CMOS图像传感器数据输出接口的低功耗编解码方法及编解码器

摘要

本发明公开了一种CMOS图像传感器数据输出接口的低功耗编解码方法及编解码器。其编码过程为：对原始像素数据低N-k位采用原数传送方式或BI编码方法编码；对原始像素数据高k位比较当前周期与当前周期之前第二个周期像素数据，若相等则接口数据输出保持不变，若不等则比较当前信号与当前周期之前第一个周期的接口信号，若不等则原数传送，若相等则传送当前周期之前第二个周期的原始数据。采用本发明具有编解码电路简单，延迟时间小和功耗低的优点，可应用于数码照相机、手机等低功耗便携设备中。

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及CMOS图像传感器，特别涉及RAW RGB输出格式的CMOS图像传感器数据输出接口的低功耗编码。

背景技术

CMOS图像传感器(CMOS image sensor，CIS)将图像信息处理单元电路与像素阵列集成在同一芯片上，凭借其成本和体积的优势，广泛应用于数码照相机、手机等便携设备。

现有的CMOS图像传感器CIS其结构原理如图1所示，它由像素阵列12和外围电路组成，像素单元11由光电二极管和电荷/电压转换电路组成，负责将光强转化为电压信号；像素构成的阵列通过行列扫描的方式依次输出每个像素单元上的电平信号，并经可控增益放大器15和高速A/D转换器16到达数据输出接口。

CMOS图像传感器CIS像素阵列排布的Bayer模式，如图2所示。其像素单元上，覆盖着红、绿、蓝不同色彩的彩色滤光膜，构成色彩滤镜阵列CFA。单一像素点仅感应一种色彩的光线强度，不同色彩的像素点间隔排列。由于人眼对绿色最为敏感，红像素点R绿像素点G蓝像素点B通常按照1∶2∶1的比例构成，称为Bayer模式，对应的原始数据输出形式称为RAW RGB格式。Bayer模式像素的排放形式和图像数据的逐行扫描输出方式决定RAW RGB输出数据传送特点为：奇数行以R，G，R，G...方式依次并行输出像素信号；偶数行以G，B，G，B...方式依次并行输出像素信号。可见，同色像素数据以间隔传送的方式输出。

对于数码照相机、手机等便携设备，用户一次充电后使用时间的长短成为衡量其性能的重要指标，因此伴随着CMOS图像传感器CIS像素数的不断增长，更低功耗的CIS设计成为其技术发展的关键问题。由于其数据输出接口信号翻转产生的动态功耗占CIS总功耗的比例呈上升趋势，因此CIS数据输出接口的低功耗设计方法研究也显得越发重要。

总线编码技术是降低总线或接口动态功耗的重要手段之一。文献Bus-Invert Coding for Low-Power I/O中的BI(bus-invert)编码方法通过计算欲传送数据与此前总线传送数据的汉明距离是否大于N/2(N为总线位宽)，确定以反码方式或原码方式传送数据，并通过冗余信号线表明传送原码或反码。文献Low Power Chip Interface based on BusData Encoding with Adaptive Code-book Method中的自适应码本(Adaptive Code-book)编码方法在码本中查找与欲传送数据汉明距离最短的数据并与之异或，再与上次传送数据异或后发送，并通过冗余位传送相应码本数据的代码，同时码本存储数据更新。

就CMOS图像传感器CIS数据输出接口，上述两种编码方法存在不足：BI编码方法结构简单，但需增加一根冗余信号线，动态功耗节省率(节省功耗与原功耗之比)低；自适应码本编码方法功耗节省率高，但结构复杂，实现成本(面积、延迟和自身功耗)高，并需增加多根冗余线。

发明内容

本发明的目的在于克服上述两种编码方法的缺点，提供一种CMOS图像传感器数据输出接口的低功耗编解码方法及编解码器，以提高动态功耗节省率，有效减少编解码器的面积和延迟并降低其功耗和输出接口的信号活动性。

为实现上述目的，本发明的编解码方法，包括以下两种方案：

技术方案1，一种CMOS图像传感器数据输出接口的低功耗编解码方法，包括：

(1)编码步骤

(1a)对于N位像素数据的低N-k位，将其原数传送至数据输出接口；

(1b)对于N位像素数据的高k位，判断当前周期像素数据与当前周期之前的第二个周期的像素数据是否相等，若两个周期像素数据相等则保持该高k位的接口不变；若不等则判断其是否与当前周期之前的第一个周期的接口数据相等，如果与接口数据不等则将当前周期数据原数传送至数据输出接口，如果相等则将当前周期之前第二个周期的像素数据传送至数据输出接口。

