[논문]Bump 회로와 인접픽셀 기반의 이미지 신호 Edge Detector

오광석; 이상진; 조경록

doi:10.5573/ieek.2013.50.7.149

[국내논문] Bump 회로와 인접픽셀 기반의 이미지 신호 Edge Detector
Image Edge Detector Based on a Bump Circuit and the Neighbor Pixels 원문보기

Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea = 전자공학회논문지, v.50 no.7, 2013년, pp.149 - 156

오광석 (충북대학교 전자정보대학) , 이상진 (충북대학교 전자정보대학) , 조경록 (충북대학교 전자정보대학)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 bump 회로를 이용한 하드웨어 기반의 윤곽선 검출 회로를 제안한다. 하나의 픽셀은 빛을 전기적인 신호로 변환하는 active pixel sensor (APS)와 주변 픽셀의 밝기 차이를 비교하는 bump회로로 구성된다. 제안하는 회로는 $64{\times}64$의 이미지를 대상으로하며, 각 열(column)마다 비교기를 공유한다. 비교기는 외부에서 인가되는 기준전압을 통해 최종적으로 대상픽셀의 윤곽선 여부를 판별한다. 또한 기존의 4개 혹은 그 이상의 픽셀 데이터를 비교하는 윤곽선 검출 알고리즘을 상대적으로 간소화하여 대상픽셀을 포함하여 3개의 픽셀만으로 윤곽선 검출을 가능토록 제안하였다. 따라서 하나의 픽셀에 비교적 적은 수의 트랜지스터로 구성하였다. 따라서 제한적인 픽셀 크기에서 fill factor를 충분히 확보함으로써 수용 가능한 조도의 범위를 확장하였고, 기준전압을 외부에서 입력 받기 때문에 윤곽선 레벨을 조절 할 수 있다. Bump 회로기반의 윤곽선 검출 회로는 0.18um CMOS 공정에서 설계되었으며, 1.8V의 공급전압에서 픽셀 당 0.9uW의 전력 소모율, 34%의 fill factor을 갖는다. 이는 기존회로대비 전력 소모율을 90% 개선하였고, 기존 회로에 비하여 면적은 약 18.7%, fill factor는 약 16%를 더 확보하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a hardware edge detector of image signal at pixel level of CMOS image sensor (CIS). The circuit detects edges of an image based on a bump circuit combining with the pixels. The APS converts light into electrical signals and the bump circuit compares the brightness between the target pixel and its neighbor pixels. Each column on CIS 64 by 64 pixels array shares a comparator. The comparator decides a peak level of the target pixel comparing with a reference voltage. The proposed edge detector is implemented using 0.18um CMOS technology. The circuit shows higher fill factor 34% and power dissipation by 0.9uW per pixel at 1.8V supply.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 기존의 APS와 bump 회로를 이용한 하드웨어 기반의 윤곽선 검출 회로를 제안하였다. 기존의 윤곽선 검출 알고리즘을 간소화하기 위하여 대상픽셀을 포함한 3개의 픽셀로 대상픽셀의 윤곽선 여부를 판별하였다.
본 논문에서는 하드웨어 기반의 윤곽선 검출을 위하여, 아날로그 상관기(analog correlator)인 bump 회로 기반의 높은 fill factor를 가지는 픽셀 구조 및 윤곽선 검출 시스템을 제안한다. 그림 1은 하드웨어 기반의 윤곽선 검출 과정을 보여준다.

제안 방법

기존의 윤곽선 검출 알고리즘을 간소화하기 위하여 대상픽셀을 포함한 3개의 픽셀로 대상픽셀의 윤곽선 여부를 판별하였다. 각 픽셀은 bump 회로를 통하여 픽셀간의 밝기 차이를 비교하고, 비교된 출력값은 비교기를 통하여 최종적으로 윤곽선맵을 생성한다. 본 논문에서 제안하는 회로는 비교기의 기준전압을 이용하여 윤곽선 검출 레벨을 조절할 수 있다.
본 논문에서는 기존의 APS와 bump 회로를 이용한 하드웨어 기반의 윤곽선 검출 회로를 제안하였다. 기존의 윤곽선 검출 알고리즘을 간소화하기 위하여 대상픽셀을 포함한 3개의 픽셀로 대상픽셀의 윤곽선 여부를 판별하였다. 각 픽셀은 bump 회로를 통하여 픽셀간의 밝기 차이를 비교하고, 비교된 출력값은 비교기를 통하여 최종적으로 윤곽선맵을 생성한다.
제안한 회로는 윤곽선 검출 알고리즘의 간소화를 통해 3T-APS와 비교적 적은 수의 트랜지스터로 각 픽셀을 구성하였다. 따라서 상대적으로 저전력 구동을 가능케 하였으며, 충분한 fill factor를 확보하였다.
전압강하폭이 포화되어 더 이상 변화하지 않는 부분에서는 이미지의 밝기의 차이를 구분할 수 없어 대상 픽셀의 윤곽 여부를 판별할 수 없다. 따라서 포토다이오드에 의하여 생성된 광전류가 최대치가 될 때 까지를 회로의 동작범위로 설정하였다. 또한 포토다이오드를 초기화 시키는 reset 주기에 따라서 전체 시스템의 frame rate가 결정된다^[10].
각 픽셀은 bump 회로를 통하여 픽셀간의 밝기 차이를 비교하고, 비교된 출력값은 비교기를 통하여 최종적으로 윤곽선맵을 생성한다. 본 논문에서 제안하는 회로는 비교기의 기준전압을 이용하여 윤곽선 검출 레벨을 조절할 수 있다. 또한 간소화된 알고리즘을 통하여 제한된 픽셀 내에서 비교적 적은수의 트랜지스터로 구성하여 기존회로대비 면적은 약 18.
본 논문에서 제안한 윤곽선 검출 알고리즘은 대상픽셀(T), 위쪽(U), 왼쪽픽셀(L)이 하나의 프로세싱 단위가 되므로 한 번에 두 개의 워드라인을 활성화 시켜야한다. 따라서 Reset과 Word 신호가 디코더를 통하여 순차적으로 두 워드라인에 동시에 입력된다.
본 논문에서 제안한 윤곽선 검출 회로는 IDEC의 지원을 받아 0.18um CMOS 공정에서 제작되었으며, p-type substrate 위에 n⁺ diffusion을 하여 포토다이오드를 구현하였다^[12～14]. 그림 8(a)에 APS와 bump를 포한하는 픽셀의 레이아웃을 나타내었다.
그림 1은 하드웨어 기반의 윤곽선 검출 과정을 보여준다. 제안하는 구조는 윤곽선 검출에 필요한 시간과 전력 소비를 줄이기 위해 기존의 윤곽선 검출 알고리즘을 간소화 하였고, 비교적 적은수의 트랜지스터를 사용하여 fill factor를 확보하였다.
본 논문에서 제안하는 하드웨어 기반의 윤곽선 검출 시스템을 그림 2에 나타내었다. 제안하는 윤곽선 검출 알고리즘은 하나의 프로세싱 단위가 T, U, L 세 개의 픽셀의 밝기차이를 계산한다. 따라서 두 라인을 동시에 컨트롤해야 하므로 reset, word 각각의 신호를 디코더를 통하여 두 라인에 순차적으로 동시에 CIS(CMOS image sensor) array에 입력한다.
기존에 연구되었던 하드웨어 기반의 윤곽선 검출과 제안한 회로와의 비교를 표 1에 나타내었다. 제안한 회로는 윤곽선 검출 알고리즘의 간소화를 통해 3T-APS와 비교적 적은 수의 트랜지스터로 각 픽셀을 구성하였다. 따라서 상대적으로 저전력 구동을 가능케 하였으며, 충분한 fill factor를 확보하였다.

