CMOS图像传藤及其时赚制雄和曝光雄 餘领域

本发明涉及图像传感器领域， 更具体地说， 涉及一种可以应用于实时目标检测系统的 CMOS图像传 及其时雜制方法和曝光方法。

背景脉

利用主动光源照明雄行目标检测是一项常用的 技术。 请参阅图 1， 为现有目标检测方 法的过程示意图。 如图 1所示， 一般包括几个主要模块： 光源、 图像传 、 同步机制和图 像处理器。可以通过这几个模块实时检测目标 物体的位置、形状、速度、颜色、纹理等特征 。 其工作原理如下： 光源发出光线， 照射到目标物体。 同时， 在同步机制的控制下， 图像传感 器拍摄整个场景的图像。场景的图像包括目标 物体和后方的背景物体。 目标物体可以是普通 的漫反射表面的物体， 也可以是预先制定的特殊物体（其表面对光线 的反射具有方向性， 可 以将光源发出的光线反射到图像传感器上)。 由于目标物体距离光源较近， 或具有特殊反光 表面，使得在图像中目标物体的亮度远高于背 景的亮度。 图像处理器接收至画像并进行图像 分割， 亮度高于某一阈值的部分认为是目标物体， 亮度低于阈值的部分则认为是背景。从而 根据目标区域的划分进行后续的运算， 如提取位置信息。

目前采用的上述检测方法的缺点在于， 目标的提取很容易受到环境光的干扰。如果环 境 光的照射使得背景中的某一区域比目标物体亮 度还高， 那么上述方法将会失效。

在现有技术中， 对于环境光的干扰， 一般的解决办法是， 将光源调制到特定波长 λ (为 了不影响人目艮的观察， 一 J¾在可见光波长方位之外)， 加大输出功率， 并在图像传感器和 目标物体之间安装相应波长 λ的带通 波片， 只允许波长 λ的光线通过。这种方法可以在一 定程度上抑制环境光的影响， 提高目标物体和背景的对比度。但是， 环境光通常是全波长的 (如阳光和白炽灯)， 其在 λ波长上的光照强度也可能 ^大于光源发出的光线， 所以选用 特定波长的方法也有可能失效。 目前， 已经提出了一种新的方法可以解决上述问题。 该方法使用普通 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor, 互补金属氧化物半导体）图像传感器， 在同一 场景中连续拍摄两帧图像 Ii和 1 ₂ (假设在整个过程中目标物体和背景物体的位� �几乎没有发 生改变)。 其中 U白摄时光源发光， ι ₂ 拍摄时光源不发光。 由于目标物体距离光源较近， 或 具有特殊反光表面，使得在 ^图像中目标物体的亮度远高于 1 ₂ 图像中目标物体的亮度；而背 景物体距离光源较远，且没有特殊反光表面， 使得 Ii图像和 1 ₂ 图像中背景物体的亮度差别不 大。 图像处理器接收到图像 U l ₂ ， 并对其做差值运算， 结果为图像 I。 则 I中目标物体的 亮度会远大于背景物体的亮度。 对 I进行图像分割， 亮度高于某一阈值的部分认为是目标物 体， 亮度低于阈值的部分则认为是背景。从而根据 目标区域的划分进行后续的运算， 如提取 位置信息等。

这种新的方法解决了环境光照的问题，但其缺 点在于 系统的实时性和光源能量的利 用率上。 这与 CMOS图像传 的工作模式相关。

请参阅图 2， 为现有 CMOS图像传 的工作模式图。 对于多数 CMOS图像传 而 言， 其每一行的曝光时间是不同时的。 图 2中的横轴为时间轴。 如图 2所示， 第一行 L1开 始曝光一段时间之后， 第二行 L2才开始曝光， 之后依次开始各行的曝光。 曝光结束时间也 是依次结束的。

在这种曝光方式下， 要使各行接收到光源发射的光线的量相等， 则可以选择的光源闪光 时间只有两种，如图 2中的"闪光 1 "和"闪光 2"。闪光 1方案在最后一行曝光开始时刻开始闪 光， 在第一行曝光结束的时刻结束闪光。 闪光 2方案在第一行曝光开始时刻开始闪光， 在最 后一行曝光结束的时刻结束闪光。这两种方案 都没有达到时间和效率的最优化。在闪光 1方 案中光源的闪光时间小于 CMOS图像传感器的曝光时间， 没有充分利用曝光时间提高目标 物体的亮度。 而在闪光 2方案中， 光源的闪光时间大于 CMOS图像传 的曝光时间， 没 有充分利用光源的能量。

此外， 如果加大曝光时间， 贝 lj闪光时间和曝光时间的差距占整个曝光时间� ��比例会逐渐 縮小。极限的情况下， 闪光时间会约等于曝光时间。但这也是不可取 的。 因为该方案是应用 在实时的目标检测系统上的， 目标会有一定的移动速度。之前提出的新方法 的理论是建立在 "连续拍摄两帧图像中目标位置几乎没有移动"� ��样的假设基础上的。加大曝光时间会使这样 的假设不能够成立， 从而使这种方案失效。

因此， 如果可以保证各行的曝光同时进行， 则可以解决上述问题。 请参阅图 3， 为各像 素行曝光时间同步情况下的 CMOS图像传 的工作模式图。 通过将闪光时间设置成与曝 光时间同步， 贝何以使各行接收到光源发射的光线的量相等 。

