本發(fā)明設(shè)計一種cmos圖像傳感器，特別是涉及一種脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)、基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器及其工作方法。

背景技術(shù)：

圖像傳感器作為電子設(shè)備的“眼睛”已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用?；跇藴使に嚨腸mos圖像傳感器(cmosimagesensor,cis)相對于傳統(tǒng)的ccd(chargecoupleddevice)圖像傳感器具有單片集成像素和讀出電路、圖像信息隨機讀出、小體積、低成本等特點，逐漸成為圖像信息獲取的主流器件。

傳統(tǒng)的cmos圖像傳感器，圖像信號的采集量化均基于對積分電壓的操作，而積分電壓的大小直接決定了信噪比和動態(tài)范圍等關(guān)鍵性能指標的好壞，該因素嚴格限制了芯片電源電壓的降低，加上源級跟隨器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等大電流模塊的使用，導(dǎo)致功耗一般較大。

論文[1](chenz,danc,dingy,etal.a21.4pw/frame-pixelpwmimagesensorwithsub-thresholdleakagereductionandtwo-stepreadout[j].ieiceelectronicsexpress,2015(0).)公開了一種脈沖寬度調(diào)制(pwm)cmos圖像傳感器，這種脈沖寬度調(diào)制(pwm)cmos圖像傳感器是將入射光強弱信息轉(zhuǎn)換為列線信號的高電平脈沖寬度而非傳統(tǒng)的積分電壓，然后利用低功耗計數(shù)器直接將該脈沖寬度的時間量化為數(shù)字信號輸出。這類cmos傳感器相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是可以實現(xiàn)較低功耗。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的急速發(fā)展，cis的功耗和數(shù)據(jù)吞吐量逐漸成為重要的考量因素。pwm技術(shù)可以給低功耗cis帶來巨大突破。與此同時，壓縮感知技術(shù)可以大大緩解大數(shù)據(jù)帶來的壓力。壓縮感知cis所輸出的不再是每個像素電壓大小，而是隨機地對所有像素電壓大小進行線性變換后輸出。最常見的做法是隨機選中其中一部分像素并對其像素電壓進行求和。每一次求和對應(yīng)一次輸出結(jié)果。壓縮感知理論指出此時所需要的輸出結(jié)果將會遠遠小于本身像素個數(shù)。

在現(xiàn)有的設(shè)計中，壓縮感知cis相關(guān)研究工作主要涉及到光學(xué)，如論文[2](marciar.f.andwillettr.m.,“compressivecodedaperturesuper-resolutionimagereconstruction,”inproc.ieeeint.conf.acoustics,speechandsignalprocessing,2008:833–836.)及[3](duartem.f.,davenportm.a.,takhard.,laskaj.n.,sunt.kellyk.f.,andbaraniukr.g.,“single-pixelimagingviacompressivesampling,”ieeesignalprocess.mag.,vol.25,no.2,mar.2008:83–91.)和片上電路等壓縮感知方式如論文[4](robuccir.,grayj.d.,chiul.k.,rombergj.,andhaslerp.,“compressivesensingonacmosseparable-transformimagesensor,”proc.ieee,vol.98,no.6,jun.2010:1089–1101.)及[5](jacquesl.,vandergheynstp.,bibeta.,majidzadehv.,schmida.,andleblebiciy.,“cmoscompressedimagingbyrandomconvolution,”inproc.ieeeint.conf.acoustics,speechandsignalprocessing,2009:1113–1116.)，如圖1a～圖1d所示。在論文[2]中，隨機觀測矩陣是通過在圖像的傅里葉平面上放置隨機相位的掩膜實現(xiàn)的，光強被調(diào)制之后進而在一個低分辨率的圖像傳感器上進行成像。論文[3]采用單像素成像系統(tǒng)中入射光經(jīng)過數(shù)字微鏡片裝置反射后被單個感光二極管收集并連續(xù)輸出的，輸出的像素值則是由取向各異的鏡片組合反射回來的光強大小。這類光學(xué)壓縮感知cis一般需要復(fù)雜的校準，靈敏度低，且不適用于主流的可見光成像系統(tǒng)。

