【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种可变像素阵列的高速光流传感器芯片，能够适配包括高速、高分辨率、低照度在内不同的运动场景，属于光电检测。
技术介绍
1、基于光流传感器的运动感知装置，能够将工作表面上的纹理信息，转换为其上图像传感器处具有一定对比度的光场图案，光场图案能够随着与工作表面相对位移而移动。通过图像传感器采集图像序列，利用光流算法计算图像序列中帧与帧之间的相关性，结合帧率评估帧与帧之间的相对位移情况，能够提取工作表面上包括位移、速度、运动方向在内的运动信息。这种运动感知方案，仅要求工作表面存在一定的粗糙度，能够适应多种类型的工作表面，使其在包括光电鼠标或者扫地机器人中检测自身的位移、打印机或者扫描仪中检测纸张的位移、智能手表中检测表冠的旋转、无人机在无全球定位系统(gps)情况下基于图像的定位在内的诸多新兴消费领域有着广泛的应用。
2、光流传感器依赖其上图像传感器采集到的图像序列，所输出位移量的刷新率受限于图像传感器的帧率。影响图像传感器帧率的主要因素是曝光时间和读出时间。降低图像传感器的曝光时间不仅能够有效提升帧率，对于有着需要与曝光时刻同步发光的光源，该方式也能够有效降低光流传感器的功耗。但是由于图像传感器中各像素的曝光量不足，会导致所输出的图像信号信噪比较低，影响图像质量，进而降低检测工作表面位移的分辨能力。保持图像传感器中单像素的曝光量不变，降低读出时间，是本专利技术需要解决的技术问题。图像传感器的读出时间与像素分辨率相关，降低有效像素分辨率的方法主要有：1.欠采样方法，即通过专用电路将原有像素阵列上每m×n个像素打
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种可变像素阵列的高速光流传感器芯片，能够适配包括高速、高分辨率、低照度在内不同的运动场景。
2、本专利技术的目的是这样实现的：
3、基于光流传感器芯片(106)的运动感知装置(100)的系统框图如图1所示，所述的运动感知装置(100)还包括光源(102)、工作表面(104)，其特征在于：光源(102)可以是发光二极管(led)或是垂直腔面发射型二极管(vcsel)中的任意一种，能够受到光流传感器芯片(106)所输出的驱动信号控制而发射光束；光源(102)所发射的光束应当具有一定的光束发散角，其光束发散角的半高全宽在5°—30°之间；工作表面(104)是能够与光源(102)、光流传感器芯片(106)发生相对位移的表面；工作表面(104)应当具有一定的粗糙度，其表面粗糙度的轮廓算术平均偏差(ra)大于0.5；工作表面(104)应当与光源(102)、工作表面(104)存在一定的间隙，该间隙在0.5mm—20mm之间，取1.5mm时最优；光源(102)发射的光束经过工作表面(104)的调制，能够生成具有一定对比度的光场图案投射到光流传感器芯片(106)处，所投射的图案能够随着工作表面(104)的位移，发生时间和空间上的变化；光流传感器芯片(106)通过采集图像序列，利用光流算法评估其与工作表面(104)的相对位移情况，输出增量位移数据δx和δy、增量时间数据δt。
4、所述系统中的光流传感器芯片(106)的框图如图2所示，所述的光流传感器芯片(106)由主控制器(202)、光源驱动器(204)、图像传感器(206)、数据缓存(208)、算法电路(210)、寄存器表(212)、输入/输出界面(214)组成，其特征在于：主控制器(202)能够读取寄存器表(212)中的配置参数，向光源驱动器(204)发出光源驱动指令，调节图像传感器(206)的增益、曝光时间、包括全图像模式、欠采样模式、像素合并模式在内的工作模式，向图像传感器(206)发出图像采集指令，进行包括活动模式、睡眠模式、休眠模式在内的不同电源模式之间的切换；光源驱动器(204)接收到主控制器的光源驱动指令，向光源(102)输出驱动信号；图像传感器(206)接收到主控制器(202)所发出的图像采集指令，根据主控制器(202)所提供的配置参数，执行图像采集，生成样本图像，输出到数据缓存(208)；数据缓存(208)是易失性存储器，用于存储由图像传感器(206)所生成的样本图像、由算法电路(210)所生成的包括参考图像、参考位移x0和y0、参考时