然而， 目前的 CMOS图像传 难以实现各行的曝光同步。 下面具体结合 CMOS传感 器中像素单元的电路原理进行说明。请参阅图 4，为现有 CMOS传感器的像素单元的电路原 理图。 CMOS传 是由若干个这样的像素单元构成的阵列。如图 4所示，像素单元包括光 电池 B、 复位管 R、 电荷溢出管 T、 源跟随器 FD和行雇管 X。 此外， 每列像素单元共同 连接至一对信号输出管， 艮嗨一信号输出管 SH1和第二信号输出管 SH2。 其中， 复位管 R、 电荷溢出管 T和光电池 B依次串联在主动电源与 ite间。源跟随器 FD一端接主动电源，一 端与行选通管 X相连， 且所述源跟随器 FD的栅极连至复位管 R和电荷溢出管 T之间的节 点。 电荷溢出管 T另一端分别连接至该像素单元所处像素列的� �一信号输出管 SH1和第二 信号输出管 SH2的一端。

请参阅图 5， 为现有 CMOS图像传 中像素单元的控制时序图。如图 5所示， 在每行 像素开始曝光之前， 复位管 R和电荷溢出管 T开启， 清空源跟随器 FD和光电池 B中的电 荷。 之后复位管 R和电荷溢出管 T关闭， 曝光开始。 光电池 B开始积累电荷。 曝光时间 T1 结束之前， 行 管 X和第一信号输出管 SH1开启采样源跟随器 FD参考电平， 之后立即 关闭。在曝光结束时， 电荷溢出管 T开启将光电池 B的电荷转移到源跟随器 FD， 之后电荷 溢出管 T立即关闭。 行 管 X和第二信号输出管 SH2开启采样源跟随器 FD信号电平。 第二信号输出管 SH2和第一信号输出管 SH1经过比较后转换为数字信号。 需要指出的是， 这只是 CMOS图像传 中某一个像素单元所包含的电路的曝光控制时 序， 由于 CMOS图 像传 需要串行输出数据， 在¾^ CMOS图像传感器中， 同一行的像素单元的曝光控制 时序是同步的， 不同行之间的像素单元的曝光控制时序是按时 间顺序依次执行的， 以使各行 输出数据的时间不发生冲突。

结合图 2至图 5可知，在曝光时间结束之前，行选通管 X便开始采样电平， 即开始输出 该行的数据。 因此， 在现有技术中， 这种时 制的方法必须在曝光后立即输出数据。 由于 CMOS图像传感器需要串行输出数据，所以只有� �各行依次开始曝光，才能使各行在曝光结 束时依次输出数据。 当使各行的曝光时间同步时， 贝恪行输出数据的时间也同步， 必然导致 无法正常输出图像数据。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于， 针对现有 CMOS 图像传感器的各个像素行在曝光后必 须立即输出数据从而不能同步曝光的缺陷，提 供一种可以使像素行在曝光后等待预设时间后 再输出数据的 CMOS图像传 及其时 制方法， 从而使该 CMOS图像传 的任意两 行可以同步曝光。

本发明要解决的另一技术问题在于，针对现有 目标检测系统中图像传感器的不同像素行 只能依次曝光， 导致光源能量利用率低、 集图像的实时性差的缺陷， 利用上述各行可以 等待预设时间输出数据的 CMOS图像传感器， 提供了两种 CMOS图像传感器的曝光方法， 从而使不同像素行可以同时曝光并有效地拍摄 目标图像以进行目标检测。

因此， 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 构造一种 CMOS 图像传 ， 所 述 CMOS图像传感器包括： 由若干像素行构成的像素阵列， 以及用于控制所述像素阵列的 控制芯片； 所述控制芯片在每个像素行的一个曝光周期内 控制所述像素行在曝光时间内曝 光， 随后控制所述像素行在曝光时间后等待预设等 待时间输出数据。

在本发明所述的 CMOS 图像传感器中， 所述若干像素行中的每一行包括数量相等的像 素单元， 且每个像素单元包括光电池、 复位管、 电荷溢出门管、行舰管和源跟随器； 且每 个像素单避接至所在像素列的第一信号输出管 和第二信号输出管以输出数据；所述控制芯 片在每个像素行的一个曝光周期内发送以下控 制信号分别控制所述像素行中每个像素单元 的对应元件：

51、 在曝光时间开始时， 分别发送一高电平脉冲开启复位管和电荷溢出 门管；

52、 在曝光时间结束时， 发送一高电平脉冲开启电荷溢出门管；

53、在曝光时间结束后预设等待时间结束时， 分别发送一高电平脉冲开启行雇管和该 像素单元所在像素列的第一信号输出管， 以采样信号电平；

54、 发送一高电平脉冲开启复位管；

55、 分别发送一高电平脉冲开启行选通管和该像素 单元所在像素列的第二信号输出管， 以采样参考电平。

在本发明所述的 CMOS 图像传感器中， 所述控制芯片还控制所述像素阵列中的至少两 个像素行的曝光时间同步，所述控制芯片随后 控制所述至少两个像素行分别在曝光结束后等 待不同的预设等待时间开始输出数据，且所述 至少两个像素行的预设等待时间的差值不小于 单个像素行输出数据所需的时间。

在本发明所述的 CMOS 图像传感器中， 所述控制芯片还控制所述像素阵列中的所有像 素行的曝光时间同步，所述控制芯片随后控制 所有像素行分别在曝光结束后等待不同的预设 等待时间开始输出数据， 且所述像素阵列中的每个像素行的预设等待时 间依次递增， 且递增 的差值不小于单个像素行输出数据所需的时间 。

本发明还提供了一种 CMOS图像传 的时 制方法，所述 CMOS图像传 包括: 由若干像素行构成的像素阵列， 以及用于控制所述像素阵列的控制芯片； 所述时 制方法 包括在每个像素行的一个曝光周期内执行以下 步骤：

曝光步骤、 由所述控制芯片控制所述像素行在曝光时间内 曝光；

输出数据步骤、 由所述控制芯片控制所述像素行在曝光时间后 等待预设等待时间输出数 据。

本发明还提供了一种 CMOS 图像传 的曝光方法， 用于在第一光源状态和第二光源 状态下分别拍摄目标图像并输出至第一帧缓存 器和第二帧缓存器以进行目标检测， 所述

