样保持电路处理这3个电压信号，其中通过分析电压信号1与电压信号2可以得到高光强下曝光时间tc，分析曝光时间阈值电压V0与电压信号3可以得到像素单元所受光强信息。

1.2 像素单元电路结构设计

与有源像素图像传感器像素单元电路结构相比，曝光时间自适应像素单元电路结构增加了电压比较器、控制时间-电压编码信号signal1与signal2，读入的PMOS管和时间-电压编码信号存储电容C1、C2，具体电路结构如图2所示。

通过在有源像素传感器像素单元电路结构基础上增加积分电容、电压比较器，分析曝光时间阈值电压V0与电压信号3可以得到像素单元所受光强信息，并且在像素单元外增加了时间-电压编码电路，因此实现了高光强下短时间曝光、低光强下长时间曝光特性，实现了像素单元曝光时间自适应。

图2 像素单元电路结构图

1.3 时间-电压编码信号

为了不增加像素单元外存储器，同时达到存储高光强下曝光时间tc要求，像素单元电路采用两个时间-电压编码信号signal1和signal2，与曝光时间tc建立良好的线性映射转换关系。时间-电压编码信号如图3所示。其中，tc为电压比较器翻转时间。

图3 时间-电压编码信号

由图3可知：signal1时间-电压编码信号是由V形波组成，在时间点T、2T、4T、8T、16T、32T、64T、128T、256T上波形斜率交替变化，V形波的电压变化范围为1～2 V；signal2时间-电压编码信号在每个时间间隔中线性下降1/256 V，逐渐由高电平2 V电压信号变为低电平1 V电压信号。在高光强下，电压比较器翻转产生的单边下降脉冲经延时脉冲采样电路处理得到采样脉冲，此采样脉冲和signal1与signal2同时读入各自的时间-电压编码脉冲电路中。像素单元外处理器对带有采样脉冲与signal1信号的电压信号1进行处理，可以得到曝光时间tc所属的时间段信息，完成对tc的初定位。同时，处理器对带有采样脉冲与signal2信号的电压信号2进行处理，由于signal2信号下降斜率平缓，故可以在得到tc初定位信息后在相应时间段内完成对tc的精确定位。由于时间-电压编码信号所能确定的曝光时间范围为T～256T，所以该像素单元所能检测到的最大光电流Imax是能够使电压比较器在时间点T翻转的电压信号所对应的光电流，能检测到的最小光电流Imin是由积分电容能够采样到的最小电压信号决定的。

1.4 动态范围的估计

通过对上述电路的设计，可以对像素单元的动态范围进行估计，估计方法如公式(1)所示：

(1)

式中：T是最小的检测时间，T=64 μs，是电压信号1在第一阶段(第一周期)翻转时间点所对应的时间；N是时间-电压编码信号的阶数；CVDR是积分电容的动态范围。

已知时间-电压编码信号的阶数为8，积分电容动态范围CVDR标称值为64 dB。因此，该曝光时间自适应像素单元期望的动态范围DR为：

(2)

由式(2)可以看出：采用曝光时间自适应技术的像素单元拓宽的动态范围为20×8log102，约为48 dB。

2 试验与结果分析

在一个光电板上进行了这个曝光时间自适应传感器的功能性测试，试验主要检测该传感器的入射辐射的功率以及波长。测试设备由一个白色光源(250 W)、一个积分球(直径200 mm)、一组滤光片(90%～1%的透光度)、一个单色光源以及一套测量辐射频率的设备组成，测试设备中还包含一个用于校准的硅检测器。

在一个标准的芯片(0.35 μm，3层金属互联，双策略，3.3 V的CMOS)上制作了一个基于高动态范围的1 280像素×720像素的图像传感器，整体芯片的尺寸为5.67 mm×8.90 mm。

2.1 光谱响应度

应用单色光源获得了狭窄的光谱，由此可以测量该传感器的频谱响应。测量中，以2 nm的步长获得了可见光和近红外光(波长范围为400～1 000 nm)。图4展示了光谱响应曲线，该曲线对应于40%的量子效率。

图4 光谱响应度

在波长范围为570～730 nm内，试验曲线的最大峰值响应接近于0.2 A/W。观察到的峰值由于在钝化层中的活跃区出现了多次反射。仅仅从硅铸造的一些技术细节中，想得知响应波长的最大值、最小值、钝化层的厚度、数量以及组成之间的精确关系是不可能的。然而，在氧化层厚度约等于6.35 μm和折射率等于1.46的情况下，峰值波长可以用公式(3)与公式(4)进行计算：

λmax=4nd/2m

(3)

λmin=4nd/(2m+1)

(4)

实验结果显示：当m取值为1,2,3，…，在波长范围650～1 000 nm之间，理论值和实验结果一致。

2.2 功率响应

试验中使用了两种不同的测量方式测量曝光自适应传感器的功率响应。第一种测量在低照度范围(10-10～2.5×10-7W/mm2)下进行，第二种测量在高照度范围(10-7～2.5×10-3W/mm2)下进行。积分球只用在低照度范围的试验中。实际上，积分球的作用是将光线发散，阻止光线汇聚，以此达到所需的光线照度值。图5展示了使用低照度测量时，曝光时间自适应传感器的动态范围DR=20log10(2.1×10-7/5.0×10-10)≈52 dB。这个结果意味着，以1.2%的非线性误差，得到了一个较好的线性关系。

