Ein Array aus 388 800 Ein-Pixel-Kameras
March 10, 2007
From: Elektronik net
By Harry Schubert
Auch
in digitalen Kameras wird die Lichtmenge über Blende und
Belichtungszeit gesteuert. Bei kontrastreichen Aufnahmen bleibt hier
nur die Wahl zwischen Überbelichtung der hellen Partien oder
Unterbelichtung der dunklen Flächen. Bei den "Digital Pixel System"
genannten CMOS-Bildsensoren kann dagegen für jedes Pixel einzeln die
Belichtungszeit gesteuert werden.
Ein wesentlicher Vorteil der CMOS-Sensoren ist, dass sie in der
gleichen Technologie wie Logik-Schaltkreise gefertigt werden und somit
ein Bildsensor zusammen mit seiner Ansteuer- und Auswerteschaltung auf
einem Chip integriert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die in
Zeilen und Spalten organisierte Anordnung der Fotodioden – ähnlich
einem Halbleiterspeicher –, die ein Auslesen der Ladung einzelner Pixel
erm&0uml;glicht.
In üblichen CMOS-Bildsensoren lassen sich zwar die Bildpunkte einzeln
adressieren, aber die Verarbeitung in digitale Bitfolgen geschieht
entweder über einen gemeinsamen A/D-Umsetzer am Ausgang oder über den
Zeilen zugeordneten A/D-Umsetzer.
Der Arbeitsbereich des Digitalisierers begrenzt somit auch den
nutzbaren Dynamikumfang des Sensors, da er für alle Bildpunkte gleich
gewählt werden muss. Dies führt etwa bei Gegenlichtaufnahmen dazu, dass
einige Fotodioden viel Licht empfangen und ihr Signal den A/D-Umsetzer
übersteuert und andere Fotodioden in der gleichen Zeit so wenig
Photonen empfangen, dass es nicht reicht, ein Signal über dem
Grundrauschen zu erzeugen.
An der Universität Stanford wurde nun die Idee entwickelt, jeden
Bildpunkt eines CMOS-Sensors nicht nur individuell auszulesen, sondern
individuell zu steuern.
Dazu wurde jedes Pixel mit einem eigenen A/D-Umsetzer ausgestattet. Die
patentgeschützte Idee des "Digital Pixel System" wurde von dem eigens
dafür gegründeten Unternehmen Pixim Inc. zur Serienreife entwickelt und
die Sensoren zusammen mit Bildprozessoren vermarktet.
Die in den Pixeln integrierten A/D-Umsetzer des CMOS-Sensors "D2010"
müssen nicht so schnell arbeiten wie die A/D-Umsetzer am Zeilenausgang
oder am Sensor-Ausgang.
Für die Pixel-A/D-Umsetzer können folglich langsame und preisgünstig zu
integrierende Schaltungen eingesetzt werden, diese arbeiten z.B. nach
dem Prinzip der sukzessiven Approximation.
Die digitalen Helligkeitswerte (10 bit) werden – anders als in üblichen
CMOS-Bildsensoren -blockweise übertragen: ein Block enthält von allen
Pixeln je ein Bit der gleichen Wertigkeit, ein Bild setzt sich
demzufolge aus zehn Blöcken zusammen. Die Verarbeitung der Bilddaten
erfolgt in einem speziell für diesen Sensor entwickelten Bildprozessor
"D2520", der auch die Belichtungszeit individuell für jedes Pixel
steuert.
Jedes Pixel arbeitet wie eine unabhängige Kamera, der ganze Sensor
entspricht also einem Array aus 720 x 540 digitalen Ein-Pixel-Kameras.
Um die Belichtung für jeden Bildpunkt individuell zu steuern, tastet
der Bildprozessor die von der Fotodiode gesammelte Ladung 128 Mal
während einer Bilddauer periodisch ab.
Empfängt eine Fotodiode viel Licht, so erkennt der Bildprozessor
bereits nach wenigen Abtastungen, dass Sättigung droht, und beendet die
Belichtung. Fällt dagegen wenig Licht auf eine Fotodiode, so kann sie
über mehrere Abfragezyklen Ladung sammeln.
Um die Helligkeitswerte der Bildpunkte in eine dem tatsächlichen
Lichteinfall entsprechende Helligkeitsskala zu übertragen, berechnet
der Bildprozessor für jedes Pixel einen Verkürzungsfaktor. Dazu merkt
sich der Prozessor die Zeit, wann ein Pixel erstmals nahe an die
Sättigung gelangt. Anschließend dividiert er die Bilddauer durch diese
Zeit und erhält so den Verkürzungsfaktor. Kommt etwa nach der Hälfte
der Bilddauer erstmals ein Pixel der Sättigung sehr nahe, so berechnet
der Bildprozessor den Verkürzungsfaktor 2. Dieser Faktor besagt, dass
dieses Pixel in der Gesamtbelichtungszeit die doppelte Ladung gesammelt
hätte.
Der Bildprozessor braucht nur diesen Verkürzungsfaktor mit dem
Helligkeitswert der Fotodiode zu multiplizieren und erhält so einen der
Realität entsprechenden Helligkeitswert für das Pixel. Mit dieser
Methode lässt sich der Dynamikbereich des Bildsensors wesentlich
vergrößern, z.B. von den 60 dB des 10-bit-Pixel-A/D-Umsetzers auf 102
dB (17 bit) bei 128-facher Abtastung pro Bild.
Die von Pixim entwickelten CMOS-Sensoren und Bildprozessoren eignen
sich insbesondere für den Einsatz in Kameras, die mit wechselnden
Lichtverhältnissen und starken Kontrasten umgehen müssen wie z.B.
Überwachungskameras.
Mit dem "Digital Pixel System" können selbst bei hohem Kontrast –
starkes Gegenlicht durch Sonneneinstrahlung, Blendung durch
Scheinwerfer entgegenkommender Fahrzeuge oder beim Blick aus dem Tunnel
– Aufnahmen entstehen, die eindeutig ausgewertet werden können.
Zur Programmierung des Bildprozessors hat Pixim die "Pixim
Configuration Language" (PCL) entwickelt, mit der die
Grundeinstellungen, die Konfiguration und das On Screen Display (OSD)
als Text beschrieben werden können. Per Interpreter wird das
PCL-Programm in Maschinencode für den ARM-Prozessor übersetzt, damit
sich der Kamera- Entwickler nicht mit dem Prozessor- Code
auseinandersetzen muss.
