Brevet FR2788189A1 — publié le 20000707

La présente invention concerne un capteur d'images à transistors métal-oxyde-semiconducteur complémentaires (CMOS) et, plus particulièrement, un dispositif et un procédé pour commander automatiquement un temps d'exposition à l'aide d'un compteur qui compte des pixels verts en fonction de plages prédéterminées, pour réduire la charge du matériel et du logiciel et améliorer les performances du capteur d'images CMOS. Un capteur d'images conventionnel commande la luminance d'une image à l'aide d'un logiciel. Le logiciel calcule une luminance en cours au moyen d'une valeur d'image captée. Puis, si la luminance calculée est jugée très forte ou très faible, un organe de commande extérieur règle la luminance de l'image. La luminance de l'image réglée est ensuite lue à nouveau pour juger de la luminance de l'image. Cependant, conformément à ce procédé conventionnel de commande de la luminance par le logiciel, la luminance est en fait jugée après le traitement d'au moins deux images provenant du capteur d'images. Un problème peut ensuite se poser, le logiciel étant surchargé par l'augmentation du nombre des calculs. En outre, les résultats calculés doivent être reprogrammés par l'intermédiaire d'une interface de programmation, après quoi les résultats programmés sont appliqués à la capture d'images, ce qui entraîne un retard considérable. D'autre part, si le capteur d'image est utilisé dans un système, tel qu'un système de télévision en circuit fermé (CCTV), dans lequel la commande de la luminance par le logiciel est difficile, il risque de ne pas pouvoir faire face au changement de situation configuré initialement. 2 2788189 La présente invention a par conséquent pour but de proposer un dispositif et un procédé pour commander automatiquement un temps d'exposition à l'aide d'un compteur qui compte des pixels verts en fonction de plages prédéterminées, afin d'alléger la charge du matériel et du logiciel et d'améliorer les performances du capteur d'images CMOS. Selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé un dispositif de commande automatique d'un temps d'exposition dans un capteur d'images CMOS, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen d'estimation de données destiné à estimer les valeurs de pixels verts en fonction de plages prédéterminées respectives afin de générer des signaux de commande de comptage; un moyen de comptage destiné à effectuer une opération de comptage en réponse aux signaux de commande de comptage correspondants, le moyen de comptage comprenant un premier compteur destiné à compter des pixels verts ayant des valeurs de pixels situées dans une plage de référence prédéterminée, de multiples seconds compteurs destinés à compter des pixels verts ayant des valeurs de pixels supérieures aux plages de référence prédéterminées en fonction des plages prédéterminées respectives, et de multiples troisièmes compteurs destinés à compter des pixels verts ayant des valeurs de pixels inférieures aux plages prédéterminées en fonction des plages prédéterminées respectives; un premier moyen destiné à additionner et à comparer les valeurs de comptage provenant des multiples seconds compteurs pour générer une première valeur de comptage totale et une première valeur de comptage maximale; 3 2788189 un second moyen destiné à additionner et à comparer les valeurs de comptage provenant des multiples troisièmes compteurs pour générer une seconde valeur de comptage totale et une seconde valeur de comptage maximale; un moyen de commande destiné à comparer les valeurs de comptage du premier compteur, des multiples seconds compteurs et des multiples troisièmes compteurs pour générer un signal de commande de mise à jour et un rapport de commande d'exposition; et un moyen générateur de signal de commande de temps d'exposition destiné, en réponse à un signal de mode de commande d'exposition et au signal de commande de mise à jour, à générer un signal de commande de temps d'exposition suivant. Conformément à une caractéristique particulière du dispositif de l'invention, la plage de référence prédéterminée est supérieure à une différence entre une valeur de référence et une valeur critique et inférieure à une somme de la valeur de référence et de la valeur critique, la valeur de référence et la valeur critique étant fournies en entrée au moyen d'estimation de données et programmées par un utilisateur. Selon un second aspect de la présente invention, il est proposé un procédé de commande automatique d'un temps d'exposition dans un capteur d'images CMOS, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à: a) estimer des valeurs de pixels verts et compter des pixels verts en fonction de plages prédéterminées respectives; b) calculer une première valeur de comptage totale et une première valeur de comptage maximale de pixels verts ayant des valeurs de pixels supérieures à une plage de référence prédéterminée, et une seconde valeur de comptage 4 2788189 totale et une seconde valeur de comptage maximale des pixels verts ayant des valeurs de pixels inférieures aux plages de référence; c) comparer la première