CMOS图像传 为上述 CMOS图像传 ， 所述曝光方 括以下步骤：

A0、将所述 CMOS图像传 划分为由数量相等的像素行构成的若干子阵列 ； Al、将第一子阵列设为当前曝光子阵列；

A2、分别在第一光源状态和第二光源状态下，� ��制当前曝光子阵列中各个像素行同步曝 光并输出数据；

A3、判断当前曝光子阵列是否为最末子阵列， 是则结束， 否则转步骤 A4;

A4、将当前曝光子阵列的下一子阵列设为当前� ��光子阵列并转步骤 A2。

本发明还提供了另一种 CMOS图像传感器的曝光方法， 用于在第一光源状态和第二光 源状态时分别拍摄目标图像并输出至第一帧缓 存器和第二帧缓存器以进行目标检测， 所述 CMOS图像传 为上述 CMOS图像传 ， 所述曝光方 括以下步骤：

B0、将所述 CMOS图像传 划分为由数量相等的像素行构成的若干子阵列 ；

Bl、将第一子阵列设为当前曝光子阵列；

B2、在第一光源状态下控制当前曝光子阵列中� ��个像素行进行第一次同步曝光，随后先 输出当前曝光子阵列中下半像素行的数据至第 一帧缓存器，再输出当前曝光子阵列中上半像 素行的数据至第一帧缓存器；

B3、在所述当前曝光子阵列中下半像素行的数� ��输出完毕时，判断当前曝光子阵列是否 为: 子阵列， 是则结束， 否贝幡当前曝光子阵列下移半个子阵列的位置 ；

B4、在第二光源状态下控制当前曝光子阵列中� ��个像素行进行第二次同步曝光，随后先 输出当前曝光子阵列中下半像素行的数据至第 二帧缓存器，再输出当前曝光子阵列中上半像 素行的数据至第二帧缓存器；

B5、在所述当前曝光子阵列中下半像素行的数� ��输出完毕时，将当前曝光子阵列下移半 个子阵列的位置， 转步骤 B2。

本发明还提供了另一种 CMOS图像传感器的曝光方法， 用于在第一光源状态和第二光 源状态时分别拍摄目标图像并输出至第一帧缓 存器和第二帧缓存器以进行目标检测， 所述

CMOS图像传 为前面所述的 CMOS图像传 ， 所述曝光方 括以下步骤：

B' 0、 将所述 CMOS图像传感器划分为由数量相等的像素行构� �的若干子阵列； B， 1、 将第末子阵列设为当前曝光子阵列；

B' 2、在第一光源状态下控制当前曝光子阵列中� �个像素行进行第一次同步曝光， 随后 先输出当前曝光子阵列中上半像素行的数据至 第一帧缓存器，再输出当前曝光子阵列中下半 像素行的数据至第一帧缓存器；

B' 3、在所述当前曝光子阵列中上半像素行的数� �输出完毕时， 判断当前曝光子阵列是 否为第一子阵列， 是则结束， 否贝幡当前曝光子阵列上移半个子阵列的位置 ；

B' 4、在第二光源状态下控制当前曝光子阵列中� �个像素行进行第二次同步曝光， 随后 先输出当前曝光子阵列中上半像素行的数据至 第二帧缓存器，再输出当前曝光子阵列中下半 像素行的数据至第二帧缓存器；

B' 5、在所述当前曝光子阵列中上半像素行的数� �输出完毕时， 将当前曝光子阵列上移 半个子阵列的位置， 转步骤 B' 2。 实施本发明的 CMOS图像传感器及其时 制方法， 具 有以下有益效果： 本发明通过控制芯片在每个像素行的曝光周期 内控制所述像素行曝光， 随 后控制该像素行在曝光时间后等待预设等待时 间再开始输出数据， 从而将 CMOS图像传感 器的曝光时间与输出数据时间分离开， 因此可以更灵活地控制 CMOS图像传 中各个像 素行工作模式， 以便于利于该 CMOS图像传 进行各种方式的曝光， 例如控制至少两个 像素行的曝光时间同步或者控制所有像素行的 曝光时间同步。

一步地， 采用本发明的 CMOS图像传 实施的 CMOS图像传感器的曝光方法， 具有以下有益效果： 本发明提供的曝光方法， 通过将 CMOS图像传 分成若干子阵列， 并控制每个子阵列中各个像素行同步曝光，可 使光源的闪光时间与单个子阵列的曝光时间相 等，提高了光源能量利用率， 且减小了同一子阵列在第一光源状态与第二光 源状态下的曝光 时间的间隔， 以便于有效地拍摄目标图像以进行目标检测。 附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说 明， 附图中：

图 1是现有目标检测方法的过程示意图；

图 2是现有 CMOS图像传 的工作模式图；

图 3是各像素行同步曝光情况下的 CMOS图像传感器的工作模式图；

图 4是现有 CMOS图像传感器中像素单元的电路原理图；

图 5是现有 CMOS图像传 中像素单元的控制时序图；

图 ό是本发明腿实施例中 CMOS图像传 的像素单元的控制时序图；

图 7是本发明优选实施例中 CMOS图像传感器的工作模式图；

图 8是本发明 CMOS图像传 的曝光方法的第一实施例的流程图；

图 9是本发明 CMOS图像传 的曝光方法的第一实施例的过程示意图；

图 10是本发明 CMOS 图像传感器的曝光方法的第一实施例中第一子 阵列的工作模式 图；

图 11是本发明 CMOS图像传感器的曝光方法的第二实施例的流� �图；

图 12是本发明 CMOS图像传 的曝光方法的第二实施例的过程示意图； 图 13是本发明 CMOS图像传 的曝光方法的第三实施例的流程图；

图 14是本发明 CMOS图像传 的曝光方法的第三实施例的过程示意图； 图 15是本发明 CMOS图像传 的曝光方法的第三实施例的工作模式图； 图 16是本发明 CMOS图像传 的曝光方法的第四实施例的流程图；

