SensorRetnicoEspacioVarianteBasado entecnologacmos

Transcripción

1 SensorRetnicoEspacioVarianteBasado entecnologacmos DepartamentodeInformaticayElectronica FernandoPardoCarpio UniversitatdeValencia

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3 SENSORRETINICOESPACIOVARIANTE MemoriaparaoptaralgradodeDoctorenIngenieraInformatica BASADOENTECNOLOGIACMOS presentadaaldpto.deinformaticayelectronica FacultaddeCienciasFsicas UniversitatdeValencia Dr.GregorioMartnQuetglas(UniversitatdeValencia) Dr.BartDierickx(IMEC) Director: 24deSeptiembrede1997 cfernandopardocarpio

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5 Contodoelcari~no Amispadres

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7 IndiceGeneral 1Introduccion IFundamentosdelainvestigacion Agradecimientos:::::::::::::::::::::::::::::::::xi Evolucionyentornodelainvestigacionpresentada::::::::::::::xiii Resumen::::::::::::::::::::::::::::::::::::::xvii Abstract::::::::::::::::::::::::::::::::::::::xix 2Representacionlog-polar,visionyrobotica 1.1Objetivos::::::::::::::::::::::::::::::::::6 1.2Contenidos::::::::::::::::::::::::::::::::::7 2.1Introduccion:::::::::::::::::::::::::::::::::11 2.2Elojohumanocomosistemadevisionfoveal::::::::::::::: Larepresentacionlog-polar:::::::::::::::::::::::::17 2.4Aplicaciondelarepresentacionlog-polarenalgunosalgoritmosdevision22 3 3Sensoreslog-polaresexistentes 4SensoresopticosCMOS 3.1Introduccion:::::::::::::::::::::::::::::::::29 3.2TecnologaCCD:::::::::::::::::::::::::::::::31 3.3ElsensorretnicoCCD:::::::::::::::::::::::::::36 3.4ElprimersensorretnicoCMOS::::::::::::::::::::::5 3.5Otrasaproximacionesalasensorizacionlog-polar::::::::::::53 3.6Conclusiones:::::::::::::::::::::::::::::::::54 5TeoradeltransistorMOS 4.1Introduccion:::::::::::::::::::::::::::::::::59 4.2Sensoresbasadosenintegracion::::::::::::::::::::::62 4.3Sensoresbasadosenconduccion::::::::::::::::::::::71 4.4Conclusiones:::::::::::::::::::::::::::::::::79 IIDise~noteoricodelsensorretnico 6Dise~noelectricodelsensor 5.1Introduccion:::::::::::::::::::::::::::::::::83 5.2Inversiondebil,primeraaproximacion:::::::::::::::::::84 5.3Modelosmasprecisos:::::::::::::::::::::::::::: Introduccion:::::::::::::::::::::::::::::::::13 6.2Estructuradelsensor::::::::::::::::::::::::::::14 6.3Lacelulabasica:::::::::::::::::::::::::::::::17 6.4Dise~noelectricodelrestodelsensor::::::::::::::::::::12 6.5Resumendeloscalculosrealizados::::::::::::::::::::124 i

8 7Simulaciones 7.1Introduccion::::::::::::::::::::::::::::::::: DescripcionSpicedelcircuito::::::::::::::::::::::: Respuestaestaticadelsensor:::::::::::::::::::::::: Respuestaenfrecuenciadelaretina:::::::::::::::::::: Tiemposderespuestadelsensor.Simulaciondinamica::::::::: Conclusiones::::::::::::::::::::::::::::::::: IIIRealizacionpracticayexperimentacion 8Dise~nodelchip 155 9Elbancodepruebas 8.1Introduccion::::::::::::::::::::::::::::::::: Trazadodelacelulaindividual::::::::::::::::::::::: Lazonaretnica::::::::::::::::::::::::::::::: Lazonafoveal:::::::::::::::::::::::::::::::: Lalogicadeseleccion:::::::::::::::::::::::::::: Detallesdeltrazadoyrestodeelementosenelchip::::::::::: Conclusiones::::::::::::::::::::::::::::::::: Caractersticasestaticasydinamicasdelsensor 9.1Camaradeadquisiciondeimagenes:::::::::::::::::::: Elsoftwaredeadquisiciondeimagenesytesteo::::::::::::: Algunosexperimentosrealizadosconlacamara 1.1Introduccion:::::::::::::::::::::::::::::::::25 1.2Respuestadelsensorfrentealaluz::::::::::::::::::::28 1.3Nouniformidadestructural::::::::::::::::::::::::: Nouniformidadaleatoria:::::::::::::::::::::::::: Tiemposderespuestadelsensor:::::::::::::::::::::: Conclusiones:::::::::::::::::::::::::::::::::241 IVConclusiones 11.1Introduccion::::::::::::::::::::::::::::::::: Reduccionselectivadelainformacion::::::::::::::::::: Simplicaciondelasrotacionesyescalados:::::::::::::::: Calculodelujoopticoydeltiempoalimpacto::::::::::::: Problemasabiertos::::::::::::::::::::::::::::: Conclusionesytrabajofuturo AParametrosdedise~no VApendices 12.1Sumario::::::::::::::::::::::::::::::::::: Contribucionesalestadodelainvestigacion::::::::::::::: Trabajofuturo::::::::::::::::::::::::::::::: BProgramasdeMatlab CDescripcionesSpiceparasimulacion B.1Programasparaelcalculodelarespuestadelacelula::::::::::295 B.2Variacionesconlaanchuradecanal::::::::::::::::::::299 B.3Nouniformidadenlarespuesta::::::::::::::::::::::31 C.1Descripciondelsensor::::::::::::::::::::::::::: ii

9 VIBibliografa IndicedeMaterias C.2Libreradesubcircuitos:::::::::::::::::::::::::::31 C.3ModelosSpiceparaMietec.7m::::::::::::::::::::311 Bibliografa::::::::::::::::::::::::::::::::::::319 Publicacionesconrelacionalatesis::::::::::::::::::::::: iii

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11 IndicedeFiguras 2.1Laestructuradelojohumano:::::::::::::::::::::::13 2.2Estructuranerviosadelaretinaenelojohumano::::::::::::15 2.3Distribuciondefotorreceptoresenlaretinahumana:::::::::::16 2.4Representaciongracadelatransformacionlog-polar::::::::::18 2.5Comparacionentrelasrepresentacionescartesianaylog-polar.Arriba 2.6Transformaciondeungiro(planoretnico)enunatranslacion(plano 2.7Transformaciondeunaoperaciondeescalado(planoretnico)enuna 2.8Calculodeltiempoalimpacto:::::::::::::::::::::::25 155pixels,medio234pixelsybajo3pixels:::::::::::::19 3.1CCDbasicocondosfases:(a)Cortetransversal.(b)Detalledeuna cortical):::::::::::::::::::::::::::::::::::21 3.2CCDcontransportesupercialytresfases::::::::::::::::33 3.3TransportedecargasycontrolendispositivosCCD:::::::::::34 translacion(planocortical):::::::::::::::::::::::::22 3.4CCDcomosensorvisual::::::::::::::::::::::::::35 3.5EstructuradelazonaretnicadelsensorCCD::::::::::::::36 3.6EstrategiadelecturaenelsensorretnicoCCD::::::::::::::4 3.7BloquesqueformanelsensorretnicoCCD::::::::::::::::41 celula:::::::::::::::::::::::::::::::::::::32 3.8TrazadodelCCDcirculardelaretina:::::::::::::::::::42 3.9CouplerdelaretinaCCDyfuncionamiento:::::::::::::::44 3.1AmplicadordeSalidadelsensorretnicoCCD::::::::::::: LayoutnaldelsensorretnicoCCD::::::::::::::::::: SensorretnicoCCD(a)patillajey(b)fotografa:::::::::::: Diagramadebloquesdelaplacadeadquisiciondeimagenesretnicas: EsquemadelsistemavisualdelsensorfovealdelaUniversidadMcGill: MicrofotografadelsensorfovealdelaUniversidadMcGill:::::::53 4.1AccesoaleatorioenunsensorMOS::::::::::::::::::::6 4.2CircuitobasicodelacelulaBASIS:::::::::::::::::::::64 4.3Diagramadebloquesdelaceldabasica::::::::::::::::::67 4.4Circuitobasicocondiodo,condensadoryconmutadores:::::::::68 4.5Sensordeaccesosemialeatoriobasadoendiodo:::::::::::::7 v

