dc.description.abstract | El trabajo presentado en esta tesis trata de proponer nuevas técnicas para la expansión
del rango dinámico en sensores electrónicos de imagen. En este caso, hemos dirigido nuestros
estudios hacia la posibilidad de proveer dicha funcionalidad en un solo chip. Esto es, sin
necesitar ningún soporte externo de hardware o software, formando un tipo de sistema
denominado Sistema de Visión en un Chip (VSoC). El rango dinámico de los sensores
electrónicos de imagen se define como el cociente entre la máxima y la mínima iluminación
medible. Para mejorar este factor surgen dos opciones. La primera, reducir la mínima luz
medible mediante la disminución del ruido en el sensor de imagen. La segunda, incrementar la
máxima luz medible mediante la extensión del límite de saturación del sensor.
Cronológicamente, nuestra primera opción para mejorar el rango dinámico se basó en
reducir el ruido. Varias opciones se pueden tomar para mejorar la figura de mérito de ruido del
sistema: reducir el ruido usando una tecnología CIS o usar circuitos dedicados, tales como
calibración o auto cero. Sin embargo, el uso de técnicas de circuitos implica limitaciones, las
cuales sólo pueden ser resueltas mediante el uso de tecnologías no estándar que están
especialmente diseñadas para este propósito. La tecnología CIS utilizada está dirigida a la
mejora de la calidad y las posibilidades del proceso de fotosensado, tales como sensibilidad,
ruido, permitir imagen a color, etcétera. Para estudiar las características de la tecnología en más
detalle, se diseñó un chip de test, lo cual permite extraer las mejores opciones para futuros
píxeles. No obstante, a pesar de un satisfactorio comportamiento general, las medidas referentes
al rango dinámico indicaron que la mejora de este mediante sólo tecnología CIS es muy
limitada. Es decir, la mejora de la corriente oscura del sensor no es suficiente para nuestro
propósito. Para una mayor mejora del rango dinámico se deben incluir circuitos dentro del píxel.
No obstante, las tecnologías CIS usualmente no permiten nada más que transistores NMOS al
lado del fotosensor, lo cual implica una seria restricción en el circuito a usar. Como resultado, el
diseño de un sensor de imagen con mejora del rango dinámico en tecnologías CIS fue
desestimado en favor del uso de una tecnología estándar, la cual da más flexibilidad al diseño
del píxel.
En tecnologías estándar, es posible introducir una alta funcionalidad usando circuitos
dentro del píxel, lo cual permite técnicas avanzadas para extender el límite de saturación de los
sensores de imagen. Para este objetivo surgen dos opciones: adquisición lineal o compresiva. Si
se realiza una adquisición lineal, se generarán una gran cantidad de datos por cada píxel. Como
ejemplo, si el rango dinámico de la escena es de 120dB al menos se necesitarían 20-bits/píxel,
log2(10120/20)=19.93, para la representación binaria de este rango dinámico. Esto necesitaría de
amplios recursos para procesar esta gran cantidad de datos, y un gran ancho de banda para
moverlos al circuito de procesamiento. Para evitar estos problemas, los sensores de imagen de
alto rango dinámico usualmente optan por utilizar una adquisición compresiva de la luz. Por lo
tanto, esto implica dos tareas a realizar: la captura y la compresión de la imagen. La captura de
la imagen se realiza a nivel de píxel, en el dispositivo fotosensor, mientras que la compresión de
la imagen puede ser realizada a nivel de píxel, de sistema, o mediante postprocesado externo.
Usando el postprocesado, existe un campo de investigación que estudia la compresión de
escenas de alto rango dinámico mientras se mantienen los detalles, produciendo un resultado
apropiado para la percepción humana en monitores convencionales de bajo rango dinámico.
Esto se denomina Mapeo de Tonos (Tone Mapping) y usualmente emplea solo 8-bits/píxel para
las representaciones de imágenes, ya que éste es el estándar para las imágenes de bajo rango
dinámico.
Los píxeles de adquisición compresiva, por su parte, realizan una compresión que no es
dependiente de la escena de alto rango dinámico a capturar, lo cual implica una baja compresión
o pérdida de detalles y contraste. Para evitar estas desventajas, en este trabajo, se presenta un
píxel de adquisición compresiva que aplica una técnica de mapeo de tonos que permite la
captura de imágenes ya comprimidas de una forma optimizada para mantener los detalles y el
contraste, produciendo una cantidad muy reducida de datos. Las técnicas de mapeo de tonos
ejecutan normalmente postprocesamiento mediante software en un ordenador sobre imágenes
capturadas sin compresión, las cuales contienen una gran cantidad de datos. Estas técnicas han
pertenecido tradicionalmente al campo de los gráficos por ordenador debido a la gran cantidad
de esfuerzo computacional que requieren. Sin embargo, hemos desarrollado un nuevo algoritmo
de mapeo de tonos especialmente adaptado para aprovechar los circuitos dentro del píxel y que
requiere un reducido esfuerzo de computación fuera de la matriz de píxeles, lo cual permite el
desarrollo de un sistema de visión en un solo chip. El nuevo algoritmo de mapeo de tonos, el
cual es un concepto matemático que puede ser simulado mediante software, se ha implementado
también en un chip. Sin embargo, para esta implementación hardware en un chip son necesarias
algunas adaptaciones y técnicas avanzadas de diseño, que constituyen en sí mismas otra de las
contribuciones de este trabajo. Más aún, debido a la nueva funcionalidad, se han desarrollado
modificaciones de los típicos métodos a usar para la caracterización y captura de imágenes. | es |