图 17是本发明 CMOS图像传感器的曝光方法的第四实施例的过� �示意图。

具体

为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例， 对本发 明进行进一步详细说明。

本发明提供了一种 CMOS图像传 ， 所述 CMOS图像传感器包括像素阵列和控制芯 片。其中所述像素阵列由若干像素行构成， 控制芯片用于控制所述若干像素行曝光并输出 数 据。

本发明的独特之处在于所述控制芯片在每个像 素行的一个曝光周期内控制所述像素行 在曝光时间 T1内曝光， 随后控制所述像素行在曝光时间 T1后等待预设等待时间 T2开始输 出数据。 该预设等待时间 T2可以大于等于 0。

请参阅图 6， 为本发明腿实施例中 CMOS图像传 的像素单元的控制时序图。本发 明的每个像素单元包括光电池^ 复位管 R、 电荷溢出门管 T、 行雇管 X， 以及源跟随器 FD; 且每个像素列的像素单元同样共用以对信号输 出管， 例如连接至每个像素单元连接至 所在像素列的第一信号输出管 SH1和第二信号输出管 SH2以输出数据。 上述元件的连接关 系与图 5中电路的连接关系相同， 区别仅在于， 本发明可以通过改变控制芯片所发送的控制 信号的时序， 来实现不同的曝光过程。

如图 6所示，本发明的控制芯片在每个像素行的一� �曝光周期内发送以下控制信号分别 控制所述像素行中每个像素单元的对应元件：

首先在步骤 S1中， 在曝光时间 T1开始时， 分别发送一高电平脉冲开启复位管 R和电 荷溢出门管 Τ。从而清空光电池 Β和源跟随器 FD中的电荷。之后复位管 R和电荷溢出门管 T关闭， 该像素行开始曝光。

随后在步骤 S2中，在该像素行的曝光时间 T1结束时，发送一高电平脉冲开启电荷溢出 门管 T; 将光电池 B的电荷转移到源跟随器 FD， 之后电荷溢出门管 T关闭。

随后在步骤 S3中， 在该像素行的曝光时间 T1结束后预设等待时间 T2结束时， 分别发 送一高电平脉冲开启行选通管 X和该像素单元所在像素列的第一信号输出管 SH1， 以采样 信号电平。 之后行选通管 X和该像素单元所在像素列的第一信号输出管 SH1关闭。

随后在步骤 S4中，发送一高电平脉冲开启复位管 R， 以清空源跟随器 FD中的电荷。之 后复位管 R关闭。

随后在步骤 S5中， 分别发送一高电平脉冲开启行 管 X和该像素单元所在像素列的 第二信号输出管 SH2， 以采样参考电平。 该像素单元所在像素列的第一信号输出管 SH1和 第二信号输出管 SH2经过比较后转换为数字信号输出。

通过上述时序控制方法， 可以控制每个像素行在曝光时间 T1 后等待预设等待时间 T2 再开始输出数据， 从而将 CMOS图像传 的曝光时间与输出数据时间分离开， 因此可以 更灵活地控制 CMOS图像传感器中各个像素行的工作模式， 以便于利于该 CMOS图像传感 器进行各种形式的曝光。

在本发明提供的进一步实施例中， 所述 CMOS 图像传 还可以实现由所述控制芯片 控制所述像素阵列中的至少两个像素行的曝光 时间 T1同步， 且所述控制芯片随后控制所述 至少两个像素行分别在曝光结束后等待不同的 预设等待时间 T2开始输出数据。 下面对该实 施例的控制过程进行具体说明。设所述至少两 个像素行包括 L1和 L2。则两个像素行的预设 等待时间不同，分别为 T2-1和 T2-2。且两者的差值不小于单个像素行输出数� �所需的时间， 从而能够串行输出。 由于像素行 L1和像素行 L2的曝光时间 T1同步， 所以相应的控制过程 如下：

首先控制芯片同时发送一高电平脉冲开启 L1和 L2中所有像素单元的复位管 R和电荷 溢出门管 Τ， 在复位管 R和电荷溢出门管 Τ关闭后开始曝光。

随后在曝光时间 T1结束时， 控制芯片同时发送一高电平脉冲开启 L1和 L2中所有像素 单元的电荷溢出门管 Τ;将光电池 Β的电荷转移到源跟随器 FD，之后电荷溢出门管 T关闭。

随后控制芯片分别在曝光时间 T1结束后预设等待时间 T2-1和预设等待时间 T2-2结束 时发送控制信号输出像素行 L1和像素行 L2的数据。

例如， 控制芯片在曝光时间 T1结束后像素行 L1的预设等待时间 T2-1结束时， 分别发 送一高电平脉冲开启像素行 L1中所有像素单元的行 管 X和该像素单元所在像素列的第 一信号输出管 SH1， 以采样信号电平。之后像素行 L1中所有像素单元的行选通管 X和该像 素单元所在像素列的第一信号输出管 SH1 关闭。 随后控制芯片发送一高电平脉冲开启像素 行 L1中所有像素单元的复位管 R， 以清空源跟随器 FD中的电荷。 之后复位管 R关闭。 控 制芯片分别发送一高电平脉冲开启像素行 LI中所有像素单元的行 管 X和该像素单元所 在像素列的第二信号输出管 SH2, 以采样参考电平。 像素行 L1中所有像素单元分别对应的 第一信号输出管 SH1和第二信号输出管 SH2经过比较后转换为数字信号， 作为像素行 L1 的数据输出。

