Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD (대한전자공학회논문지SD)

The Institute of Electronics and Information Engineers (대한전자공학회)
권호 표지

A CMOS Image Sensor with Analog Gamma Correction using a Nonlinear Single Slope ADC

비선형 단일 기울기 ADC를 사용하여 아날로그 감마 보정을 적용한 CMOS 이미지 센서

  • Ham Seog-Heon (Dept. Electrical and Electronic Engineering, Yonsei Univ.) ;
  • Han Gunhee (Dept. Electrical and Electronic Engineering, Yonsei Univ.)
  • 함석헌 (연세대학교 전기전자공학과) ;
  • 한건희 (연세대학교 전기전자공학과)
  • Published : 2006.01.01
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Abstract

An image sensor has limited dynamic range while the human eye has logarithmic response over wide range of light intensity. Although the sensor gain can be set high to identify details in darker area on the image, this results in saturation in brighter area. The gamma correction is essential to fit the human eye response. However, the digital gamma correction degrades image quality especially for darker area on the image due to the limited ADC resolution and the dynamic range. This Paper proposes a CMOS image sensor (CIS) with a nonlinear analog-to-digital converter (AU) which performs analog gamma correction. The CIS with the proposed nonlinear analog-to-digital conversion scheme was fabricated with a $0.35{\mu}m$ CMOS process. The analog gamma correction using the proposed nonlinear ADC CIS provides the 2.2dB peak-signal-to-noise-ratio(PSM) improved image qualify than conventional digital gamma correction. The PSNR of the image obtain from the digital gamma correction is 25.6dB while it is 27.8dB for analog gamma correction. The PSNR improvement over digital gamma correction is about $28.8\%$.

인간의 눈은 넓은 영역의 빛의 밝기를 받아들이기 위해 log 응답 특성을 갖는 반면 이미지 센서는 제한된 dynamic range를 갖는다. 선형 ADC(analog-to-digital converter)를 적용한 일반적인 CMOS 이미지 센서는 이미지의 어두운 부분을 확실하게 나타나게 하기 위하여 이득을 높이며 일부 밝은 부분의 포화 현상을 막을 수는 없다. 감마 보정은 인간의 눈의 반응에 맞추는 본질적인 방법이다. 그러나 디지털 감마 보정은 ADC 해상도와 센서 자체의 dynamic range의 한계 때문에 이미지의 질을 떨어뜨린다. 본 논문은 아날로그 감마 보정을 수행하는 비선형 ADC를 사용한 CMOS 이미지 센서를 제안한다. 제안된 비선형 ADC를 적용한 CMOS 이미지 센서는 $0.35{\mu}m$ CMOS 공정을 이용하였다. 제안된 비선형 ADC CIS를 적용한 아날로그 감마 보정이 기존의 디지털 감마 보정 방법에 비해 질적으로 향상된 이미지를 보였는데 수치적으로 200mV 미만 픽셀 출력으로 이루어진 저조도 이미지에서의 peak-signal-to-noise ratio (PSNR)는 제안된 아날로그 감마 보정이 27.8dB, 디지털 감마 보정이 25.6dB로 측정되어 아날로그 감마 보정이 디지털 감마 보정에 비해 저조도 양자화 잡음을 $28.8\%$ 개선되었음을 확인하였다.

Keywords

References

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