Processamento de Imagens no Plano Focal -...

Processamento de Imagensno Plano Focal

UFRJ / COPPE / PEEJosé Gabriel R. C. GomesCPE786 – Notas de AulaCPE786 Notas de Aula

Planejamento das Aulasj- História dos Imageadores CMOS.

- Sistemas de Leitura CCD e CMOS.

- Fotodiodos.

- Modos de Aquisição.

- Algoritmos de Baixa Complexidade.

- Processamento de Sinais no Plano Focal.

- Compressão de Dados no Plano Focal.

- Análise de Erro.

- Projeto.

- Montagem de Sistemas Ópticos.

- Teste.

UFRJ / COPPE / PEE / CPE786 – Slide 2 – José Gabriel R. C. Gomes

Aula #01 – Desenvolvimento Histórico

1. Desenvolvimento Inicial

1960: Solid-state Imager1963: S. R. Morrison (endereçamento X-Y)1964: J. W. Horton (scanistor)1964: J. W. Horton (scanistor)1966: M. A. Schuster e G. Strull (foto-transistores, 50 x 50)1967: P. K. Weimer et al. (photoconductive film, TFT scanning)1968: P. J. W. Noble (foto-diodo + chave, praticamente PPS)

1970: CCD e Primeiras Câmeras1970: W S Boyle e G E Smith invenção do CCD (AT&T Bell Labs)1970: W. S. Boyle e G. E. Smith – invenção do CCD (AT&T Bell Labs)1973: Texas Instruments1978: Polaroid

2. Desenvolvimento Recente

1980: Sony Mavica, 1981 (primeira câmera comercial, CCD)980 So y a a, 98 (p a â a o a , CC )1987: Início do desenvolvimento dos sensores CMOS APS1988: o início das DSCs (Fuji DS Series)1989: Silicon Retina; amplificadores dentro do pixel (C. Mead)

1990: Imageadores CMOS consolidados1993 – “Are CCDs Dinossaurs?” (Eric Fossum)1994: Casio QV 10 (240 x 320 com primeiro LCD)1994: Casio QV-10 (240 x 320, com primeiro LCD)1995: 3T – APS (Photogate)

3T – APS (Photodiode)Guerra do número de pixelsp

1997: 4T – APS (Pinned Photodiode)2000: sensores de imagem CMOS inteligentes

2000: Diversificação 2006: sistemas comerciais para visão computacional2008: 25 megapixels, CCD / CMOS

3. Diversificaçãoç a) Variações de câmeras: - “Silver Halide”

El t ô i E táti Câ E táti A ló i- Eletrônica Estática - Câmera Estática Analógica- Câmera Estática Digital (DSC)

DSC: - Point & ShootDSC: Point & Shoot- Single Lens Reflex- Camera Back- Toy Camera- Cell Phone

b) Chips de visão:

- Processamento a nível de pixels – Carver Mead, Silicon Retina– Subthreshold, low power

- Processamento a nível de colunas- Processamento a nível de chip

3. Diversificaçãoç

) A li õ c) Aplicações

- Imageamento em geralImageamento em geral

- Imprensa e uso em rede

- Visão por máquina

- Aplicações científicas

- Astronomia- Biomedicina

- Aplicações militares

3. Diversificaçãoç d) Estrutura Básica (configuração) de DSCs:

- Parte óptica- Dispositivos de imageamento- Circuito analógicoCircuito analógico- Circuito digital- Controle do sistema

4. Pixel Detector

Elemento de matriz em um ambiente numérico

Elemento de um monitor ou display Elemento de um monitor ou display

5. Estímulos e Tendências Tamanho do Pixel

Razão sinal/ruído – faixa dinâmica

Potência Potência

Custo de fabricação - tecnologia

6. Futuro dos CCDs

Tamanho do pixel já em 2.3 µm de lado, em um quadrado (2006)p j µ , q ( )

Resolução – 6 megapixels (mais do que 15 parece ser desnecessário)

Faixa dinâmica – deve aumentar

Pixel com dois foto-diodos, 2003

Compatibilidade

Câmeras estáticas de alta resolução e filmadoras de alta qualidadeç q

Leitura de sinais em paralelo

Baixa potência – baixas tensões de controle (driving voltages)

7. Futuro dos Sensores de Imagem gCMOS

Redução das diferenças entre DSC e DVRedução das diferenças entre DSC e DV

Baixo consumo de energia e alto desempenho em modo de operação rápido

Sensores CMOS de alta resolução para filmes (8 MP, UDTV; 60 fps; 960 mW)

Flexibilidade de leitura – câmeras de modos múlitplos

Novos formatos – high-frame-rate imaging (5000 fps VGA)

3-D e imageamento com alta faixa dinâmica (HDR)g ( )

Referências (Livros)( )

Junichi Nakamura (Editor), Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras, CRC Press, 2005.

J Oht S t CMOS I S d A li ti CRC P 2007 Jun Ohta, Smart CMOS Image Sensors and Applications, CRC Press, 2007.

Gerald C. Holst and Terrence S. Lomheim, CMOS/CCD Sensors and Camera Systems, JCD Publishing and SPIE Press, 2007.g ,

Orly Yadid-Pecht and Ralph Etienne-Cummings (Editors), CMOS Imagers: from Phototransduction to Image Processing, Kluwer Academic Publishers, 2004.

Carver Mead. Analog VLSI and Neural Systems. Addison-Wesley, Reading, MA, USA, 1989.

Referências (Artigos)( g ) W. S. Boyle and G. E. Smith. Charge-Coupled Semiconductor Devices. Bell System Tech. J., vol. 49, pp. 587–593, 1970.

S. Morrison. A new type of photosensitive junction device. Solid-State Electronics, vol. 5, pp. 485–494, 1963 (abstract) S. Morrison. A new type of photosensitive junction device. Solid State Electronics, vol. 5, pp. 485 494, 1963 (abstract)

J. W. Horton, R. V. Mazza, and H. Dym. The scanistor — A solid-state image scanner. Proc. IEEE, vol. 52, no. 12, pp. 1513–1528, December 1964.

M. A. Schuster and G. Strull. A monolithic mosaic of photon sensors for solid-state imaging applications. IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-13, no 12, pp. 907–912, December 1966.

P. K. Weimer, G. Sadasiv, J. E. Meyer Jr., L. Meray-Horvath, and W. S. Pike. A self-scanned solid-state image sensor. Proc. IEEE, vol. 55, no. 9, pp. 1591–1602,September 1967.IEEE, vol. 55, no. 9, pp. 1591 1602,September 1967.

P. J. Noble. Self-scanned silicon image detector arrays. IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-15, no. 4, pp. 202–209, April 1968.

G.P. Weckler. Operation of p-n Junction Photodetectors in a Photon Flux Integration Mode. IEEE J. Solid-State Circuits, vol. SC-2, no. 3, pp. 65–73, September 1967.

R.H. Dyck and G.P. Weckler. Integrated arrays of silicon photodetectors for image sensing. IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-15, no. 4, pp. 196–201, April1968.vol. ED 15, no. 4, pp. 196 201, April1968.

W.F. List. Solid-state imaging — Methods of approach. IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-15, no. 4, pp. 256–261,April 1968.

