Capteur d'images intégré en mode courant et à résolution variable

RÉSUMÉ Que ce soit pour le divertissement, la recherche scientifique, la robotique ou nombre d'autres applications, les capteurs d'images sont des éléments déterminants pour les performances des systèmes auxquels ils se rattachent. En effet, ils constituent le premier élément dans la chaîne d'acquisition et de traitement de l'information. Aussi, les nouvelles applications de haute technologie rendent les spécifications auxquelles doivent se soumettre les capteurs de plus en plus contraignantes. C'est pourquoi le domaine de l'acquisition d'images est en constante évolution et qu'il est intéressant de s'y attarder. L'objectif du travail présenté est de concevoir un circuit d'acquisition d'images intégré présentant une interface entièrement numérique, une souplesse d'utilisation et qui soit applicable dans des situations variées sans compensation par pièces mécaniques ou optiques. ll doit être possible d'utiliser le capteur pour une large variété d'applications; toutefois, les principales contraintes prises en considération au cours de sa conception sont celles soumises par un système de stimulation intracorticale destiné aux victimes de cécité profonde. La première de ces contraintes est la nécessité de limiter l'énergie consommée par le système. Ensuite, pour pallier la faiblesse de la résolution de l'image qui peut être transmise au cerveau, un zoom est une fonctionnalité recherchée afin de pourvoir l'utilisateur du maximum d'information visuelle selon les conditions d'utilisation. En combinaison avec une matrice de cellules photosensibles comportant plus de pixels que l'image que l'on désire acquérir, une résolution variable permet de réaliser un véritable zoom électronique. Le fait d'effectuer cette opération au niveau même de la capture d'image plutôt que par un traitement numérique subséquent minimise le transfert et le traitement des données. Par conséquent, la consommation s'en voit diminuée. L'évaluation de la moyenne de la sortie de pixels adjacents permet de réduire la perte d'information associée à la réduction de la résolution par rapport à une approche de sous-échantillonnage de la matrice. Une première proposition de circuit répondant aux principales spécifications mentionnées plus haut est détaillée et les choix sont justifiés. La première caractéristique fondamentale du circuit est que le signal analogique est véhiculé en tout point en mode courant. Ceci permet au système de fonctionner à faible tension d'alimentation, minimisant ainsi la puissance dissipée. L'utilisation du mode courant est cependant peu répandue dans la littérature, puisque plusieurs éléments liés à la fabrication rendent la réponse significativement différente d'un pixel à l'autre, détériorant ainsi la qualité de l'image. Cette erreur, désignée « Fixed Pattern Noise (FPN) », est croissante avec la luminosité incidente. Une nouvelle technique de réduction de l'erreur, basée sur la méthode usuelle de double échantillonnage corrélé, mais où la sortie de chaque pixel est normalisée sur une échelle qui lui est propre à même la conversion analogique à numérique, élimine l'erreur linéaire de gain interpixel. Ceci permet de réduire le niveau d'erreur total sur toute la plage d'intensité lumineuse. Aussi, une méthode simple permettant l'évaluation instantanée de la valeur moyenne de groupes de 1x1, 2x2 ou 4x4 pixels, n'affectant pas le rapport signal sur bruit, est proposée et utilisée. Ceci procure trois niveaux de zoom au niveau de la capture d'image. Un circuit a été fabriqué afin de vérifier la fonctionnalité des modules proposés. Le circuit comporte différentes caractéristiques rendant possible la vérification des différents modules analogiques de façon indépendante. On présente aussi un système de tests dédié au capteur comprenant un circuit de mesures analogiques, un contrôleur externe implémenté sur un circuit programmable, ainsi qu'un logiciel d'interface permettant de commander les tests facilement à partir d'un ordinateur personnel. Le système a démontré la fonctionnalité de tous les blocs du capteur intégré. Il a permis, notamment, d'évaluer certaines caractéristiques du procédé utilisé en tant que capteur d'images. La technique de réduction du FPN proposée a été comparée avec la technique de double échantillonnage corrélé et confirme la validité de la méthode utilisée. Les observations expérimentales font aussi ressortir certaines limitations de l'approche proposée. En effet, la réduction du bruit n'est pas complète et il persiste des erreurs dues aux contributions non linéaires des différents éléments actifs des photocellules. L'approche en mode courant avec la méthode proposée de réduction du FPN se limite donc à des applications où une excellente qualité d'images n'est pas une nécessité. Aussi, on remarque que la présence d'un obturateur électronique réduit les plages dynamiques intrascène et interscène du capteur. Cette constatation est plus préoccupante dans le cas du stimulateur visuel considérant que ceci diminue les conditions de luminosité dans lesquelles peut être utilisé le capteur à un taux de lecture d'images donné. Une autre approche est alors proposée afin d'améliorer principalement la plage dynamique interscène de la caméra. Les modifications proposées améliorent aussi la souplesse d'utilisation du capteur en permettant des niveaux arbitraires de zoom. Ceci implique cependant l'utilisation d'une nouvelle architecture et d'un nouveau convertisseur. Des simulations sur ce dernier indiquent que le capteur proposé est en mesure d'atteindre un taux de lecture d'images de 30 Hz à résolution maximale, soit 128x128 pixels, tout en offrant une faible consommation. Des considérations pratiques importantes à appliquer lors de la réalisation d'un circuit mixte de taille importante sont aussi présentées. Ce travail constitue une première itération concluante dans le processus de conception et de réalisation d'un système d'acquisition d'image versatile et peu énergivore. Des efforts visant à améliorer la plage intrascène du capteur devraient permettre à court terme de réaliser une caméra intégrée particulièrement adaptée pour un système de stimulation du cortex visuel pour aveugles. CONTENU Généralités sur les capteurs d'images -- Captation lumineuse à l'aide de semi-conducteurs -- Capteurs d'images numériques -- Types de capteurs CMOS -- Techniques de réduction du FPN -- Exemples de fonctions spécialisées de capteurs CMOS -- Description du capteur -- Vue d'ensemble du système -- Description détaillée du système -- Système de caractérisation -- Capteur d'images de tests -- Description du système de tests -- Expérimentation et analyse