Ekstreme egenskaper i ny bildebrikke

En nylig utviklet kamerabrikke lover kraftig forbedring i dynamikken og strømforbruket til digitale kameraer.

Forskere ved University of Rochester i staten New York, annonserte nylig en bildebehandlingsbrikke med svært positive egenskaper.

Et par teknologier skal om kort tid kunne åpne for bildebehandlingsbrikker som bruker en brøkdel av energien som benyttes av dagen brikker, samtidig som bildekvaliteten blir kraftig forbedret. I en pressemelding loves det kameraer på størrelse med en skjorteknapp som kan fungere i årevis på et enkelt batteri. De kan fungere som trådløse sikkerhetskameraer i hjemmet som fotograferer når alarmen aktiveres, eller la karttjenester som Google Earth zoome ned på gatenivå med sanntidsbilder. Brikkens lave strømforbruk skal også kunne nyttiggjøres i mobiltelefoner med videotelefonifunksjonalitet.

Forskerne, professor Mark Mocko og assisterende professor Zeljko Ignjatovic, har designet en prototypbrikke som kan digitalisere direkte i hver piksel. De arbeider nå med å innføre en annen teknologi som vil komprimere bilde med langt færre beregninger enn de beste av dagens komprimeringsteknikker.

- Disse to teknologiene kan fungere sammen eller hver for seg for i stor grad å redusere energikostnadene ved å fange et digitalt bilde, sier Bocko i en pressemelding.

- Den ene er en evolusjon ved å den bringer dagen teknologi videre. Den andre kan vise seg revolusjonerende fordi den utgjør en helt ny måte å tenke på når det gjelder innfangingen av bildet, mener Bocko.

Den første teknologien integrerer en over oversampling "sigma-delta" AD-konverter i hver pikselplass i en CMOS-sensor. Tidligere forsøk på å gjøre denne konverteringen på pikselnivå har ifølge forskerne krevd altfor mange transistorer, nå som overlater for lite plass til å samle lys. De nye teknikkene brukere ikke mer enn tre transistorer per piksel, noe som gjør at halve pikselarealet kan reserveres til å samle inn lys.

De første testene med brikken viser at brikken bruker 0,88 nanowatt per piksel ved video med rater på 30 bilder i sekundet. Dette skal være 50 ganger mindre enn det beste på markedet i dag. Dessuten skal de dynamiske nivået være svært mye bedre enn konvensjonelle brikker. Ifølge forskere kan eksisterende CMOS-sensorer registrere lys som er tusen ganger sterkere enn det svakeste lyset de kan detektere. Dette gir et dynamisk område på 1:1000. Allerede skal teknologien utviklet ved Rochester-universitetet gi et dynamisk nivå på 1:100.000.

Tradisjonelle bildesensorer bruker ifølge forskerne en matrise med lyssensitive dioder for å detektere innkommende lys, samt transistorer plasser ved hver lysdiode for å forsterke og sende signalet til en analog-til-digital-konverter plassert på utside av fotodiodematrisen. Andre løsninger kan gjøre signalet digitalt rett med piksellokasjonen, men dette krever svært presise transistorer, som altså tar langt mer plass.

Det nye designet bruker ikke bare mindre transistorer ved hver piksel, men transistorene skal også kunne skaleres ned i størrelse, for eksempel i forbindelse med nye prosessteknologier, uten å redusere sensorytelsen. Dette betyr ifølge forskerne at brikker med langt høyere tetthet kan utvikles uten de uoverkommelige problemene ved eksisterende sensordesign.

Når transistorene blir redusert i størrelse, blir de også raskere, noe som tillater at lyset kan registreres oftere og mer nøyaktig.

Ifølge forskerne, benytter tradisjonelle, CMOS-basert bildedetektorer en spenning for å lade opp en fotodiode, slik at det innkommende lyse forårsaker frigivelse av noe av den ladningen. En forsterkende transistor sjekker så den gjenværende ladningen i dioden, før dioden lades på nytt. Bocko og Ignjatovics design tar også utgangspunkt i en ladet fotodiode som utlades når lys treffer den, men utladingen måles så mot en en/null-terskel. Den resulterende biten sendes så fra brikken. Hvis resultatet av en måling er en ener, vil en ladningspakke sendes tilbake til dioden, og dermed lade på nytt. I tillegg krever sensorene mindre effekt enn dagens sensorer, noe som også er med på å redusere strømforbruket.

Den andre teknologien forskerne har utviklet, "Focal Plane Image Compression", innebærer at forskerne har funnet en måte å arrangere lysdiodene på en bildebrikke slik at komprimering av det resulterende bildet bare krever 1 prosent av regnekraften som vanligvis kreves.

Ifølge pressemeldingen er lysdetekterende dioder på en brikke normalt arrangert som et gitter - for eksempel med tusen ganger tusen piksler. Et bilde knipses og hver diode registrerer lyset som treffer den. En liten datamaskin i kameraet utfører så komplekse beregninger for å komprimere bildet slik at det i stedet for å kreve 10 megabytes med lagringsplass, i stedet kan ta så liten plass som for eksempel 100 kilobytes. JPEG-formatet, som benyttes i svært mange kameraer, er et eksempel på dette. Ulempen er at beregningene som utføres, krever store mengder med strøm, og dermed tapper batteriet.

Ignjatovic og Bocko. Foto: University of Rochester

Ignjatovic og Bocko oppdaget en måte å få den fysiske layouten med lyssensitive dioder til å forenkle kalkulasjonene. Den normale måten å utføre komprimeringer på, inkluderer en kalkulasjon som kalles diskret cosinus-transformasjon, hvor det sjekkes hvor mye et segment av et bilde ligner på en serie med cosinus-bølger. Både bildet og cosinus-bølgene samples med jevne intervaller, og transformasjonen krever at bilde- og cosinusbølge-samplene blir multiplisert og lagt sammen. Siden cosinusbølge-samplene kan ha enhver verdi mellom -1 og +1, krever innebærer beregningene normalt multiplisering med desimaltall. Det er først og fremst dette som gjør beregningene tunge.

Det forskerne har gjort, er at de har fått pikslene til å ligge ved ekstrempunktene til cosinus-bølgene, noe som har resultert i en matrise hvor pikslene ikke er uniformt distribuert, men hvor avstanden mellom hver piksel varierer. Ved å bruke denne metoden, har datakraften som kreves for å komprimere bildet blitt redusert til i overkant av 20 prosent. Siden hver piksel er plassert nøyaktig der hvor cosinus-bølgen har et ekstrempunkt - hvor verdien er "én", er multiplisering unødvendig. Når det kun er en smule addisjon som skal til, bruker prosessoren mindre strøm.

Forskerne ser nå på metoder for å bygge en prototypbrikke som tar i bruk begge teknologiene samtidig, for å se hvor mye behovet for prosessorkraft vil reduseres med ved bruk av designen. Deretter planlegges det i første omgang å integrere teknologien inn i trådløse overvåkingskameraer.

- Trådløse overvåkingskameraer utgjør det perfekte testområdet for disse teknologiene, sier Bocko.

- Disse kameraene er nødt til å fange inn, komprimere og overføre høykvalitets bilder så raskt som mulig, uten å bruke for mye av batteriet. Etter hvert som vi utvikler brikken videre, vil vi se mer på konsumentkameraer og mobiltelefoner for å se hvor mye batteri- og prosesseringskraft vi kan spare på disse områdene også, forteller Bocko.

Det er ikke blitt spesifisert noe tidspunkt for når produkter basert på teknologiene kan komme på markedet.

Til toppen