valeur de comptage totale avec la seconde valeur de comptage totale; d) comparer une troisième valeur de comptage totale des pixels verts ayant une valeur de pixel située dans la plage de référence prédéterminée avec la première valeur de comptage maximale, si la première valeur de comptage totale est supérieure à la seconde valeur de comptage totale, et comparer la troisième valeur de comptage totale avec la seconde valeur de comptage maximale, si la seconde valeur de comptage totale est supérieure à la première valeur de comptage totale; e) capter une image suivante en fonction d'un signal de commande de temps d'exposition en cours, si la troisième valeur de comptage totale est supérieure, et calculer un rapport de commande d'exposition et un signal de commande de temps d'exposition et capter l'image suivante en fonction du signal de commande de temps d'exposition suivant, si la troisième valeur de comptage totale est inférieure; et f) répéter les étapes a) à e) jusqu'à ce que la capture d'images soit finalement terminée. De préférence, l'étape e) comprend également les étapes qui consistent à: el) déterminer si un mode de commande d'exposition est activé; et e2) capter l'image suivante en fonction du signal de commande de temps d'exposition en cours, si le mode de commande d'exposition est désactivé, et capter l'image suivante en fonction du signal de commande de temps 2788189 d'exposition suivant, si le mode de commande d'exposition est activé. Ce qui précède, ainsi que d'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention, ressortira de la description détaillée suivante de modes de réalisation donnée à titre d'exemple nullement limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un diagramme montrant une matrice de M x N pixels élémentaires disposés sous la forme d'une configuration de Bayer classique; la figure 2 est un diagramme schématique représentant un pixel contenu dans la matrice de pixels visible sur la figure 1; la figure 3 est un schéma fonctionnel montrant une relation d'interconnexion entre une matrice de pixels et un générateur de signaux de commande; la figure 4 est un schéma fonctionnel d'un organe de commande automatique d'exposition selon la présente invention; et les figures 5A et 5B sont des organigrammes d'un processus de calcul d'un temps d'exposition suivant, selon la présente invention. En référence aux dessins et tout d'abord à la figure 1, une matrice de M x N pixels disposés suivant une configuration de Bayer comprend des rangées répétitives de type RGRG et GBGB à chaque ligne impaire et paire. Ici, " R " représente un pixel rouge destiné à capter uniquement la couleur rouge, " G " un pixel vert destiné à capter uniquement la couleur verte et " B " un pixel bleu destiné à capter uniquement la couleur bleue. Dans la configuration de Bayer, les pixels verts sont deux fois plus nombreux que les pixels rouges ou bleus, si 6 2788189 bien que la couleur verte influe considérablement sur la luminance qui est donnée par l'Equation 1 ci-après: Y = 0,30R + 0,59G + 0,llB (Equation 1) dans laquelle Y représente la luminance, R une valeur de pixel rouge, G une valeur de pixel vert et B une valeur de pixel bleu. Conformément à l'Equation 1, toutefois, toutes les valeurs de pixels rouges, verts et bleus sont nécessaires pour calculer la luminance, ce qui a pour effet d'augmenter le nombre de calculs. En référence à la figure 2 qui représente la structure classique d'un pixel contenu dans la matrice de pixels de la figure 1, chaque pixel comprend une photodiode 200 destinée à recevoir une lumière provenant d'un objet et à générer des charges photoélectriques, un transistor de transfert MT pour, en réponse à un signal de commande de transfert Tx, transférer les charges photoélectriques à un noeud capteur Na, un transistor de remise à l'état initial MR pour, en réponse à un signal de commande de remise à l'état initial Rx, transférer un niveau de tension de remise à l'état initial à la photodiode 200, et un tampon de sortie 210 qui, en réponse à un signal de commande de tampon Bx, fournit en sortie le niveau de tension de remise à l'état initial et le signal de sortie à la photodiode 200. Le fonctionnement du pixel va maintenant être décrit en référence à la figure 2. Tout d'abord, le transistor de remise à l'état initial MR et le transistor de transfert MT sont activés simultanément pour ainsi créer une zone de déplétion totale dans la photodiode 200. Le transistor de transfert MT est ensuite désactivé, tandis que le transistor de remise à 7 2788189 l'état initial MR est maintenu à l'état activé, afin que la photodiode 200 génère des charges électriques. Puis, après que le transistor de transfert MT a été activé, le tampon de sortie 210 fournit en sortie les charges photoélectriques comme valeur de pixel à un circuit extérieur, en réponse au signal de commande de tampon Bx. Comme dans le cas des dispositifs de mémoire classiques, les pixels respectifs de la matrice de pixels partagent le signal de commande de tampon ligne par ligne. Cependant, le nombre des charges électriques qui doivent être accumulées dans la photodiode 