呂　楠， 余寧梅， 張鶴玖

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

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應(yīng)用于無透鏡細(xì)胞成像系統(tǒng)的非線性CMOS圖像傳感器

呂楠， 余寧梅， 張鶴玖

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

本文提出了一種應(yīng)用于無透鏡細(xì)胞成像系統(tǒng)的非線性CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)。以犧牲醫(yī)療評(píng)估不關(guān)心的背景光強(qiáng)區(qū)域的對(duì)比度為代價(jià)，將分段式線性對(duì)比度拉伸算法集成于CMOS圖像傳感器芯片內(nèi)，在提高細(xì)胞區(qū)域的對(duì)比度的同時(shí)提高集成度。利用可配置多頻率計(jì)數(shù)器，通過對(duì)背景灰度粗量化、感興趣細(xì)胞區(qū)域灰度細(xì)量化的方法，在ADC量化精度相同的情況下，增加了細(xì)胞光強(qiáng)區(qū)域的量化精度和對(duì)比度。對(duì)ADC的靜態(tài)特性仿真結(jié)果表明，本文提出的非線性CMOS圖像傳感器滿足各個(gè)模式下對(duì)精度的要求。通過Matlab仿真對(duì)比分析了片外分段式線性對(duì)比度拉伸和本文提出的芯片內(nèi)部的對(duì)比度拉伸。仿真結(jié)果表明，采用本文方法形成的細(xì)胞圖像精度更高、細(xì)節(jié)效果更清晰，這為后續(xù)圖像數(shù)據(jù)處理提供了有利條件。

無透鏡成像； CMOS圖像傳感器； 非線性單斜率ADC； 分段式線性對(duì)比度拉伸； 數(shù)字可配置多頻率計(jì)數(shù)器

細(xì)胞檢測(cè)一直是醫(yī)療及時(shí)診斷(Point-of-Care)的一個(gè)重要依據(jù)和重要指標(biāo)。細(xì)胞種類、細(xì)胞個(gè)數(shù)以及細(xì)胞圖像也已經(jīng)成為了評(píng)估疾病和健康標(biāo)準(zhǔn)的重要醫(yī)學(xué)手段[1-2]。近年來，隨著智慧醫(yī)療及物聯(lián)網(wǎng)概念的普及，對(duì)醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備提出了新的要求[3]。在無透鏡成像系統(tǒng)中，CMOS圖像傳感器是采集圖像的關(guān)鍵部件，對(duì)其進(jìn)行深入研究，具有重要意義[4-7]。

無透鏡細(xì)胞成像遵循透射成像機(jī)制，由于細(xì)胞與背景透射度比較接近，使得細(xì)胞整體圖像對(duì)比度較低。此外，由于無透鏡細(xì)胞成像系統(tǒng)無法對(duì)視場(chǎng)放大，導(dǎo)致細(xì)胞圖像分辨率過低。這兩點(diǎn)增加了細(xì)胞統(tǒng)計(jì)誤差，影響了醫(yī)療診斷結(jié)果。針對(duì)第一點(diǎn)，現(xiàn)階段解決的方法是采用片外數(shù)字對(duì)比度拉伸技術(shù)[8]。但是，該方法一方面會(huì)放大細(xì)胞光強(qiáng)區(qū)域的量化噪聲，導(dǎo)致細(xì)胞圖像質(zhì)量下降，另一方面對(duì)于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)而言，圖像對(duì)比度拉伸算法的核心在于針對(duì)圖像全局的隨機(jī)映射函數(shù)[9]，很難集成于圖像傳感器內(nèi)。但是在細(xì)胞成像應(yīng)用中，灰度分布比較確定。相對(duì)于背景灰度而言，細(xì)胞灰度較為集中，映射函數(shù)簡(jiǎn)單。在無透鏡細(xì)胞成像中，通過簡(jiǎn)單的邊緣灰度檢測(cè)就可以很容易確定對(duì)比度拉伸的映射函數(shù)。對(duì)于第二點(diǎn)，一般采用多幀或單幀超分辨率重構(gòu)來提高分辨率[10]。但是無論哪種數(shù)字圖像處理效果都取決于低分辨率下細(xì)胞圖像的精度。

