图像应用中模拟前端的选择

Kevin Buckley

应用工程师

Analog Devices Inc.

模拟前端(AFE)用于调理图像传感器的模拟输出并将其转换为数字信号。本文介绍模拟前端在数字视频、数码相机和其它高端图像方面的应用。

• AFE在数码相机中的重要作用
  

• 噪声/非线性对性能的重要影响
  

• 校正与增益设定
  

• AFE的通用性
  

• 网站推荐
  

让我们从图像传感器开始讨论图像系统吧。图像传感器输出的模拟域图像信号需要经过信号调理和A/D转换才能成为便于后续数字信号处理(如图像分析、参数调节或图像增强等)用的数字图像信号。典型的图像应用系统为三片式结构--图像传感器、模拟前端和专用数字处理器。

模拟前端的作用是将图像传感器输出的模拟图像信号嵌位放大到A/D转换器所需要的电平并完成A/D转换。专用数字处理器含有图像处理和时序控制电路。典型的图像系统组成框图如图1所示。

图1:典型图像应用原理框图

专用数字图像处理器后面的电路随应用不同而异, 取决于是照相机、扫描仪还是复印机等。

模拟前端的第一级通常是输入箝位电路。图像传感器输出的讯号中含有0到9V或更高的共模电压成分,与模拟前端之间必须采用交流耦合。输入箝位电路的作用是根据模拟前端供电电压的高低从信号中恢复出优化的信号直流份量。

输入箝位电路之后是取样函数电路。CCD器件的取样函数一般是互相关双取样(CDS)的方式: 每个像素取样两次, 一个对应于复位电平另一个对应于视频电平, 取样函数的输出是两次采样的差分。CDS 具有抗CCD输出级互相关噪声和低频漂移的特点, 系统信噪比因此得以改善。

经济型近红外应用类的CCD(如CIS、FPA)多为单端对地输出,模拟前端的取样函数一般是取样保持放大器(SHA)的形式。一个大面积黑电平偏移矫正电路和CDS或SHA集成在一起。

程控增益放大器位于取样函数电路之后, 信号需放大到A/D转换器要求的水平并应充分利用A/D转换器的动态范围。黑电平偏移矫正应在设置增益之前完成以免使动态范围受到不良影响。高速(视频)ADC用于将调理好了的模拟图像信号转换到数字域、以便由专用数字处理器对其进一步处理。

模拟前端(AFE)的可编程增益放大器的增益寄存器、偏移校正寄存器以及取样方式等都可以用通用微处理器或专用集成电路经由标准的串行端口进行编程或设定。

图像应用中模拟前端的选择涉及图像传感器类型、动态范围、分辨率、速度、噪声和电源的要求等方面的因素。本文就选择合适的模拟前端作一介绍以供应用参考。

AFE在数码相机中的重要作用

数码相机和数码摄像机是目前增长速度最快的消费类电子产品之一。产品必须具有较高的性能/价格比才能具备竞争力。芯片制造商们因此不得不通过提高集成度以降低其元件的尺寸和成本。

首先是将所有的模拟电路集成为一个单片电路。

图2:数码相机中模拟电路集成的简化示意图

图2是简化了的数码相机示意图。不同档次的实现对取样速率、噪声性能、功耗、图像分辨率和操作模式有不同的要求。

标准模拟视频应用中VGA(640x480)分辨率最为常见, 它采用30万像素的CCD。NTSC制式每秒30帧隔行扫描时模拟前端处理像素的速率接近10MHz。更高级的应用如数码电视, 采用逐行扫描方式, 模拟前端的运行速度将接近于20MHz。

安防和高速识别类应用中的模拟前端可能需要更高的处理速度。这类系统使用每秒100帧36万像素的CCD, 要求AFE运行于36MHz。多功能数码相机和便携式数码摄像机, 如具有静拍功能的摄像机或具有摄像功能的数码相机, 使用高分辨率(100万像素或更高)的CCD。对于100万像素每秒30帧逐行扫描的CCD, 要在拍照的同时完成帧数据传输, 可用的AFE其速度将不低于30MOPS。

早期家用数码相机和便携式数码摄像机对A/D转换器的分辨率要求是10比特, 现在随着图像处理技术的进步往往要对图像进行深层次加工, 要保证图像质量就需要更高分辨率的A/D转换器。

噪声/非线性对性能的重要影响

模拟前端的噪声直接影响图像系统的动态范围因而应予以充分重视。系统的动态范围取决于其可处理的最大信号和可恢复的最小信号之比值。模拟前端的噪声由两部分组成: 来自于模拟信号处理电路的宽带噪声和模数转换过程所产生的量化噪声。

图像信号远不象单音信号那样简单,所以传统的变换指标, 如信噪比(SNR)、信号对噪声和失真之比(SINAD)等技术指标都不能直接用于图像系统。图像系统用稍有所不同、基于宽带噪声的方法定义信噪比。模拟前端的宽带噪声可以通过“固定输入图谱”的方法测得, 对于理想的系统只会得到单一的输出码值, 对于实际的系统由于不同系统噪声特性对码集的贡献亦不同, 用统计的办法就可以计算出宽带噪声的均方根值。取宽带噪声均方根值与图像传感器噪声之比就是我们所要的系统信噪比。