論文[4]將整個像素陣列分成若干塊并分別進行壓縮轉(zhuǎn)換，其變換采用的是電流求和方式，并且被動式像素陣列和模擬累加的操作會使信噪比snr大大降低。論文[5]同樣是在模擬域進行電流求和，依然會存在精度不足的限制。

相比于上述壓縮感知cis，基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cis具有得天獨厚的優(yōu)勢。這主要是因為基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cis的像素可以通過計數(shù)器直接輸出數(shù)字信號。顯然，數(shù)字信號更有利于進行壓縮變換，并且不會影響變換的精度。

基于以上所述，提供一種可以有效減小脈寬調(diào)制cmos圖像傳感器的數(shù)據(jù)吞吐量的基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器實屬必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)、基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器及其工作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中脈寬調(diào)制cmos圖像傳感器的數(shù)據(jù)吞吐量較大的問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)，所述脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)包括：復(fù)位晶體管、行選晶體管、感光二極管、比較器、放大晶體管以及列選晶體管，其中：所述復(fù)位晶體管的柵極連接復(fù)位信號，第一極連接電源，第二極連接所述行選晶體管的第一極，所述行選晶體管的柵極連接行選信號，第二極連接所述感光二極管的第一端以及所述比較器的輸入端，所述感光二極管的第二端接地，所述比較器的輸出端連接所述放大晶體管的柵極，所述放大晶體管的第一極接地，第二極連接所述列選晶體管的第一極，所述列選晶體管的柵極連接列選信號，第二極連接于一計數(shù)器。

作為本發(fā)明的脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述感光二極管在曝光時進行放電，當其電壓減小到比較器的參考電壓時，所述比較器發(fā)生反轉(zhuǎn)。

進一步地，所述計數(shù)器在曝光開始時開始計數(shù)，直至接收到所述比較器的反轉(zhuǎn)信號，使得計數(shù)器輸出值為曝光開始至比較器發(fā)生反轉(zhuǎn)所經(jīng)歷的時鐘周期個數(shù)。

本發(fā)明還提供一種基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器，包括：像素陣列、行選電路、列選電路、隨機數(shù)陣列產(chǎn)生電路和計數(shù)器陣列，其中：所述像素陣列包括多個如上述方案所述的脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)；所述行選電路用于提供所述像素陣列的行選信號；所述列選電路用于提供所述像素陣列的列選信號；所述隨機數(shù)陣列產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生隨機數(shù)，所述隨機數(shù)決定參與計數(shù)器計數(shù)的像素；所述計數(shù)器陣列用于對一列中隨機數(shù)使能的像素值進行求和，實現(xiàn)壓縮感知采樣所要求的線性求和變換過程。

作為本發(fā)明的基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器的一種優(yōu)選方案，所述像素陣列包含的像素結(jié)構(gòu)數(shù)量為m×n個，所述隨機數(shù)陣列產(chǎn)生電路包含的寄存器的數(shù)量為m×m個，所述計數(shù)器陣列包含的計數(shù)器的數(shù)量為m×1個，所述壓縮感知cmos圖像傳感器的曝光方式為逐行逐列曝光，其中，m、n為正整數(shù)。

進一步地，所述隨機數(shù)陣列產(chǎn)生電路包括m×m個d觸發(fā)器，每一個計數(shù)器與m×1個d觸發(fā)器對應(yīng)連接，其中，m為正整數(shù)。

作為本發(fā)明的基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器的一種優(yōu)選方案，所述計數(shù)器陣列中同時工作的計數(shù)器的數(shù)量為1/4m～3/4m之間。

優(yōu)選地，將閑置狀態(tài)的計數(shù)器分配給其它列的像素結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)若干列像素結(jié)構(gòu)的同時曝光。

進一步地，將所述m×1個計數(shù)器平均分成x份，所述x份計數(shù)器同時對x個像素結(jié)構(gòu)列同時進行計數(shù)。

進一步地，將所述計數(shù)器陣列包含的計數(shù)器數(shù)量增加至m×k個，使得所述計數(shù)器被分成的份數(shù)為x×k份，以同時對x×k個像素結(jié)構(gòu)列同時進行計數(shù)。