12 4.6Doscelulascontransistorenlazonadeinversiondebil:(a)Conseguidor 4.7Celulaconutilizaciondelefectodecanalcortoenmododeinversion 4.8Sensordeconduccionbasadoentransistorbipolarydiodo::::::::77 4.9SensorenconguracionDarlington::::::::::::::::::::78 5.1Secciontransversaldecanalestrecho:::::::::::::::::::97 desurtidor.(b)conamplicadordetransconductancia.:::::::::72 6.1Celulabasicadelsensorretnico::::::::::::::::::::::17 6.2Salidadeuntransistoreninversiondebil:::::::::::::::::18 debil.(a)esquemaelectrico.(b)diagramadecapas.::::::::::75 6.3Salidadelacelulaincluyendolosefectosdegeometrapeque~na:::::11 6.4Variaciondelapendientedesalidaconlaanchuradecanal::::::: Variaciondelosetdesalidaconlaanchuradecanal:::::::::: Variaciondelapendientedesalidaconlatemperatura::::::::: Variaciondelosetdesalidaconlatemperatura::::::::::::: Contribuciondelerrordelosparametrosenlasalida:::::::::: Nominalypeorescasosposiblesdecombinaciondeloserrores::::: Nouniformidadenlasalida:(a)pendientedesalida,(b)oset::::: Circuitogeneraldelchipparasimulacion::::::::::::::::: Celulabasicaparasimulacion::::::::::::::::::::::: Bloquesdecarga:(a)basicaload1(b)basicaload2:::::::::::: Circuitodeselecciondelradioparasimulacion:::::::::::::: Circuitodeselecciondelacircunferenciaparasimulacion:::::::: Respuestaenlaprimeracircunferencia:::::::::::::::::: Respuestadetodaslascircunferenciasjuntas::::::::::::::: Pendientefrenteacircunferenciaensimulacion::::::::::::: Desplazamientofrenteacircunferenciaensimulacion:::::::::: Salidasantesydespuesdelseguidordesurtidor::::::::::::: Cadadetensionenlallavedeseleccion::::::::::::::::: Salidatotaldelsensorensimulacion::::::::::::::::::: Respuestadelsensorenfunciondelafrecuencia::::::::::::: Retrasodegrupoensimulaciondefrecuencia:::::::::::::::14 7.1Impedanciadesalidaycalculodelacapacidadequivalente::::::: Relacionse~nal/ruidoenlasalidadelsensor::::::::::::::: Retrasodelasse~nalesdeselecciondecircunferencia::::::::::: Retrasodelasse~nalesdeseleccionderadio:::::::::::::::: Salidaalcambiarcircunferencia,iluminacion=1pA::::::::::: Retrasodelarespuestaenfunciondelaintensidadluminosa:::::: Retrasoenelcambioderadioparadiferentescircunferencias:::::: Retrasoenelcambioderadioparavariasintensidadesdeluz:::::: Trazadodelacelulabasicaenmatrizcuadrada:::::::::::::: Trazadodelacelulabasicamostrandolosejesdelatransformacion::163 vi

13 8.3Celuladespuesdetransformarlosejescartesianos:::::::::::: Layoutrealdelascelulas:(a)primeraysegundacircunferencias(b) 8.5Detalledelacelulacentralypartedelafovea:::::::::::::: Estructuradelaretina:::::::::::::::::::::::::::17 8.7Areasdelacelulaydelapartesensible(fotodiodo)::::::::::: Relacionentrelasareasdelacelulaylaanchuradelcanal::::::: Detalledelafoveamostrandolaparteactivadecadacelula::::::: Trazadodelcircuitodeseleccionderadioycircunferencia::::::::178 septimayoctava:::::::::::::::::::::::::::::: Foveamostrandolaslneasdeseleccioncircular::::::::::::: Retinamostrandolaslneasdeseleccioncircular::::::::::::: Ajustedepolgonos:(a)ortogonal(b)rotado(c)solucionadoptada:: Microfotografamostrandoellayoutdelsensorretnico::::::::: Fotografadelbancodepruebas:::::::::::::::::::::: CamarafabricadaporIMEC:::::::::::::::::::::::: Fotografadelacamararetnicamejorada:::::::::::::::: Bloquesenlacamararetnicamejorada:::::::::::::::::: Esquemaelectricodelacamaramejorada::::::::::::::::: EntradaalADCenlacamara.Izquierda:camaradelIMEC.Derecha: 1.1Imagencortical.Izquierda:directadelsensor.Derecha:lamisma 1.2Imagenretnica.Izquierda:directadelsensor.Derecha:lamisma 1.3Salidadelsensorconcorrecciondecontraste:::::::::::::::27 camaramejorada::::::::::::::::::::::::::::::2 1.4Las8imagenesobtenidasdelfondocondiferentesintensidadesdeluz:29 1.5Respuestatomandolasmediasdetodoslosfondos::::::::::::21 1.6Pendientesexperimentales,teoricasysimuladas::::::::::::: Pendientesexperimentales,teoricasysimuladasconlateoricacorregida Lapendienteenfunciondelradio:::::::::::::::::::::214 corregida:::::::::::::::::::::::::::::::::::26 1.9Lapendienteenfunciondelradiosuavizada::::::::::::::: Loscuatroprimerosarmonicosdeladescomposiciondelapendiente:: Nouniformidadcircular:::::::::::::::::::::::::: Comparaciondelosdesplazamientossimulado,teoricoyexperimental: Desplazamientoscircularesparadiferentesiluminaciones:::::::: Dispersionenfunciondelacircunferencia:::::::::::::::: Calculodelarelacionteora-practica::::::::::::::::::: Nouniformidadradial::::::::::::::::::::::::::: Desplazamientosradialesparavariasiluminaciones::::::::::: OsetradialsuavizadoysuajustedeFourier:::::::::::::: Loscuatroarmonicossignicativosdeladescomposiciondelavariacion radialdeloset:::::::::::::::::::::::::::::::229 vii

14 1.2Fondosinruidoestructural::::::::::::::::::::::::: Dispersionesdelfondoaleatorio:::::::::::::::::::::: Histogramadeunaimagengris:::::::::::::::::::::: Distribuciondelarespuestadeltransistoreninversiondebil:::::: Distribucionenelseguidordesurtidor.Izq.:Ipol=1A.Der.:Ipol=1 1.25Retrasoenlaseleccionderadio.Izq.:cir=2.Der.:cir=75.:::::: Retrasoenlaseleccionderadio(sentidocontrario).Izq.:cir=2.Der.: 1.27Retrasoenlaselecciondecircunferencia.Izq.:cir=2.Der.:cir=75.: Comparaciondelasrepresentacionesretinalycartesianaenelsensor A.:::::::::::::::::::::::::::::::::::::: Comparaciondelasrepresentacionesretinalycartesianaenelsensor cir=75.:::::::::::::::::::::::::::::::::::: Histogramasdetiemposalimpactodeunasecuencia::::::::::: Tiemposalimpactodedossecuencias:Izda.anillo.Der.cuadrado:: Tiemposalimpactodelrollodehilo:Izda.vertical.Der.frontal::::269 real(lecturadelabios)::::::::::::::::::::::::::: BloquesdelsistemaIBIDEM:::::::::::::::::::::::: Sistemadetorretadelrobotmovil:::::::::::::::::::::287 real(signosmanuales)::::::::::::::::::::::::::: Fotografadelrobotmovil::::::::::::::::::::::::::288 viii