同样， 控制芯片在曝光时间 T1结束后像素行 L2的预设等待时间 T2-2结束时， 分别发 送一高电平脉冲开启像素行 L1中所有像素单元的行 管 X和该像素单元所在像素列的第 一信号输出管 SH1， 以采样信号电平。之后像素行 L2中所有像素单元的行雇管 X和该像 素单元所在像素列的第一信号输出管 SH1 关闭。 随后控制芯片发送一高电平脉冲开启像素 行 L2中所有像素单元的复位管 R， 以清空源跟随器 FD中的电荷。 之后复位管 R关闭。 控 制芯片分别发送一高电平脉冲开启像素行 L2中所有像素单元的行 管 X和该像素单元所 在像素列的第二信号输出管 SH2, 以采样参考电平。 像素行 L2中所有像素单元分别对应的 第一信号输出管 SH1和第二信号输出管 SH2经过比较后转换为数字信号， 作为像素行 L2 的数据输出。

在本发明提供的更进一步地实施例中，请结合 参阅图 7，所述 CMOS图像传 中所有 像素行的曝光时间 T1同步。在曝光时间 T1结束后，所述控制芯片控制所有像素行分别� ��曝 光结束后等待不同的预设等待时间 T2开始输出数据， 且所述像素阵列中的每个像素行的预 设等待时间依次递增， 且递增的差值不小于单个像素行输出数据的时 间。 例如， 像素行 L1 在曝光时间 T1后可以立即输出数据， 即像素行 L1的预设等待时间可以为 T2-l=0; 像素行 L2在曝光时间 Τ2后， 需要等待像素行 L1输出数据完毕才能开始输出， 因此为其预设等待 时间 Τ2-2, 该 Τ2-2与 T2-1的差值应不小于像素行 L1输出数据的时间； 同理像素行 L3的 预设等待时间 Τ2-3与 Τ2-2的差值应不小于像素行 L2输出数据的时间； 以此类推， 像素行 Ln的预设等待时间 T2-n与像素行 Ln-1的预设等待时间 Τ2-Π-1的差值大于像素行 Ln-1输出 数据的时间。在此， 同一图像传感器中单个像素行输出数据的时间 可以相等。如果本实施例 提供的图像传感器应用在目标检测领域中， 由于各个像素行同步曝光， 因此闪光时间可以与 曝光时间相等， 从而提高了光源能量利用率。

本发明还相应提供了上述 CMOS 图像传 的时 制方法， 所述时 制方 ¾&括 在每个像素行的一个曝光周期内执行曝光步骤 和输出数据步骤。

其中， 曝光步骤为： 由所述控制芯片控制所述像素行在曝光时间 T1 内曝光。 输出数据 步骤为：由所述控制芯片控制所述像素行在曝 光时间 T1后等待预设等待时间 T2开始输出数 据。

更具体地方法步骤如下所述。其中曝光步骤包 括由所述控制芯片发送以下控制信号分别 控制所述像素行中每个像素单元的对应元件：

首先在步骤 S1中， 在曝光时间 T1开始时， 分别发送一高电平脉冲开启复位管 R和电 荷溢出门管 T。

随后在步骤 S2中， 在曝光时间 T1结束时， 发送一高电平脉冲开启电荷溢出门管1\ 输出数据步骤包括由所述控制芯片发送以下控 制信号分别控制所述像素行中每个像素 单元的对应元件：

首先在步骤 S3中，在曝光时间 T1结束后预设等待时间结束时，分别发送一高� ��平脉冲 开启行选通管 X和该像素单元所在像素列的第一信号输出管 SH1， 以采样信号电平。

随后在步骤 S4中， 发送一高电平脉冲开启复位管1 。

最后在步骤 S5中， 分别发送一高电平脉冲开启行 管 X和该像素单元所在像素列的 第一信号输出管 SH2， 以采样参考电平。

本发明还结合目标检测系统的需求，提供了一 种基于上述曝光后可等待时间输出数据的 CMOS图像传感器的曝光方法，用于在第一光源� �态和第二光源状态下分别拍摄目标图像并 输出至第一帧缓存器和第二帧缓存器以进行目 标检测。所述第一光源状态和第二光源状态可 以分别代表目标检测中需要棚的光源闪光和不 闪光状态，也可以根据目标检测的实际需要 提供两种不同的光源状态。本发明提供的上述 CMOS图像传感器的优势在于，可以使 CMOS 图像传 的某些行或所有行的曝光同时开始和结束。 因此， 在本发明提供的曝光方法中， 可以在曝光的同时令光源闪光， 从而使闪光时间和曝光时间相等。这样做既可 以充分利用曝 光时间提高目标物体的亮度， 又可以充分利用光源的能量。

在本发明提供的曝光方法中， 首先需要把 CMOS 图像传感器分成若干个子阵列以便于 按照一定规则进行曝光处理， 这些子阵列通常具有数量相等的像素行。 由于目标检测系统的 实时性，连续对同一场景进行两次拍摄的过程 中，目标物体及背景物体都不能有过大的位移 ， 所以要求这两次拍摄的时间间隔要尽可能小。 因此本发明将 CMOS图像传感器的整个像素 单元构成的阵列按 fi¾」分为子阵列。 由于行数减少， 子阵列的拍摄时间比整个像素阵列小， 连续拍摄两帧所间隔的时间也随之减小。

请参阅图 8， 为本发明的 CMOS图像传 的曝光方法的第一实施例的流程图。 如图 8 所示， 本实施例的曝光方 ¾fe括以下步骤：

首先在步骤 AO中，将所述 CMOS图像传 划分为由数量相等的像素行构成的若干子 阵列。

随后在步骤 A1中， 将第一子阵列设为当前曝光子阵列。

随后在步骤 A2中， 分别在第一光源状态和第二光源状态下， 控制当前曝光子阵列中各 个像素行同步曝光并输出数据。在本发明的腿 实施例中，步骤 A2进一步包括：步骤 A21、 在第一光源状态下控制当前曝光子阵列中各个 像素行进行第一次同步曝光，并控制所述各个 像素行依次输出数据至第一帧缓存器直至当前 曝光子阵列中所有像素行数据输出完毕；步骤 A22、 在第二光源状态下控制当前曝光子阵列中各个 像素行进行第二次同步曝光， 并控制所 述各个像素行依次输出数据至第二帧缓存器直 至当前曝光子阵列中所有像素行数据输出完 毕。