Próxima Aula

Sistema de Leitura CCD

Ler Capítulo 1 livro Nakamura

Ler Capítulo 1 livro Ohta

Ler List 1968 e Boyle 1970 Ler List, 1968 e Boyle, 1970

Aula #02 – Leitura de Dados em Sensores CCD

1. CCDs Capacitor “MIS”

Transferência de carga entre áreas de armazenamento

– Coleção de cargaT f ê i d– Transferência de carga

– Conversão de carga para voltagem

Tensão positiva aplicada ao gate cria região sem carga positiva Tensão positiva aplicada ao gate cria região sem carga positiva

Fóton absorvido: par elétron-lacuna

Elétrons são acumulados

Quantidade de carga negativa acumulada proporcional a:

– VG

– Espessura do óxido– Área do eletrodo

Área do eletrodo

2. Transferência de Cargag

Número total de elétrons acumulados = capacidade do poço

Número total de elétrons acumulados capacidade do poço

2. TC em CCDs com Três Fases

Três fases: tempo necesário para deslocar a carga um pixel = 6 períodos

Área disponível para o poço: 33% do pixel

2. TC em CCDs com Três Fases

Altenativas:

- Quatro fases: área do poço é 50% do pixel (8 períodos)D F d ó id iá l (4 í d ) ( H l t & L h i 52)

- Duas Fases: espessura de óxido variável (4 períodos) (ver Holst & Lomheim, p. 52)

3. BCCD (Buried-Channel CCD)( ) Valence-band pinning

Tornou-se padrão em CCDs, com eficiência de transferência de carga superior a 99.9999%

4. Arquiteturas para a Matriz de Pixelsq p

Frame-Transfer CCD (FTCCD) Frame-Transfer CCD (FTCCD)

Interline-Transfer CCD (ITCCD)

Frame Interline Transfer CCD (FITCCD)

Fujifilm Super CCD (PIACCD)

Frame-Transfer CCD (FTCCD)( )

Frame-Transfer CCD (FTCCD)

- Observações científicas / astronômicas- Sub-arraysy- Shielding- Estrutura simples- Pixel pequeno

h h f l k- Smear versus high-frequency clock- Resposta azul ruim

Obs.: shuttering ; no shielding – full frame transfer CCD

Interline Transfer CCD (ITCCD)( ) Usado em aplicações de DSC e filmadores

Foto-diodo + gate de transferência

d ã d d bl Redução de smear ; mas ainda tem problemas:

- raios de luz inclinados (vazamento)

- difusão de elétrons foto-gerados

Fill-factor baixo – em torno de 20%

Frame Interline Transfer CCD (FITCCD)

Alta proteção contra smear

Sistemas de câmera de mais alto custo

Transmissões de TV

Fujifilm Super CCD (PIACCD)j p ( )

Matriz CCD com pixels “entrelaçados”

4.1. Operaçãop ç

Scan progressivo versus scan “entrelaçado”

Time Delay and Integration (TDI)

5. Conversão de Carga (Saída)g ( )

E t t d íd Estrutura de saída:

Ganho de conversão:

A = Gq/C (por exemplo, 80 uV/elétron)VSIGNAL = VRESET – VOUT = neGq/C

Correlated Double Samplingp g Problema: incerteza quanto à quantidade de carga existente no “capacitor” (terminal n+ do

di d ) l ó tdiodo) logo após o reset.

6. Estruturas Avançadasç a) Anti-Bloom Drain

- Substrato p – não é possível suprimir simultaneamente a corrente de difusão e a correntefoto-gerada.

E t t- Estrutura em poço p

- redução de efeitos indesejados, mas com resposta espectral diferente.- substrato n – vertical overflow drainsubstrato n vertical overflow drain

- Anti-bloom versus anti-smear

- Pixels de baixo ruído

Low-Light-Level Detection DevicesgCharge-Injection Devices Intensified CCD (ICCD) (10-3 lux)

- Tubo de imageamento = intensificador de imagemF d MCP ( i h l l ) l (l (FFTCCD FTCCD))- Fotocatodo > MCP (microchannel plate) > tela ou (lente+(FFTCCD ou FTCCD))

Electron Bombarded CCD (EBCCD)- Fotocatodo e tubo a vácuoFotocatodo e tubo a vácuo- Degradação do CCD com o tempo; pode ser usada MCP

Electron Multiplying CCD (EMCCD)- ionização de impacto; registrador de multiplicação- FFTCCD (maximização de responsividade)

Ch I j ti D i (CID) ( t t l i ) Charge-Injection Devices (CID) (outra tecnologia)- Dois capacitores acoplados compartilhando ROWSELECT e COLSELECT- Carga foto-gerada com menos bloom e com menos smear- Pulso COLSELECT > corrente de deslocamento > saída ROWSELECT

Pulso COLSELECT > corrente de deslocamento > saída ROWSELECT

Buried Photodiode

Vista em seção transversal de um pixel avançado ITCCD

Próxima Aula

Sistemas de Leitura CMOS

Ler Capítulo 4 Nakamura (CCDs)

Aulas #03 e #04 – Leitura de Dados em Sensores CMOS

1. Introdução aos Sensores CMOSç

Redução de potência e funcionalidade “on-chip”ç p p

Originalmente:

- Fotodiodo com corrente de escuro elevada

- Ruído de leitura elevado

Final dos anos 90:

- Técnicas trazidas das tecnologias CCDg

- Chartge-transfer gate

d h d d- Pinned photodiode

- Microlente

1.1. Diferenças entre Sensores de çImagem CMOS e CCD

Smear raramente é observado em CMOS (APS)

Processos e instalações já existentes

Flexibilidade de leitura

Menor tensão de alimentação Menor tensão de alimentação

Integração com circuitos de controle e outros sistemas

2. Arquitetura Básicaq

3. Tecnologia de Pixels CMOS/APSg /

Carga foto-gerada

Scan de linha e scan de coluna

Fixed-Pattern Noise (FPN)

Offsset do amplificador- Offsset do amplificador

- Variação da tensão de threshold (VT) do transistor MRD

Métodos Básicos: 3T, 4T, 2.5T

PPS e APS

3.1. Fixed-Pattern Noise e Supressão de pFPN (APS-3T)

3.2. Pixel com Foto-diodo de Junção J çp-n (APS-3T)

PW / NSUB (APS-3T) / ( )

Próxima Aula

í Ler Capítulo 5 Livro Nakamura (CMOS)

3.3. Pixels de Fotodiodo “Preso” (Pinned Photodiode Pixel) (4T)

CDS na Célula 4T

3.4. Outros Pixels Relevantes

Boosting

Pixel Logarítmico

2.5T etc.

Boostingg

Pixel Logarítmicog

Multiplexação de Foto-diodos (2.5T)p ç ( )

Próxima Aula

é Simular célula 3T

A l #05Aula #05Modos de Leitura (Read Out)Modos de Leitura (Read-Out) em Sensores de Imagem CMOSem Sensores de Imagem CMOS

Fotodiodo

Capacitância de junção: 5 fFp j ç

Corrente foto gerada: 5 pA Corrente foto-gerada: 5 pA

Luxímetros

Modo de Tensão 3T

Modo de Tensão 3T Alternativo

Modo de Tensão 4T

Modo de Tensão Logarítmicog

L b d Lembrando:

Modo de Corrente com CDS

Modo de Corrente Subthreshold

L b d Lembrando:

Differential Data Sampling (DDS)p g ( )

A l #06Aula #06Processamento de ImagensProcessamento de Imagens –Conceitos e Algoritmos BásicosConceitos e Algoritmos Básicos

Circuitos Analógicos para g pProcessamento em Modo de Corrente

Winner-takes-allValor absoluto Valor absoluto

Inversor de correnteE i l Exponencial

QuadradoP d t I t Produto Interno

Current conveyord Comparador

Conversores lineares I-V e V-I

Winner-Takes-All

Andreou, 1991

Valor Absoluto

Mehta, 2006

Inversor de Corrente

Bult, 1987

Exponencial e Quadradop Q

Madrenas, 1996 e Bult, 1987

Exponencial - Exemplop p

Produto Interno com Espelhos de pCorrente

Current Conveyory

Linãn, 2002 e Ferri, 2003 Obs : substituir “Y” por “X” no esquemático

Obs.: substituir Y por X no esquemático

Produto Interno e Comparadorp

Conversores Lineares V-I e I-V

Bult, 1987

Referências A. G. Andreou et al., Current-mode subthreshold MOS circuit for analog VLSI neural systems, IEEE Trans. Neural Networks,

vol 2 no 2 pp 205-213 Março 1991vol. 2, no. 2, pp. 205-213, Março 1991.

S. Mehta e R. Etienne-Cummings, A simplified normal optical flow measurement CMOS camera, IEEE Trans. Circuits and Systems I, vol. 53, no. 6, pp. 1223-1234, Junho 2006.

K. Bult e H. Waalinga, A class of analog CMOS circuits based on the square-law characteristics of an MOS transistor in saturation, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. SC-22, no. 3, pp. 357-365, Junho 1987.

J. Madrenas et al., A CMOS analog circuit for Gaussian functions, IEEE Trans. Circuits and Systems II, vol. 43, no. 1, pp. 70-74 Janeiro 199674, Janeiro 1996.