(2)解码步骤

(2a)对于N位接口数据低N-k位，将其传送至数据处理模块输出端口；

(2b)对于N位接口数据高k位，判断当前接口数据与当前周期之前的第一个周期的接口数据是否相等，若两个接口数据相等则传送当前周期之前的第二个周期的解码后数据，若不等则判断当前接口数据与当前周期之前的第二周期的解码后数据是否相同，如果与当前周期之前的第二周期的解码后数据不同则原数传送当前接口信号，如果数据相同则传送当前周期之前的第一个周期的接口数据。

技术方案2，一种CMOS图像传感器数据输出接口的低功耗编解码方法，包含：

A.编码步骤

(A1)对于N位像素数据的低N-k位，使用总线反转编码方法对其进行编码；

(A2)对于N位像素数据的高k位，判断当前周期像素数据与当前周期之前的第二个周期的像素数据是否相等，若两个周期像素数据相等则保持该高k位的接口不变；若不等则判断其是否与当前周期之前的第一个周期的接口数据相等，如果与当前周期之前的第一个周期的接口数据不等，则将当前周期数据原数传送至数据输出接口，如果与当前周期之前的第一个周期的接口数据相等，则将第二个周期的像素数据传送至数据输出接口。

B.解码步骤

(B1)对于N位接口数据的低N-k位，使用总线反转解码方法对其进行解码；

(B2)对于N位接口数据高k位，判断当前接口数据与当前周期之前的第一个周期的接口数据是否相等，若两个接口数据相等则传送当前周期之前的第二个周期的解码后数据；若不等则判断当前接口数据与当前周期之前的第二周期的解码后数据是否相同，如果与当前周期之前的第二周期的解码后数据不同，则原数传送当前接口信号，如果数据相同则传送当前周期之前的第一个周期的接口数据。

为实现上述目的，本发明的编码器，包括：

数据记忆装置，用于记录当前周期之前的第二个周期的像素数据高k位和当前周期之前的第一周期的接口数据高k位；

第一判断装置，用于比较当前周期像素数据高k位与当前周期之前的第二个周期的像素数据高k位是否相等，若相等输出为“1”，若不等输出为“0”；

第二判断装置，用于比较当前周期像素数据高k位与当前周期之前的第一个周期的接口数据高k位是否相等，若相等输出为“1”，若不等输出为“0”；

多路复用装置，用于对当前周期之前的第一个周期的接口数据高k位、当前周期像素数据高k位和当前周期之前的第二个周期的像素数据高k位这三个数据进行选择输出，输出结果作为接口数据；

所述的第一判断装置和第二判断装置的输出均给多路复用装置，当第一判断装置输出“0”后，第二判断装置进行数据的比较，多路复用装置根据第一和第二判断装置的输出结果选择数据的输出。

为实现上述目的，本发明的解码器，包括：

数据存储装置，用于记录当前周期之前的第一个周期的编码后数据高k位和当前周期之前的第二个周期的解码后数据高k位；

第一比较装置，用于比较当前周期编码后数据高k位与当前周期之前的第一个周期的编码后数据高k位是否相等，若相等输出为“1”，若不等输出为“0”；

第二比较装置，用于比较当前周期编码后数据高k位与当前周期之前的第二个周期的解码后数据高k位是否相等，若相等输出为“1”，若不等输出为“0”；

数据选择装置，用于对当前周期之前的第二个周期的解码后数据高k位、当前周期编码后数据高k位和当前周期之前的第一个周期的编码后数据高k位这三个数据进行选择输出。

所述的第一比较装置和第二比较装置的输出均给数据选择装置，当第一比较装置输出“0”后，第二比较装置进行数据的比较，数据选择装置根据第一和第二比较装置的输出结果选择数据的输出。

本发明具有如下优点：

本发明的技术方案1由于依据CMOS图像传感器CIS像素阵列排布特点和RAW RGB格式输出数据特点，以及同色像素信号高位相关性高、活动性低的结论，提出对数据低位原数传送，对数据高位的前后周期进行记录比较最终选择输出的方案，因而编码方法简单，并且编码器及解码器的面积、延迟和功耗较小且无冗余线。仿真结果表明，对于N＝12，高位k＝6和低位(N-k)＝6的图像数据，采用本方案节省动态功耗可达24.2％。

本发明的技术方案2由于依据CMOS图像传感器CIS像素阵列排布特点和RAW RGB格式输出数据特点，以及同色像素信号高位相关性高、活动性低的结论，提出对数据低位采用BI编解码，对数据高位的前后周期进行记录比较最终选择输出的方案，编解码器的面积、延迟和功耗较小，只需增加一位冗余线。仿真结果表明，对于N＝12，高位k＝6和低位(N-k)＝6的图像数据，采用本方案节省动态功耗可达34.5％。