间t0、最新位移x'和y'、最新时间t'在内的中间数据；算法电路(210)利用光流算法比对数据缓存(208)中的参考图像和样本图像，计算图像相关性，结合参考位移x0和y0、参考时间t0评估绝对位移x和y、绝对时间t，转换为当前帧相对于上一帧的增量位移δx＝x－x'和δy＝y－y'、增量时间δt＝t－t'，通过输入/输出界面(214)输出；图像传感器(206)每完成一次图像采集，算法电路(210)需要更新一次寄存器表(212)，将其上的最新位移x'和y'、最新时间t'更新为绝对位移x和y、绝对时间t；寄存器表(212)用于存储包括光流传感器芯片(106)的位移量的刷新率、电源模式、输出数据格式，以及其中的图像传感器(206)的增益、曝光时间、工作模式在内的配置参数；输入/输出界面(214)能够读写寄存器表(212)中的配置参数，输出光源驱动信号、增量位移δx和δy、增量时间δt。
5、值得注意的是：刚完成初始化过程的光流传感器芯片(106)，其上的数据缓存(208)中不存在参考图像；或是随着工作表面(104)的位移不断累积，样本图像相对参考图像的位移可能超出阈值范围；或是工作表面(104)的运动速度过快，而图像传感器(206)的帧率过低。上述情况均会造成算法电路(210)在计算图像相关性时发生异常，导致图像匹配失败而无法评估位移情况。因此，算法电路(210)应当包括一套参考图像更新策略，能够在满足上述条件时，将样本图像更新为参考图像，同时更新数据缓存(208)内包括参考位移x0和y0、参考时间t0在内的中间数据，以减少上述情况发生的频次。
6、可选的，所述的运动感知装置(100)可以包括一组发射光学元件(103)和/或一组接收光学元件(105)，发射光学元件(103)和/或接收光学元件(105)可以是透镜、衰减片、光谱滤光片、偏振片中的一种或是几种。其中的透镜可以用于匹配光源(102)的光场和光流传感器芯片(106)的视场，降低对光源(102)输出功率的需求，提高投射到光流传感器芯片(106)处的光场图案的辐照度；其中的衰减片用于降低光场本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种可变像素阵列的高速光流传感器芯片，其特征是：基于这种光流传感器芯片(106)的运动感知装置(100)，还包括光源(102)、工作表面(104)；光源(102)可以是发光二极管(LED)或是垂直腔面发射型二极管(VCSEL)中的任意一种，能够受到光流传感器芯片(106)所输出的驱动信号控制而发射光束；光源(102)所发射的光束应当具有一定的光束发散角，其光束发散角的半高全宽在5°—30°之间；工作表面(104)是能够与光源(102)、光流传感器芯片(106)发生相对位移的表面；工作表面(104)应当具有一定的粗糙度，其表面粗糙度的轮廓算术平均偏差(Ra)大于0.5；工作表面(104)应当与光源(102)、工作表面(104)存在一定的间隙，该间隙在0.5mm—20mm之间，取1.5mm时最优；光源(102)发射的光束经过工作表面(104)的调制，能够生成具有一定对比度的光场图案投射到光流传感器芯片(106)处，所投射的图案能够随着工作表面(104)的位移，发生时间和空间上的变化；光流传感器芯片(106)通过采集图像序列，利用光流算法评估其与工作表面(104)的相对位移情况，输
2.根据权利要求1所述的运动感知装置，其特征是：所述的运动感知装置(100)可以包括一组发射光学元件(103)和/或一组接收光学元件(105)；发射光学元件(103)和/或接收光学元件(105)可以是透镜、衰减片、光谱滤光片、偏振片中的一种或是几种；包括发射光学元件(103)和/或接收光学元件(105)的运动感知装置(100)所采集的样本图像的对比度和/或信噪比，应当不低于未包括发射光学元件(103)和/或接收光学元件(105)的运动感知装置(100)所采集的样本图像的对比度和/或信噪比。