G. Ferri e N. C. Guerrini, Low-voltage low—power CMOS current conveyors, Kluwer Academic Publishers, 2003.

G. Linãn, Diseño de Chips Programables de Señal Mixta con Bajo Consumo de Potencia para Sistemas de Vision em Tiempo , p g j p pReal, Universidade de Sevilha, Junho 2002.

H. L. Haas et al., Analog inner product operations for image compression in 0.35 um CMOS, Springer Analog Integrated Circuits and Signal Processing, vol. 57, no. 3, pp. 141-150, Novembro 2008.

A l #07Aula #07Processamento de ImagensProcessamento de Imagens –Conceitos e Algoritmos Básicos IIConceitos e Algoritmos Básicos II

Mais Alguns Circuitos Analógicos para g g pProcessamento em Modo de Corrente

P d t I t U T i t Si Produto Interno com Um Transistor por Sinapse

R i Q d d Raiz Quadrada

T Hi bóli Tangente Hiperbólica

Circuitos para Leitura de Resultados

Produto Interno 1T por Sinapsep p

Raiz QuadradaQ

Circuitos para Saída (Leitura de p (Resultados)

Sigmóide (Tangente Hiperbólica)g ( g p )

Tangente Hiperbólica em Modo de g pCorrente

Exemplo de Algoritmo de Baixa p gComplexidade

DPCM DPCM

T f d Li Transformada Linear

V l Ab l t Valor Absoluto

ã l Quantização Vetorial

Imagem Dividida em Blocosg

Transformação Linearç

Quantização VetorialQ ç

Aulas #08 e #09 DPCMAulas #08 e #09 – DPCM

Motivação (Imagens)ç ( g )

Motivação (Histogramas)ç ( g )

- Obs.: 480513 pixels considerados

Projetoj% [1] Projeto SQ

clear all; load DPCM SQTrainSet;clear all; load DPCM_SQTrainSet; X = D(1:100:end); clear D; clear M;S = sign(X); X = abs(X); rand('state',0); randn('state',0);K=8; C = sort(rand(1,K))/10;L 100L = 100;for k=1:L, k

p = zeros(1,K);Cnovo = zeros(1,K);D(k) = 0;for n=1:size(X,2),

d = abs(X(n)-C);i = min(find(d == min(d)));p(i) = p(i)+1;Cnovo(i) = Cnovo(i)+X(n);Cnovo(i) Cnovo(i)+X(n);D(k) = D(k)+(min(d))^2;

end;C = Cnovo./p;D(k) = D(k)/size(X,2);

end;end;D0 = var(X);semilogx(10*log10(D0./D)); hold on; semilogx(10*log10(D0./D),'k.'); grid on;xlabel('Iteracao'); ylabel('SQNR (dB)');Cbkp=C;

Projetoj

% Arredondamento:

C=Cbkp;Tbkp = ([C 0]+[0 C])/2; T = [0.02 0.04 0.08 0.13 0.19 0.28 0.40]; p = zeros(1,K); C = zeros(1,K);for n=1:size(X,2),

i = sum(X(n) > T) + 1;p(i) = p(i)+1;C(i) = C(i)+X(n);

end;C = C /p; C = round(C*200)/200;

C = C./p; C = round(C*200)/200;

Aplicaçãop ç

% [2] Aplicacao

V = ImageToMatrix('lena');M = sum(V,1)/16; figure; imshow((reshape(M,128,128))'); MHat = zeros(1 1+length(M)); D = zeros(size(M)); p = zeros(1 8);MHat = zeros(1,1+length(M)); D = zeros(size(M)); p = zeros(1,8);for n=1:length(M),

D(n) = M(n) - MHat(n); X = abs(D(n)); Y = sign(D(n));i = sum(X > T) + 1;MHat(n+1) = MHat(n)+C(i)*Y;( ) ( ) ( )p(i) = p(i)+1;

end;MHat=MHat(2:length(MHat));

/clear D; p = p./sum(p); H = sum(-p.*log2(p)); D = mean((M - MHat).^2); [H 10*log10(D0/D)]figure; imshow((reshape(MHat,128,128))');

DPCM – Implementaçãop ç

Implementação com Alguns Errosp ç g

% [3] Implementacao com Alguns Erros

MHat = zeros(1,1+length(M)); MHat2 = zeros(1,1+length(M)); D = zeros(size(M)); p = zeros(1,8);prandn('state',0); eC = 0.001*randn(size(C));for n=1:length(M),

D(n) = M(n) - MHat(n); X = abs(D(n)); Y = sign(D(n));i = sum(X > T) + 1;

( 1) ( ) ( (i) (i))*MHat(n+1) = MHat(n)+(C(i)+eC(i))*Y;MHat2(n+1) = MHat2(n)+C(i)*Y;p(i) = p(i)+1;

end;MHat=MHat(2:length(MHat));MHat=MHat(2:length(MHat));MHat2=MHat2(2:length(MHat2));clear D; p = p./sum(p); H = sum(-p.*log2(p)); D = mean((M - MuHat).^2); [H 10*log10(D0/D)]figure; imshow((reshape(MHat2,128,128))'); g pfigure; plot(MHat); hold on; plot(MHat2,'r-');

Implementação com Alguns Errosp ç g

Correção de Erros em DPCMç

% [4] Correcao de Erros em DPCM

2figure; plot(MHat); hold on; plot(MHat2-(1:length(MHat2))/length(MHat2)*1.4,'g-');

figure; imshow((reshape(MHat2-(1:length(MHat2))/length(MHat2)*1.4,128,128))');

Exercício

ExemploCompletoDPCM.m

Aula #10 – Quantizador Vetorial: Conceitos Básicos

1. Codificador

Dados de entrada (fonte):

2. Decodificador

Dicionário:

3. VQQ

4. Problema (Projeto do VQ)( j Q)

Dado X, encontrar Y tal que D = Dmin, q min

Exemplo (MATLAB):

M = 2N = 20N 20K = 4

4. Problema (Código MATLAB)( g )

>> close all; clear all;

>> randn('state',0); rand('state',0); M = 2; N = 20; K = 4; G = 4; e = 0.05;

>> C = rand(M,G); X = []; L = N/G;

>> for g = 1:G, X = [X repmat(C(:,g),1,L)+e*randn(M,L)]; end;

l t(X(1 ) X(2 ) 'k ') id >> plot(X(1,:),X(2,:),'k.'); grid on;

>> hold on; plot(C(1,:),C(2,:),'c.');

>> Y = [ 0 7 0 75 0 8 0 85 ; 0 5 0 4 0 45 0 35];>> Y = [ 0.7 0.75 0.8 0.85 ; 0.5 0.4 0.45 0.35];

>> plot(Y(1,:),Y(2,:),'r.');

>> xlabel('x_{1}'); ylabel('x_{2}');

>> axis([0.2 1.2 -0.1 0.9])

5. Considerações Básicasç

5.1. Condição da Partição (Codificador)

Fixando Y, calcular divisão de X em K sub-conjuntos

5.2. Condição do Centróide (Decodificador)ç

Fixando divisão de X, calcular Y,

5.1. Condição da Partiçãoç ç

>> voronoi(Y(1,:),Y(2,:),'r-');

5.1. Condição da Partição Considerando que y1, y2, ..., yK são conhecidos (dados):

Particao otima:

Neste caso: Neste caso:

Columns 1 through 13

0.9285 0.9564 0.8928 1.0096 0.9665 0.5975 0.5774 0.6000 0.6602 0.6021 0.9060 0.9270 0.85670.1479 0.2455 0.2907 0.2293 0.2399 0.5223 0.5951 0.4917 0.4889 0.4444 0.6953 0.8433 0.8050

0.9540 0.8193 0.4365 0.4972 0.5210 0.5160 0.45550.6824 0.7907 0.0530 0.0541 0.0519 -0.0416 0.0107

>> D = 0;>> for n=1:20, d = sum((repmat(X(:,n),1,size(Y,2)) - Y).^2,1); k(n) = min(find(d==min(d))); D = D + min(d); end;>> D = D/20