本文提出了一種非線性單斜率ADC結(jié)構(gòu)，將分段式對(duì)比度拉伸集成在CMOS圖像傳感器內(nèi)部。利用可配置多頻率計(jì)數(shù)器，通過對(duì)背景灰度粗量化、感興趣細(xì)胞區(qū)域灰度細(xì)量化的方法，在ADC對(duì)圖像信息量化精度相同的情況下，增加了細(xì)胞光強(qiáng)區(qū)域的量化精度，為數(shù)字圖像處理提供了精度更高、細(xì)節(jié)更清晰的細(xì)胞部分圖像。相比于傳統(tǒng)的線性單斜率ADC，本文提出的非線性ADC結(jié)構(gòu)只需要增加一個(gè)可配置多頻率計(jì)數(shù)器電路和一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字邊緣檢測(cè)電路，保留了單斜率ADC內(nèi)在高精度的優(yōu)點(diǎn)。

1　非線性CMOS圖像傳感器系統(tǒng)

本文提出的非線性單斜率CMOS圖像傳感器如圖1所示。每一列像素共用一個(gè)相關(guān)雙采樣電路(CDS)、數(shù)字可編程增益放大器(DPGA)、高速動(dòng)態(tài)鎖存比較器和10位寄存器。CDS電路用來消除復(fù)位噪聲，DPGA通過調(diào)節(jié)放大倍數(shù)進(jìn)而擴(kuò)展圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。非列電路包括斜坡發(fā)生器、行控制譯碼電路、列輸出譯碼電路、10位可配置多頻率計(jì)數(shù)器和數(shù)字邊緣檢測(cè)電路。相比于傳統(tǒng)的單斜率ADC，本文提出的非線性單斜率CMOS圖像傳感器增加了一個(gè)10位可配置多頻率計(jì)數(shù)器和一個(gè)數(shù)字邊緣檢測(cè)電路。

圖1　非線性列并行單斜率CMOS圖像傳感器系統(tǒng)框圖Fig.1　Block diagram of the proposed nonlinear column-parallel single-slope CMOS image sensor

圖2為本文提出的非線性單斜率ADC工作原理示意圖。我們以動(dòng)物細(xì)胞為例，整個(gè)細(xì)胞包括細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞膜等。本文提出的非線性單斜率ADC有三種工作方式：線性模式、中度拉伸模式和深度拉伸模式。

在線性工作模式下，本文提出的ADC結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)線性單斜率ADC工作原理相同。整個(gè)光強(qiáng)范圍內(nèi)采用固定計(jì)數(shù)頻率計(jì)數(shù)。

在對(duì)比度拉伸模式下，基于細(xì)胞的組成和特點(diǎn)，我們將整個(gè)光強(qiáng)范圍分為五個(gè)光強(qiáng)區(qū)間。在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)所在的光強(qiáng)區(qū)間采用一個(gè)更快的計(jì)數(shù)頻率來獲得更高的A/D轉(zhuǎn)換增益;在背景光強(qiáng)區(qū)間采用一個(gè)較慢的計(jì)數(shù)頻率來獲得一個(gè)較低的A/D轉(zhuǎn)換增益。

圖2　非線性單斜率CMOS圖像傳感器工作原理示意圖Fig.2　The working principle diagram of the proposed nonlinear column-parallel single-slope CMOS image sensor

為了滿足不同模式下時(shí)序的一致性，在低對(duì)比度拉伸模式下各個(gè)區(qū)間計(jì)數(shù)碼必須滿足以下條件：

(1)

同時(shí)在高對(duì)比度拉伸模式下必須滿足：

(2)

其中，a、b、c、d，e表示細(xì)胞不同組成部分的光強(qiáng)范圍。雖然在這種分段方式下對(duì)比度拉伸系數(shù)不能自由控制,但是可以很大程度上簡(jiǎn)化時(shí)序的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)圖像傳感器芯片內(nèi)部的集成。

1.1可配置多頻率計(jì)數(shù)器

可以看出，相比于傳統(tǒng)的線性單斜率ADC，本文提出的非線性單斜率ADC中最重要的電路模塊是可配置多頻率計(jì)數(shù)器。圖3所示為可配置多頻率計(jì)數(shù)器電路示意圖。