随后在步骤 A3中，判断当前曝光子阵列是否为: 子阵列， 是则转步骤 A5， 否则转步 骤 A4。

随后在步骤 A4中， 将当前曝光子阵列的下一子阵列设为当前曝光 子阵列并转步骤 A2。 最后在步骤 A5中， 结束。 下面结合附图对第一实施例的曝光过程进行具 体说明。

请参阅图 9，为本发明 CMOS图像传 的曝光方法的第一实施例的过程示意图。首先 ， 该 CMOS图像传感«分成 K个子阵列， 分别为 Ml、 M2、 M3…… M _k 。其中每个子阵列 所包含的像素行相等。例如， 每连续的 16行为一个子阵列。 为了分别拍摄第一光源状态和 第二光源状态下的目标图像，这里每次棚同一 个子阵列连续拍摄两次，其中一次为第一光 源状态即光源闪光，另一次为第二光源状态即 光源不闪光。然后使用下一个子阵列连续拍摄 两次。直到 像素阵列拍摄完毕。例如， 第一时刻 期间， 第一子阵列 Ml为当前曝光子 阵列， 在第一光源状态下曝光， 随后各行依次输出数据至第一帧缓存器； 第二时刻 期间， 第一子阵列 Ml仍然为当前曝光子阵列，在第二光源状态下� ��光， 随后各行依次输出数据至 第二帧缓存器；判断第一子阵列不是最末子阵 列， 因此将当前曝光子阵列的下一子阵列第二 子阵列设为当前曝光子阵列； 第三时刻 ¾期间， 第二子阵列 M2为当前曝光子阵列， 在第一 光源状态下曝光， 随后各行依次输出数据至第一帧缓存器； 第四时刻 期间， 第二子阵列 M2仍然为当前曝光子阵列， 在第二光源状态下曝光， 随后各行依次输出数据至第二帧缓存 器；……第 2k-l时刻 ^期间，第 k子阵列 M _k 为当前曝光子阵列，在第一光源状态下曝 光， 随后各行依次输出数据至第一帧缓存器； 第 2k时刻 ½期间， 第 k子阵列 M _k 仍然为当前曝 光子阵列，在第二光源状态下曝光， 随后各行依次输出数据至第二帧缓存器； 判断第 k子阵 列 M _k 为: 子阵列， 因此 曝光过程结束。

请参阅图 10， 为本发明 CMOS图像传 的曝光方法的第一实施例中第一子阵列的工 作模式图。 如图 10所示， 第一子阵列 Ml在第一时刻 期间和第二时刻 ¾期间分别进行了 一次同步曝光。例如第一子阵列 Ml的像素行 L1至 L16首先在第一光源状态下进行了第一 次同步曝光， 即曝光时间为 Tl。随后像素行 L1至像素行 L16依次输出数据。这是通过对各 个像素行设置不同的预设等待时间，即像素行 L1的预设等待时间 T2-1可以为 0，像素行 L2 的预设等待时间 Τ2-2与 T2-1的差值不小于像素行 L1的输出数据时间……以此类推， 像素 行的预设等待时间不断递增，且与前一像素行 的差值不小于单个像素行输出数据的时间。在 像素行 L16输出数据完毕后，则开始在第二光源状态下 进行第二次同步曝光。本发明中所述 的第一光源状态和第二光源状态可以互换， 即可以先在光源闪光情况下拍摄图像， 也可以先 在光源不闪光的情况下拍摄图像， 两者的顺序不影响进一步目标检测的结果。

这样 CMOS 图像传 的每个像素单元都经过两次曝光， 其中一次光源闪光， 另一次 光源不闪光。且两^ ¾集的图 间的时间差约为单个子阵列输出数据的时间， 有效地减小 了时间间隔， 保障了图像采集的实时性。 图像处理器再将两个帧缓存器中存储的结果相 减， 并以某一阈值来划分目标区域和背景区域， 进而计算目标物体的特征。

需要说明地是， 在本发明提供的 CMOS 图像传感器的曝光方法的第一实施例中， 采用 由上而下的方式对子阵列进亍曝光，这里也可 以依据替换原则采用由下而上的方式对子阵列 进行曝光。

请参阅图 11， 为本发明 CMOS图像传 的曝光方法的第二实施例的过程示意图。 首 先在步骤 A' O中，将所述 CMOS图像传 划分为由数量相等的像素行构成的若干子阵列 ; 随后在步骤 A， 1中， 将: 子阵列设为当前曝光子阵列。

随后在步骤 A' 2中， 分别在第一光源状态和第二光源状态下， 控制当前曝光子阵列中 各个像素行同步曝光并输出数据。 在第三实施例中， 步骤 A' 2进一步包括： 步骤 A' 21、 在第一光源状态下控制当前曝光子阵列中各个 像素行进行第一次同步曝光，并控制所述各个 像素行依次输出数据至第一帧缓存器直至当前 曝光子阵列中所有像素行数据输出完毕；步骤 A' 22、 在第二光源状态下控制当前曝光子阵列中各个 像素行进行第二次同步曝光， 并控制 所述各个像素行依次输出数据至第二帧缓存器 直至当前曝光子阵列中所有像素行数据输出 完毕。

随后在步骤 A' 3中， 判断当前曝光子阵列是否为第一子阵列， 是则转步骤 A' 5， 否则 转步骤 A， 4。

随后在步骤 A' 4中，将当前曝光子阵列的上一子阵列设为当� �曝光子阵列并转步骤 A'