0.0899

4 4 4 4 4 1 1 1 1 1 3 1 1 3 1 2 2 2 2 2

5.2. Condição do Centróideç

5.2. Condição do Centróideç>> k

4 4 4 4 4 1 1 1 1 1 3 1 1 3 1 2 2 2 2 2

>> p = zeros(K,1); Y = zeros(size(Y)); for n=1:20, Y(:,k(n)) = Y(:,k(n)) + X(:,n); p(k(n)) = p(k(n)) + 1; end;>> p

>> for j=1:K, Y(:,j) = Y(:,j)/p(j); end;>> Y

0.7050 0.4852 0.9300 0.95080.6227 0.0256 0.6888 0.2306

>> plot(Y(1,:),Y(2,:),'g.');>> D = 0; for n=1:20, D = D + sum((X(:,n)-Y(:,k(n))).^2);end;end;>> D = D/20

0.0178

Projeto de VQ Ilustrativoj Q

load DadosX.mat; L=20; K=16; M=mean(X,2); Y=repmat(M,1,K); randn('state',1); Y=Y+0.001*randn(size(Y));for l=1:L, l

D(l)=0; p=zeros(1,K); Ynovo=zeros(size(Y));for n 1 si e(X 2)for n=1:size(X,2);

d = sum((repmat(X(:,n),1,size(Y,2))-Y).^2,1);k = min(find(d==min(d)));

D(l) = D(l)+min(d);Ynovo(:,k) = Ynovo(:,k) + X(:,n); p(k) = p(k) + 1;

end;Y=Ynovo./repmat(p,size(Y,1),1);

end;plot(D,'k.'); plot(D, k. ); figure; plot(X(1,:),X(2,:),'k.'); hold on;voronoi(Y(1,:),Y(2,:)); axis([-0.01 0.08 -0.01 0.08]);

Aula #11 – Quantizador Vetorial com Restrição de Entropia

1. Codificador de Fonte Discreta (VLC)( )

ã Função

2. Decodificador de Fonte Discreta

ã Função

3. ECVQQ

4. Entropiap

O VLC é parametrizado pelo vetor .

4. Entropia e VLC – Exemplop p>> p = [1/2 1/4 1/8 1/8]

0.5000 0.2500 0.1250 0.1250

>> -sum(p.*log2(p))

1.7500

>> l = HuffLen(p)

1 2 3 31 2 3 3

>> gamma = HuffCode(l)

gamma =

0 0 01 0 01 1 01 1 11 1 1

5. Problema (Projeto do ECVQ)( j Q)

Minimizar D considerando se uma restrição (valor Minimizar D, considerando-se uma restrição (valor máximo aceitável) em H, ou vice-versa. Isso equivale a minimizar a função custo:a minimizar a função custo:

Problema: dados X e λ, encontrar Y tal que J = Jmin.

Exemplo (MATLAB): Slides #5 e #6 da aula passada.

6. Considerações Básicasç

6.1. Condição da Partição (Codificador)

Fixando Y, calcular divisão de X em K sub-conjuntos

6.2. Condição do Centróide (Decodificador)ç

Fixando divisão de X, calcular Y,

6.1. Condição da Partição Considerando que y1, y2, ..., yK são dados, seja j(x,yk):

Partição ótima (sem demonstração aqui):

Neste caso: Neste caso:

6.1. Condição da Partição (MATLAB) Na primeira iteração, não sabemos valores de lk.

ç ç ( )

0.9285 0.9564 0.8928 1.0096 0.9665 0.5975 0.5774 0.6000 0.6602 0.6021 0.9060 0.92700.1479 0.2455 0.2907 0.2293 0.2399 0.5223 0.5951 0.4917 0.4889 0.4444 0.6953 0.8433

0.8567 0.9540 0.8193 0.4365 0.4972 0.5210 0.5160 0.45550.8050 0.6824 0.7907 0.0530 0.0541 0.0519 -0.0416 0.0107

2 2 2 2

>> lambda = 0.05;>> J = 0;>> for n=1:20, j = sum((repmat(X(:,n),1,size(Y,2)) - Y).^2,1) + lambda*L; k(n) = min(find(j==min(j))); J = J + min(j); end;>> J = J/20

0.1899

4 4 4 4 4 1 1 1 1 1 3 1 1 3 1 2 2 2 2 2

É a mesma do Slide 5.2 da aula passada:

6.2. Condição do Centróide (MATLAB)ç ( )

4 4 4 4 4 1 1 1 1 1 3 1 1 3 1 2 2 2 2 2

>> p = zeros(K,1); Y = zeros(size(Y)); for n=1:20, Y(:,k(n)) = Y(:,k(n)) + X(:,n); p(k(n)) = p(k(n)) + 1; end;>> p

>> for j=1:K, Y(:,j) = Y(:,j)/p(j); end;>> Y

0.7050 0.4852 0.9300 0.95080.6227 0.0256 0.6888 0.2306

>> plot(Y(1,:),Y(2,:),'g.');>> D = 0; for n=1:20, D = D + sum((X(:,n)-Y(:,k(n))).^2);end;end;>> D = D/20

0.0178

6.2. E logo após a avaliação de p:g p ç p

>> p = p/sum(p)

0 40000.40000.25000.10000 25000.2500

>> L = HuffLen(p)

6.3. Exemplo ECVQp Q

6.3. Exemplo ECVQp Qclear all; close all; S = 0.01; BKJ = [];

for s = 1:400,

lambda = S*(s-1);randn('state',0); rand('state',0); M = 2; N = 800; K = 8; e = 0.5;X = randn(M,N);Y = 0.5*randn(M,K);l = log2(K)*ones(1,size(Y,2));gF = 200; BK = zeros(F,4);

for i=1:F,% PartitionJ = 0; for n=1:N, j = sum((repmat(X(:,n),1,size(Y,2)) - Y).^2,1) + lambda*l;

k(n) = min(find(j==min(j))); J = J + min(j); end; J = J/N;k(n) = min(find(j==min(j))); J = J + min(j); end; J = J/N;% Centroidp = zeros(K,1); Y = zeros(size(Y)); for n=1:N, Y(:,k(n)) = Y(:,k(n)) + X(:,n);

p(k(n)) = p(k(n)) + 1; end;for j=1:K, if p(j)~=0, Y(:,j) = Y(:,j)/p(j); end; end;% Cost Evaluation 0 f 1 (( ( ) ( k( ))) ^2) d /D = 0; for n=1:N, D = D + sum((X(:,n)-Y(:,k(n))).^2); end; D = D/N;Y = Y(:,find(p~=0)); p = p(find(p~=0));p = p/sum(p); H = -sum(p.*log2(p)); BK(i,:) = [D H D+lambda*H J];% Codeword Length Updatel = HuffLen(p)';

BKJ = [BKJ ; [lambda D H D+lambda*H size(Y,2)]]; [s lambda D H D+lambda*H size(Y,2)]

plot(BKJ(: 3) BKJ(: 2) 'k '); grid on; xlabel('H (bits per vector)'); ylabel('D (MSE)');plot(BKJ(:,3),BKJ(:,2), k. ); grid on; xlabel( H (bits per vector) ); ylabel( D (MSE) );

Referências

P. A. Chou, T. Lookabaugh, and R. M. Gray. Entropy-constrained vector quantization. IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal Processing, vol. 37, no. 1, pp. 31-42, January 1989.

A G h d R M G V t Q ti ti d Si l C i Kl B t 1992 A. Gersho and R. M. Gray. Vector Quantization and Signal Compression, Kluwer, Boston, 1992.