圖3　可配置多頻率計(jì)數(shù)器電路框圖Fig.3　Block diagram of the proposed configurable multi-frequency counter

第一級(jí)4位同步計(jì)數(shù)器產(chǎn)生第二級(jí)10位同步計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率，從低到高依次為D0、D1、D2、D3。區(qū)間劃分模塊通過控制計(jì)數(shù)參考頻率的順序和轉(zhuǎn)換周期來確定非線性轉(zhuǎn)換的映射函數(shù)。區(qū)間劃分模塊有兩種輸入方式。第一種是通過引入外部參考信號(hào)。這主要是考慮到當(dāng)測(cè)試細(xì)胞固定不變時(shí)，可以通過醫(yī)學(xué)手段獲得更為合理的映射函數(shù)。第二種方法是通過邊緣檢測(cè)電路得到映射函數(shù)。邊緣檢測(cè)電路由10位數(shù)字比較器并行處理實(shí)現(xiàn)。

筆者以高對(duì)比度拉伸模式為例進(jìn)一步說明可配置多頻率計(jì)數(shù)器的工作原理，如圖4所示。

圖4　高對(duì)比度模式下可配置多頻率計(jì)數(shù)器工作原理示意圖Fig.4　The operation principle of the proposed configurable multi-frequency counter in high-stretch mode

在高對(duì)比度拉伸模式下，兩個(gè)二選一選擇器的輸出分別為Mclk和D3，第二級(jí)10位同步計(jì)數(shù)器的參考計(jì)數(shù)頻率為Mclk、D0和D3。通過控制四選一選擇器，第二級(jí)10位同步計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一個(gè)特定的數(shù)字輸出。相比于傳統(tǒng)的10位同步計(jì)數(shù)器，本文提出的可配置多頻率計(jì)數(shù)器需要更大的功耗和芯片面積。但是對(duì)于傳感器芯片整體而言，增加的面積和功耗幾乎可以忽略。

在無透鏡成像應(yīng)用環(huán)境下，本文提出的可配置多頻率計(jì)數(shù)器具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn): 1)針對(duì)不同的測(cè)試細(xì)胞,光強(qiáng)區(qū)間和計(jì)數(shù)頻率可以進(jìn)行調(diào)節(jié); 2)可配置多頻率計(jì)數(shù)器提高對(duì)比度的方法在細(xì)胞所在的光強(qiáng)區(qū)域不會(huì)放大量化噪聲，進(jìn)而降低細(xì)胞圖像質(zhì)量。在A/D轉(zhuǎn)換之前,輸入信號(hào)噪聲nin可以表示為:

nin=nthermal+npho_shot+nc

(3)

其中nthermal表示光電二極管的熱噪聲，npho_shot表示散粒噪聲,nc表示列電路產(chǎn)生的噪聲。對(duì)于線性ADC而言, A/D轉(zhuǎn)換后噪聲nout可以表示為:

nout=nin+nq

(4)

其中nq表示量化噪聲。片外實(shí)現(xiàn)分段式對(duì)比度拉伸后，噪聲變?yōu)?

noff-PLCS=αinouti∈1,2,3,…,m

(5)

其中m表示區(qū)間個(gè)數(shù),αi表示對(duì)應(yīng)的不同區(qū)間的壓縮或者拉伸系數(shù)。當(dāng)對(duì)應(yīng)的區(qū)間為壓縮區(qū)間時(shí)αi小于1，當(dāng)對(duì)應(yīng)的區(qū)間為拉伸區(qū)間時(shí)αi大于1。因此, 細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)所在拉伸區(qū)間的輸入噪聲和量化噪聲都會(huì)被放大, 導(dǎo)致該區(qū)間的圖像質(zhì)量下降。采用本文提出方法，噪聲變?yōu)?

non-PCLS=nin+βinqi∈1～5

(6)

其中βi代表計(jì)數(shù)頻率D1與相對(duì)于區(qū)間計(jì)數(shù)頻率的比值。因此，βi表示為:

(7)