作為本發(fā)明的基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器的一種優(yōu)選方案，前一行像素結(jié)構(gòu)完成曝光之后，下一行像素結(jié)構(gòu)立即開始新的曝光，當比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，復(fù)位信號脈沖產(chǎn)生，使得比較器重新恢復(fù)到高電平。

作為本發(fā)明的基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器的一種優(yōu)選方案，所述隨機數(shù)陣列產(chǎn)生電路中的寄存器通過列選開關(guān)與計數(shù)器連接，所述列選開關(guān)由列選電路控制導(dǎo)通或關(guān)斷。

作為本發(fā)明的基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器的一種優(yōu)選方案，所述隨機數(shù)陣列產(chǎn)生電路中的寄存器通過串聯(lián)的列選開關(guān)及行選開關(guān)與計數(shù)器連接，所述列選開關(guān)由列選電路控制導(dǎo)通或關(guān)斷，所述行選開關(guān)由行選電路控制導(dǎo)通或關(guān)斷。

本發(fā)明還提供一種基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器的工作方法，包括：步驟1)，初始化隨機數(shù)序列，為每個計數(shù)器分配一個隨機數(shù)列，所述隨機數(shù)列決定是否對某一行像素結(jié)構(gòu)進行計數(shù)，即隨機數(shù)成為計數(shù)器的一個使能端，以確定計數(shù)器在一次讀出過程中對哪些像素結(jié)構(gòu)的電壓進行累加；步驟2)，列選電路選定一列像素結(jié)構(gòu)，以確定進行壓縮感知采樣的像素結(jié)構(gòu)列；步驟3)，開始逐行曝光，當?shù)趇行曝光開始的復(fù)位信號產(chǎn)生后，被隨機數(shù)使能的計數(shù)器將從上一次計數(shù)結(jié)果繼續(xù)計數(shù)，未被使能的計數(shù)器保持計數(shù)狀態(tài)；步驟4)，當最后一行像素曝光完成之后，輸出計數(shù)器陣列的數(shù)值，并對計數(shù)器進行復(fù)位。

作為本發(fā)明的基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器的工作方法的一種優(yōu)選方案，還包括步驟5)，列選電路選通下一列像素結(jié)構(gòu)，并重復(fù)進行步驟3)～步驟4)。

如上所述，本發(fā)明的脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)、基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器及其工作方法，具有以下有益效果：

本發(fā)明提供了一種脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)、基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器及其工作方法，一方面在保持脈寬調(diào)制cis超低功耗這一優(yōu)點的條件下，借助壓縮感知技術(shù)進一步降低了其輸出數(shù)據(jù)吞吐量，從而更加有利于在物聯(lián)網(wǎng)等大數(shù)據(jù)場合緩解龐大的數(shù)據(jù)量所帶來的壓力；另一方面，通過動態(tài)時間曝光和多列并行讀出的技術(shù)成倍地提升了該系統(tǒng)的成像速度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)及方法簡單，在cmos圖像傳感器領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1a顯示為現(xiàn)有技術(shù)論文[2]中的隨機相位掩膜成像結(jié)構(gòu)。

圖1b顯示為現(xiàn)有技術(shù)論文[3]中的單像素成像結(jié)構(gòu)。

圖1c顯示為現(xiàn)有技術(shù)論文[4]中的模擬求和成像結(jié)構(gòu)。

圖1d顯示為現(xiàn)有技術(shù)論文[5]中的像素內(nèi)隨機讀取成像結(jié)構(gòu)。

圖2顯示為本發(fā)明的脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3顯示為本發(fā)明的基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4顯示為本發(fā)明的基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器的計數(shù)器和隨機數(shù)陣列之間的一種連接關(guān)系示意圖。

圖5顯示為本發(fā)明的基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器的動態(tài)曝光時序與現(xiàn)有技術(shù)的曝光時序?qū)Ρ葓D。

