طراحي و پياده سازي حسگرهاي تصويربردار CMOS بر اساس تكنيك حسگري فشرده

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي برق

دكتري

در دنياي مدرن امروزي در بسياري از كاربردها از جمله دوربين‌هاي ديجيتال، تلفن‌هاي هوشمند و سيستم‌هاي نظارتي و در زمينه‌هاي تصويربرداري پزشكي و تصويربرداري راداري، حسگرهاي تصويربردار CMOS مورداستفاده قرار مي‌گيرند. در تصويربردارهايي با ميزان تفكيك بالا حجم اطلاعات حاصل از تصوير زياد است كه پردازش و ذخيره‌سازي آن از چالش‌هاي اصلي اين تصويربردارها است كه منجر به افزايش توان مصرفي، كاهش سرعت و افزايش سطح تراشه مي‌شود. ضمن آنكه پهناي باند موردنياز براي انتقال اطلاعات به خارج از تراشه افزايش مي‌يابد. از اينرو در بسياري از كاربردها استفاده از الگوريتم‌هاي فشرده‌سازي ضروري است. در اين پژوهش ابتدا فرآيند تصويربرداري و روش‌هاي مختلف فشرده‌سازي اطلاعات تصاوير مورد بررسي قرار گرفته‌است و با توجه به مزايا و معايب روش‌هاي مختلف، روش حسگري فشرده به منظور فشرده‌سازي اطلاعات تصوير انتخاب شده‌است. در اين راستا ساختارهاي مختلف حسگرهاي تصويربردار كه مبتني بر روش حسگري فشرده هستند مورد مطالعه قرار گرفته‌است. حسگري فشرده يكي از روش‌هاي پردازش سيگنال است كه براي سيگنال‌هاي به اندازه كافي تنك اجازه مي‌دهد اطلاعات با تعداد نمونه‌برداري كمتر از آنچه در روش‌هاي سنتي لازم است، بازيابي شده و در عين حال كيفيت سيگنال حفظ شود. اين امر در شرايطي كه تصويربرداري پرهزينه يا زمانبر باشد بسيار مفيد است. بنابراين به كمك اين روش و با بهره‌گيري از ويژگي‌هاي خاص سيگنال‌هاي تصاوير، مي‌توان حجم داده‌ي موردنياز براي انجام پردازش، ذخيره در تراشه و يا انتقال به خارج از تراشه را كاهش داد. در روش حسگري فشرده، فشرده‌سازي اطلاعات به كمك يك ماتريس اندازه‌گيري انجام مي‌شود كه اين ماتريس مي‌تواند از نوع تصادفي و يا معين باشد. به منظور انتخاب ساختاري با عملكرد مناسب، ابتدا ساختارهاي حسگرهاي معرفي‌شده در كارهاي پيشين و مزايا و معايب آنها مورد مطالعه قرار گرفته‌است. نتايج ارائه‌شده در كارهاي قبلي نشان مي‌دهد كه فشرده‌سازي با ماتريس‌هاي تصادفي نياز به محاسبات بيشتري براي جمع‌آوري داده‌ها و بازيابي اطلاعات دارد ضمن آنكه پياده‌سازي پيچيده‌تري دارد و براي هر بار جمع‌آوري داده‌ها ممكن است نياز به توليد مجدد ماتريس باشد، با اين حال شرايط بازيابي سيگنال را به خوبي فراهم مي‌كند. از سوي ديگر فشرده‌سازي با ماتريس‌هاي اندازه‌گيري معين سرعت بالاتري در جمع‌آوري داده و بازسازي آن دارد ضمن آنكه انجام محاسبات ساده‌تر و سريع‌تر است. پياده‌سازي ماتريس معين ساده و قابل تكرار است و به دليل ماهيت تصاوير طبيعي نتايج بهتري بدست مي‌آيد. از اينرو در اين رساله به منظور بررسي تاثير نوع ماتريس اندازه‌گيري بر روي عملكرد تصويربردار و كيفيت تصاوير بازيابي‌شده، مجموعه وسيعي از ماتريس‌هاي معين در كنار ماتريس تصادفي مورد بررسي قرار گرفته‌است و با توجه به نتايج حاصل از پياده‌سازي ساختار با ماتريس‌هاي اندازه‌گيري معين سه ساختار با بهترين نتايج، به صورت سخت‌افزاري پياده‌سازي شده‌است. با توجه به ضرورت داشتن تصويربرداري كه قابليت تشخيص اجسام متحرك را داشته‌باشد در ساختارهاي ارائه‌شده ساختار پيكسل به گونه‌اي طراحي شده‌است كه بتواند در سطح پيكسل تصوير حاصل از تفاضل فريم‌هاي متوالي از يك ويدئو را ايجاد نمايد. بنابراين هر يك از آرايه‌هاي تصويربردار پيشنهادي توانايي كار در حالت تصويربرداري از صحنه و توليد تصاوير تفاضلي از حركت اجسام متحرك را دارد. پس از دريافت تصوير، فشرده‌سازي بر روي اطلاعات تصوير موجود (عادي يا تفاضلي) انجام مي‌شود. به منظور بررسي صحت عملكرد حالت‌هاي مختلف هر تصويربردار، سيگنال‌هاي خروجي هر ساختار دريافت شده و به صورت رفتاري سيگنال‌هاي فشرده‌شده بازيابي و تصوير متناظر با آن توليد شده‌است. نتايج حاصل از شبيه‌سازي هر ساختار درستي عملكرد آن را نشان مي‌دهد. در ساختار اول و در حالت تصويربرداري عادي و تفاضلي مقدار بيشينه نسبت سيگنال به نويز، PSNR، به ترتيب 25.48dB و 32.15dB و ميانگين انحراف از يك در معيار حفظ لبه 0.2567 و 0.0699 است. مقدار PSNR در ساختار دوم در حالت عادي 25.63dB و در حالت تفاضلي 33.62dB و در ساختار سوم در حالت عادي 23.02dB و در حالت تفاضلي 29.53dB بدست آمده‌است. همچنين پارامتر انحراف از يك در ساختار دوم در حالت تصويربرداري عادي 0.0545 و در حالت تصويربرداري تفاضلي 0.2042 و در ساختار سوم در حالت تصويربرداري عادي 0.0485 و در حالت تصويربرداري تفاضلي 0.7522 بدست آمده‌است. بر اساس نتايج حاصل كيفيت تصاوير تفاضلي بازيابي‌شده نسبت به تصاوير عادي بيشتر است. همچنين ساختار دوم و پس از آن ساختار اول نتيجه بهتري از نظر معيار PSNR دارد. در حاليكه ساختار سوم لبه‌هاي تصوير را بهتر بازيابي كرده‌است.

237817

مدارهاي مجتمع الكترونيك

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان