Sensor retínico espacio variante basado en tecnología CMOS
- Autores: Fernando Pardo Carpio
- Directores de la Tesis: Gregorio Martín Quetglás (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 1997
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Luis Marín Galan (presid.), Enrique Sanchis Peris (secret.), Ángel Benito Rodríguez Vázquez (voc.), Germán Fabregat (voc.), J. Carrabina (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: RODERIC
- Resumen
La utilización de imágenes como entrada a un sistema de procesamiento es un tema de investigación que, desde hace tiempo, ha demostrado ser muy útil en múltiples aplicaciones que van desde la monitorización y control, a su utilización en sistemas de visión para robots. En la mayoría de las ocasiones se ha empleado una cámara convencional, de las utilizadas en consumo doméstico, para resolver los diferentes problemas de visión que se han ido planteando. Con la ampliación del mercado del procesado de imágenes, y con el abaratamiento de determinadas tecnologías diferentes a la CCD, se ha empezado, no hace mucho, a cambiar la tecnología de fabricación de cámaras para el procesado de imágenes. Este cambio de orientación hacia el sensor en sí, y la forma en que las imágenes son capturadas, se plasma en la introducción de nuevas distribuciones topológicas de los pixels en la cámara. Una distribución en matriz cartesiana resulta interesante para la mayoría de aplicaciones, pero alguna otra topología como en el ojo humano por ejemplo, donde la resolución es mayor en el centro de la imagen, puede resultar interesante para determinadas aplicaciones. Las características matemáticas del mapeado log-polar (que es un caso particular de una topología espacio-variante, como en el ojo) y sus propiedades de reducción selectiva de la información, hacen que sea la más adecuada para realizar cámaras de visión foveales (mayor resolución en el centro). La tecnología CMOS se ha popularizado en los últimos años debido a su bajo coste y facilidad de diseño. El campo de aplicación de esta tecnología es básicamente el de circuitos digitales, pero dado su bajo coste, ha resultado interesante su aplicación en sistemas analógicos y en la realización de sensores. La calidad obtenida con esta tecnología no es tan buena como la que se obtiene de un CCD, pero para un sistema de visión automática el concepto de buena calidad depende de la tarea a realizar, y hoy en día, la mayoría de los problemas de visión se pueden resolver con calidades de imagen inferiores a la del CCD. Aparte, la tecnología CMOS ofrece una serie de ventajas para la realización de sistemas de visión, como son la facilidad de conexión, reducción de circuitería y control, acceso aleatorio, etc. En esta tesis se juntan ambos conceptos, por un lado la realización de un sensor espacio variante para el tratamiento de imágenes o su simple captura, y por el otro, la utilización de la tecnología CMOS para la fabricación de un sensor de imágenes. La justificación de la tecnología CMOS es que, en primer lugar, la tecnología CCD ha demostrado ser inadecuada para abordar el problema de escalado y diseño que supone tener pixels de diferentes tamaños en el sensor con disposición polar. En segundo lugar, el sensor retínico puede jugar un gran papel en sistemas de visión empotrados, por lo que resulta interesante que sea fácilmente conectable a un sistema basado en microprocesador, un bus, etc. Además, resulta interesante el abaratamiento de costes que supone la utilización de estos sensores junto con el abaratamiento indirecto obtenido por la reducción del sistema y la sencillez de la lógica de control. Hay dos formas básicas de capturar la luz con un sensor CMOS. Un primer grupo de sensores lo forman aquellos cuyas células están basadas en la integración de la luz durante un cierto intervalo de tiempo. Este método, si bien ofrece una calidad alta, no es el más adecuado para la sensorización espacio-variante puesto que resulta difícil resolver el problema del escalado de la señal entre pixels de diferentes tamaños. Además, la lógica de control es crítica y no se consigue un verdadero acceso aleatorio. En el otro grupo, la luz es convertida en una magnitud eléctrica accesible continuamente; la calidad no es tan alta por ser más sensibles al ruido, pero su lógica de control es más simple y son verdaderamente accesibles aleatoriamente de forma continua. El tipo de célula elegida para la realización del sensor se encuentra en este segundo grupo y posee además una relación logarítmica entre la luz incidente y la señal entregada. La respuesta logarítmica resuelve el problema del escalado entre células ya que transforma las diferencias de escala en un término aditivo que puede ser restado fácilmente fuera del sensor por un circuito que también se incluye. Aparte, el escalado de los transistores según la circunferencia permite tener un banco de pruebas para testear y comprobar los efectos de geometría pequeña presente en los transistores MOS. Así, se han realizado estudios sobre los efectos de canal estrecho en el sensor que pueden resultar interesantes dados los pocos sistemas donde se pueden probar los escalados en la anchura del canal. El sensor ha sido diseñado y fabricado utilizando tecnología CMOS de Mietec 0.7 um. Las herramientas de diseño actuales no están preparadas para la realización de diseños con curvas, disposiciones polares, etc. El problema se aborda a partir del diseño completamente a medida de cada uno de los elementos. Para ello se utiliza un lenguaje para describir los diferentes polígonos y vértices a partir de la descripción matemática del sensor. Se ha realizado por tanto una descripción que genera, casi de forma automática, el plano focal del sensor de cualquier retina dándole los parámetros del sensor (pixels, circunferencias, etc.). Se ha realizado una cámara y tarjeta de adquisición de imágenes para realizar diversos experimentos. El sensor funciona. El sensor permite hasta 200 imágenes por segundo. La resolución es de 128x56 en la retina y 20 circunferencias más en la fóvea con un número decreciente de pixels por anillo. La calidad de imagen alcanza los 7 bits (128 niveles de gris). La respuesta logarítmica permite hasta 4 décadas de niveles de iluminación. La principal desventaja es el alto nivel de ruido fijo (FPN) que puede ser fácilmente resuelto mediante circuitería externa. Un problema que también existe es la diferencia de ganancia de los pixels inferiores debido a la corriente de pérdidas, pero esta diferencia es pequeña y puede ser minimizada externamente. Este sensor abre un amplio campo de aplicaciones que van desde la comunicación de imágenes en tiempo real por líneas de baja banda, hasta su utilización en análisis de movimiento a alta velocidad para navegación robótica. En cuanto a la primera aplicación existe actualmente un sistema para comunicación entre sordo-mudos que utiliza el sensor. Sobre la segunda, hay varios centros investigando sobre el tema.