圖6顯示為本發(fā)明的基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器的計數(shù)器和隨機數(shù)陣列之間的另一種連接關(guān)系示意圖。

圖7顯示為本發(fā)明的顯示為本發(fā)明的基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器的計數(shù)器的工作方式示意圖。

圖8顯示為本發(fā)明的基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器的的工作方法的步驟流程示意圖。

元件標號說明

m1復(fù)位晶體管

m2行選晶體管

pd感光二極管

a1比較器

m3放大晶體管

m4列選晶體管

s11～s15步驟1)～步驟5)

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖2～圖8。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

如圖2所示，本實施例提供一種脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)，所述脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)包括：復(fù)位晶體管m1、行選晶體管m2、感光二極管pd、比較器a1、放大晶體管m3以及列選晶體管m4，其中：所述復(fù)位晶體管m1的柵極連接復(fù)位信號，第一極連接電源，第二極連接所述行選晶體管m2的第一極，所述行選晶體管m2的柵極連接行選信號，第二極連接所述感光二極管pd的第一端以及所述比較器a1的輸入端，所述感光二極管pd的第二端接地，所述比較器a1的輸出端連接所述放大晶體管m3的柵極，所述放大晶體管m3的第一極接地，第二極連接所述列選晶體管m4的第一極，所述列選晶體管m4的柵極連接列選信號，第二極連接于一計數(shù)器。

作為示例，所述感光二極管pd在曝光時進行放電，當其電壓減小到比較器a1的參考電壓時，所述比較器a1發(fā)生反轉(zhuǎn)。所述計數(shù)器在曝光開始時開始計數(shù)，直至接收到所述比較器a1的反轉(zhuǎn)信號，使得計數(shù)器輸出值為曝光開始至比較器a1發(fā)生反轉(zhuǎn)所經(jīng)歷的時鐘周期個數(shù)。

具體地，本發(fā)明的脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)像素結(jié)構(gòu)的最大不同在于其中存在一個比較器a1。脈寬調(diào)制cis的工作過程為：1)根據(jù)行選電路和列選電路確定將要曝光的像素；2)對選定像素和計數(shù)器進行復(fù)位操作；3)開始曝光，感光二極管pd會進行放電，電壓減小，當電壓減小到比較器a1的參考電壓時，比較器a1會發(fā)生反轉(zhuǎn)；4)曝光開始時計數(shù)器會在自己的時鐘頻率上進行計數(shù)直至比較器a1反轉(zhuǎn)信號的到來，因而計數(shù)器輸出值的大小就是比較器a1發(fā)生反轉(zhuǎn)之前所經(jīng)歷的時鐘周期個數(shù)。根據(jù)以上原理，脈寬調(diào)制cis的計數(shù)器輸出值與光照強度成反比關(guān)系。這是因為光照越強，感光二極管pd放電越快，進而以更快的速度使比較器a1發(fā)生反轉(zhuǎn)。反之亦然。

如圖3～圖7所示，本實施例還提供一種基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器，包括：像素陣列、行選電路、列選電路、隨機數(shù)陣列產(chǎn)生電路和計數(shù)器陣列，其中：所述像素陣列包括多個脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)；所述行選電路用于提供所述像素陣列的行選信號；所述列選電路用于提供所述像素陣列的列選信號；所述隨機數(shù)陣列產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生隨機數(shù)，所述隨機數(shù)決定參與計數(shù)器計數(shù)的像素；所述計數(shù)器陣列用于對一列中隨機數(shù)使能的像素值進行求和，實現(xiàn)壓縮感知采樣所要求的線性求和變換過程。

作為示例，所述像素陣列包含的像素結(jié)構(gòu)數(shù)量為m×n個，所述隨機數(shù)陣列產(chǎn)生電路包含的寄存器的數(shù)量為m×m個，所述計數(shù)器陣列包含的計數(shù)器的數(shù)量為m×1個，所述壓縮感知cmos圖像傳感器的曝光方式為逐行逐列曝光，其中，m、n為正整數(shù)。所述隨機數(shù)陣列產(chǎn)生電路包括m×m個d觸發(fā)器，每一個計數(shù)器與m×1個d觸發(fā)器對應(yīng)連接，其中，m為正整數(shù)。

