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Type: Tese
Title: Pixels for focal-plane scale space generation and for high dynamic range imaging
Author(s)/Inventor(s): Oliveira, Fernanda Duarte Vilela Reis de
Advisor: Gomes, José Gabriel Rodríguez Carneiro
Co-advisor: Rodríguez-Vázquez, Ángel
Abstract: O processamento no plano focal de imageadores permite que a imagem capturada seja processada em paralelo por toda a matrix de pixels, característica que pode aumentar a velocidade de sistemas de visão. Ao fabricar circuitos dentro da matrix de pixels, o tamanho do pixel aumenta e a razão entre área fotossensível e a área total do pixel diminui, reduzindo a qualidade da imagem. Para utilizar as vantagens do processamento no plano focal e minimizar a redução da qualidade da imagem, a primeira parte da tese propõe a inclusão de dois transistores no pixel, o que permite que o espaço de escalas da imagem capturada seja gerado. Nós então avaliamos em quais condições o circuito proposto é vantajoso. Nós analisamos o tempo de processamento e o consumo de energia dessa proposta em comparação com uma solução digital. Utilizando um conversor de aproximações sucessivas com frequência de 5.6 MHz, a análise proposta mostra que a abordagem no plano focal é 26 vezes mais rápida que o circuito digital com 10 elementos de processamento, e consome 49 vezes menos energia. Outra maneira de utilizar processamento no plano focal consiste em aplicá-lo para melhorar a qualidade da imagem, como na captura de imagens em alta faixa dinâmica. Esta tese também apresenta o estudo e projeto de um pixel que realiza a captura de imagens em alta faixa dinâmica através do ajuste do tempo de integração de cada pixel utilizando a iluminação média e o valor do próprio pixel. Esse pixel foi projetado considerando pequenas variações estruturais, como diferentes tamanhos do fotodiodo que realiza a captura do valor de iluminação médio. Simulações de esquemático e pós-layout foram realizadas com o pixel projetado utilizando uma imagem com faixa dinâmica de 76 dB, apresentando resultados com detalhes tanto na parte clara como na parte escura da imagem.
Abstract: Focal-plane processing allows for parallel processing throughout the entire pixel matrix, which can help increasing the speed of vision systems. The fabrication of circuits inside the pixel matrix increases the pixel pitch and reduces the fill factor, which leads to reduced image quality. To take advantage of the focal-plane processing capabilities and minimize image quality reduction, we first consider the inclusion of only two extra transistors in the pixel, allowing for scale space generation at the focal plane. We assess the conditions in which the proposed circuitry is advantageous. We perform a time and energy analysis of this approach in comparison to a digital solution. Considering that a SAR ADC per column is used and the clock frequency is equal to 5.6 MHz, the proposed analysis show that the focal-plane approach is 26 times faster if the digital solution uses 10 processing elements, and 49 times more energy-efficient. Another way of taking advantage of the focal-plane signal processing capability is by using focal-plane processing for increasing image quality itself, such as in the case of high dynamic range imaging pixels. This work also presents the design and study of a pixel that captures high dynamic range images by sensing the matrix average luminance, and then adjusting the integration time of each pixel according to the global average and to the local value of the pixel. This pixel was implemented considering small structural variations, such as different photodiode sizes for global average luminance measurement. Schematic and post-layout simulations were performed with the implemented pixel using an input image of 76 dB, presenting results with details in both dark and bright image areas.
Keywords: Engenharia elétrica
Câmeras inteligentes
Sensores de imagem CMOS
Subject CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Production unit: Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: Mar-2018
Publisher country: Brasil
Language: eng
Right access: Acesso Aberto
Appears in Collections:Engenharia Elétrica

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