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自适应列级多增益HDR CMOS图像传感器的单次拍摄高动态范围成像技术研究

一、作者及发表信息

本研究由韩国首尔科学技术大学（Seoul National University of Science and Technology）半导体工程系的Dong-Yeon Lee（学生会员）、Tae-Hoon Eom（学生会员）和Hyeon-June Kim（终身会员，通讯作者）共同完成，发表于IEEE Transactions on Circuits and Systems–I: Regular Papers期刊2025年12月刊（Vol. 72, No. 12）。研究得到韩国国家研究基金会（NRF）的资助（项目编号RS-2023-00213402和2022M3I8A2079227）。

二、学术背景

科学领域：本研究属于CMOS图像传感器（CIS）与高动态范围（High Dynamic Range, HDR）成像技术的交叉领域，面向机器视觉（Machine Vision）应用。

研究动机：传统图像传感器在动态光照条件下（如自动驾驶、工业检测）存在局限性：亮区易过曝、暗区细节丢失。现有HDR技术（如多帧融合、像素级增益调整）需权衡分辨率、运动模糊和实时性。本研究旨在开发一种单帧HDR成像技术，通过列级（Column-wise）多增益调控实现高分辨率、低延迟的适应性成像。

技术背景：
1. HDR实现方法：传统方案包括全局增益控制（Global Gain Control）、像素级增益调整（Pixel-wise Gain Adjustment）和多曝光融合（Multi-Exposure Fusion），但均存在非均匀噪声、运动伪影或计算复杂度高的问题。
2. 列级增益的潜力：通过列级模拟增益（Analog Gain, AG）调控，可在单帧内实现局部光照适应，但需解决增益模式多样性（如256种组合）与噪声抑制的平衡。

研究目标：
- 设计支持256种列级增益模式的CMOS传感器架构；
- 开发分辨率保留的图像合成算法（4×4平均池化）；
- 验证单帧HDR在动态场景中的实时性能。

三、研究流程与方法

1. 传感器架构设计

核心创新：
- 双斜坡信号发生器（Dual Ramp Generator）：生成两路独立模拟增益（AG1/AG2），通过5选1模拟多路复用器支持×1至×16增益。
- 列级增益控制器（Column Gain Controller, CGC）：通过调节耦合电容（Cr）状态，进一步将增益扩展至×32（总增益模式=5×4×4=256种）。
- 列并行读出电路：采用单斜率ADC（SS-ADC）和双相关双采样（DDS）技术抑制固定模式噪声（FPN）。

实现细节：
- 工艺与参数：基于0.11 µm CMOS工艺，集成1280×720像素阵列，功耗4.89 mW，帧率30 fps。
- 噪声抑制：通过输入参考噪声分析（图11）显示，×32增益下噪声从0.31 mVRMS降至0.16 mVRMS，结合4×4池化后进一步降至0.041 mVRMS。

2. 图像合成算法

• 4×4平均池化：以步长1滑动窗口聚合相邻列数据，保留原始分辨率（对比传统方法降低4倍分辨率）。
  
• 自适应增益选择算法：基于CNN框架实时分析场景光照分布，通过Gumbel-Softmax离散选择最优列增益组合（推理速度121.46 fps）。
  

3. 实验验证

• 动态范围测试：在Stuttgart HDR视频数据集上对比单帧、双帧、四帧融合方法。结果显示，单帧列级融合的PSNR（29.88）与SSIM（0.8307）接近多帧方法（表III），且无运动模糊。
  
• 能效指标：在×1增益下，性能指标为176.9 pJ/帧/像素（FOMp）、15.39 mVRMS·pJ/帧/像素（FOMn）。
  

四、主要结果

1. 动态范围扩展：单帧实现79.82 dB有效动态范围（对比多帧需6倍时间）。
   
2. 分辨率保留：4×4池化使合成图像分辨率损失为零（图16）。
   
3. 实时性验证：原型芯片在30 fps下支持27.65 MP/s数据率，满足机器视觉实时需求。
   

逻辑关联：列级增益调控（硬件）与池化算法（软件）协同作用——硬件提供多增益原始数据，软件通过局部聚合优化信噪比（SNR）与细节保留。

五、结论与价值

科学价值：
- 提出首个支持256种列级增益模式的CIS架构，突破传统HDR的帧数-分辨率权衡；
- 验证单帧HDR在动态场景中的可行性，为实时机器视觉提供新范式。

应用价值：
- 自动驾驶：适应快速光照变化（如隧道出入口）；
- 工业检测：在复杂光照下保持检测精度（如金属表面反光）。

六、研究亮点

1. 硬件创新：双斜坡发生器与列级增益控制器的协同设计，实现精细增益调节（×1至×32）。
   
2. 算法创新：分辨率保留的池化方法，避免多帧融合的延迟与伪影。
   
3. 能效优势：在0.11 µm工艺下达成低功耗（4.89 mW）与高帧率（30 fps）。
   

七、其他价值

• 兼容性：架构与传统CIS工艺兼容，便于产业化；
  
• 扩展性：增益模式可通过调整电阻阵列（图5）进一步扩展，适应更高动态范围需求。
  

（报告总字数：约1800字）