대상 데이터

제안하는 알고리즘은 gray scale 이미지를 대상으로 한다. 대상(target) 픽셀을 ‘T’로 설정했을 때, 대상 픽셀의 위쪽(up) 픽셀을 ‘U’, 왼쪽(left) 픽셀을 ‘L’로 정의한다.
제안하는 회로는 1.8 VDD를 사용하였으며, 픽셀 당 0.9 uW의 전력을 소모한다. 기존에 연구되었던 하드웨어 기반의 윤곽선 검출과 제안한 회로와의 비교를 표 1에 나타내었다.

성능/효과

본 논문에서 제안하는 회로는 비교기의 기준전압을 이용하여 윤곽선 검출 레벨을 조절할 수 있다. 또한 간소화된 알고리즘을 통하여 제한된 픽셀 내에서 비교적 적은수의 트랜지스터로 구성하여 기존회로대비 면적은 약 18.7%, fill factor는 약 16%를 더 확보하였다.
기준전압을 증가시킴에 따라 윤곽선 검출의 민감도가 감소하는 것을 볼 수 있다. 제안한 윤곽선 검출 알고리즘은 비교적 간단하게 윤곽선 검출이 가능하며, 물체의 왼쪽보다는 오른쪽 윤곽선 검출에 유리한 특성을 보인다.
하지만 전압강하는 일정 빛의 세기를 넘어서면 일정해진다. 제안한 회로에서 또한 생성된 광전류가 증가함에 따라서 SN 노드의 전압강하폭은 광전류에 따라 점차 증가하나 일정 광전류 이상에서는 그 폭이 포화되는 현상을 볼 수 있다. 전압강하폭이 포화되어 더 이상 변화하지 않는 부분에서는 이미지의 밝기의 차이를 구분할 수 없어 대상 픽셀의 윤곽 여부를 판별할 수 없다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 비교기로 사용된 bump회로는 어떻게 윤곽선 여부를 판별하는가?	제안하는 회로는 $64{\times}64$의 이미지를 대상으로하며, 각 열(column)마다 비교기를 공유한다. 비교기는 외부에서 인가되는 기준전압을 통해 최종적으로 대상픽셀의 윤곽선 여부를 판별한다. 또한 기존의 4개 혹은 그 이상의 픽셀 데이터를 비교하는 윤곽선 검출 알고리즘을 상대적으로 간소화하여 대상픽셀을 포함하여 3개의 픽셀만으로 윤곽선 검출을 가능토록 제안하였다.
	제안된 회로가 상대적으로 저전력 구동을 가능케 하였으며, 충분한 fill factor를 확보할 수 있었던 이유는?	기존에 연구되었던 하드웨어 기반의 윤곽선 검출과 제안한 회로와의 비교를 표 1에 나타내었다. 제안한 회로는 윤곽선 검출 알고리즘의 간소화를 통해 3T-APS와 비교적 적은 수의 트랜지스터로 각 픽셀을 구성하였다. 따라서 상대적으로 저전력 구동을 가능케 하였으며, 충분한 fill factor를 확보하였다.
	하나의 픽셀은 어떻게 구성되는가?	본 논문에서는 bump 회로를 이용한 하드웨어 기반의 윤곽선 검출 회로를 제안한다. 하나의 픽셀은 빛을 전기적인 신호로 변환하는 active pixel sensor (APS)와 주변 픽셀의 밝기 차이를 비교하는 bump회로로 구성된다. 제안하는 회로는 $64{\times}64$의 이미지를 대상으로하며, 각 열(column)마다 비교기를 공유한다.

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