图5 低照度下，输出电压和照度的关系

在高照度值的试验中，发生了一个扭曲现象，基于模拟延迟时间变化得知，入射光线的进入数量多于预期值。结果，曝光时间自适应传感器的动态范围降低了，总体的动态范围小于期望的动态范围112 dB。然而，电压信号3的分辨率达到了2 mV，因此在低光层次提高了动态范围，所以总体的动态范围DR≈52+48≈100 dB。

2.3 应用试验

图6中左侧是采用像素单元曝光时间自适应技术的行车记录仪后路摄像头，右侧是传统有源像素单元的行车记录仪后路摄像头。

图6 测试用摄像头

图7(a)为采用曝光时间自适应像素单元的行车记录仪后路摄像头在受到后方来车远光灯照射时所拍摄的图像，图7(b)为采用传统有源像素单元的行车记录仪后路摄像头所拍摄的图像。

图7 采用曝光时间自适应像素单元行车记录仪和传统有源像素单元行车记录仪拍摄图像

由图7(a)、(b)对比可知：后方车辆远光灯照射在花岗岩地板上，地板反射光和后车远光灯在行车记录仪摄像头拍摄范围内形成高光强区域，同时没有被远光灯照射的地板是较低光强区域。采用像素单元曝光时间自适应技术的行车记录仪摄像头拍摄高光强区域不会出现炫目的感觉，能够看清高光强区域细节特征信息；而传统有源像素单元摄像头所拍摄的高光强区域显示为一片刺眼的亮斑，很难看清具体环境信息。同时，像素单元曝光时间自适应摄像头也能看清光强较低区域信息，显示亮度不会太亮，图像对比度高；而传统有源像素单元摄像头高光强区域与低光强区域亮度差异不大，图像对比度较低。

3 结束语

通过电压比较器将光电二极管输出电压与曝光时间阈值电压进行比较，若比较器翻转，则光电二极管停止积分，输出包含光强信息的电压信号，同时通过时间-电压编码信号记录比较器翻转时间电压信号，完成对积分时间的记录；若比较器不翻转，像素单元按固定积分时间完成曝光，输出包含光强信息的电压信号。应用于行车记录仪摄像头，此方法可以实现像素单元曝光时间自适应，拍摄的图像中高光强区域由于曝光时间短不刺眼，低光强区域曝光时间足够长，能够显示环境细节信息，具有不失真的特点，可以有效提高摄像头的动态范围。

【1】裴志军.高性能 CMOS图像传感器设计技术研究[D].天津:天津大学,2004.

【2】SCHEFFER D，DIERICKX B，MEYNANTS G.Random Addressable 2 048×2 048 Active Pixel Image Sensor[J].IEEE Transactions of Electron Devices，1997,44(10):1716-1720.

【3】SCHREY O,HAUSCHILD R,HOSTICKAB J.A Locally Adaptive CMOS Image Sensor with 90 dB Dynamic Range[C]//1999 IEEE International Solid State Circuits Conference,1999:310-311.

【4】KAVADIAS S，DIERICKX B，SCHEFFER D，et al.A Logarithmic Response CMOS Image Sensor with On-chip Calibration[J].IEEE Journal of Solid Circuit,2000,35(8):1146-1152.

【5】DECKER S，MCGRATH R D，BREHMER K，et al.A 256×256 CMOS Imaging Array with Wide Dynamic Range Pixels and Column-parallel Digital Output[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,1998,33(12):2081-2091.

【6】姚立斌.低照度CMOS图像传感器技术[J].红外技术,2013,35(3):125-132. YAO L B.Low-light-level CMOS Image Sensor Technique[J].Infrared Technology,2013,35(3):125-132.

Design for Vehicle Recorder with Wide Dynamic Range Based on Self-adjusting Exposure Time Technology

ZHOU Hui1，HUANG Huanli1, HU Jinwen2,LI Yuqi1

(1.Guangzhou Fly Audio Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510670, China;2.South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China)

Sometimes rear camera of vehicle recorder can’t capture images clearly behind the car when driving at night due to the complex light conditions which are backlight, bright light and high contrast light. In order to solve the problems mentioned above, a pixel unit with self-adjusting exposure time technology was proposed to broaden the dynamic range of CMOS image sensor. Based on the active pixel sensor (APS) pixel unit circuit,the integral capacitor, the voltage comparator and the time-voltage coding signal read-in circuit were added to the new pixel unit. The photodiode would stop integral if the integral capacitor voltage was lower than the exposure time threshold voltage, so the pixel unit exposure time was short; and the photodiode exposure time was fixed if the integral capacitor voltage was higher than the exposure time threshold voltage, thus adaptive exposure time could be achieved by the methods mentioned above. Two kinds of vehicle recorder camera were tested under high beam irradiation from rear vehicles, the experimental results show that compared with conventional active pixel sensor vehicle recorder, the images which are photographed by the vehicle recorder equipped with wide-dynamic range CMOS image sensor have these features: bright areas are not dazzling, dark areas are not distortion. The influences of glare, reflecting and shadow on the resolution are reduced. In one word, this novel vehicle recorder can restore the shooting environmental image-information truly and clearly.

CMOS image sensor; Vehicle recorder; Dynamic range; Voltage comparator; Self-adjusting exposure time

2016-12-26

广州市科技计划项目(2014J4300028)

周辉(1975—)，男，本科，主要研究方向为CMOS图像传感器曝光算法开发。E-mail：fly-audio@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.001

TN4

A

1674-1986(2017)04-001-05