附图说明

图1是现有CMOS图像传感器CIS的结构原理图；

图2是现有CMOS图像传感器CIS像素阵列排布的Bayer模式图；

图3是本发明提供的编解码方法实现接口低功耗第一实施例示意图；

图4是本发明提供的编解码方法实现接口低功耗第二实施例示意图；

图5是本发明编码器的结构原理图；

图6是本发明解码器的结构原理图。

具体实施方式

本发明的实现是基于如下定义：b(t)为当前周期对应像素点的原始数据，B(t)为当前周期总线接口信号数据，J(t)为当前周期经解码后恢复的像素数据，b(t)[N-1:N-k]，b(t)[N-k-1:0]分别为b(t)的高k位，低k位信号，对应的接口信号数据为B(t)[N-1:N-k]，B(t)[N-k-1:0]，对应的解码后像素数据为J(t)[N-1:N-k]，J(t)[N-k-1:0]。

第一实施例：

参照图3，CMOS图像传感器CIS芯片31通过数据输出接口35与外部的数据处理模块33进行数据关联。原始像素数据高k位b(t)[N-1:N-k]在被传送至数据输出接口35之前，需经过编码器32编码；与此对应，接口数据需经过解码器34解码实现数据还原，其中，数据低位b(t)[N-k-1:0]不参与编解码。

该实施例设原始像素数据位宽N＝12，高位位宽k＝6，其编解码的具体步骤如下：

步骤1，选用12位像素数据的低6位和高6位，但不现有12位，分别进行编码，其中低6位的编码执行步骤2，高6位的编码执行步骤3。

步骤2，将像素数据的低6位b(t)[5:0]用原数直接传送至数据输出接口B(t)[5:0]。

步骤3，对像素数据的高6位，首先判断当前周期像素数据b(t)[11:6]与当前周期之前的第二个周期的像素数据b(t-2)[11:6]是否相等，若两个周期像素数据相等则保持该高6位的接口不变，此时编码输出B(t)[11:6]＝B(t-1)[11:6]；若不等则再判断其与当前周期之前第一个周期的接口数据B(t-1)[11:6]是否相等；如果与接口数据不等则将当前周期数据原数传送至数据输出接口，即B(t)[11:6]＝b(t)[11:6]，如果相等则将当前周期之前第二个周期的像素数据传送至数据输出接口，此时B(t)[11:6]＝b(t-2)[11:6]。

通过以上所述的步骤1～3，完成对12位原始像素数据的编码。

步骤4，对于12位接口数据的低6位B(t)[5:0]，将其传输至数据处理模块低6位输出端口J(t)[5:0]。

步骤5，对于12位接口数据高6位，判断当前接口数据B(t)[11:6]与当前周期之前的第一个周期的接口数据B(t-1)[11:6]是否相等，若两个接口数据相等则传送当前周期之前的第二个周期的解码后数据J(t-2)[11:6]，若不等则判断当前接口数据B(t)[11:6]与当前周期之前的第二周期的解码后数据J(t-2)[11:6]是否相同，如果与当前周期之前的第二周期的解码后数据不同则将原数B(t)[11:6]传送至当前输出接口J(t)[11:6]，如果数据相同则传送当前周期之前的第一个周期的接口数据B(t-1)[11:6]。

通过以上所述的步骤4～5，完成对12位编码后的总线接口信号数据的解码。

第二实施例：

图4是根据本发明提供的另一种编码方法实现接口低功耗的示意图，与图3的不同的是：该方法对原始像素数据低位b(t)[N-k-1:0]采用了BI编码，经BI编码器46编码后，再由BI解码器47解码。相同的是对数据高位b(t)[N-1:N-k]采用了同样的编码策略。参照图4，B(t)[N-k-1:0]为数据低位b(t)[N-k-1:0]经过BI编码后传送至接口的反相信号或原始信号，INV为1位反相标志位。

该实施例设原始像素数据位宽N＝12，高位位宽k＝6，其编解码的具体步骤如下：

步骤A，选用12位像素数据的低6位和高6位，但不现有12位，分别进行编码，其中低6位的编码执行步骤B，高6位的编码执行步骤C。

步骤B，对于12位像素数据的低6位，使用总线反转BI编码方法对其进行编码。

将图4所示的低6位原始像素数据b(t)[5:0]经过BI编码后输出至接口信号数据B(t)[5:0]，并通过一根信号线INV标识是否需要将信号线翻转，以B(t)[5:0]与INV信号线作为BI解码器的输入。