200 est proportionnel à la période de temps pendant laquelle le transistor de transfert MT est maintenu à l'état désactivé en réponse au signal de commande de transfert Tx. Par conséquent, lorsqu'une image est captée dans un endroit sombre, le transistor de transfert MT doit être maintenu à l'état désactivé pendant une longue période, tandis que lorsqu'une image est captée dans un endroit lumineux, le transistor de transfert MT doit être maintenu à l'état désactivé pendant une courte période. La période de temps pendant laquelle le transistor de transfert MT est maintenu à l'état désactivé est appelé un temps d'exposition ou un temps d'intégration. Ici, un signal de commande de temps d'exposition représente un signal destiné à commander le temps d'exposition. La luminance peut donc être commandée par le temps d'exposition. En référence à la figure 3 qui représente une relation d'interconnexion entre une matrice de M x N pixels élémentaires et un générateur de signaux de commande, le générateur de signaux de commande 300 génère un nombre M de signaux de commande de transfert Tx, un signal de commande de remise à l'état initial Rx et le signal de commande de tampon Bx en fonction d'un temps d'exposition. La matrice 8 2788189 de M x N pixels 310 fournit en sortie un nombre N de valeurs de pixels. En référence à la figure 4, un organe de commande automatique d'exposition selon l'invention comprend une unité d'estimation de données 400, une unité de comptage 410, une unité d'addition et de comparaison 420, une unité de commande 450 et une unité génératrice de signal de commande de temps d'exposition 460. L'unité d'estimation de données 400 reçoit un numéro de ligne, une valeur de pixel vert, une valeur critique prédéterminée et une valeur de référence prédéterminée, le numéro de ligne fournissant des informations sur la ligne, puisque les informations relatives aux pixels verts des lignes impaires diffèrent de celles des lignes paires. A cet effet, un utilisateur peut programmer la valeur de référence prédéterminée et la valeur critique prédéterminée afin de contrôler toute la luminance et d'ajuster de manière souple la répartition des valeurs de pixels verts respectives. En outre, l'unité d'estimation de données 400 estime la valeur de pixel vert pour générer des signaux de commande de comptage INCP(1) à INCP (N), INCR, et INCM(1) à INCM(N) affectés à chaque plage prédéterminée en fonction des valeurs de pixels estimées. Les signaux de commande de comptage sont générés conformément à la relation suivante. Si, (RV+(P-1)xCV) 9 2788189 un signal de commande de comptage INCP(P) est généré, et si P est égal ou inférieur à moins un, un signal de commande de comptage INCM(P) est généré. L'unité de comptage 410 comprend (2N+l) compteurs CntP(1) à CntP(N), CntR, et CntM(1) à CntM(N). Chaque valeur de comptage des compteurs augmente de un en réponse au signaux de commande de comptage INCP(1) à INCP(N), INCR, et INCM(1) à INCM(N) correspondants. L'unité d'addition et de comparaison 420 comprend un premier additionneur/comparateur 430 et un second additionneur/comparateur 440. Le premier additionneur/comparateur 430 additionne et compare des valeurs de comptage respectives des compteurs CntP(1) à CntP(N) pour générer une première valeur de comptage respectives totale TOT1 et une première valeur de comptage maximale MAX1. De la même manière, le second additionneur/comparateur 440 additionne et compare des valeurs de comptage respectives des compteurs CntM(1) à CntM(N) pour générer une seconde valeur de comptage totale TOT2 et une seconde valeur de comptage maximale MAX2. Ainsi, le premier additionneur/comparateur 430 représente une répartition positive des pixels verts et le second additionneur/comparateur 440 représente une répartition négative des pixels verts. Précisément, si la première valeur de comptage totale TOT1 est supérieure à la seconde valeur de comptage totale TOT2, cela signifie que la luminance en cours est supérieure à une luminance de référence, tandis que si la seconde valeur de comptage totale TOT2 est supérieure à la première valeur de comptage totale TOT1, cela signifie que la luminance en cours est inférieure à la luminance de référence. L'unité de commande 450 compare la première valeur de comptage totale TOT1 avec la seconde valeur de comptage 2788189 totale TOT2 pour générer un rapport de commande d'exposition RATE. Par exemple, lorsque la première valeur de comptage totale TOT1 est supérieure à la seconde valeur de comptage totale TOT2, la valeur de comptage du compteur de référence CntM est comparée avec la valeur de comptage maximale MAX1 En revanche, si la seconde valeur de comptage totale TOT2 est supérieure à la première valeur de comptage totale TOT1, la valeur de comptage du compteur de référence CntM est comparée avec la seconde valeur de comptage maximale MAX2. Il résulte de ces opérations de comparaison que si la première ou la seconde valeur de comptage maximale est supérieure à la valeur de référence, l'unité de commande 450 génère un rapport de commande d'exposition RATE et un signal de commande de mise à jour UPDATE. Le