T. Kohonen. Self-Organizing Maps. Springer-Verlag, Berlin, Germany, 3rd Edition, 2001.

Aula #12 – Transformação Linear

Transformação em Blocos 4 4ç

Transformação em Blocos 4 4çH = [ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 22 1 -1 -2 2 1 -1 -2 2 1 -1 -2 2 1 -1 -21 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 11 -2 2 -1 1 -2 2 -1 1 -2 2 -1 1 -2 2 -12 2 2 2 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -2 -2 -2 -24 2 -2 -4 2 1 -1 -2 -2 -1 1 2 -4 -2 2 42 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 22 -2 -2 2 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 -2 2 2 -22 -4 4 -2 1 -2 2 -1 -1 2 -2 1 -2 4 -4 21 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 12 1 -1 -2 -2 -1 1 2 -2 -1 1 2 2 1 -1 -21 -1 -1 1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 11 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 11 -2 2 -1 -1 2 -2 1 -1 2 -2 1 1 -2 2 -11 1 1 1 -2 -2 -2 -2 2 2 2 2 -1 -1 -1 -12 1 -1 -2 -4 -2 2 4 4 2 -2 -4 -2 -1 1 21 -1 -1 1 -2 2 2 -2 2 -2 -2 2 -1 1 1 -11 -2 2 -1 -2 4 -4 2 2 -4 4 -2 -1 2 -2 1 ];

H = [ 2 1 -1 -2 2 1 -1 -2 2 1 -1 -2 2 1 -1 -22 2 2 2 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -2 -2 -2 -21 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 11 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 ];1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ];

for k=1:size(H,1), H(k,:) = H(k,:)/norm(H(k,:)); end;H(1,:) = H(1,:)/10; H(2,:) = H(2,:)/10; H(3,:) = H(3,:)/3; H(4,:) = H(4,:)/3;

Distribuição Laplacianaç p

abs(p) – Distribuição Exponencial(p) ç p

VQ ou ECVQ – Implementação Q Q p ç

IVQ (Interpolative VQ)Q ( p Q)

Implementação Completa (Blocos)p ç p ( )

Implementação Completa (Circuito)p ç p ( )

Implementação Completa (Resultados)p ç p ( )

Referências

H. Malvar, A. Hallapuro, M. Karczewicz, and L. Kerofsky. Low-complexity transform and quantization with 16-bit arithmetic for H.26L. In Proc. IEEE Int. Conf. Image Processing, pages II.489-II.492, Rochester, NY, September 2002.

H. Malvar, A. Hallapuro, M. Karczewicz, and L. Kerofsky. Low-complexity transform and quantization in H.264/AVC. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 13, no. 7, pp. 598-603, July 2003.

A. Gersho. Optimal nonlinear interpolative vector quantization. IEEE Trans. Communications, vol. 38, no. 9, pp. 1285-1287, September 1990.

Aula #13 DPCM IIAula #13 – DPCM II

Elementos

Descorrelação de Imagem

Transformada em Blocos

Decomposição em Sub-Bandas

Codificação Preditiva Codificação Preditiva

Codificação de Entropia

Arquitetura do Chip

1. Codificação Preditivaç

Gradiente calculado sobre pixels vizinhos

CALIC / DARC

CLARA CLARA

MED / LOCO / JPEG-LS

MED Simplificado: W, depois N dependendo do resultado

2. Codificação de Entropiaç p

Códigos de Golomb-Rice

São ótimos para inteiros com distribuição Laplaciana

3. Arquitetura do Chipq p

Matriz 80 x 44

Processamento a nível de colunas (ver Figura 2 do artigo)

Diagrama de blocos do processador de coluna (ver Figura 3 do artigo)

Memória analógica

Circuito de prediçãop ç

Conversor A/D com rampa (128 ciclos)

Golomb-Rice

Lógica de leitura

3.1. Circuito do Pixel

Pixel APS 3T com bias interno (M3) (ver Figura 4 do artigo)( ) ( g g )

34 um x 30 um

Seguidor de fonte (M2 e M3)

Chaves para leitura e escrita (M4 e M5)

Outro seguidor de fonte (M6 e Mb, sendo Mb externo)

Hard reset (M1)( )

Chave complementar do pixel (M7 e M8)

Capacitor de armazenamento

Fill factor: 18%

3.2. Circuito de Prediçãoç

Circuito analógico (Figura 7 do artigo)g ( g g )

Seleção de entradas do conversor A/D

Valor do pixel e valor da predição (vizinho)

Banco de capacitores

Chave atravessada para linhas pares e ímpares

Chaveamento a, b, c, d (Figura 8 do artigo), , , ( g g )

Controle W/N

3.3. CDS com Dois Transistores

Amplificador diferencial com dois transistores para reduzir FPN (Figura 10 do artigo)p p ( g g )

Duas tensões de reset diferentes

3.4. Circuito de Codificação, Adaptativoç , p

Esquema completo: ver Figura 11 do artigoq p g g

Conversor A/D com rampa (onde é implementada a codificação diferencial)

Lógica de seleção do preditor

Codificador Golomb-Rice adaptativo (detalhado em outro artigo anterior, [17])

Até 21 bits de comprimento para 256 possíveis níveis

Lógica para leitura serial das palavras bináriasg p p

3.5. Processador de Coluna

3252 um x 34.3 um (ver Figura 17 do artigo)( g g )

Contêm:

3.2. Circuito de Predição

3.3. CDS

3.4. Circuito de Codificação

4. Resultados e Conclusões

Imagens residuais e reconstruídas quando o esquema adaptativo para seleção de vizinho é utilizado – ver Figura 24.

Compressão de imagens (sem perdas): taxas em torno de 5.5 bit/pixel (ver Tabelas III e IV)

Escolha adequada do parâmetro k

Referências

W. León-Salas, S. Balkir, K. Sayood, N. Schemm, and M. Hoffman, A CMOS imager with focal plane compression using predictive coding, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 42, no. 11, pp. 2555-2572, November 2007.

Aula #14 Múltipla ResoluçãoAula #14 – Múltipla Resolução

Elementos

Estrutura QTD (Quadtree Decomposition) e VQ hierárquico

Métodos associados a múltiplas escalas

QTD versus JPEG – ver Figura 8 (Artyomov2006)

Blocos 8 x 8 só para exemplificar Blocos 8 x 8 só para exemplificar

Na prática – tamanho de bloco inicial 2 x 2, indo até 4 x 4

1. Arquiteturaq

É t d Fi 9 (A t 2006) É mostrada na Figura 9 (Artyomov2006):

1. APS Phtogate

2. Lógica de linha

3. Lógica de coluna

4. Processador (circuito computacional)

5 Clock5. Clock

Processamento simultâneo de duas linhas (Figura 10)

Operação snapshot

2. Processador em Colunas

É mostrado na Figura 11 (Artyomov2006):g ( y )

1. S/H

2. WTA & LTA

3. Comparadores

4. Memória

5. Lógica de saída

Regras computacionais QTD

4 i t WTA/LTA él l di i d d t4-input WTA/LTA com células direcionadoras de corrente

00 – pixel não-usado; 01 bloco 1 x 1; 10 bloco 2 x 2; 11 bloco 4 x 4

3. Regras Computacionais QTDg p Q

Figura 12 (Artyomov2006): diagrama de tempo referente ao controle do sistema computacional

Sinal “select” mostrado para oito linhasSinal select mostrado para oito linhas

Sinais “sample signal” e “sample reset”p g p

“Select” não-convencional

3.1. Regras Comp. QTD – Exemplog p Q p

Figura 13 (Artyomov2006): a operação do algoritmo de cálculo do tamanho do bloco é descritaconforme os intervalos de clock mostrados na tabela a seguir:

CLOCK OPERAÇÃO FIG. 131 Achar min e máx 56 a2 Achar min e máx 78 b3 min x max 56 a4 min x max 78 b > conclusão 2 x 25 e 6 achar 2 max 5678 cd7 e 8 achar 2 min 5678 ef9 e 10 min x max 2 vezes 5678 gh > conclusão 4 x 4

4. Circuitos do Processador

São destacados na Figura 14 (Artyomov2006):

1. Pixel 4T Photogate

2. Chaves SW1 – SW4

3. Quatro células WTA (na figura só vemos uma)Q ( g )

4. Comparadores com threshold variável + appropriately switched inputs

- Faixa de tensões de entrada: 0 V a 1.3 V

- Limiar variável: 15 mV a 300 mV

- Limiar maior em torno de zero (não-uniformidade em torno de 50%)

4.1. Célula WTA em Modo de Tensão

Ver N. Donckers et al., 1999.