其中fclk(i)包括fm_clk、f(D0)、f(D1)、f(D3)?？梢钥闯?，采用本文提出的可配置多頻率計(jì)數(shù)器，細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)所在的拉伸區(qū)間在整個(gè)光強(qiáng)范圍內(nèi)具有最小的量化噪聲。

1.2高速動(dòng)態(tài)鎖存比較器

為了實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換速度, 本文采用高速動(dòng)態(tài)鎖存比較器[11]。考慮到列寬限制, 鎖存器前級(jí)采用三級(jí)預(yù)放大來減小失調(diào)電壓。此時(shí)，比較器的失調(diào)電壓主要由第一級(jí)預(yù)放大器的輸入差分對(duì)管以及負(fù)載管的匹配度決定[12]。為了進(jìn)一步降低失調(diào)，可減小四個(gè)管子的VDsat, 同時(shí)增大溝道長度。此外,采用輸出失調(diào)抑制技術(shù)(OOS)來抑制KT/C噪聲。在時(shí)序控制方面, 為了減小回踢噪聲引入的誤差, 鎖存器相對(duì)于預(yù)放大級(jí)延遲四分之一個(gè)時(shí)鐘周期。

2　設(shè)計(jì)仿真與驗(yàn)證

2.1CMOS圖像傳感器版圖

本文提出的應(yīng)用于無透鏡成像的非線性單斜率CMOS圖像傳感器采用0.18 μm UMC CIS工藝設(shè)計(jì), 整體版圖(包括部分測(cè)試電路與I/O)如圖5所示，面積為(3.7×4.1) mm2,像素陣列為96×64。可配置多頻率計(jì)數(shù)器的有效面積為0.056 mm2, 功耗為1.5 mW。

圖5　CMOS圖像傳感器版圖Fig.5　Layout of the proposed nonlinear single-slope CMOS image sensor

表1給出了本次設(shè)計(jì)的非線性單斜率CMOS圖像傳感器的各項(xiàng)參數(shù)。

表1　非線性單斜率CMOS圖像傳感器性能參數(shù)

2.2靜態(tài)特性仿真

本文提出的基于可配置多頻率計(jì)數(shù)器的非線性單斜率ADC在Cadence Analog Design Environment平臺(tái)上使用Spectre仿真器進(jìn)行仿真。在3.3V電源電壓、20 MHz采樣頻率下，整體功耗為165 mW，其中列電路平均功耗為1.8 mW，斜坡發(fā)生器平均功耗為27 mW, I/O平均功耗為12 mW。采用線性斜坡電壓作為采樣信號(hào)進(jìn)行靜態(tài)特性仿真，每個(gè)碼采樣100個(gè)點(diǎn)。

圖6為3種不同模式下靜態(tài)仿真的差分非線性誤差(Differential Nonlinearity，DNL)和積分非線性誤差(Integral Nonlinearity，INL)性能對(duì)比，其中最低有效位(Least Significant Bit，LSB)表示最小可分辨分辨電壓。

1) 在線性計(jì)數(shù)下，通過MATLAB進(jìn)行碼密度分析，靜態(tài)仿真結(jié)果如圖6(a)所示，其中最大的DNL=-0.42 LSB,INL=-0.82 LSB；

2) 在中度對(duì)比度拉伸模式下，a=128,b=18,c=128,d=128,e=800,進(jìn)行歸一化處理，靜態(tài)仿真結(jié)果如圖6(b)所示，其中最大的DNL=-0.45 LSB,INL=+0.86 LSB；

3) 在高度對(duì)比度拉伸模式下，a=94,b=18,c=94,d=18,e=796，進(jìn)行歸一化處理，靜態(tài)仿真結(jié)果如圖6(c)所示，其中最大的DNL=+0.49 LSB,INL=-0.63 LSB。

圖6　3種不同模式下靜態(tài)仿真結(jié)果對(duì)比Fig.6　Simulation results for normalized static characteristic in three different modes

2.3無透鏡細(xì)胞采集驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出方法的有效性，本文采用12位精度的CMOS圖像傳感器(MT9P031)在無透鏡細(xì)胞采集平臺(tái)對(duì)未染色的羧基微球(樣本直徑為40μm)進(jìn)行采集。整個(gè)采集系統(tǒng)如圖7所示。