模拟前端的线性指标对图像系统性能的影响同样很大。差分非线性(DNL)定义为实际码宽与理论码宽的差。A/D转换器的差分非线性如果太大,会导致原本连续的灰度电平呈现为灰度阶梯,人的视觉对此相当敏感。通常可接受的差分非线性(DNL)指标为0.5LSB数量级。

此外,对于积分非线性(INL)指标也要留心, 但是由于其传输函数特性平滑,非线性在整个转换器的工作范围内逐渐展开,因而人眼对其不太敏感, 但积分非线性失真过大时可能会导致数字图像处理的错误,表现为图像中出现人为处理的效果。积分非线性突变或突变集中在若干编码处,就可能导致明显的图像错误。

校正与增益设定

理想情况下没有光照时CCD的复位电平和视频电平应该是相等的, 实际上由于不可避免地存在着器件暗电流,黑色电平偏移甚至可以超过100mV。为了最大限度地利用A/D转换器的动态范围、黑色电平偏移校正一定要在设定任一信号增益参数之前完成。模拟前端(AFE)中含有自动黑电平校正环路: 对当前黑电平取样, 确定黑电平偏移值, 在增益控制级之前对信号进行适当的偏移补偿。

对面阵CCD, 各行的暗电流不一定相同,也就是说, 黑电平校正应以行为单位进行。这在模拟前端(AFE)中是自动完成的、并不需要存储每行的校正系数。CCD每一行开始的那一个光敏单元是光学意义的黑色像素, 黑电平校正环路据此就可以实现逐行自动校正。

CCD光敏单元本身并不具备辨色能力, 光敏单元之上是象马赛克一样排列的滤色片, 滤色片单元的颜色和排列方式是不同的, 其作用是通过分光实现辨色。

CCD 通常以单通道串行的方式输出数据,CCD输出的色彩信息的顺序取决于滤色片的色彩和所用的扫描方式。例如, 采用贝叶(Bayer)滤波器的逐行扫描CCD其输出数据的顺序如图3所示。

图3:采用贝叶滤波器的逐行扫描CCD的输出数据

这里CCD单元对不同色彩光线的响应是不同的, 白色光输入时, 绿色光敏单元的输出比红色、蓝色都强。为了让每一种单元都能充分利用A/D转换器的动态范围, A/D转换器之前应使用可变增益放大器(VGA)。可变增益放大器必须满足按像素速率设定增益的要求,以便各种颜色单元都能及时获得相应的增益系数。 否则对于固定增益放大器模式, 强信号可以充分利用A/D转换器的动态范围因而信噪比良好, 而弱信号将因不能充分利用A/D转换器的动态范围,相对来说,信噪比就会变差。

AD 公司为此开发出了一款称为像素率程控增益的放大器 (PxGA),如图4所示。

图4:容许增益系数独立的像素速率增益放大器的信号通路

该技术允许用不同的增益系数以像素速率置入VGA。仍以前面采用贝叶滤波器的逐行扫描CCD为例, 其红、绿、蓝像素采用各自的增益系数, 每一种颜色都可以充分利用A/D转换器的动态范围因而信噪比获得了最大限度的提高。与此同时, 由于所有的色彩信号大致是按相同的幅度进行处理的,先前模拟域里的各种非线性效应也将随之减少。

AFE的通用性

多数图像应用系统对图像前端的要求相近但具体的又有所不同。扫描仪、彩色复印机、传真机、条码阅读器和专业图像应用领域里的艺术品扫描仪和科研用图像系统等,各有其特殊的要求。

对模拟前端要求明显不同之处在于图像传感器类型及其与后端的接口方式。不同系统其模拟前端的输入方式、偏移校正技术、动态范围、速度适应性以及数码相机与数码摄像机结构上的差别等当然是不尽相同的。

面阵CCD通过滤色片获得彩色图像, 像素值以单通道串行方式输出。对采用三个线性CCD产生彩色图像的线性CCD设备或CIS模块, 每线一种颜色(R、G、B), 三路三通道同时输出。彩色扫描设备如文本扫描器、多功能外设、数码彩色复印机等多为这种结构。显然具有三个并行采样转换通道的模拟前端对这类应用是比较理想的。

不象采用面阵CCD的相机, AFE使用的线性CCD只有一行(几千点像素)因而可以不用自动黑电平偏移校正环路, 每次开始扫描时测试黑电平偏移并予以补偿即可。校正系数可作为DAC输入字编程到AFE里去, 使得大面积黑电平偏移校正可作用到全部的像素点。电路实现上比自动黑电平偏移校正环路简单得多。

专业扫描设备会选用尽可能高档的CCD。艺术图片或底片扫描仪甚至会用制冷器为CCD控温以获得最大的信噪比。为了使动态范围最大和信噪比最高,曝光积分时间要在合理的基础上尽可能长。一般这类应用里CCD信号的幅度约4V左右,可望达到真13/14位的性能。对于任何图像系统AFE都不应该是限制性能的因素, 而专业扫描设备这样的高端应用需要真14位的AFE。

低端的扫描仪近年来已从30位(10位/信道)发展到了36位(12位/信道)甚至42位(14位/信道), 不过它们所用的CCD达不到高端扫描仪14位的性能。最后, 数字图像后处理算法仍然希望模数转换器(ADC)能给出14位的分辨率。

欲了解更多信息,请联系作者:Kevin Buckley。

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