APS 32 x 32 pixels, processo 0.35 um 4M 2P n-well TSMC CMOS (pela MOSIS)

Pixel: photogate 4T 7 um x 7 um 31% FF

li ã 3 3 0 30 Alimentação 3.3V; 70 mW a 30 Hz

Chip 2.8 mm x 3 mm

Leitura: 29 uV/elétron; FPN 0.11%

Conversor A/D deixado de fora

T d ã l t d 4 8 12 8 MSE Taxa de compressão relatada: 4.8 a 12.8, sem MSE

Ver Figuras 16 e 17 (Artyomov2006)

Imagens centrais da Figura 17 (Artyomov2006):

Resultado da divisão da imagem esquerda em blocos

Partes com intensidade uniforme não são divididos

Partes com detalhes são quase sempre divididas (falta de CDS no circuito computacional?)q p ( p )

Proposta: “first implementation of adaptive multiresolution sensor”

Referências

Evgeny Artyomov and Orly Yadid-Pecht, Adaptive Multiple-Resolution CMOS Active Pixel Sensor, IEEE Trans. Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 53, no. 10, pp. 2178-2186, Out. 2006.

N Donckers et al Design of complementary low power CMOS architecture for loser take all and N. Donckers et al., Design of complementary low-power CMOS architecture for loser-take-all and winner-take-all, in Proc. Int. Conf. Microeletron. Neural, Fuzzy, and Bio-Inspired Syst., Los Alamitos, CA, 1999, pp. 360-365.

Aula #15 – Múltipla Resolução e Wavelets

Lin et al., 2008 – Decomposição em , p çMúltiplos Níveis Filtragem Passa-Baixas e Filtragem Passa-Altas

Decomposição em Sub-Bandas

Wavelet – Base de Haar

Decomposição em Sub-Bandasp ç

“Crianças” e “Árvores de Zeros”:

Embedded Zero-Tree Wavelet Coding (EZW – Shapiro, 1993) > SPIHT (1996)

g ( p , ) ( )

Predição ao invés de Waveletsç

Substituir predição pelo uso de wavelets 9/7 e 5/3

Ver Figuras 2 e 3 do artigo (Lin 2008) Ver Figuras 2 e 3 do artigo (Lin, 2008)

Ver Tabela I do artigo (Lin, 2008)

Projeto do Sensor CMOSj

Projeto do pixel – a capacitores chaveados

Cálculo de erros (residuais) combinado com APS ver Figura 5 do artigo (Lin 2008) Cálculo de erros (residuais) combinado com APS – ver Figura 5 do artigo (Lin, 2008)

Em cada pixel: 14 transistores e 4 capacitores

Pixel APS com Cálculo de Residuais

Figura 5 do artigo (Lin 2008)

Figura 5 do artigo (Lin, 2008)

Erro de Predição – Precisão do Cálculoç

Resultados de Testes do Sensor APS 33 x 25 pixels, processo 0.5 um 3M 2P CMOS

Pixel: 3T 69 um x 69 um 20.7% FF

Alimentação: 0 25 mW a 30 Hz Alimentação: 0.25 mW a 30 Hz

Chip aproximadamente 2.3 mm x 2.3 mm

Leitura: 0.36 uV/elétron; FPN 0.7%

Codificação SPIHT não-implementada

Taxa de compressão relatada: PSNR acima de 38 dB, sem taxa de bits informada

Resultados: ver Figuras 11 e 13 Argumentam PSNR pelo menos igual a 38 dB já com Resultados: ver Figuras 11 e 13 . Argumentam PSNR pelo menos igual a 38 dB já com codificação SPIHT.

Aplicação do CDS com imagens de teste

Imageador CMOS APS com T f d S á lTransformada Separável

(Chi et al 2009)(Chi et al., 2009)

Implementação do Circuitop ç

Ver Figura 3 do artigo (Chi 2009)

Ver Figura 3 do artigo (Chi, 2009)

Multiplicadores a Capacitor Chaveadop p

Funcionamento baseado em H1 H2 S1 e S2

Funcionamento baseado em H1, H2, S1 e S2.

Resultados e Conclusões

Características do chip: Características do chip:

- 0.5 um CMOS 3M 2P

- Área do chip: 3 mm x 3 mm

M t i 128 128 i l 17 17 40% FF- Matriz 128 x 128, pixel 17 um x 17 um com 40% FF

- Alimentação: 3.3 V

Compressão através de wavelets (ver Figura 5 do artigo) ou através de Compressive Sensing (ver Figura 6 do artigo)

Referências

Zhiqiang Lin et al., A CMOS Image Sensor for Multi-Level Focal Plane Image Decomposition, IEEE Trans. Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 55, no. 9, pp. 2561-2572, Out. 2008.

Yu M. Chi et al., Na Active Pixel CMOS Separable Transfom Image Sensor, em Proc. IEEE Int. Symp. Circuits and Systems, Taipei, Taiwan, Maio de 2009, pp. 1281-1284.

Lista de Tópicos para Projeto Final da Disciplina

Lista de Tópicos para Projetop p j Estudo de células alternativas para captura (1.75 T; 2 T) – Bruno Pixel logarítmico e faixa dinâmica estendida – Victor Conversão A/D no plano focal e dentro do pixel Detecção e estimação de movimento no plano focal

C ã d i t l f l Compensação de movimento no plano focal Reconhecimento de padrões no plano focal Câmeras com auto-calibração espacial Registro de pixels estéreo (stereo-matching) no plano focal - Lúcio Registro de pixels estéreo (stereo matching) no plano focal Lúcio Demosaicking e outros algoritmos para processamento de cor (AWB) no plano focal – Diego,

Alexandre Conversão A/D sigma-delta espacial no plano focal DPCM no plano focal – mais blocos e análise de efeitos de erros de fabricação Quantização vetorial no plano focal – implementar ECVQ Quantização vetorial no plano focal – implementar IVQ Representação hierárquica de uma imagem no plano focal (múltiplas resoluções) Representação hierárquica de uma imagem no plano focal (múltiplas resoluções) Decomposição em sub-bandas no plano focal e codificação SPIHT Wavelets no plano focal – Diego Aferição do desempenho de imageadores – Ricardo

ç p g

Aula #16 – Estimação de Movimento

Fluxo Ópticop

Referências

S. Mehta e R. Etienne-Cummings, A simplified normal optical flow measurement CMOS camera, IEEE Trans. Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 53, no. 6, pp. 1223-1234, Junho de 20062006.

Aula #17 – AER e DPS

(Representação por Endereço de Eventos e Digital Pixel Sensor)Digital Pixel Sensor)

1. Representação por Endereço de p ç p çEventos (AER)

Pixel baseado em tempo (modulação por pulsos ou pixel PM)

Para outras referências sobre este assunto: A. N. Belbachir (Editor), Smart Cameras. Ed. Springer, 2010.

AER: Sensor Digital “Biomórfico”g

Ver artigo Culurciello et al., 2003. Ver artigo Culurciello et al., 2003.

Elementos:

- “Engenharia Reversa sobre Sistema Biológico”

- Canal de Comunicações AE

- Geração de Eventos (com Baixo Consumo de Energia)

- Comunicação de EventosComunicação de Eventos

- Operação do Imageador (interface com o computador)

- Reconstrução de Imagens

- Características do Chip

1.1. Canal de Comunicações AEç

1.2. Geração de Eventosç

1.3. Comunicação de Eventosç

1.4. Operação do Imageadorp ç g Circuitos para arbitragem de linha e de coluna (Figura 8 do artigo);

Diagrama de tempo para arbitragem da matriz inteira (Figura 9);

Consumo dos circuitos analógicos em torno de 100 uW, podendo cair para valores inferiores a 10 uW para situações em que o ambiente é pouco iluminado;

Análise dos transistores M2, M3, M4 e M5 em separado (Figura 10);

Frequência de disparos do imageador completo;

Análise de fontes de ruído (descasamento de tamanho 6.4%, ruído elétrico 0.15%, arbitragem 5%, crosstalk 3.5% a 35%, ruído de leitura 25%).