15 IndicedeTablas 3.1Parametrosdedise~nodelsensorretnicoCCD::::::::::::::38 6.1Distribuciondepixelsenlafovea:::::::::::::::::::::15 6.2Erroresasociadosadiferentesparametrosdedise~no::::::::::: Parametrosdetrazadodelaretina::::::::::::::::::::17 1.1Antisimetradeladistribuciondesalidasegunelparametro:::::::237 A.1Algunasconstantesfsicas:::::::::::::::::::::::::293 A.2NomenclaturautilizadayparametrostecnologicosparaMietec.7m:294 ix

16 x

17 muchaspersonas.estainuenciadetantaspersonassindudahaenriquecidomuchoel resultadodelainvestigacionnal.acontinuacionseencuentranunosagradecimientos Agradecimientos llevadoacabo,noporunapersonasola,sinoporlacontribuciondirectaoindirectade dondeserecogenlaspersonasquemashaninuidoenlapresentetesis,aunqueno vienentodosporquenocabranaqu. Comocualquiertareadeinvestigacion,estetrabajoquesepresentaenestatesishasido DierickxdelIMEC,yelCatedraticoProf.GregorioMartnporsusaportaciones tecnicasalprimeroyporlasdotesdeorganizacionalsegundo. Enprimerlugarmegustaraagradecerelapoyodemisdirectores,elDr.Bart altoelproyectoenelquetrabajamos. tesishabrasidoimposible.elcontactoconotraspersonasdelimectambienfueimportante,asquierodestacaranicoricquierporsusconsejossobreteoraelectronica, JuntoconelIMEC,elotrolaboratoriodondeserealizopartedelainvestigacion MegustarahacerunareferenciaespecialalgrupodemicrosistemasdelIMEC.En adannyscheerporsuayudaeneldise~no,yalouhermansquecoordinodesdelo primerlugaraldr.bartdierickxyaquesinsuayuda,apoyoyconocimientos,esta conquiencolaboredirectamente,afrancescobuemiypaoloquestaporsuamistady fuequienmeintrodujoenlalneadeinvestigacionquealnalhadadocomofruto estatesis.megustaraagradecerlacolaboracionyamistaddemuchaspersonasdel LIRA(imposiblenombrarlasatodas),haciendomencionespecialaEnricoMartinuzzi porsuayudaenlostemasdehardwareyprocesamientodeimagenes.quedanmuchos apoyoquerecibdelcoordinadordeestelaboratorio,elprofesorgiuliosandini,que fueelliraenlauniversidaddegenova.quieroagradecerconmuchocari~notodoel sidaddevalenciadondenalmenteheacabadolainvestigacion,enespecialalos enelcorazon,entretodosconsiguieronquemiestanciaenitaliaseconvirtieraenuna delasepocasmasfelices. masenellira,nolospuedonombraratodosperosindudatodosocupanunlugar dehardware,dondenosiniciamosconelproyectofasst,joseantonioboluda, ascomoallaboratoriolisittquenosolointegratecnologasdelainformacion entraco,sinotambienunnumerosogrupoconunagrannociondecompa~nerismoy solidaridad.masconcretamenteagradecerelapoyodemiscompa~nerosdelgrupo profesoresybecariosqueintegraneldepartamentodeinformaticayelectronica, TengoqueagradecerigualmentelacolaboraciondemuchaspersonasdelaUniver- CarlosPerez,RafaelMartnezyVicenteCerveron.MegustaramencionaralDr. launiversidaddevalencia,ahoraenlauniversidaddecastellontienenmuchasuerte GermanFabregat,pertenecienteinicialmentetambienaestegrupodehardware,por suinagotablefeenmiysuapoyoincondicional;esunalastimaquenocontinuaraen alcontarconel.quierodarlasgraciastambienaelenadazyjuandomingoporel tiempocompartidotantastardesjuntoalasworkstationsysuayudaconelmatlab, xi

18 jamosjuntos,aquenvalencia,enlarealizaciondeunnuevoprototipoparalacamara retnicaconmuybuenosresultados.enelmismosentidodestacalacolaboraciondel procesamientodeimagenes,latex,etc. ThomasKayser,delaUniversidaddeMannheim,yaqueduranteunosmesestraba- estudiantedeingenierainformaticafranciscoblascoquerealizountrabajoexcelente dise~nandoelframegrabberdealtavelocidadparapc. Seraimperdonableolvidarenlosagradecimientosalosadministradoresdelsistema MuyimportantehasidotambienlacolaboraciondelbecariodelprogramaErasmus quemantienenlaredylasworkstationsenperfectoestadodefuncionamiento.eneste sentidoquierodarlasgraciasaenriquebonetyjuanjoperezporsupacienciaala horaderesolverlosnumerososproblemasqueibagenerando. enlabuenanalizaciondeestatesis.esjoseantonioboluda.porsuinagotable amistad,puestaapruebamillonesdeveces,porsuayuda,susanimosmuynecesarios muchasveces,ypormilesdemascosas.graciasjoseantonio. Quieroreservarunespacioespecialparaunadelaspersonasquemashaninuido cualquiertrabajo. Elloshanresultadodemuchamasayudaquecualquierbeca,ymehandadoamory afectoquesonlasherramientasdedesarrollomasimportantesparallevaracabo Mispadresyfamiliahanjugadotambienunimportantepapelentodoestedevenir. sensorhasidonanciadaporelproyectoibidem(no.138)delprogramatidedela lacomunidadeuropeadentrodelosproyectossmartyfovea.lafabricaciondel CE.Porotrolado,laUniversidaddeValencia,atravesdelLISITT,hasubvencionado cionadopornumerososproyectos.mitrabajofueradelauniversidaddevalenciaha sidonanciadomedianteunabecadelprogramadecapitalhumanoymovilidadde necesariasparalarealizaciondeestetrabajodeinvestigacionquehasidosubven- Yporultimo,notaobligada,quedanpormencionarlasfuentesdenanciacion partedelacamaranal,ascomoloscomienzoseninvestigaciondeldoctorando Graciasatodos. xii