具體地，計數(shù)器和隨機數(shù)陣列之間的關(guān)系如圖4所示，所述隨機數(shù)陣列產(chǎn)生電路中的寄存器通過列選開關(guān)與計數(shù)器連接，所述列選開關(guān)由列選電路控制導(dǎo)通或關(guān)斷。隨機數(shù)陣列由d觸發(fā)器(即寄存器)提供，一共有m×m個，每一個計數(shù)器與m×1個d觸發(fā)器對應(yīng)。在開始曝光之前，系統(tǒng)會為每個寄存器r<i,j>隨機分配一個電平(高電平或低電平)。當計數(shù)器使能的時候，計數(shù)器開始計數(shù)，否則保持輸出值不變。隨機數(shù)決定了參與計數(shù)器計數(shù)的像素。因此，計數(shù)器在這里起到了一個累加器的作用，對一列中隨機數(shù)使能的像素值進行了求和，從而實現(xiàn)了壓縮感知采樣所要求的線性求和變換過程。由于m個計數(shù)器對應(yīng)的隨機數(shù)均有不同，所以一列像素結(jié)構(gòu)曝光結(jié)束之后最多可以得到m個結(jié)果。

作為示例，所述計數(shù)器陣列中同時工作的計數(shù)器的數(shù)量為1/4m～3/4m之間。優(yōu)選地，將閑置狀態(tài)的計數(shù)器分配給其它列的像素結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)若干列像素結(jié)構(gòu)的同時曝光。

由于傳統(tǒng)cmos圖像傳感器的一列像素也會輸出m個結(jié)果，那么采用壓縮感知后的輸出結(jié)果應(yīng)該少于m個。本發(fā)明之所以選擇了m個計數(shù)器是因為當m個計數(shù)器同時輸出結(jié)果時可以準確無誤地恢復(fù)出原始圖像，便于為壓縮感知采樣結(jié)果提供一個對比和參考。為實現(xiàn)壓縮感知采樣所帶來的數(shù)據(jù)量減少的目的，本發(fā)明可以只讓其中的一部分計數(shù)器工作。當工作的計數(shù)器的數(shù)量為m/2和m/4時，相應(yīng)的輸出結(jié)果也為m/2和m/4。因而輸出數(shù)據(jù)量將會隨著壓縮比例的改變成倍減少。此外，m個計數(shù)器可以使壓縮比例配置更加靈活，能夠針對不同的應(yīng)用場景進行調(diào)整。

作為示例，前一行像素結(jié)構(gòu)完成曝光之后，下一行像素結(jié)構(gòu)立即開始新的曝光，當比較器a1發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，復(fù)位信號脈沖產(chǎn)生，使得比較器a1重新恢復(fù)到高電平。

為了增加脈寬調(diào)制壓縮感知cmos圖像傳感器的工作速度，本發(fā)明將采用動態(tài)曝光時間的方法。常用曝光方法的曝光時間是一個固定值，如圖5所示。固定曝光時間的方法會存在較大時間冗余，因為系統(tǒng)的曝光時間會由最暗的像素決定，那么其它像素會提前使比較器a1發(fā)生反轉(zhuǎn)，然后等待最暗像素完成反轉(zhuǎn)。為了解決這一問題，動態(tài)曝光時序如圖5所示，復(fù)位信號與前一行像素比較器a1反轉(zhuǎn)信號密切相關(guān)。也就是只要前一行像素完成曝光之后，下一行像素立即開始新的曝光，省去了等待時間。當比較器a1發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，復(fù)位信號脈沖產(chǎn)生；當復(fù)位信號產(chǎn)生時比較器a1又會重新恢復(fù)到高電平。

當然，所述隨機數(shù)陣列產(chǎn)生電路中的寄存器也可以通過串聯(lián)的列選開關(guān)及行選開關(guān)與計數(shù)器連接，所述列選開關(guān)由列選電路控制導(dǎo)通或關(guān)斷，所述行選開關(guān)由行選電路控制導(dǎo)通或關(guān)斷。