3.根据权利要求1所述的光流传感器芯片，其特征是：所述的光流传感器芯片(106)由主控制器(202)、光源驱动器(204)、图像传感器(206)、数据缓存(208)、算法电路(210)、寄存器表(212)、输入/输出界面(214)组成；主控制器(202)能够读取寄存器表(212)中的配置参数，向光源驱动器(204)发出光源驱动指令，调节图像传感器(206)的配置参数，向图像传感器(206)发出图像采集指令，实施电源模式切换；光源驱动器(204)接收到主控制器的光源驱动指令，向光源(102)输出驱动信号；图像传感器(206)接收到主控制器(202)所发出的图像采集指令，根据主控制器(202)所提供的配置参数，执行图像采集，生成样本图像，输出到数据缓存(208)；数据缓存(208)是易失性存储器，用于存储由图像传感器(206)所生成的样本图像、由算法电路(210)所生成的中间数据；算法电路(210)利用光流算法比对数据缓存(208)中的参考图像和样本图像，评估绝对位移X和Y、绝对时间T，通过输入/输出界面(214)输出增量位移ΔX和ΔY、增量时间ΔT；算法电路(210)应当包括一套参考图像更新策略，在满足条件时，更新数据缓存(208)中的参考图像、中间数据；寄存器表(212)用于存储包括光流传感器芯片(106)和其中的图像传感器(206)的配置参数；输入/输出界面(214)能够读写寄存器表(212)中的配置参数，输出光源驱动信号、增量位移ΔX和ΔY、增量时间ΔT。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征是：所述的图像传感器(206)由定时控制电路(302)、像素控制电路(304)、像素阵列(306)、像素读出电路(308)、模拟数字转换器(310)、图像信号处理器(312)组成；定时控制电路(302)能够接收由主控制器(202)输出的配置参数、图像采集指令，向像素控制电路(304)发出传输指令，通过其上的复位控制线、宏选择控制线向像素阵列(306)生成复位控制信号、宏选择控制信号，在指定时刻向像素读出电路(308)发出读取指令；像素控制电路(304)通过一组控制线与像素阵列(306)相连接，能够接收由定时控制电路(302)发出的传输指令，根据所需的工作模式生成对应的传输控制信号；像素阵列(306)是由分辨率36×36个像素组成的二维阵列，能够根据照射在其上的光场图案，生成复位电势VR、传输电势VT；像素读出电路(308)通过一组数据线与像素阵列(306)相连接，能够接收由定时控制电路(302)发出的读取指令，读取像素阵列(306)上的复位电势VR、传输电势VT，生成与二者电势差VR－VT相关联的模拟信号，作为模拟数字转换器(310)的输入信号；模拟数字转换器(310)用于将像素读出电路(308)生成的模拟信号，转换为数字信号，输出到图像信号处理器(312)；图像信号处理器(312...
【技术特征摘要】
1.一种可变像素阵列的高速光流传感器芯片，其特征是：基于这种光流传感器芯片(106)的运动感知装置(100)，还包括光源(102)、工作表面(104)；光源(102)可以是发光二极管(led)或是垂直腔面发射型二极管(vcsel)中的任意一种，能够受到光流传感器芯片(106)所输出的驱动信号控制而发射光束；光源(102)所发射的光束应当具有一定的光束发散角，其光束发散角的半高全宽在5°—30°之间；工作表面(104)是能够与光源(102)、光流传感器芯片(106)发生相对位移的表面；工作表面(104)应当具有一定的粗糙度，其表面粗糙度的轮廓算术平均偏差(ra)大于0.5；工作表面(104)应当与光源(102)、工作表面(104)存在一定的间隙，该间隙在0.5mm—20mm之间，取1.5mm时最优；光源(102)发射的光束经过工作表面(104)的调制，能够生成具有一定对比度的光场图案投射到光流传感器芯片(106)处，所投射的图案能够随着工作表面(104)的位移，发生时间和空间上的变化；光流传感器芯片(106)通过采集图像序列，利用光流算法评估其与工作表面(104)的相对位移情况，输出增量位移数据δx、δy、增量时间数据δt。
2.根据权利要求1所述的运动感知装置，其特征是：所述的运动感知装置(100)可以包括一组发射光学元件(103)和/或一组接收光学元件(105)；发射光学元件(103)和/或接收光学元件(105)可以是透镜、衰减片、光谱滤光片、偏振片中的一种或是几种；包括发射光学元件(103)和/或接收光学元件(105)的运动感知装置(100)所采集的样本图像的对比度和/或信噪比，应当不低于未包括发射光学元件(103)和/或接收光学元件(105)的运动感知装置(100)所采集的样本图像的对比度和/或信噪比。