rapport de commande d'exposition RATE est défini par: Valeur de référence Rapport de commande d'exposition = (Valeur de référence + N x Valeur critique) N étant un coefficient du compteur ayant la valeur de comptage maximale. Par exemple, si le compteur qui a la valeur de comptage maximale est le compteur CntP(3), le rapport de commande d'exposition RATE devient le suivant: RATE=(valeur de référence)-((valeur de référence) +3x(valeur critique)). L'unité génératrice de signal de commande de temps d'exposition 460 génère un signal de commande de temps d'exposition suivant représentant une valeur obtenue en multipliant un temps d'exposition en cours par le rapport de commande d'exposition RATE en réponse au signal de commande de mise à jour UPDATE et à un mode de commande d'exposition automatique. De plus, l'image suivante est 1 2788189 captée en réponse au signal de commande de temps d'exposition suivant calculé. Le processus de calcul d'un temps d'exposition suivant, selon la présente invention est décrit ci-après en référence aux organigrammes des figures 5A et 5B. Au cours de l'étape 500, la matrice de pixels (310 sur la figure 3) capte une image pour générer des valeurs de pixels. Puis, au cours de l'étape 501, les valeurs de pixels verts sont estimées et les pixels respectifs sont comptés en fonction de plages prédéterminées, comme cela a été décrit en référence à la figure 4. Ensuite, au cours de l'étape 502, les pixels verts ayant une valeur de pixel supérieure à une plage de référence prédéterminée sont additionnés et comparés pour générer une première valeur de comptage totale et une première valeur de comptage maximale, tandis que les pixels verts ayant une valeur de pixel inférieure à une plage de référence prédéterminée sont additionnés et comparés pour calculer une seconde valeur de comptage totale et une seconde valeur de comptage maximale. Au cours de l'étape 503, la première valeur de comptage totale est comparée avec la seconde valeur de comptage totale. A la suite de la comparaison, si la seconde valeur de comptage totale est supérieure à la première valeur de comptage totale, la seconde valeur de comptage maximale est sélectionnée au cours de l'étape 504. Si la première valeur de comptage totale est supérieure à la seconde valeur de comptage totale, la première valeur de comptage maximale est sélectionnée au cours de l'étape 505. Ensuite, au cours de l'étape 506, la valeur de comptage du compteur de référence est comparée avec la valeur de comptage maximale sélectionnée. Si la valeur de comptage du compteur de référence est supérieure à la 12 2788189 valeur de comptage maximale sélectionnée, un temps d'exposition suivant est, au cours de l'étape 507, égal au temps d'exposition en cours. Si la valeur de comptage maximale sélectionnée est supérieure à la valeur de comptage du compteur de référence, le rapport de commande d'exposition RATE est, au cours de l'étape 508, calculé de la manière suivante: Valeur de référence Rapport de commande d'exposition = (Valeur de référence + N x Valeur critique) Puis, au cours de l'étape 509, il est déterminé si un mode de commande d'exposition automatique est activé. Si le mode de commande d'exposition automatique est désactivé, la valeur du signal de commande de temps d'exposition suivant est égale à la valeur du temps d'exposition en cours. A l'étape 510, si le mode de commande d'exposition automatique est activé, la valeur du temps d'exposition suivant est calculée en multipliant la valeur du temps d'exposition en cours par le rapport de commande d'exposition. Puis, au cours de l'étape 511, l'image suivante est captée en fonction du nouveau signal de commande de temps d'exposition calculé. Les étapes 501 à 511 sont ensuite répétées jusqu'à ce que l'opération de capture d'images soit finalement terminée. Bien que la description précédente n'ait porté que sur certains modes de réalisation de la présente invention, celle-ci n'est bien entendu pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés ici, et l'homme de l'art comprendra aisément qu'il est possible d'y apporter de nombreuses variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 13 2788189 REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande automatique d'un temps d'exposition dans un capteur d'images CMOS, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen d'estimation de données (400) destiné à estimer les valeurs de pixels verts en fonction de plages prédéterminées respectives afin de générer des signaux de commande de comptage; un moyen de comptage (410) destiné à effectuer une opération de comptage en réponse aux signaux de commande de comptage correspondants, le moyen de comptage comprenant un premier compteur (CntR) destiné à compter des pixels verts ayant des valeurs de pixels situées dans une plage de référence prédéterminée, de multiples seconds compteurs (CntP(1)-CntP(N)) destinés à compter des pixels verts ayant des valeurs de pixels supérieures aux plages de référence prédéterminées en fonction des plages prédéterminées respectives, et de multiples troisièmes compteurs (CntM(1)- CntM(N)) destinés à compter