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基于CMOS光电传感器运动捕捉系统 　　摘 要： CMOS光电传感技术已广泛应用于数码相机、PC摄像头、手机、监控等领域。介绍应用于运动捕捉的基于CMOS光电传感器的信号处理系统，可广泛应用于安保监控、游戏机、非桌面鼠标、健身运动器材、遥控遥感设备等场合，具有广阔的市场前景。系统核心是一块大规模集成电路，采用0.35um标准CMOS工艺，内嵌160x120 CMOS传感器（CMOS Sensor）、8位ADC、MCU、SRAM、AEC/AGC、图象信号处理（ISP等模块，捕捉到的信息可通过SPI接口或无线（RF）模块输出。系统的运动捕捉范围可达7米以上。 　　关键词： CMOS传感器（Sensor）；运动捕捉；AEC/AGC；图象信号处理器 　　中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0210019－01 　　 　　0 引言 　　CMOS光电传感器（Sensor）出现在上世纪六十年代末，它采用传统的CMOS工艺制作，可将光敏元件、信号放大整理、A/D转换器、存储器、数字图象信号处理器（ISP）、标准数据接口等集成在同一块芯片上，同CCD相比，具有电路结构简单、工艺兼容性好、信号处理能力强、成品率高、价格低廉等特点，因而具有广阔的市场前景。然而在相当长的一段时间内，由于CMOS图象传感器存在成像质量差、响应速度低、噪声大、像敏单元尺寸小的缺点而限制了它的广泛应用。 　　CMOS光电传感器的非影像应用，是近年发展起来的新领域，尤其在运动捕捉领域发展迅速，典型的要数光电鼠标，在短短的几年内，采用CMOS光电传感器的光电鼠标已完全取代传统的机械滑动鼠标。除此之外，CMOS光电传感器还应用于游戏机手柄、运动器材、安保监控、非桌面（三维）鼠标、非触摸型水龙头、竞技体育等场合。本文介绍基于CMOS光电传感器的运动捕捉系统的原理和构成。该系统包括光源、聚焦透镜、光电传感器、信号捕捉处理、接口输出、无线（RF）模块信号发射、运动信号分析等组成部分。系统结构简单，在一定距离捕捉范围（一般7米）内，能够捕捉到实时的3D运动信息，包括物体运动移位、3D（上下、前后、左右）运动方向、速度和加速度等。系统的核心是基于CMOS光电传感器的大规模集成电路，具有CMOS光电传感信号接收、图象信号处理（ISP）、接口输出等多种功能，并可对片内MCU进行编程。 　　1 基本的CMOS传感器单元和阵列 　　采用传统的3T APS结构的CMOS光电传感器，主要由光电二极管、MOS场效应管、MOS放大器与MOS开关等电路组成。本系统为非影像光电传感器，对可见光线不敏感，为了防止可见光线的干扰，采用不可见的红外光线进行传输和接收处理。红外光线由一对红外光电二极管产生并发送，接收光电信号的像敏单元的结构如图1所示。 　　外部的红外光线通过透镜聚焦后，由光敏二极管PD接收，经过MOS管的的放大送到下级电路进行放大处理。复位信号RST采用预充电的方式清除该像敏器单元上一帧的残留信号，控制信号RS是选择不同的列线信号。 　　有多行和多列光电像敏单元组成阵列，即构成CMOS光电成像阵列结构，如图2所示。阵列结构的CMOS传感器通过行和列的扫描获得每个单元的感光信息。行和列的扫描控制由片上的时序产生电路完成。时序产生电路产生一组行和列的同步信号。 　　 　　我们芯片采用176x130单元的CMOS成像阵列，实际有效感光像素区域为160x120（QQVGA）单元，非感光区域用作行和帧同步和消隐。芯片采用标准的0.35um CMOS 2P4M工艺，单个像敏单元所占芯片面积为10x10um2，传感器成像阵列所占芯片面积为1950x1470um2。 　　2 光电信号处理 　　CMOS成像阵列接收到的光电信号通过行和列的开关选择，对各个像敏单元进行逐个采样。采样结构采用普通的CDS（相关双采样）方式，通过明暗电流的比较获得该像敏单元的光电信号。该信号再通过内部AGC（自动增益控制）电路，使信号得到有效放大，然后再通过5位的可编程放大器（PGA）进行电压增益放大，得到一定幅度的电压信号。PGA增益大小可以通过MCU软件进行编程，可实现x1、x2、x3、x4、x5的增益控制。经过PGA放大后的信号经过简单调理后，即通过8位AD转换电路变成数字信号，送到数字信号处理模块。 　　数字图象信号处理以帧为单位对各个像敏单元进行逐个处理，每一帧图象为121行（一行为边缘）160列。受到信号处理时间的限制，需要对每一帧图象数据保存到SRAM缓冲区，以便在一帧图象数据全部采样完后统一处理。在实际电路中，每个像素用16级辉度进行存储，所以内部RAM进行存储时占用半个字节（4位）。因此内部图象缓冲存储器RAM的总容量为9.76k字节。RA