19 Eltemadelapresentememoriahayqueenmarcarlodentrodeloqueeslavision Evolucionyentornodelainvestigacionpresentada circuitosintegrados,enconcretoeldemicrosistemas,yelprocesamientodeimagenes. activaymasconcretamentelautilizaciondeimagenesconestructuraespaciovariante pararesolverproblemasdevision.estecampoestaformadopormultiplesdisciplinas DepartamentodeInformaticayElectronica,comienzasusinvestigacionessobremicroelectronicaconpeque~nosdise~nosdelogicaprogramableysigueconlarealizacion withstablestoragetechnology).estegrupo,integradoenellisitt(laboratorio IntegradodeSistemasInteligentesyTecnologasdelainformacionenTraco)del LainvestigacionsobremicroelectronicaenlaUniversidaddeValencianaceapartirdelgrupodehardwarededicadoalproyectoFASST(Fault-tolerantArchitecture conjugandoseprincipalmentedosdeellaseneltrabajopresentado:eldise~node dedise~noyfabricaciondechipssemi-custom.dadalaetapadeaprendizajeenla cualseencontrabaelgrupo,parecainteresanteestableceralguntipodeconexioncon centrosespecializadoseneltema.ascomienzaeltrabajodeinvestigacionquese presenta. dosbecasdentrodelprogramaeuropeodeintercambioymovilidaddeinvestigadores oratoriointegratodiroboticaavanzata)dentrodelauniversidaddegenova(italia), coordinadordelporentoncesllamadoproyectofovea,yunodelosprecursoresprincipalesdelavisionfoveal.elproyectofoveatenacomoobjetivolarealizacionde LaoportunidadvinodemanosdelprofesorGiulioSandini,directordelLIRA(Lab- unsensorlog-polar,habiendodadocomoresultadoelsensorretnicoexistentebasado entecnologaccd.analesde1993esteprofesorhizounllamamientoparacubrir enlauniversidaddegenovaextensiblesa9mesesmasenimec(interuniversitary MicroElectronicCenter)enBelgica. (HumanCapital&MobilityECprogram).Labecaconsistaenprincipioenseismeses estetrabajoengenovaserealizaronestudiosdealgunosalgoritmosdeprocesadode imagenesutilizandoimageneslog-polaressimuladas,comprobandosesuutilidadpara elprocesamientodeimagenestalycomosemuestraenelcaptulo2,dondeserecogen necesarioparalacapturadeimagenesutilizandoelunicosensorretnicoqueexista enaquelmomento,queeraunsensorretnicoccddise~nadoenimecalquesele hadedicadopracticamenteelcaptulo3delapresentememoria.comopartede Elobjetivodelainvestigacion,enunprincipio,eralademejorarelhardware lasventajasdelarepresentacionlog-polarsinquesehayahechomasquerecoger estudiospreviosqueyaexistan.enparaleloaestosestudiossehizounainvestigacion sobreelsensorretnicoccdexistenteylasformasenquesepodrarealizarunnuevo dise~no,pensandoenquealacabarenitaliaexistalaposibilidaddeiralimecdonde camarayunatarjetadeadquisicionparapcparaelantiguosensorretnicoccd,y seraposibleunaimplementacion. LosresultadosdeltrabajoenItaliafueron,porunlado,eldise~nodeunanueva xiii

20 estetipodesensoresvisivos[pm94b,pds97],yque,porlotanto,habraqueutilizar sensoresespaciovariantes,laconclusiondequeestatecnologanoeralaadecuadapara otra,comoporejemplolacmos.dehecho,enitaliaseinvestigoyasobrelacelula basicadelossensoresvisivoscmosdelimecysecomproboquepresentabanmejores porelotro,ycomoconsecuenciadelestudiodelatecnologaccdparalarealizacionde objetivosdelproyectofoveainicial,yporotro,laconcesiondeunnuevoproyecto,de caractersticasquelatecnologaccd,sibienporaquelentoncessuconocimientoera todavamuysupercial. consistaenlarealizaciondeunsistemaparalacomunicacionvisualentresordomudos.lacamararetnicavenajusticadaporlareduccionselectivadelainformacion Lajusticaciondeesteobjetivoeraclara,porunladoeralacontinuaciondelos nombreibidem,cuyoelementoprincipaleraunacamarafoveal.elproyectoibidem Belgicaeradise~narunsensorconrepresentacionlog-polarqueevitaralosproblemas dedise~noqueunsensordeestetipoplantea,talycomosehabaconstatadoenitalia. AlacabarenItaliaseobtuvotambienlabecadeBelgica.Elobjetivodeltrabajoen fabricaciondelsensor. quepermiteutilizarlneasdetelefonocomunesparaenviarimagenesentiemporeal. Laconcesiondeesteproyectohacaconferiresperanzasparalaimplementaciony LaconclusionfuequelamejorceluladebaserprecisamentelaqueempleaIMEC enalgunosdesussensoresdeimagenes[pbp+96c].apartirdeestemomentose idadesparalarealizaciondeunsensorvisivodeestascaractersticas,recogiendose losresultadosdeesteestudio,previoalarealizaciondelsensor,enelcaptulo4. emprendiolatareadeldise~nodelsensorqueempezoconunestudioalgomasprofundo proyectoporeldr.louhermans,seestudiarondiversasconguracionesyposibil- Enlosprimerosmeses,dirigidoporelDr.BartDierickxycoordinadoanivelde lascamarascmos.realizarelsensorutilizandolatecnologacmoseraunriesgo. delacelulabasicaelegida,talycomomuestraelcaptulo6,paraqueeldise~nofuera Despuesdequeelconsorciorevisolassimulaciones,lascaractersticasdelnuevo quedebasoportareconomicamentelafabricaciondelchip,todavanohabadecidido utilizarelnuevodise~no.elproblemaqueseplanteabaesquealmenoslatecnologa CCDyasehabaprobadoyademasofrecasiempremejorcalidaddeimagenque lomasacertadoposible. dise~no,ylosproblemasrealesqueunsensorccdpodraplantear,ademasdeque Enaquelmomento,elconsorciodelproyectoIBIDEM,queeraalnyalcaboel sidounaapuestadeldoctorando,consentidayavaladaporelimec,quepodrahaber terminadoenundise~noquenuncahabravistolaluzsinosehubieraencontradola formadenanciarlo. faltabamandarloafabricar,tomaronladecisiondenanciarsufabricacion. sedieroncuentadequeeldise~noconlatecnologacmosyaestabahechoysolo Estefueunmomentoimportantepuestoque,hastaaquelmomento,eldise~nohaba Eldise~nodelchiprealizadoenIMECconsistaenunadescripcionutilizandoel xiv

21 cambioseneldise~no,juntoconlaadiciondelospads,unamplicadoroperacional lenguajeskilldelapartesensoradelchip,esdecir,eldise~nocompletodelaretina, lafovea,yloscircuitosdeseleccion,talycomosepresentanenelcaptulo8.algunos problemas,comoretrasos,etc.quenoerandebidosalsensorsinoalhardware.enel simpleyundiododepruebas,fuerealizadoaposterioriporimec. necesarioparapoderleerimagenes.enimecrealizaronunacamarafacildeusar ycompacta.sinembargo,prontosecomproboquedichacamaraintroducaalgunos InstitutodeRoboticadelaUniversidaddeValencia,serealizo,enconjuncionconel becariothomaskayserdelprogramaerasmus,queporentoncesvisitabalauniversidaddevalencia,unanuevacamaraquepermitaobtenerlascaractersticasreales delsensor.ademas,estacamaraincluyeuncircuitoparalacorreccionautomaticadel patronjoderuidoqueeselprincipalproblemadeestesensor.ladescripciondeesta camara,juntoconladelbancodepruebas,seencuentraenelcaptulo9. verelcomportamientorealdelcircuito.esteestudioexperimentaldelchip,quese tambienparaencontraralgunasmejoras,mnimasporotraparte,quepuedenserutiles parafuturasrealizacionesdelchip,sibieneldise~noactualcumpleconlosobjetivosy correctamenteypuedeserutilizadoenaplicacionesgenerales,sinoquehaservido expectativasplanteadas. presentaenelcaptulo1,nosolohaservidoparacomprobarqueelsensorfunciona Conlanuevacamara,yconladelIMEC,serealizaronnumerosaspruebaspara proboquefuncionabatalycomosehabaprevisto.hacafalta,esosi,elhardware Elsensorfuenalmentefabricado.Despuesdeunosmesesdeesperasecom- nosoloporelrmantesinoporotrosgruposqueutilizandoelsensorhanobtenido algunosresultadosinteresantesenelcampodelprocesamientodeimagenes[fjpg95b, FJPG95a,FCSQ96,QS96]. asteneralgunosresultadosaceptadosypublicadosenconferenciasyunarevista, memoria.lalecturahasufridociertoretrasoyaquesehapreferidoesperarpara Lasperspectivasqueestesensorabresonampliastalycomosemuestraenel Todoestoesbasicamenteeltrabajodeinvestigacionquesepresentaenesta deunproductoenelmercado,unsistemadevdeoconferenciaparasordo-mudos, captulo12.elproyectoibidemhallegadocasiasunloquesignicalaexistencia caractermasacademico,queseestanponiendoenmarchacomoconsecuenciadirecta delaexistenciadelsensor.enconcretodestacalautilizaciondelsensorcomosistema permitiralarealizaciondealgoritmosdevisionactivaqueseejecutanenmenostiempo cuyoelementoprincipaleselsensorretnico.porotrolado,hayotrosproyectos,de devisionenunrobotmovilrealizadoenelinstitutoderoboticadevalenciayque quelosutilizadosconcamarasconvencionales.estamismaideaquiereserexplotada porunconsorcioformadoporgruposderobotica,opticaymicroelectronicadelcsic, yotrosgruposdedicadosalavisionenroboticacomoeldegiuliosandiniengenova dondellevanvariosa~nosestudiandolautilizaciondelasimageneslog-polarespara visionynavegacionrobotica. xv