1.5. Reconstrução de Imagensç g

Conversão de intervalos entre disparos de volta para intensidade luminosa, levando em conta que a foto-corrente é diretamente proporcional à frequência dos disparos;

Histogramas;

Ampla faixa dinâmica e display em escala logarítmica (Figura 13 do artigo);

4 800 t t li ã it á id f it d íd d fi i ã d 4.800 eventos: atualização muito rápida, mas aparecem efeitos de ruído na definição do instante exato do disparo (Figura 14)

1.000.000 eventos: atualização mais lenta. O ruído temporal é atenuado, mas o FPN se torna visivel – solução com memória analógica e circuito a capacitores chaveados a ser publicada no futuro? (p. 288)

1.6. Características do Chipp

Ano publicação: 2003 Ano publicação: 2003

Processo 0.6 um 3M CMOS

Pixel: 32 um x 30 um com 14% FF

Tamanho da matriz: 80 x 60 pixels

Faixa dinâmica: 48.9 dB a 30 fps

FPN: 4%FPN: 4%

Potência: 3.4 mW (digital, a 0.1 mW/cm2) e 10 uW (analógica, a 0.1 mW/cm2)

Taxa máxima de atualização por pixel: 8300 amostras por segundo

2. Digital Pixel Sensor (DPS)g ( ) Ver artigo Kleinfelder et al., 2001.

Elementos:

- Conversor A/D com rampaConversor A/D com rampa

- Pixel com photogate, comparador e memória dinâmica de 3 bits (37 transistores)

- Diagrama de blocos do sensor, ilustrando arranjo com 2 x 2 pixels

- Polarização do comparador com desligamento para economia de energia

- Modos de imageamento

- Quadro únicoQuadro único- CDS- Vários quadros em uma exposição (múltiplos quadros)- Alta velocidade contínua, com sobreposição entre integração e leitura

2.1. Pixel com Comparador e Memóriap

2.2. Polarização do Comparadorç p

Para temporização deste circuito, ver Figura 7 do artigo.

2.3. Características do Chipp

Ano publicação: 2001 Processo 0.18 um 5M CMOS

Pi l 9 4 9 4 15% FF 37 t i t d t t MOS h t t Pixel: 9.4 um x 9.4 um com 15% FF; 37 transistores; detector nMOS photogate Tamanho da matriz: 352 x 288 pixels (CIF), tamanho do die: 5 mm x 5 mm Leitura: 64 bits a 167 MHz; taxa de dados de saída máxima em torno de 1.33 GB/s Conversor A/D: 8 bits, conversão em 25 us Conversor A/D: 8 bits, conversão em 25 us FPN: 0.027% com CDS Ruído temporal: 0.15% Potência: 50 mW @ 10.000 quadros por segundo Eficiência quântica: 13.6% Ganho de conversão: 13.1 uV/elétron Sensibilidade: 0.107 V/lux.s

Referências

E. Culurciello, R. Etienne-Cummings e K. A. Boahen. A biomorphic digital image sensor. IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 38, no. 2, pp. 281-294, Fevereiro de 2003.

S. Kleinfelder et al. A 10000 frames/s CMOS digital pixel sensor. IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 36, no. 12, pp. 2049-2059, Dezembro de 2001.

Aula #18 – Compressive Sensing

Referências

R. Baraniuk, ...

D D h D. Donoho, ...

V. Goyal, ...

Aula #19 – Reconhecimento de Padrões no Plano Focal

Referências

G. L. Cembrano et al., A 1000 FPS at 128 x 128 vision processor with 8-bit digitzed I/O, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, no. 7, pp. 1044-1055, Julho 2004.

(Palestra) C. M. Giraldo, On the architectural design and applications of CMOS vision systems, palestra apresentada em IEEE CAS Workshop Image Sensors 2009, Rio de Janeiro & Belo Horizonte, Novembro 2009.

A. Rodríguez-Vázquez et al., ACE16k: the third generation of mixed-signal SIMD-CNN ACE chips toward VSoCs, IEEE Trans. Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 51, n. 5, pp. 851-863, Maio 2004.

T. Roska e L. O. Chua, The CNN universal machine: na analogic array computer, IEEE Trans. Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing, vol. 40, no. 3, pp. 163-173, Março 19931993.

Aula #20 – Testes de ÓSensores Ópticos

Referências

Gerald C. Holst, Electro-Optical Imaging System Performance, Quinta Edição, JCD Publishing SPIE Press, 2008.

ApêndicesApêndices

A. Implementação p çRápida de ECVQ

Programa Básicogclear all; close all; S = 0.01; BKJ = [];

for s = 1:400,

lambda = S*(s-1);randn('state',0); rand('state',0); M = 2; N = 800; K = 8; e = 0.5;X = randn(M,N);Y = 0.5*randn(M,K);l = log2(K)*ones(1,size(Y,2));F 200; BK zeros(F 4);F = 200; BK = zeros(F,4);

k(n) = min(find(j==min(j))); J = J + min(j); end; J = J/N;% Centroid% Centroidp = zeros(K,1); Y = zeros(size(Y)); for n=1:N, Y(:,k(n)) = Y(:,k(n)) + X(:,n);

p(k(n)) = p(k(n)) + 1; end;for j=1:K, if p(j)~=0, Y(:,j) = Y(:,j)/p(j); end; end;% Cost EvaluationD = 0; for n=1:N, D = D + sum((X(:,n)-Y(:,k(n))).^2); end; D = D/N;Y = Y(:,find(p~=0)); p = p(find(p~=0));p p p pp = p/sum(p); H = -sum(p.*log2(p)); BK(i,:) = [D H D+lambda*H J];% Codeword Length Updatel = HuffLen(p)';

plot(BKJ(:,3),BKJ(:,2),'k.'); grid on; xlabel('H (bits per vector)'); ylabel('D (MSE)');

save Aula2B;

Tempo de Execuçãop ç

Programa Básico: 48 minutos

Programa Básico Modificado (XYtoYP): 28 minutos

Implementação MSVC / MEX Debug: 35 segundos

Implementação MSVC / MEX Release: 22 segundos

Implementação MEX –setup: 23 segundos

Programa Básicogclear all; close all; S = 0.01; BKJ = [];

for s = 1:400,

lambda = S*(s-1);randn('state',0); rand('state',0); M = 2; N = 800; K = 8; e = 0.5;X = randn(M,N);Y = 0.5*randn(M,K);l = log2(K)*ones(1,size(Y,2));F 200; BK zeros(F 4);F = 200; BK = zeros(F,4);

k(n) = min(find(j==min(j))); J = J + min(j); end; J = J/N;% Centroid% Centroidp = zeros(K,1); Y = zeros(size(Y)); for n=1:N, Y(:,k(n)) = Y(:,k(n)) + X(:,n);

p(k(n)) = p(k(n)) + 1; end;for j=1:K, if p(j)~=0, Y(:,j) = Y(:,j)/p(j); end; end;% Cost EvaluationD = 0; for n=1:N, D = D + sum((X(:,n)-Y(:,k(n))).^2); end; D = D/N;Y = Y(:,find(p~=0)); p = p(find(p~=0));p p p pp = p/sum(p); H = -sum(p.*log2(p)); BK(i,:) = [D H D+lambda*H J];% Codeword Length Updatel = HuffLen(p)';

save Aula2B;

Programa Básicog% PartitionJ = 0; for n=1:N for n=1:N,

j = sum((repmat(X(:,n),1,size(Y,2)) - Y).^2,1) + lambda*l; k(n) = min(find(j==min(j))); J = J + min(j);

end; J = J/N;% Centroidp = zeros(K,1); Y = zeros(size(Y)); f 1 N for n=1:N,

Y(:,k(n)) = Y(:,k(n)) + X(:,n); p(k(n)) = p(k(n)) + 1;

end;for j=1:K for j=1:K,

if p(j)~=0, Y(:,j) = Y(:,j)/p(j); end; end;% Cost EvaluationD = 0; for n=1:N, D = D + sum((X(:,n)-Y(:,k(n))).^2); end; D = D/N;Y = Y(:,find(p~=0)); p = p(find(p~=0));p = p/sum(p); H = -sum(p.*log2(p)); BK(i,:) = [D H D+lambda*H J];% Codeword Length Updatel = HuffLen(p)';

Programa Básico Modificado (XYltoYp)g ( p)

function [Yout,p] = XYltoYp(X,Yin,l,lambda);

p = zeros(size(Yin,2),1); Y = Yin; Ynew = zeros(size(Y));for n=1:size(X,2),

% Partitionj = sum((repmat(X(:,n),1,size(Y,2)) - Y).^2,1) + lambda*l; k = min(find(j==min(j))); % C t id% CentroidYnew(:,k) = Ynew(:,k) + X(:,n);p(k) = p(k) + 1;

end; for j=1:size(Yin 2) for j=1:size(Yin,2),

if p(j)~=0, Yout(:,j) = Ynew(:,j)/p(j); end; end;