des pixels verts ayant des valeurs de pixels inférieures aux plages prédéterminées en fonction des plages prédéterminées respectives; un premier moyen (430) destiné à additionner et à comparer les valeurs de comptage provenant des multiples seconds compteurs (CntP(1)-CntP(N)) pour générer une première valeur de comptage totale (TOT1) et une première valeur de comptage maximale (MAX1); un second moyen (440) destiné à additionner et à comparer les valeurs de comptage provenant des multiples troisièmes compteurs CntM(l)- CntM(N)) pour générer une seconde valeur de comptage totale (TOT2) et une seconde valeur de comptage maximale (MAX2); un moyen de commande (450) destiné à comparer les valeurs de comptage du premier compteur, des multiples 14 2788189 seconds compteurs et des multiples troisièmes compteurs pour générer un signal de commande de mise à jour (UPDATE) et un rapport de commande d'exposition (RATE); et un moyen générateur de signal de commande de temps d'exposition (460) destiné, en réponse à un signal de mode de commande d'exposition et au signal de commande de mise à jour, à générer un signal de commande de temps d'exposition suivant. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plage de référence prédéterminée est supérieure à une différence entre une valeur de référence et une valeur critique et inférieure à une somme de la valeur de référence et de la valeur critique, la valeur de référence et la valeur critique étant fournies en entrée au moyen d'estimation de données (400) et programmées par un utilisateur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport de commande d'exposition (RATE) est calculé de la manière suivante: Valeur de référence Rapport de commande d'exposition = (Valeur de référence + N x Valeur critique) N étant un coefficient du compteur ayant la valeur de comptage maximale. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le signal de commande de temps d'exposition suivant est une valeur obtenue en multipliant une valeur d'un signal de commande de temps d'exposition en cours par le rapport de commande d'exposition. 5. Procédé de commande automatique d'un temps d'exposition dans un capteur d'images CMOS, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à: 2788189 a) estimer (501) des valeurs de pixels verts et compter des pixels verts en fonction de plages prédéterminées respectives; b) calculer (502) une première valeur de comptage totale et une première valeur de comptage maximale de pixels verts ayant des valeurs de pixels supérieures à une plage de référence prédéterminée, et une seconde valeur de comptage totale et une seconde valeur de comptage maximale des pixels verts ayant des valeurs de pixels inférieures aux plages de référence; c) comparer (503) la première valeur de comptage totale avec la seconde valeur de comptage totale; d) comparer (506) une troisième valeur de comptage totale des pixels verts ayant une valeur de pixel située dans la plage de référence prédéterminée avec la première valeur de comptage maximale, si la première valeur de comptage totale est supérieure à la seconde valeur de comptage totale, et comparer la troisième valeur de comptage totale avec la seconde valeur de comptage maximale, si la seconde valeur de comptage totale est supérieure à la première valeur de comptage totale; e) capter (511) une image suivante en fonction d'un signal de commande de temps d'exposition en cours, si la troisième valeur de comptage totale est supérieure, et calculer un rapport de commande d'exposition et un signal de commande de temps d'exposition et capter l'image suivante en fonction du signal de commande de temps d'exposition suivant, si la troisième valeur de comptage totale est inférieure; et f) répéter les étapes a) à e) jusqu'à ce que la capture d'images soit finalement terminée. 16 2788189 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape e) comprend également les étapes qui consistent a: el) déterminer (509) si un mode de commande d'exposition est activé; et e2) capter (507) l'image suivante en fonction du signal de commande de temps d'exposition en cours, si le mode de commande d'exposition est désactivé, et capter (510) l'image suivante en fonction du signal de commande de temps d'exposition suivant, si le mode de commande d'exposition est activé. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la plage de référence prédéterminée est supérieure à une différence entre une valeur de référence et une valeur critique et inférieure à une somme de la valeur de référence et de la valeur critique, la valeur de référence et la valeur critique étant programmées par un utilisateur. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le rapport de commande d'exposition est calculé de la manière suivante: Valeur de référence Rapport de commande d'exposition = (Valeur de référence + N x Valeur critique) N étant un coefficient du compteur ayant la valeur de comptage maximale. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le signal de commande de temps d'exposition suivant est obtenu en multipliant un temps d'exposition en cours par le rapport de commande d'exposition.