Conception mixte d’un capteur d’images intelligent intégré à traitements locaux massivement parallèles

Mixed co-design for an integrated smart image sensor with massively parallel local image processing

• Auteur / Autrice : Juliette Le hir
• Direction : Jérôme Juillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 14/12/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Ginhac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Juillard, Anthony Kolar, François Rivet, Jean-Christophe Pesquet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Sicard, Wilfried Patrick Uhring

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs d'images CMOS

Traitement d'images

Microélectronique

Mots clés libres

Microélectronique

Conception mixte analogique/numerique

Imageur intelligent

Traitement d'image

Microelectronics

Mixed-Signal

Smart image sensor

Vision system

Image processing

Résumé

Les capteurs intelligents permettentaux systèmes embarqués d’analyser leurenvironnement sans transmission de donnéesbrutes, consommatrice d’énergie. Ce mémoireprésente donc un travail sur un imageur intégrantdu traitement d’image. Deux figures de méritesont introduites pour classer l’état de l’art desimageurs intelligents en fonction de leurversatilité et de leur préservation de la surfacephotosensible. Cela met en évidence uncompromis que ce travail essaie d’améliorer enexplorant une approche par macropixels. Eneffet, en regroupant les éléments de calculs (PEs)pour plusieurs pixels, les traitements sont à lafois massivement parallèles et potentiellementplus versatiles à surface photosensible donnée.Une adaptation du filtrage spatial et du filtragetemporel en adéquation avec une architecture parmacropixels est proposée (sous-échantillonnagepar 3x3 pixels et par 2x2 pixels respectivement),et validée fonctionnellement. Une architectured’imageur en macropixels asymétriques est doncprésentée. Le PE conçu est un circuit analogiqueà capacités commutées, programmable par uncontrôle numérique extérieur à la matrice. Sondimensionnement est discuté pour descompromis entre surface et précision des calculs,avant d’être implémenté en calcul approximépour notre cas. La matrice proposée a été simuléeen vue extraite et présente des images de résultatsde détection de contours ou de différencetemporelle corrects, avec un facteur deremplissage de 28%.

Smart sensors allow embeddedsystems for analysing their environment withoutany transmission of raw data, which consumes alot of power. This thesis presents an imagesensor integrating image processing tasks. Twofigures of merit are introduced in order toclassify the state of the art of smart imagersregarding their versatility and their preservationof photosensitive area. This shows a trade-offthat this work aims at improving by using amacropixel approach. By merging processingelements (PEs) between several pixels,processing tasks are both massively parallel andpotentially more versatile at givenphotosensitive area. An adaptation of spatial andtemporal filtering, matching such anarchitecture is proposed (downsampling by3x3 and 2x2 pixels respectively for eachprocessing task) and functionnally validated. Anarchitecture of asymmetric macropixels is thuspresented. The designed PE is an analogswitched capacitor circuit that is controlled byout-of-matrix digital electronics. The sizing ofthe PE is discussed over the trade-off betweenaccuracy and area, and implemented in anapproximate computing approach in our study.The proposed matrix of pixels and PEs issimulated in post-layout extracted views andshows good results on computed images of edgedetection or temporal difference, with a 28% fillfactor.