3.根据权利要求1所述的光流传感器芯片，其特征是：所述的光流传感器芯片(106)由主控制器(202)、光源驱动器(204)、图像传感器(206)、数据缓存(208)、算法电路(210)、寄存器表(212)、输入/输出界面(214)组成；主控制器(202)能够读取寄存器表(212)中的配置参数，向光源驱动器(204)发出光源驱动指令，调节图像传感器(206)的配置参数，向图像传感器(206)发出图像采集指令，实施电源模式切换；光源驱动器(204)接收到主控制器的光源驱动指令，向光源(102)输出驱动信号；图像传感器(206)接收到主控制器(202)所发出的图像采集指令，根据主控制器(202)所提供的配置参数，执行图像采集，生成样本图像，输出到数据缓存(208)；数据缓存(208)是易失性存储器，用于存储由图像传感器(206)所生成的样本图像、由算法电路(210)所生成的中间数据；算法电路(210)利用光流算法比对数据缓存(208)中的参考图像和样本图像，评估绝对位移x和y、绝对时间t，通过输入/输出界面(214)输出增量位移δx和δy、增量时间δt；算法电路(210)应当包括一套参考图像更新策略，在满足条件时，更新数据缓存(208)中的参考图像、中间数据；寄存器表(212)用于存储包括光流传感器芯片(106)和其中的图像传感器(206)的配置参数；输入/输出界面(214)能够读写寄存器表(212)中的配置参数，输出光源驱动信号、增量位移δx和δy、增量时间δt。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其特征是：所述的图像传感器(206)由定时控制电路(302)、像素控制电路(304)、像素阵列(306)、像素读出电路(308)、模拟数字转换器(310)、图像信号处理器(312)组成；定时控制电路(302)能够接收由主控制器(202)输出的配置参数、图像采集指令，向像素控制电路(304)发出传输指令，通过其上的复位控制线、宏选择控制线向像素阵列(306)生成复位控制信号、宏选择控制信号，在指定时刻向像素读出电路(308)发出读取指令；像素控制电路(304)通过一组控制线与像素阵列(306)相连接，能够接收由定时控制电路(302)发出的传输指令，根据所需的工作模式生成对应的传输控制信号；像素阵列(306)是由分辨率36×36个像素组成的二维阵列，能够根据照射在其上的光场图案，生成复位电势vr、传输电势vt；像素读出电路(308)通过一组数据线与像素阵列(306)相连接，能够接收由定时控制电路(302)发出的读取指令，读取像素阵列(306)上的复位电势vr、传输电势vt，生成与二者电势差vr－vt相关联的模拟信号，作为模拟数字转换器(310)的输入信号；模拟数字转换器(310)用于将像素读出电路(308)生成的模拟信号，转换为数字信号，输出到图像信号处理器(312)；图像信号处理器(312)接收到由模拟数字转换器(310)生成的数字信号，对数字信号执行图像处理过程，生成灰度值与像素阵列(306)上所受光场辐射的曝光量成线性关系的灰度图像，作为样本图像输出到数据缓存(208)。
5.根据权利要求4所述的像素阵列，其特征是：所述的像素阵列(306)是分辨率m×n个宏像素(400)形成的二维阵列，每个宏像素(400)由分辨率m×n个子像素(402)形成的二维阵列、浮动扩散区(404)、源极跟随器(406)、复位管(408)、宏选择管(410)、输出线(412)组成，每个子像素(402)由光电二极管(414)、传输门(416)相连接而成，其中的m、n、m、n满足m×m＝36，n×n＝36；复位管(408)、宏选择管(410)、传输门(416)是具有栅极、源极、漏极的场效应管，能够受到其栅极的电平控制而开启或是关闭；光电二极管(414)能够受到光场辐射而累积电荷，在未达...
【专利技术属性】
技术研发人员：段兆晨，邓仕杰，
申请(专利权)人：传周半导体科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：
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