當系統(tǒng)進行壓縮感知采樣的時候，通常計數(shù)器會存在冗余，因為有一部分計數(shù)器會處于閑置狀態(tài)。為了解決這一問題，可以把處于閑置狀態(tài)的計數(shù)器分配給其它列，實現(xiàn)若干列同時曝光。這樣不僅解決了計數(shù)器冗余問題，還會成倍提升系統(tǒng)的成像速度。

此時計數(shù)器和隨機數(shù)之間的連接關(guān)系修改為圖6所示結(jié)構(gòu)。此時計數(shù)器的使能端不僅會受到行選信號的控制還會受到列選信號的控制，從而可以讓這些計數(shù)器分別為不同列的像素進行計數(shù)。

以每列輸出m/4個計數(shù)結(jié)果為例，如圖7所示，將m個計數(shù)器分為4塊，每塊m/4個。就其中一塊而言，其獲取輸出結(jié)果的過程與之前一樣。首先第一個m/4塊將完成對第1列的采樣求和，并且可以輸出m/4個結(jié)果；與此同時另三個m/4塊分別完成對第2,3,4列的采樣求和。然后進行到下個讀出周期，四個m/4塊分別讀出5,6,7,8列的采樣結(jié)果。以此類推直到所有的列都被讀出為止。根據(jù)這個例子，如果壓縮比列設(shè)置為cr，即每列輸出結(jié)果為m/cr，那么可以一次讀出cr列的壓縮采樣結(jié)果。換句話說，這樣做可以使壓縮感知采樣速度提高cr倍。

在芯片面積有限的情況下本發(fā)明還可以通過增加計數(shù)器個數(shù)的方法進一步增加壓縮感知采樣速度。將所述m×1個計數(shù)器平均分成x份，所述x份計數(shù)器同時對x個像素結(jié)構(gòu)列同時進行計數(shù)。進一步地，將所述計數(shù)器陣列包含的計數(shù)器數(shù)量增加至m×k個，使得所述計數(shù)器被分成的份數(shù)為x×k份，以同時對x×k個像素結(jié)構(gòu)列同時進行計數(shù)。其原理與上述一致，即將計數(shù)器的個數(shù)由m個增加到m×k個。每m個計數(shù)器都按照圖7所示的工作方式進行計數(shù)，那么可以一次讀出k*cr個結(jié)果，進而使壓縮感知采樣速度提高k*cr倍。

如圖8所示，本實施例還提供一種基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器的工作方法，包括：

步驟1)s11，初始化隨機數(shù)序列，為每個計數(shù)器分配一個隨機數(shù)列，所述隨機數(shù)列決定是否對某一行像素結(jié)構(gòu)進行計數(shù)，即隨機數(shù)成為計數(shù)器的一個使能端，以確定計數(shù)器在一次讀出過程中對哪些像素結(jié)構(gòu)的電壓進行累加；

步驟2)s12，列選電路選定一列像素結(jié)構(gòu)，以確定進行壓縮感知采樣的像素結(jié)構(gòu)列；

步驟3)s13，開始逐行曝光，當?shù)趇行曝光開始的復(fù)位信號產(chǎn)生后，被隨機數(shù)使能的計數(shù)器將從上一次計數(shù)結(jié)果繼續(xù)計數(shù)，未被使能的計數(shù)器保持計數(shù)狀態(tài)；

步驟4)s14，當最后一行像素曝光完成之后，輸出計數(shù)器陣列的數(shù)值，并對計數(shù)器進行復(fù)位。

步驟5)s15，列選電路選通下一列像素結(jié)構(gòu)，并重復(fù)進行步驟3)～步驟4)。

在上述過程中，隨機序數(shù)序列和計數(shù)器序列中的處于工作狀態(tài)的數(shù)量將根據(jù)實際場景進行確定。按照前文分析的，進行壓縮感知采樣的時候會有一部分計數(shù)器處于閑置狀態(tài)，因而也不用為其分配隨機數(shù)陣列。一般來說，處于閑置狀態(tài)的計數(shù)器越少，壓縮感知恢復(fù)出來的圖像質(zhì)量越好，但是所要輸出的數(shù)據(jù)量越大，因而這需要在實際應(yīng)用場景中進行具體權(quán)衡。