2。 最后在步骤 A， 5中， 结束。

第二实施例的具体的实现过程如图 12所示。在第二实施例中，在第一时刻 期间，第 k 子阵列 M _k 为当前曝光子阵列， 在第一光源状态下曝光， 随后各行依次输出数据至第一帧缓 存器， 可以从上至下也可以从下至上输出数据； 第二时刻 ½期间， 第 k子阵列 M _k 仍然为当 前曝光子阵列， 在第二光源状态下曝光， 随后各行依次输出数据至第二帧缓存器； 判断第 k 子阵列 M _k 不是第一子阵列， 因此将当前曝光子阵列的上一子阵列第 k-1子阵列 M _k-1 设为当 前曝光子阵列； ……第 2k-l时刻 期间，第一子阵列 Ml为当前曝光子阵列，在第一光源 状态下曝光， 随后各行依次输出数据至第一帧缓存器； 第 2k时刻 ^期间， 第一子阵列 Ml 仍然为当前曝光子阵列， 在第二光源状态下曝光， 随后各行依次输出数据至第二帧缓存器； 判断第一子阵列 Ml为第一子阵列， 因此 ¾ ^曝光过程结束。

请参阅图 13， 为本发明的 CMOS图像传 的曝光方法的第三实施例的流程图。 该方 法同样将 CMOS图像传感器分成若干子阵列来进行曝光。� �图 13所示， 本实施例的曝光方 細舌以下步骤：

首先在步骤 B0中，将所述 CMOS图像传 划分为由数量相等的像素行构成的若干子 阵列。

随后在步骤 B1中， 将第一子阵列设为当前曝光子阵列。

随后执行步骤 B2，具体包括图 13中步骤 B21和步骤 B22。在步骤 B21中，在第一光源 状态下控制当前曝光子阵列中各个像素行进行 第一次同步曝光，随后先输出当前曝光子阵列 下半像素行的数据至第一帧缓存器。在步骤 B22中，输出当前曝光子阵列上半像素行的数据 至第一帧缓存器。

随后执行步骤 B3，具体包括图 13中步骤 B31和步骤 B32。在步骤 B31中，所述当前曝 光子阵列的下半像素行的数据输出完毕时，判 断当前曝光子阵列是否为: 子阵列，是贝啭 步骤 B6， 否则转步骤 B32。在步骤 B32中， 将当前曝光子阵列下移半个子阵列的位置。

随后执行步骤 B4，具体包括图 13中步骤 B41和步骤 B42。在步骤 B41中，在第二光源 状态下控制当前曝光子阵列中各个像素行进行 第二次同步曝光，随后先输出当前曝光子阵列 下半像素行的数据至第二帧缓存器。在步骤 B42中，输出当前曝光子阵列上半像素行的数据 至第二帧缓存器。

随后在步骤 B5中， 在所述当前曝光子阵列的下半像素行的数据输 出完毕时， 将当前曝 光子阵列下移半个子阵列的位置， 转歩骤 B2。

需要说明地是，在上述过程中，在步骤 B21后并行执行步骤 B22和步骤 B31， 即在输出 上半像素行的数据同时，将已经输完数据的下 半像素行投入下一次的曝光， 以节省两次曝光 之间的时间差。 同理， 在步骤 B41后并行执行步骤 B42和步骤 B5。

在本发明的进一步实施例中， 在步骤 B2中在进行第一次同步曝光后， 按照从下至上的 顺序依次输出当前曝光子阵列中各个像素行的 数据至第一帧缓存器。在步骤 B4中在进行第 二次同步曝光后， 从下至上依次输出当前曝光子阵列中各个像素 行的数据至第二帧缓存器。

请参阅图 14， 为本发明 CMOS图像传 的曝光方法的第三实施例的过程示意图。 首 先， 该 CMOS图像传翻皮分成 K个子阵列， 分别为 Ml、 M2、 M3…… M _k 。第一时刻 期间， 第一子阵列 Ml为当前曝光子阵列， 在第一光源状态下曝光， 随后各行从下至上依次 输出数据至第一帧缓存器， 即下半像素行 MD1的数据先输出完毕， 上半像素行 MU1的数 据后输出完毕； 在第二时刻 期间， 即第一子阵列 Ml的下半像素行 MD1的数据输出完毕 时，判断第一子阵列 Ml不是: 子阵列， 因此将当前曝光子阵列下移半个子阵列的位置 即 由第一子阵列 Ml的下半像素行 MD1和第二子阵列 M2的上半像素行 MU2构成新的当前曝 光子阵列，从而在第二光源状态下控制新的当 前曝光子阵列中各个像素行进行第二次同步曝 光……第 2k-l时刻 t _2k4 期间， 第 k子阵列 M _k 为当前曝光子阵列， 在第一光源状态下曝光， 随后各行从下至上依次输出数据至第一帧缓存 器， 判断第 k子阵列 M _k 为最末子阵列， 因此 暴光过程结束。

以每 32行为一个子阵列为例进行说明。每次棚一个� ��阵列拍摄一次， 输出顺序由第 32行开始至第 1行依次输出。 随后将阵列向下移动 16行， 形成一个新的子阵列， 再拍摄一 次。 循环往复， 直到 像素阵列拍摄完毕。 其中第奇数次拍摄时， 光源为第一发光状态； 第偶数次拍摄时光源为第二发光状态， 即分别为光源闪光和不闪光。更具体一点说： 第一次 以第 1至 32行为一个子阵列， 拍摄时光源发光； 第二次以第 17行至 48行为一个子阵列， 拍摄时光源不发光； 第三次以第 33行至 64行为一个子阵列， 拍摄时光源发光； 直到 CMOS传 拍摄完毕。 此时， CMOS图像传 除了第一子阵列的上半像素行 16行和最 末子阵列的下半像素行 16行之外， 每个像素单元都经过了两次曝光， 其中一次光源发光， 另一次光源不发光。 CMOS图像处理器的控制芯片再将两次的结果相� �，并以某一阈值来划 分目标区域和背景区域， 进而计算目标物体的特征。