22 queofrecensiempreunamayorcalidaddeimagen,yseguiransiendolascamarasmas solamenteenestasaplicacionesespeccasdondeelsensortieneunaespecialrelevancia. utilizadasenlamayoradelasaplicacionesdevision.sinembargo,existendeterminadasaplicacionesdondelautilizaciondelsensorretnicoesmasconveniente.es EnninguncasoestesensorpretendesustituiralascamarasconvencionalesCCD xvi

23 Resumen problemasdevisionquesehanidoplanteando. aplicacionesquevandesdelamonitorizacionycontrol,asuutilizacionensistemas devisionpararobots.enlamayoradelasocasionessehaempleadounacamara convencional,delasutilizadasenconsumodomestico,pararesolverlosdiferentes deinvestigacionque,desdehacetiempo,hademostradosermuyutilenmultiples Lautilizaciondeimagenescomoentradaaunsistemadeprocesamientoesuntema capturadas,seplasmaenlaintroducciondenuevasdistribucionestopologicasdelos pixelsenlacamara.unadistribucionenmatrizcartesianaresultainteresantepara Estecambiodeorientacionhaciaelsensorens,ylaformaenquelasimagenesson lamayoradeaplicaciones,peroalgunaotratopologacomoenelojohumanopor acambiarlatecnologadefabricaciondecamarasparaelprocesadodeimagenes. dedeterminadastecnologasdiferentesalaccd,sehaempezado,nohacemucho, Conlaampliaciondelmercadodelprocesadodeimagenes,yconelabaratamiento ejemplo,dondelaresolucionesmayorenelcentrodelaimagen,puederesultarinteresanteparadeterminadasaplicaciones.lascaractersticasmatematicasdelmapeado log-polar(queesuncasoparticulardeunatopologaespacio-variante,comoenel ojo)ysuspropiedadesdereduccionselectivadelainformacion,hacenquesealamas adecuadapararealizarcamarasdevisionfoveales(mayorresolucionenelcentro). decircuitosdigitales,perodadosubajocoste,haresultadointeresantesuaplicacion yfacilidaddedise~no.elcampodeaplicaciondeestatecnologaesbasicamenteel ensistemasanalogicosyenlarealizaciondesensores.lacalidadobtenidaconesta tecnologanoestanbuenacomolaqueseobtienedeunccd,peroparaunsistema devisionautomaticaelconceptodebuenacalidaddependedelatareaarealizar,y hoyenda,lamayoradelosproblemasdevisionsepuedenresolverconcalidades LatecnologaCMOSsehapopularizadoenlosultimosa~nosdebidoasubajocoste ventajasparalarealizaciondesistemasdevision,comosonlafacilidaddeconexion, reducciondecircuiteraycontrol,accesoaleatorio,etc. deimageninferioresaladelccd.aparte,latecnologacmosofreceunaseriede suponetenerpixelsdediferentestama~nosenelsensorcondisposicionpolar.en segundolugar,elsensorretnicopuedejugarungranpapelensistemasdevision hademostradoserinadecuadaparaabordarelproblemadeescaladoydise~noque espaciovarianteparaeltratamientodeimagenesosusimplecaptura,yporelotro, lautilizaciondelatecnologacmosparalafabricaciondeunsensordeimagenes. Enestatesissejuntanambosconceptos,porunladolarealizaciondeunsensor empotrados,porloqueresultainteresantequeseafacilmenteconectableaunsistema basadoenmicroprocesador,unbus,etc.ademas,resultainteresanteelabaratamiento decostesquesuponelautilizaciondeestossensoresjuntoconelabaratamiento LajusticaciondelatecnologaCMOSesque,enprimerlugar,latecnologaCCD indirectoobtenidoporlareducciondelsistemaylasencillezdelalogicadecontrol. xvii

24 eselmasadecuadoparalasensorizacionespacio-variantepuestoqueresultadifcilresolverelproblemadelescaladodelase~nalentrepixelsdediferentestama~nos.ademas, lalogicadecontrolescrticaynoseconsigueunverdaderoaccesoaleatorio.enel otrogrupo,laluzesconvertidaenunamagnitudelectricaaccesiblecontinuamente;la HaydosformasbasicasdecapturarlaluzconunsensorCMOS.Unprimergrupo desensoresloformanaquelloscuyascelulasestanbasadasenlaintegraciondelaluz duranteunciertointervalodetiempo.estemetodo,sibienofreceunacalidadalta,no calidadnoestanaltaporsermassensiblesalruido,perosulogicadecontrolesmas simpleysonverdaderamenteaccesiblesaleatoriamentedeformacontinua. grupoyposeeademasunarelacionlogartmicaentrelaluzincidenteylase~nalentregada.larespuestalogartmicaresuelveelproblemadelescaladoentrecelulasya quetransformalasdiferenciasdeescalaenunterminoaditivoquepuedeserrestado Eltipodecelulaelegidaparalarealizaciondelsensorseencuentraenestesegundo facilmentefueradelsensorporuncircuitoquetambienseincluye.aparte,elescalado delostransistoressegunlacircunferenciapermitetenerunbancodepruebaspara testearycomprobarlosefectosdegeometrapeque~napresenteenlostransistores quepuedenresultarinteresantesdadoslospocossistemasdondesepuedenprobarlos escaladosenlaanchuradelcanal. MOS.As,sehanrealizadoestudiossobrelosefectosdecanalestrechoenelsensor formaautomatica,elplanofocaldelsensordecualquierretinadandolelosparametros dise~nosconcurvas,disposicionespolares,etc.elproblemaseabordaapartirdel dise~nocompletamenteamedidadecadaunodeloselementos.paraelloseutilizaun lenguajeparadescribirlosdiferentespolgonosyverticesapartirdeladescripcion matematicadelsensor.seharealizadoportantounadescripcionquegenera,caside m.lasherramientasdedise~noactualesnoestanpreparadasparalarealizacionde Elsensorhasidodise~nadoyfabricadoutilizandotecnologaCMOSdeMietec.7 segundo.laresolucionesde128x56enlaretinay2circunferenciasmasenlafovea diversosexperimentos.elsensorfunciona.elsensorpermitehasta2imagenespor bits(128nivelesdegris).larespuestalogartmicapermitehasta4decadasdeniveles deiluminacion.laprincipaldesventajaeselaltonivelderuidojo(fpn)quepuede delsensor(pixels,circunferencias,etc.). serfacilmenteresueltomediantecircuiteraexterna.unproblemaquetambienexiste conunnumerodecrecientedepixelsporanillo.lacalidaddeimagenalcanzalos7 Seharealizadounacamaraytarjetadeadquisiciondeimagenespararealizar demovimientoaaltavelocidadparanavegacionrobotica.encuantoalaprimera aplicacionexisteactualmenteunsistemaparacomunicacionentresordo-mudosque utilizaelsensor.sobrelasegunda,hayvarioscentrosinvestigandosobreeltema. esladiferenciadegananciadelospixelsinferioresdebidoalacorrientedeperdidas, deimagenesentiemporealporlneasdebajabanda,hastasuutilizacionenanalisis peroestadiferenciaespeque~naypuedeserminimizadaexternamente. Estesensorabreunampliocampodeaplicacionesquevandesdelacomunicacion xviii