步骤C，对于12位像素数据的高6位，首先判断当前周期像素数据b(t)[11:6]与当前周期之前的第二个周期的像素数据b(t-2)[11:6]是否相等，若两个周期像素数据相等则保持该高6位的接口不变，此时编码输出B(t)[11:6]＝B(t-1)[11:6]；若不等则判断其是否与当前周期之前的第一个周期的接口数据相等，如果与接口数据不等则将当前周期数据原数传送至数据输出接口，即B(t)[11:6]＝b(t)[11:6]，如果相等则将第二个周期的像素数据传送至数据输出接口，此时B(t)[11:6]＝b(t-2)[11:6]。

通过以上所述的步骤A～C，完成对12位原始像素数据的编码。

步骤D，对于12位接口数据的低6位，使用总线反转BI解码方法对其进行解码，经过BI解码后输出至数据处理模块低6位输出端口J(t)[5:0]。

步骤E，对于12位接口数据高6位，首先判断当前接口数据B(t)[11:6]与当前周期之前的第一个周期的接口数据B(t-1)[11:6]是否相等，若两个接口数据相等则传送当前周期之前的第二个周期的解码后数据J(t-2)[11:6]，若不等则判断当前接口数据B(t)[11:6]与当前周期之前的第二周期的解码后数据J(t-2)[11:6]是否相同，如果与当前周期之前的第二周期的解码后数据不同则将原数B(t)[11:6]传送至当前输出接口，如果数据相同则传送当前周期之前的第一个周期的接口数据B(t-1)[11:6]。

通过以上所述的步骤D～E，完成对12位编码后的总线接口信号数据的解码。

图5是示出根据本发明的编码器结构原理图，该编码器针对图3和图4中的数据高k位进行编码。其中54是数据记忆装置，55是第一判断装置，56是第二判断装置，57是多路复用装置。历史数据的记录通过插入寄存器53来实现，插入两级寄存器53便可记录当前周期之前第二个周期的数据。为了满足初始化的需要，寄存器53拥有异步清零功能。首先通过比较器51比较当前像素数据b(t)[N-1:N-k]和当前周期之前第二个周期的像素数据b(t-2)[N-1:N-k]是否相等，若相等则比较器置为“1”，并控制多路选择器52输出当前周期之前第一个周期的接口数据B(t-1)[N-1:N-k]，即接口高k位信号保持不变；若不等则判断b(t)[N-1:N-k]与B(t-1)[N-1:N-k]是否相同，不同则原数传送b(t)[N-1:N-k]，相同则传送b(t-2)[N-1:N-k]。

其中，在判断出数据不满足b(t)[N-1:N-k]＝b(t-2)[N-1:N-k]后，需判断其是否满足b(t)[N-1:N-k]＝B(t-1)[N-1:N-k]。这是为了避免原数传送，即B(t)[N-1:N-k]＝b(t)[N-1:N-k]的数据恰好与当前周期之前第一个周期的编码输出B(t-1)[N-1:N-k]相等时导致的数据恢复错误。

图6是示出本发明解码器的结构原理图，该解码器针对图3和图4中数据高k位进行解码。其中64是数据记忆装置，65是第一判断装置，66是第二判断装置，67是多路复用装置。数据记忆装置64采用具有异步清零功能的寄存器63。比较器61判断当前接口高k位信号数据B(t)[N-1:N-k]与当前周期之前第一个周期接口数据B(t-1)[N-1:N-k]是否保持不变，若不变则传送当前周期之前第二个周期的解码后数据J(t-2)[N-1:N-k]；若改变则判断当前接口高k位信号数据B(t)[N-1:N-k]与当前周期之前第二个周期的解码后数据J(t-2)[N-1:N-k]是否相同，不同则原数传送B(t)[N-1:N-k]，相同则传送B(t-1)[N-1:N-k]。

上面所述本发明的具体实施方式简单有效，能够显著降低RAWRGB输出格式的CMOS图像传感器数据输出接口的功耗，且编解码器带来的面积、功耗和延迟都不大。仿真结果表明，对于原始图像像素数据位宽N＝12，高位位宽k＝6，第一实施例与第二实施例的动态功耗节省率分别为24.2％，34.5％，显著降低了输出接口的信号活动性。

尽管本发明对CMOS图像传感器数据输出接口的低功耗编解码方法及编解码设备作了详尽的描述，本领域的技术人员可以按照本发明的构思和方案作出变更，但围绕本发明的任何修改和变化均在本发明权利要求书的保护范围之内。