突破性芯片提供更清晰的画面和更低的功耗

罗切斯特大学相机的下一个进步已成为现实。成像芯片彻底改变了摄影行业,现在芯片本身也发生了革命。

Mark Bocko和Zeljko Ignjatovic(照片来源:罗切斯特大学)

一对新获得专利的技术可能很快将使耗电的成像芯片仅使用当今消耗的一小部分能量,并捕获更好的图像以启动-同时使相机能够缩小到衬衫纽扣的大小,并在相机上运行数年。单电池。他们可以放在家中,当警报触发时可以无线方式向安防公司提供图像,甚至可以使用Google等地图软件's放大街道级别的实时图像。功耗的大幅降低和计算能力的提高也可以使手机视频通话更加接近实现。

电气与计算机工程学教授Mark Bocko和电气与计算机工程学助理教授Zeljko Ignjatovic的团队设计了一种原型芯片,可以对每个像素的图像进行数字化处理,并且他们现在正在努力整合第二种技术与目前最好的压缩技术相比,它将以更少的计算量压缩图像。

"这两种技术可以一起使用或分别使用,以大大降低捕获数字图像的能源成本," says Bocko. "一种是进化的,因为它推动了当前技术的发展。第二个可能被证明是革命性的,因为它'这是一种全新的思维方式,旨在捕获图像。"

正在开发的第一项技术集成了过采样"sigma-delta"CMOS传感器中每个像素位置的模数转换器。"CMOS"是当今大多数制造中使用的常见半导体制造工艺。以前进行此像素上转换的尝试需要太多的晶体管,而留下的区域太少而无法收集光。新设计的每个像素只使用三个晶体管,从而保留了像素面积的近一半用于光收集。芯片上的第一批测试表明,在每秒30帧的视频速率下,每个像素仅消耗0.88纳瓦—比行业少50倍'以前最好的。它还可以在动态范围内击败传统芯片,这是它可以记录的最暗和最亮的光之间的差异。现有的CMOS传感器可以记录比其最暗的可检测光亮1000倍的光,其动态范围为1:1,000,而Rochester技术已经显示出了1:100,000的动态范围。

传统的图像传感器使用光敏二极管阵列检测入射光,并使用位于每个光电二极管上的晶体管将信号放大并将信号传输到位于光电二极管阵列外部的模数转换器。其他设计可以在像素位置将信号转换为数字,但需要高精度晶体管,该晶体管在每个像素处占用大量芯片空间,并减少了专用于接收光的芯片表面积。新的设计不仅在每个像素处使用较小的晶体管,因此可以检测到更多的光,而且由于半导体制造技术的进步,晶体管的尺寸可以缩小,因此可以在不降低传感器性能的情况下缩小晶体管的尺寸。这意味着可以开发出密度更高,分辨率更高的芯片,而不会出现现有传感器设计所存在的令人毛骨悚然的问题。当晶体管尺寸减小时,它们也会变得更快,从而可以更频繁,更准确地对入射光进行采样。

是什么使博科和伊贾贾托维奇'其反馈设计非常优雅。传统的CMOS图像检测器施加电压给光电二极管充电,入射光触发释放其中的一些电荷。然后,放大晶体管检查二极管上的剩余电压,并再次为二极管充电。博科和伊贾贾托维奇's的设计还从带电的光电二极管开始,当光到达时,该光电二极管放电,但随后针对一个/零阈值测量放电,并将生成的位从芯片上传递出去。如果测量结果为1,则将一包电荷反馈到二极管,从而对其进行有效充电。该设计还比现有的传感器设计节省了很多功率,这在限制电池尺寸的小型设备(如手机和数码相机)中尤为重要。

第二个进步使许多研究人员感到惊讶。称为"焦平面图像压缩"Bocko和Ignjatovic已经找到了一种在成像芯片上排列光电二极管的方法,以便压缩所得的图像仅需要通常所需计算能力的1%。

通常,芯片上的光检测二极管排列在规则的网格中—例如1,000像素乘1,000像素。拍摄了一张照片,每个二极管记录了击中它的光。然后,相机中的计算机会执行复杂的计算来压缩图像,从而与其占用10兆兆字节,不如占用100千字节。普通图片类型"JPEG,"一个例子是在网络上以及在许多照相机和电话上使用。不幸的是,这种压缩需要大量的计算能力,因此也需要消耗电池电量。

电气和计算机工程系的Ignjatovic和Bocko提出了一种使光敏二极管的物理布局简化计算的方法。执行压缩的常规方法包括称为离散余弦变换的计算,该计算检查图像的片段在多大程度上类似于一系列余弦波。图像和余弦波均以固定间隔进行采样,并且转换需要将图像和余弦波样本相乘并相加。由于余弦波样本的值可以介于-1和+1之间,因此计算需要乘以非整数,这需要大量的计算能力。

但是伊贡雅托维奇和博科已经将像素布置在余弦波的峰值处,从而导致阵列分布不均匀,而不是均匀分布的阵列。通过使用此技巧,压缩图像所需的计算量减少了近五倍。由于每个像素正好位于每个余弦波具有峰值的位置,而余弦值为"one,"乘以一是不必要的。没有乘法,只有一点加法,处理器使用的功率就更少。

团队成员现在正在寻求构建一种将两种技术都整合到一个单元中的原型芯片,以查看设计将节省多少实际处理能力。他们计划首先将该技术集成到无线安全摄像机中。

"无线安全摄像机为这些技术提供了完美的试验场," says Bocko. "这些相机需要在不消耗宝贵电池电量的情况下,尽快捕获,压缩和传输高质量图像。随着我们进一步开发芯片,我们'我将进一步研究消费类相机和手机,以了解我们还能节省多少电池和处理能力。"

http://www.rochester.edu

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