25 Abstract ofdierenttechnologiesthantheccd,cameachangeinthetechnologyemployedfor sensorfabrication.thischangeinorientationtothesensoritselfandthewayimages solvemanydierentimageprocessingtasks. torobotvisionsystems.inmostcasesaclassicalvideocamerahasbeenemployedto Theutilisationofimagesastheinputforaprocessingsystemisaresearcheldthathas arecaptured,hasleadtotheintroductionofnewpixeltopologiesforimagecameras. demonstrateditsbenetsinmanyapplicationsrangingfromcontrolandmonitoring Thecartesiangriddistributionisinterestingformostapplication,butsomeother topology,asinthehumaneyewhereresolutionishigherinthemiddleforexample, canbeinterestingforsomespecicapplications.themathematicalpropertiesofthe Withtheincreasingmarketoftheimageprocessing,andwiththecostreduction log-polarmapping(thatisaparticularcaseofaspace-varianttopology,likeinthe inanalogsystemsantheimplementationofvisionsensors.cmosimagequalityisnot eye),anditspropertiesofselectivedatareduction,makethisspecialmappingthe asgoodastheccd,butforanautomaticvisionsystem,theconceptofgoodquality mostsuitabletoimplementfoveatedvisioncameras(moreresolutionintheimage circuitdesign,butsinceitscostisreduced,ithasbecomeinterestingtheapplication dependsonthetasktobeperformed,andnowadays,mostimageprocessingproblems centrethanintheperiphery). canbesolvedwithlessimagequalitythantheoeredbyccdcameras.yet,the lowcostandeasydesign.theapplicationarenaofthistechnologyisthedigital TheCMOStechnologyhasbecomeverypopularduringthelastyearsduetoits truerandomaccess,etc. CMOStechnologyoersmanyadvantagesfortheimplementationofimageprocessing systems,astheeasyconnectionlogicandsimpleinterface,controlcircuitryreduction, First,ithasbeendemonstratedthattheCDDtechnologyisnotgoodtosolvethe designandscalingproblemcomingfromthepresenceofdierentsizepixelsandtheir polardistribution.second,theretinalsensorcanplayagoodroleinembeddedvision aspace-variantsensorforimageprocessingorjustacquisition,andintheotherhand, theemploymentofthecmostechnologyfortheimagesensordesignandfabrication. SeveralreasonsjustifytheelectionoftheCMOSprocesstofabricatethesensor. Bothideasareputtogetherinthisthesis.Intheonehand,theimplementationof reductionandthesimplecontrollogic. ofthesesensorstogetherwiththeindirectcostloweringcomingfromthesystemsize rstsensorgroupisformedbythosesensorswhichcellsarebasedonlightintegration systems;thereforeitisinterestingtohaveasimpleinterfacetoamicroprocessor system,abus,etc.also,itisinterestingthecostreductioncomingformtheuse ThereareseveralpossibilitiestocapturelightusingtheCMOStechnology.A xix

26 themostadequateforthespace-variantsensingsinceitisverydiculttosolvethe scalingproblemamongdierentsizepixels.yet,thecontrollogiciscriticalandthere duringatimeinterval.thismethod,althoughitoersgoodimagequality,isnot presentingalogarithmicrelationbetweenincidentlightandoutputsignal.thelogarithmicresponsesolvesthescalingproblemamongcellssinceittransformsthescaling isnotruerandomaccess.intheothergroup,sensorstransformlightinaelectrical dierencesinadditivetermsthatcanbeeasilysubtractedoutsidethechipbyacircuit magnitudemeasurableinacontinuousway;imagequalityisnotsogoodsincethey thatisalsodescribed.intheotherhand,thetransistorscalingamongcircumferences aremoresensibletonoise,buttheirdrivinglogicissimplerandtheycantrulybe allowsatestbenchtoproveandmeasurethesmallgeometryeectsofmostransistors. accessedpixelbypixelinacontinuousway. Inthisway,somestudieshavebeencarriedoutonthenarrowchanneleectsinthe Theelectedcellforthesensorimplementationisfoundinthissecondgroup, designapproachbasedonalanguagetodescribeeveryelementofthesensor.every technology.currentdesigntoolsarenotpreparedtohandledesignswithcurves, polardispositionofelements,etc.thisproblemhasbeensolvedusingafullcustom polygonandvertexisdescribedusingthislanguagefromthemathematicalsensor sensorthatareinterestingsincetherearefewsystemswherethewidthscalingcanbe description.thresultingdescriptiongenerates,almostautomatically,thesensorfocal tested. planeofanyretinalstructurejustgivingthebasicsensorparameters(pixelnumber, ThesensorhasbeendesignedandfabricatedusingtheMietec.7mCMOS implementedtomakesomeexperimentsandmeasures.thesensorcanworkupto2 imagespersecond.theresolutionis128x56intheretinaand2moreringsinthe foveawithdecreasingnumberofpixelsperring.theimagequalityisabout7bits(128 greylevels).thelogarithmicresponseallowsupto4decadesofilluminationlevels. Themaindisadvantageisthehighxedpatternofnoise(FPN)thatcanbeeasily circumferences,pixelpitch,etc). solvedbyexternalcircuitry.anotherproblemisthedierenceinthegainbetween Thefabricatedsensorworkscorrectly.Acameraandframegrabberhavebeen sensorforadeaf-mutecommunicationsystem.secondapplicationisstillunderstudy anddevelopmentbysomeresearchinstitutes. smallandcanbeminimisedoutsidethesensor. roboticnavigation.firstapplicationhasbeenalreadyimplementedusingtheretinal communicationthroughlowbandwidthlines,tothehighspeedmovementanalysisfor innerandoutercellsduetotheleakagecurrentinsmallcells,butthisdierenceis Thisnewsensoropensawideeldofapplicationsrangingfromtherealtimeimage xx

27 Fundamentosdelainvestigacion ParteI 1

28

29 Captulo1 Introduccion Eltratamientodigitaldeimagenesesuncampodeinvestigacionconunayalarga tradicionaunquesuscomienzosseremontenaunaspocasdecadasnadamas.entodo estetiempolainvestigacionsehaestadocentrando,sobretodo,eneltratamientode lasimagenes,elanalisisdelasimagenes,ysuusoenmultiplesaplicacionesdecontrol, roboticaeindustria.apesardelosavancesobtenidosenestecampo,parecequese hayadejadodeladounpuntomuyimportantedentrodelprocesadodeimagenes,y apartirdeunentornoreal.esdecir,elproblemadevisionsetraslada,deplantearse eslacapturamismadeestasimagenes.elinvestigador,enlamayoradeloscasos, comoprocesarmejorunaimagendada,aplantearsecomocapturarelentornopara deunpuntosituadoenunascoordenadas,normalmentecartesianas,yapartirdeesta funcionserealizatodalainvestigacion. procesadodelaimagensinoalapropiaimagenensycomoestaimageneracapturada partedeunaimagenqueesunafuncionbidimensionalcuyasalidaeselniveldegris queelprocesadoposteriordelasimagenesseamassimple. degris,oensucasodecolor.esnormalmenteunafuncioncartesianaf(x;y)quepara Lasimagenesnormalmentesontratadascomounafuncionbidimensionaldevalores Algunosinvestigadores,encambio,empezaronaprestarmasatencion,nosoloal unpunto(x;y)enunplanocartesiano,devuelveelvalordegrisenesepuntodela ejemplo,cadavezmasseutilizancamarasquetienenunespejoconicosobreellas,lo quepermitetenerunavisionperifericadetodoelentornodeunrobotporejemplo. Paraaccederaunadeestasimagenesyanoresultaadecuadaunafuncioncartesiana imagen.restringirlasposiblesrepresentacionesdeunaimagenaunplanocartesiano tenerlaimagencomounafuncionpolarf(r;)dondeconelradioyelangulose suponeacotarmucholasposibilidadesdelprocesamientodeimagenes. yaquelarealidadcaptadaporlacamarahasidotransformada.tendramassentido seleccionaraunpunto.elradioseralaalturadelentornoreal,yelanguloserala Podranconsiderarseotrastopologasapartirdelascualestratarunaimagen.Por orientaciondelacamara,conlocualseramuysencilloprocesarlaimagenyaqueesta 3