圖7　無透鏡細(xì)胞采集系統(tǒng)Fig.7　Cell image acquisition system with lensless CMOS image sensor

圖8給出不同模式下的微球樣本圖像及灰度直方圖。圖(a)為通過本文搭建的采集系統(tǒng)采集微球樣本圖像及對(duì)應(yīng)的灰度直方圖，可以看出圖像對(duì)比度較低。為了驗(yàn)證本文提出的方法的有效性，通過Matlab仿真對(duì)比了傳統(tǒng)的分段式線性對(duì)比度拉伸和本文提出的非線性對(duì)比度拉伸方法；圖(b)為按照分段式線性對(duì)比度拉伸后的微球樣本圖像灰度直方圖；圖(c)為按照本文提出的非線性高度對(duì)比度拉伸后的樣本圖像及對(duì)應(yīng)的灰度直方圖。

可以看出，按照本文提出的非線性ADC結(jié)構(gòu)，細(xì)胞圖像精度更高、細(xì)節(jié)效果更清晰，這為后續(xù)圖像數(shù)據(jù)處理提供了有利條件。

圖8　在不同模式下的微球樣本圖像及灰度直方圖Fig.8　The carboxyl microspheres image and gray histogram captured by the image acquisition system in different modes

3　結(jié)　語

本文提出了一種應(yīng)用于無透鏡細(xì)胞成像的非線性單斜率CMOS圖像傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)比度拉伸算法到CMOS圖像傳感器芯片內(nèi)部的集成。該結(jié)構(gòu)利用可配置多頻率計(jì)數(shù)器，在細(xì)胞光強(qiáng)區(qū)域采用高頻率計(jì)數(shù)，在不關(guān)心的背景光強(qiáng)區(qū)域采用低頻率計(jì)數(shù)，以背景光強(qiáng)區(qū)域的精度為代價(jià)，提高了細(xì)胞光強(qiáng)區(qū)域的精度。在0.18 μm UMC CIS工藝下設(shè)計(jì)完成了該圖像傳感器。

通過仿真靜態(tài)特性，在三種模式下，均滿足精度要求。通過已搭建的無透鏡細(xì)胞圖像采集系統(tǒng)對(duì)未染色的羧基微球進(jìn)行圖像采集，驗(yàn)證了本文提出的方法。

通過對(duì)比，在單幀低分辨率的圖像中，本文提出的方法在細(xì)胞光強(qiáng)區(qū)域可以得到更多的細(xì)胞細(xì)節(jié)信息，為后續(xù)的超分辨率算法提供了更為可靠的數(shù)據(jù)。

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(責(zé)任編輯楊小麗)

Nonlinear CMOS image sensor for lensless cell imaging application

Lü Nan， YU Ningmei， ZHANG Hejiu

(School of Automation and Information Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China)

A nonlinear CMOS image sensor integrated with contrast stretch for lensless cell imaging system is presented in this paper, with coarse quantified in the background light intensity and fine quantified in the cell light intensity by using a configurable multi-frequency counter. Compared with the conventional off-chip contrast stretching algorithm, using this method does not degrade image quality at the interested light intensity range (cell) at the cost of unconsidered range (background) in the same quantization precision. The static characteristics simulation results through spectre indicate that the nonlinear single-slope ADC is satisfied with 10-bit accuracy for the three modes. Matlab simulation results show that the more details of cell image can be obtained by this method, providing the higher precision of cell image for the image data processing.

lensless imaging; CMOS image sensor; nonlinear single-slope ADC； piecewise linear contrast stretch; digital configurable multi-frequency counter

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.03.001

2016-03-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61471296)；陜西省國際科技合作與交流計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014KW01-06)

呂楠，男,博士生，研究方向?yàn)槌笠?guī)模模擬集成電路設(shè)計(jì)。E-mail：sheng_xing@yeah.net

余寧梅，女，博導(dǎo)，教授，博士，研究方向?yàn)閷Ｓ眉呻娐吩O(shè)計(jì)技術(shù)及工藝。E-mail: yunm@xaut.edu.cn

TN72

A

1006-4710(2016)03-0253-06