Programa Básico Modificado (XYltoYpD)g ( p )

function [Yout,p,D] = XYltoYpD(X,Yin,l,lambda);

p = zeros(size(Yin,2),1); Y = Yin; Ynew = zeros(size(Y)); D = 0;for n=1:size(X 2) for n=1:size(X,2),

% Partitionj = sum((repmat(X(:,n),1,size(Y,2)) - Y).^2,1) + lambda*l; k = min(find(j==min(j))); D = D + sum((X(:,n)-Y(:,k)).^2);, , ;% CentroidYnew(:,k) = Ynew(:,k) + X(:,n);p(k) = p(k) + 1;

end; / i ( 2)D = D/size(X,2);

for j=1:size(Yin,2), if p(j)~=0, Yout(:,j) = Ynew(:,j)/p(j); end;

Programa Básico Modificadog

clear all; close all; S = 0.01; BKJ = [];

for s = 1:400,

lambda = S*(s-1);randn('state',0); rand('state',0); M = 2; N = 800; K = 8; e = 0.5;X = randn(M,N);Y = 0.5*randn(M,K);Y 0.5 randn(M,K);l = log2(K)*ones(1,size(Y,2));F = 200; BK = zeros(F,4);

for i=1:F-1,[Y,p] = XYltoYp(X,Y,l,lambda);Y = Y(:,find(p~=0)); p = p(find(p~=0));p = p/sum(p); % Codeword Length Updatel = HuffLen(p)';

[ ] l ( l l bd )[Y,p,D] = XYltoYpD(X,Y,l,lambda);p = p(find(p~=0)); p = p/sum(p);H = -sum(p.*log2(p));

end;end;

save Aula3;

XYltoYp – Implementação MSVC / MEXp p ç// 070614 gabriel@pads.ufrj.br (from 040224 CoreECVQ2.cpp)// MATLAB Syntax is [Y,p] = XYltoYp_MF(X,Y,l,lambda);

#include <stdlib.h>#include <math h>#include <math.h>#include "mex.h"

void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[], int nrhs, const mxArray *prhs[])

{// function [Yout,p] = XYltoYp_MF(X,Yin,l,lambda);

if (nrhs != 4) mexErrMsgTxt("4 input arguments required.");if (nlhs != 2) mexErrMsgTxt("2 output arguments required.");

// Getting input arguments

double *X, *Yin, *lambda, *l;X = mxGetPr(prhs[0]); Yin = mxGetPr(prhs[1]); l = mxGetPr(prhs[2]); lambda = mxGetPr(prhs[3]);X = mxGetPr(prhs[0]); Yin = mxGetPr(prhs[1]); l = mxGetPr(prhs[2]); lambda = mxGetPr(prhs[3]);

// Size definitions

const int *size_X, *size_Y;size_X = mxGetDimensions(prhs[0]); size_Y = mxGetDimensions(prhs[1]);int n_dimensions = size_X[0]; int n_elements = size_X[1]; int size_codebook = size_Y[1];

// Auxiliary stuff

int i, j, k, data_index, vector_index, codebook_index, best_index, offset;double e; double d; double J_min; double J;

// Getting output arguments

plhs[0] = mxCreateDoubleMatrix(n_dimensions,size_codebook,mxREAL);plhs[1] = mxCreateDoubleMatrix(1,size_codebook,mxREAL);double *Yout, *p; Yout = mxGetPr(plhs[0]); p = mxGetPr(plhs[1]);

// Main Code: ECVQ encode (evaluation of new cells and their density) ...

XYltoYp – Implementação MSVC / MEXp p ç

// Main Code: ECVQ encode (evaluation of new cells and their density)// Main Code: ECVQ encode (evaluation of new cells and their density)

data_index=0; codebook_index=0;

// p = zeros(size(Yin,2),1); Y = Yin; Ynew = zeros(size(Y));

for (i=0 ; i<size_codebook ; i++) {{

p[i]=0.0;for (j=0 ; j<n_dimensions ; j++){

Yout[codebook_index]=0.0;codebook_index++;

// for n=1:size(X,2), ...

XYltoYp – Implementação MSVC / MEXp p ç// for n=1:size(X,2),

for (i=0 ; i<n_elements ; i++){

// j = sum((repmat(X(:,n),1,size(Y,2)) - Y).^2,1) + lambda*l; // k = min(find(j==min(j)));

vector_index=0; codebook_index=0;d = 0.0;for (k=0 ; k<n_dimensions ; k++){{

e = X[data_index+k]-Yin[codebook_index];d = d + e*e;codebook_index++;

}J_min = d + (*lambda)*l[vector_index];best_index = 0;vector index++;vector_index++;

for (j=0 ; j<(size_codebook-1) ; j++){

d = 0.0;for (k=0 ; k<n_dimensions ; k++){

e = X[data index+k]-Yin[codebook index];e = X[data_index+k]-Yin[codebook_index];d = d + e*e;codebook_index++;

}J = d + (*lambda)*l[vector_index];if (J < J_min){

J min=J;J_min=J;best_index=vector_index;

}vector_index++;

// Ynew(:,k) = Ynew(:,k) + X(:,n);// p(k) = p(k) + 1;// p(k) = p(k) + 1;

// Ynew(:,k) = Ynew(:,k) + X(:,n);// p(k) = p(k) + 1;

offset=best_index*n_dimensions;for (j=0 ; j<n_dimensions ; j++){

Yout[offset+j] = Yout[offset+j]+X[data_index];data_index++;}p[best_index]=p[best_index]+1.0;

// for j=1:size(Yin,2),// if p(j)~=0, Yout(:,j) = Ynew(:,j)/p(j); end;// end;

for (i=0 ; i<size_codebook ; i++) if (p[i]!=0) for (j=0 ; j<n_dimensions ; j++)Yout[i*n_dimensions+j] = Yout[i*n_dimensions+j]/p[i];

for s = 1:400,

for i=1:F-1,[Y,p] = XYltoYp_MF_Debug(X,Y,l,lambda);Y = Y(:,find(p~=0)); p = p(find(p~=0));p = p/sum(p); % Codeword Length Updatel = HuffLen(p);

BKJ = [BKJ ; [lambda D H D+lambda*H size(Y,2)]]; % [s lambda D H D+lambda*H size(Y,2)]

end;end;

save Aula3B;

Modo Release

for s = 1:400,

for i=1:F-1,[Y,p] = XYltoYp_MF(X,Y,l,lambda);Y = Y(:,find(p~=0)); p = p(find(p~=0));p = p/sum(p); % Codeword Length Updatel = HuffLen(p);

end;end;

save Aula3C;

mex XYltoYp_MF_MATLAB.cpp;p ppmex –setup;mex XYltoYp_MF_MATLAB.cpp;

for s = 1:400,

lambda = S*(s-1);randn('state',0); rand('state',0); M = 2; N = 800; K = 8; e = 0.5;

d ( )X = randn(M,N);Y = 0.5*randn(M,K);l = log2(K)*ones(1,size(Y,2));F = 200; BK = zeros(F,4);

for i=1:F-1,[Y p] XYltoYp MF MATLAB(X Y l lambda);[Y,p] = XYltoYp_MF_MATLAB(X,Y,l,lambda);Y = Y(:,find(p~=0)); p = p(find(p~=0));p = p/sum(p); % Codeword Length Updatel = HuffLen(p);

end;end;

[Y,p,D] = XYltoYpD(X,Y,l,lambda);p = p(find(p~=0)); p = p/sum(p);H = -sum(p.*log2(p));

BKJ = [BKJ ; [lambda D H D+lambda*H size(Y,2)]]; % [s lambda D H D+lambda*H size(Y,2)]; , ; ,

save Aula3D;

B FSVQB. FSVQ

Exemplop

• Executar FSVQ.m

Processamento de Imagens no Plano Focal -...

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Časopis SIGNAL, br. 21; 2000.

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Časopis SIGNAL, br. 18; 1998.