30 noestansencillocomprenderqueesloqueseencuentraendichaimagen. 4tendraunacorrespondenciaconelentornoreal.Siseeligeunafuncioncartesianaya exponencial,esdecir,lacorrespondenciaentreelradiodeunpuntoenelplanodela comentadaanteriormenteconlasalvedaddequelasunidadesradialescrecendeforma estasrepresentacioneseslallamadalog-polar.estarepresentacionesparecidaala ciertasoperacionesmatematicasoalgoritmosdeprocesadodeimagenes.unade luminosaantesdeprocesarlallevoalaapariciondediversastopologasquesibien podanresultarpococoherentesparaunentendimientohumano,podansimplicar Estapreocupacionporlaformaderepresentarotambiencaptarlainformacion lospixelsrecuerdamuchoaladistribuciondefotorreceptoresenelpropioojohumano. Nodebesercasualidadqueenelojohumanoexistanmasfotorreceptoresenelcentro delaimagenqueenlaperiferia.despuesdetodo,laparteinteresanteseencuentra esgrandeenelcentroysevareduciendohacialaperiferia.estaformadedistribuir imagenyelnumerodepixelscorrespondientesaesteradioeslogartmica. siempreenelcentro(elconjuntoformadoporlosmusculosdelacabezayojoforman entornovisualeslareduccionselectivadelainformacion.laconcentraciondepixels Probablemente,lacaractersticamasinteresantedeestaformaderepresentarel reducciondelainformaciontotalavisualizar(enlaperiferialainformacionnoestan interesante)mientrasquetodavasemantieneunampliocampovisual. interesantescomolamencionadaanteriormente,perosuspropiedadesmatematicas unsistemamuyapropiadoparajarlaatencion)permitiendodeestamanerauna nosontanprecisas.enesto,unbuendise~nopuedeganarlelapartidaaunsistema devisionbiologico,aunquelociertoesqueaunseencuentralainvestigacionesun estadomuyinicialcomoparasiquieraparecerseunpocoenprestacionesalsistemade visionhumanoporejemplo.detodasformas,sepuedenintroducirenlasensorizacion algunascaractersticasmatematicascomolatransformacioncomentadaanteriormente, Lossistemasdevisionbiologicossecaracterizanportenerpropiedadescualitativas reduccionimportanteenelprocesadoyentendimientodeimagenesporelsolohechode demaneraquesesimpliqueelprocesadodelase~nal.demomentoexisteuna reducirlainformacionaprocesar,peroesqueademasexistenlaspropiedadespropias delatransformacionmatematica.asporejemplo,aunquesecomentaconmasdetalle investigadorapartidosiempredeimagenestomadasdeformacartesiana,yestoha sidoasporquelaherramientadecaptacionutilizadahasidosiempreunacamaracuya enelcaptulo2,unarotaciondeunobjetosetransforma,alutilizarunafuncionde partesensoraposeasiempreestarepresentacioncartesiana,quesibienresultamuy representacionlog-polarenvezdecartesiana,enunatranslacion.lomismoocurre adecuadaparaservistaporelojohumano,quizanoloresultatantoparalavision conelescaladodeunobjetoquetambiensetransformaenunatranslacion,mucho masfacildetratarmatematicamentequeunarotacionounescalado. deunrobotporejemplo,yelcasomasllamativosepresentaprecisamenteenelojo Sinoselehadadolaimportanciaqueestetematienerealmente,esporqueel

31 CAPTULO1.INTRODUCCION humanodondelarepresentacionnoescartesianaenabsoluto. ganrepresentacioncartesianasinoalgunaotradistribucionquepermitasimplicarel procesadodelaimagenparalarealizaciondeciertatarea.partiendodeestepunto Pareceportantojusticado,investigareintentarrealizarcamarasquenoten- 5 hayqueversiestoesposibleconlatecnologaactual,yrealizar,dise~naryfabricarun podemosdecirquehaydosprocedimientostpicamenteusadosensistemaselectro- camente,aldise~nodemicrosistemas. puntoconsisteenacercarsealproblemadeldise~nodesensoresvisivos,omasgeneri- sensorconalgunadeestascaractersticas. opticos.estosdosmetodosdierenporeltipodeelementodetectorutilizado.el primeroestabasadoenladetecciondelaintensidaddeluzencadapxel(picture Siseobservaelproblemadelossensoresopticosdesdeunaperspectivahistorica, Dejandounpocodeladoelproblemadelprocesamientodeimagenes,elsiguiente complejidadmuchomenor. Conestesegundometodoseobtienencamarasmaspeque~nasycompactasconuna element)porunhazdeelectronesquerecorretodaelareaquecomponeunaimagen. Estatecnicafuelaprimeraenutilizarseencamarasdevdeo,yaunquesutama~nose havenidoreduciendoenlosultimostiempos,siguesiendosuvolumenycomplejidad deelementosdetectoresencadapxeldispuestosenunamatrizdedosdimensiones. loquelashacepocooperativas.elsegundometodoestabasadoenlapresencia sontpicamenteledassecuencialmenteusandotecnicasdeexploracionelectronica.la dad.lossensoresdeestadosolido,discutidosenlapresentetesis,usanlaspropiedades electro-opticasdelossemiconductoresparadetectarradiacionelectromagnetica,en serincluidasenlosdetectoresenelplanofocaldelsistema.lassalidasdelsistema matricesdedetectoreshanganadoenrendimiento,reducciondetama~noydisponibili- nuestrocaso,luzenelespectrovisible.unidadesdeprocesamientodese~nalpueden Conelavancedelamicroelectronicaylaaltaescaladeintegracion(VLSI),las matrizdedosdimensionesesunaexpansiondelconceptodematrizlinealqueesasu InjectedDevice),propuestoporBurkeyMichon[BM76]. introducidoporboyleysmith[bs7],ydispositivosdecargainyectada(cidcharge opticosdedosdimensiones.enestemetodo,lacargafoto-generadaescapturaday transferidadeunaformapredeterminada.lasdostecnologasdetransferenciade cargasmascomunessondispositivosdecargaacoplada(ccdchargecoupleddevice), vezunaexpansiondelelementodetectorsimple. Apartedelosdispositivosdetransferenciadecarga,otrosconceptosparamatrices Lastecnicasdetransferenciadecargassonelmetodomascomunusadoensensores comunenestetipodedispositivosesunamatrizdeunionesdesemiconductoresp-n quesontambienllamadasfotodiodosyquesonlabaseparalacaptaciondelaluzy suposteriorlectura.aunqueelfotodiodoeslacelulabasicamasextendidaysimple, discretasdedetectoresopticoshansidoimplementadosyestudiados.unconcepto