為了增加脈寬調(diào)制壓縮感知cmos圖像傳感器的工作速度，本發(fā)明將采用動態(tài)曝光時間的方法。常用曝光方法的曝光時間是一個固定值，如圖5所示。固定曝光時間的方法會存在較大時間冗余，因為系統(tǒng)的曝光時間會由最暗的像素決定，那么其它像素會提前使比較器a1發(fā)生反轉(zhuǎn)，然后等待最暗像素完成反轉(zhuǎn)。為了解決這一問題，動態(tài)曝光時序如圖5所示，復(fù)位信號與前一行像素比較器a1反轉(zhuǎn)信號密切相關(guān)。也就是只要前一行像素完成曝光之后，下一行像素立即開始新的曝光，省去了等待時間。當比較器a1發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，復(fù)位信號脈沖產(chǎn)生；當復(fù)位信號產(chǎn)生時比較器a1又會重新恢復(fù)到高電平。

當系統(tǒng)進行壓縮感知采樣的時候，上述分析過程指出計數(shù)器會存在冗余，因為有一部分計數(shù)器會處于閑置狀態(tài)。為了解決這一問題，可以把處于閑置狀態(tài)的計數(shù)器分配給其它列，實現(xiàn)若干列同時曝光。這樣不僅解決了計數(shù)器冗余問題，還會成倍提升系統(tǒng)的成像速度。

此時計數(shù)器和隨機數(shù)之間的連接關(guān)系修改為圖6所示結(jié)構(gòu)。此時計數(shù)器的使能端不止會受到行選信號的控制還會受到列選信號的控制，從而可以讓這些計數(shù)器分別為不同列的像素進行計數(shù)。

以每列輸出m/4個計數(shù)結(jié)果為例，如圖7所示，本發(fā)明將m個計數(shù)器分為4塊，每塊m/4個。就其中一塊而言，其獲取輸出結(jié)果的過程與之前一樣。首先第一個m/4塊將完成對第1列的采樣求和，并且可以輸出m/4個結(jié)果；與此同時另三個m/4塊分別完成對第2,3,4列的采樣求和。然后進行到下個讀出周期，四個m/4塊分別讀出5,6,7,8列的采樣結(jié)果。以此類推直到所有的列都被讀出為止。根據(jù)這個例子，如果壓縮比列設(shè)置為cr，即每列輸出結(jié)果為m/cr，那么可以一次讀出cr列的壓縮采樣結(jié)果。換句話說，這樣做可以使壓縮感知采樣速度提高cr倍。

在芯片面積有限的情況下本發(fā)明還可以通過增加計數(shù)器個數(shù)的方法進一步增加壓縮感知采樣速度。其原理與上述一致，只需增加計數(shù)器個數(shù)就可以。如果計數(shù)器的個數(shù)由m個增加到k*m個。每m個計數(shù)器都按照圖7所示的工作方式進行計數(shù)，那么可以一次讀出k*cr個結(jié)果，進而使壓縮感知采樣速度提高k*cr倍。

如上所述，本發(fā)明的脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)、基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器及其工作方法，具有以下有益效果：

本發(fā)明提供了一種脈寬調(diào)制cis的像素結(jié)構(gòu)、基于脈沖寬度調(diào)制的壓縮感知cmos圖像傳感器及其工作方法，一方面在保持脈寬調(diào)制cis超低功耗這一優(yōu)點的條件下，借助壓縮感知技術(shù)進一步降低了其輸出數(shù)據(jù)吞吐量，從而更加有利于在物聯(lián)網(wǎng)等大數(shù)據(jù)場合緩解龐大的數(shù)據(jù)量所帶來的壓力；另一方面，通過動態(tài)時間曝光和多列并行讀出的技術(shù)成倍地提升了該系統(tǒng)的成像速度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)及方法簡單，在cmos圖像傳感器領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。