请参阅图 15， 为本发明 CMOS图像传 的曝光方法的第三实施例中第一子阵列的工 作模式图。 如图 15所示， 首先， 第一子阵列 Ml的像素行 L1至像素行 L32在第一时刻 tl 期间首先在第一光源状态下进行了第一次同步 曝光， 即曝光时间为 Tl。 随后像素行 L32至 像素行 L1依次输出数据。 这是通过对各个像素行设置不同的预设等待时 间， 即像素行 L32 的预设等待时间 Τ2-32可以为 0， 像素行 L31的预设等待时间 T2-31与 Τ2-32的差值大于像 素行 L32的输出数据时间……以此类推，从下至上像 素行的预设等待时间不断递增，且与前 一像素行的差值大于前一像素行输出数据的时 间。在像素行 L17输出数据完毕后，则开始对 像素行 L17至 L48在第二光源状态下进行第二次同步曝光。并 重复上述过程。虽然这种方法 会使 CMOS图像传感器的头 16行和最后 16行不能够得以利用，但当 32行的子阵列中的 16 行输出完毕之后就可以立即开始下一个子阵列 的曝光，使下一个子阵列的曝光时间和上一个 子阵列的后 16行输出时间相重叠， 节省了时间上的开支， 可以使整个系统的帧率提高， 对 构造实时的目标检测系统有很大帮助。

同理， 在本发明提供的 CMOS 图像传 的曝光方法的第三实施例中， 也采用由上而 下的方式对子阵列进亍曝光，这里也可以依据 替换原则采用由下而上的方式对子阵列进亍曝 光。

请参阅图 16， 为本发明 CMOS图像传 的曝光方法的第四实施例的过程示意图。 在 第四实施例中， 首先在步骤 B' 0中， 将所述 CMOS图像传 划分为由数量相等的像素行 构成的若干子阵列。

随后在步骤 B' 1中， 将: 子阵列设为当前曝光子阵列。

随后执行步骤 B， 2， 具体包括步骤 B， 21和步骤 B， 22。 在步骤 B， 21中， 在第一光 源状态下控制当前曝光子阵列中各个像素行进 行第一次同步曝光，随后先输出当前曝光子阵 列上半像素行的数据至第一帧缓存器。在步骤 B' 22中，输出当前曝光子阵列下半像素行的 数据至第一帧缓存器。

随后执行步骤 B' 3， 具体包括步骤 B' 31和步骤 B' 32。 在步骤 B' 31中， 所述当前 曝光子阵列的上半像素行的数据输出完毕时， 判断当前曝光子阵列是否为第一子阵列， 是则 转步骤 B' 6， 否贝啭步骤 B' 32。 在步骤 B' 32中， 将当前曝光子阵列上移半个子阵列的 位置。

随后执行步骤 B， 4， 具体包括步骤 B， 41和步骤 B， 42。 在步骤 B， 41中， 在第二光 源状态下控制当前曝光子阵列中各个像素行进 行第二次同步曝光，随后先输出当前曝光子阵 列上半像素行的数据至第二帧缓存器。在步骤 B' 42中，输出当前曝光子阵列下半像素行的 数据至第二帧缓存器。

随后在步骤 B' 5中， 在所述当前曝光子阵列的上半像素行的数据输 出完毕时， 将当前 曝光子阵列上移半个子阵列的位置， 转步骤 B， 2。

需要说明地是，在上述过程中， 同样在步骤 B' 21后并行执行步骤 B' 22和步骤 B' 31， 即在输出下半像素行的数据同时， 将已经输完数据的上半像素行投入下一次的曝 光， 以节省 两次曝光之间的时间差。 同理， 在步骤 B' 41后并行执行步骤 B' 42和步骤 B' 5。

在本发明的进一步实施例中， 在步骤 B， 2中在进行第一次同步曝光后， 按照从上至下 的顺序依次输出当前曝光子阵列中各个像素行 的数据至第一帧缓存器。 在步骤 B' 4中在进 行第二次同步曝光后，从上至下依次输出当前 曝光子阵列中各个像素行的数据至第二帧缓存 第四实施例的具体实现过程如图 17所示。首先， 该 CMOS图像传翻皮分成 K个子阵 列， 分别为 Ml、 M2、 M3…… M _k 。 第一时刻 期间， 第 k子阵列 M _k 为当前曝光子阵列， 在第一光源状态下曝光， 随后各行从上至下依次输出数据至第一帧缓存 器， 即上半像素行 MU _k 的数据先输出完毕， 下半像素行 MD _k 的数据后输出完毕； 在第二时刻 期间， 即第 k 子阵列 Mk的上半像素行 MU _k 的数据输出完毕时， 判断第 k子阵列 M _k 不是第一子阵列， 因 此将当前曝光子阵列上移半个子阵列的位置即 由第 k子阵列 M _k 的上半像素行 MU _k 和第 k-1 子阵列 M _k-1 的下半像素行 MD _k-1 构成新的当前曝光子阵列，从而在第二光 源状态下控制新的 当前曝光子阵列中各个像素行进行第二次同步 曝光……第 2k-l 时刻 期间， 第一子阵列 Ml为当前曝光子阵列， 在第一光源状态下曝光， 随后各行从上至下依次输出数据至第一帧 缓存器， 判断第一子阵列 Ml为第一子阵列， 因此 ¾ ^曝光过程结束。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领 域的技术人员应明白在不脱离本发明范围 时， 可进行各种变化和等同替换。此外， 为适应本发明技术的特定场合或材料， 可对本发明 进行诸多修改而不脱离其保护范围。 因此， 本发明并不限于在此公开的特定实施例， 而包括 所有落入到权利要求保护范围的实施例。