32 6hayotrasvariaciones,siempresobreelmismotemadelaunionp-n,quetambiense utilizan,comoporejemplo,elusodeesamismaunionenlabasedeuntransistorbjt, obteniendoseenestecasounaamplicaciondirectadelase~naldeentrada. 1.1.OBJETIVOS macionentiemporeal. formadoporsensorescontopologasespecialesquerealizaranalguntipodetransfor- 2,parecequeexisteunhuecoenelcampodelossensoresvisivos.Estehuecoestara Talycomosehaexplicadoenlaseccionanterior,yconmasdetalleenelcaptulo 1.1Objetivos industriales,eslatransformacionlog-polar.existenactualmentedossensorescon representacionlog-polar,unoelccdqueyaexistaenelmomentodelplanteamiento salirdellaboratorioparapoderserusadoenaplicacionesindustriales,oconungran mercado,debidoprincipalmenteaquenoofrecenlascaractersticasqueunsensorcon delapresentetesis,yotro,basadoentecnologatambiencmosquesiguioun desarrollocasiparaleloeneltiempo.ningunodeestosdossensoreshaconseguido Unadeestastransformaciones,degraninteresenroboticayotrasaplicaciones representacionlog-polardebetenerparaserrealmenteutil. espacio-varianteconrepresentacionlog-polarqueconsigaresolverlosproblemastecnologicos,dedise~noypracticos,queunsensordeestetipoplantea. envariossubobjetivosofasesdentrodeldise~nodelsensor: Elobjetivoprincipaldelapresentetesiseslarealizaciondeunsensorvisivo Realizaciondeunestudiopreviodelatransformacionlog-polarysuutilizacionen Parallevarabuenterminoesteobjetivoprincipal,setuvoquedividireltrabajo Estudiodelasdiversasformasdecapturarlaluz,estudiodelastecnologas posiblesysuproblematicaindividual,estudiodelasdiferentescelulassegunla lasnecesidadesdelproblemadeltratamientodeimagenes,campodeaplicacion delsensor,etc.apartirdelconocimientodeestasnecesidades,escuandose puederealizareldise~nodelaestructuradelsensor. eltratamientodeimagenes.esteestudioesnecesarioparaconocerexactamente Estudioteoricominuciosodelacelulaindividualelegidaparalarealizacion concretaconunaceluladecapturadeluzconcretaquemejorseadapteala tecnologa.esteestudiodebedarcomoresultadolaelecciondeunatecnologa Dise~nodelsensorconlaestructuraytecnologadenidaenlospasosanteriores. estructuraplanteadaenelpuntoanterior. parametrosdedise~nodelostransistoresenlacelula. delsensorvisivo.esteestudiodebedarcomoconsecuencialaelecciondelos

33 CAPTULO1.INTRODUCCION Simulacioncompletadelcomportamientodelsensor.Estasimulacionpuede trazadosolayoutsendisposicionesnorectangulares. hacerquesemodiquenalgunosdelosparametrospreviamentedise~nados. Estarealizacionpresentaaspectosnovedososcomoeldise~noautomatizadode 7 Porultimo,debefabricarseelchipysertesteadoparacomprobarquecumplecon losrequisitosplanteados.estetesteotambiendebeservirparaencontrarposibles mejorasparafuturasrealizaciones.paraeltesteoseranecesariolarealizacion yotrasestanapareciendoenestosmomentos. Algunasdeestasaplicacionesestanapuntodeconvertirseenproductoscomerciales, objetivosplanteados,yademassepresentanalnalalgunasaplicacionesdelsensor. Enlosdiferentescaptulosdelatesissemostraralaconsecuciondecadaunodelos camaraconestesensor. delhardwareapropiadoparalatomadedatos,esdecir,habraquerealizaruna realizadoenlainvestigacion.laprimerapartetratasobreelestadodelainvestigacionascomolosfundamentosteoricosnecesariosparallevaracabolatesis.la segundapartesereerealdise~nodelaparteelectricadelsensorasrecogiendoselos Lapresentetesissehadivididoencuatropartesquerecogenelujodetrabajo 1.2Contenidos estudiosteoricosdelcircuitoylassimulacionesparaunmejordise~no.latercera Loscaptulosdelatesissonlossiguientes: sidoeldesarrollodelainvestigacionquesepresentaenestatesis,ademasdeespecicar funcionamiento.porultimo,enlapartedeconclusionesserecogenlasaportacionesde lapresentetesisascomoeltrabajofuturoarealizarenestecampodeinvestigacion. chipylosdiferentesexperimentosrealizadosparacaracterizarelsensoryprobarsu parteesladerealizacionyexperimentaciondondeserecogeeldise~nodellayoutdel quetrabajoshansidodesarrollados. ElPrefacioesimportantepuestoquesedaunresumenhistoricodetodoloqueha tenerparaconseguirmejorasenlavelocidaddeprocesamientodelosactualessistemas devision.sehacetambienunabreveexposiciondelascaractersticasprincipalesdel ylaimportanciaquelarepresentacionespaciovariante,yelsensorretnico,pueden sensorretnico. ytambiensedanlosobjetivosquesepretendanalcanzarpreviosalarealizaciondel Enelcaptulo2sedanunasnocionesgeneralessobreelprocesadodeimagenes Enelcaptulo1sedaunabreveintroducciondelcontenidogeneraldelatesis planteadosactualmenteelprocesamientodeimagenes. ojohumanocomosistemadevisionqueresuelvelosgrandesproblemasquetiene

34 losproblemastpicosdedise~noqueunsensorvisivoespacio-varianteplantea,seacual 8tecnologaCCD.Elestudiodeesteprimersensoresmuyimportanteyaqueintroduce seasuestructura.tambienseexplica,aunqueconmenordetalle,otrosensorlogpolarbasadocontecnologacmos,peroquepresentacaractersticasmuydiferentes Enelcaptulo3seexplicacondetalleelprimersensorlog-polardise~nadousando 1.2.CONTENIDOS procesocmosesmasadecuadoqueelccdparalarealizaciondeunsensorespaciovariante,seestudianlasdiferentescelulasfotorreceptorasqueestatecnologaofrece, Enelcaptulo5sepresentanlasecuacionesquedescribenelfuncionamientodel Enelcaptulo4seestudianlosdiferentesmecanismosexistentesparalacaptacion eligiendosenalmenteunacelulaqueseconsideralamasadecuadaparalarealizacion delsensor. aldise~nadoenlapresentetesis. delainformacionluminosautilizandotecnologacmos.unavezdecididoqueel prestandoespecialatencionalacelulabasica,sobrelaqueserealizaunestudiodesu comportamientoutilizandolasecuacionesdelcaptuloanterior. transistormoseninversiondebil.tambiensepresentanlosefectosdegeometra elcomportamientodelsensor.sepresentanmuchosresultadosdelcomportamiento peque~naquetantoinuyenenelsensorretnico. teoricodelsensorglobal,nosoloincluyendolacelulafotorreceptorasinotambienel restodecircuitera. Enelcaptulo7sepresentannumerosassimulacioneselectricasparaestudiar Enelcaptulo6serecogeeldise~nodelcircuitoelectricodelsensorretnico obtenciondelosresultadosexperimentales.estebancodepruebasincluyeeldise~no deniciondeltrazadodepolgonosolayout. completoyrealizaciondeunacamaraconectadaalbusdeunpcestandar. presentaunametodologaparaeldise~nodellayoutdecircuitosconestructuraespacio variantenoortogonal.estametodologahaceusodeunlenguajegenericoparala Enelcaptulo9serealizaunadescripciondelbancodepruebasrealizadoparala Enelcaptulo8semuestraelprocesodedise~nodeltrazado(layout)delsensor.Se chipretnicounavezfabricado.estosresultadosincluyenespecicacioneselectricas ascomodiversasimagenesquemuestranlaspropiedadesparavisiondeestesensor. Enelcaptulo1sedanlosresultadosexperimentalesobtenidosapartirdel objetivosalcanzados,lasaportacionesalestadodelarte,etc.tambienserecogen lautilizaciondelsensor,quedaronyademostradasenelcaptulo2. lapracticaaquellosalgoritmosycualidadescuyasventajasmatematicas,derivadasde enaplicacionespracticasdetratamientodeimagenes.basicamentesehanllevadoa Enelcaptulo12sedanlasconclusionesgeneralesdeltrabajorealizado,los Enelcaptulo11serecogenalgunosexperimentosrealizadosconelsensorretnico