A Focal-Plane Image Processor for Low Power Adaptive Capture and Analysis of the Visual Stimulus

Portable applications of artificial vision are limited by the fact that conventional processing schemes fail to meet the specifications under a tight power budget. A bio-inspired approach, based in the goal-directed organization of sensory organs found in nature, has been employed to implement a focal-plane image processor for low power vision applications. The prototype contains a multi-layered CNN structure concurrent with 32times32 photosensors with locally programmable integration time for adaptive image capture with on-chip local and global adaptation mechanisms. A more robust and linear multiplier block has been employed to reduce irregular analog wave propagation ought to asymmetric synapses. The predicted computing power per power consumption, 142MOPS/mW, is orders of magnitude above what rendered by conventional architectures

In the quest of vision-sensors-on-chip: Pre-processing sensors for data reduction

This paper shows that the implementation of vision systems benefits from the usage of sensing front-end chips with embedded pre-processing capabilities - called CVIS. Such embedded pre-processors reduce the number of data to be delivered for ulterior processing. This strategy, which is also adopted by natural vision systems, relaxes system-level requirements regarding data storage and communications and enables highly compact and fast vision systems. The paper includes several proof-o-concept CVIS chips with embedded pre-processing and illustrate their potential advantages. © 2017, Society for Imaging Science and Technology.Office of Naval Research (USA) N00014-14-1-0355Ministerio de Economía y Competitiviad TEC2015-66878-C3-1-R, TEC2015-66878-C3-3-RJunta de Andalucía 2012 TIC 233

Second-order neural core for bioinspired focal-plane dynamic image processing in CMOS

Based on studies of the mammalian retina, a bioinspired model for mixed-signal array processing has been implemented on silicon. This model mimics the way in which images are processed at the front-end of natural visual pathways, by means of programmable complex spatio-temporal dynamic. When embedded into a focal-plane processing chip, such a model allows for online parallel filtering of the captured image; the outcome of such processing can be used to develop control feedback actions to adapt the response of photoreceptors to local image features. Beyond simple resistive grid filtering, it is possible to program other spatio-temporal processing operators into the model core, such as nonlinear and anisotropic diffusion, among others. This paper presents analog and mixed-signal very large-scale integration building blocks to implement this model, and illustrates their operation through experimental results taken from a prototype chip fabricated in a 0.5-μm CMOS technology.European Union IST 2001 38097Ministerio de Ciencia y Tecnología TIC 2003 09817 C02 01Office of Naval Research (USA) N00014021088

Space exploration: The interstellar goal and Titan demonstration

Automated interstellar space exploration is reviewed. The Titan demonstration mission is discussed. Remote sensing and automated modeling are considered. Nuclear electric propulsion, main orbiting spacecraft, lander/rover, subsatellites, atmospheric probes, powered air vehicles, and a surface science network comprise mission component concepts. Machine, intelligence in space exploration is discussed

Vision Science and Technology at NASA: Results of a Workshop

A broad review is given of vision science and technology within NASA. The subject is defined and its applications in both NASA and the nation at large are noted. A survey of current NASA efforts is given, noting strengths and weaknesses of the NASA program

Scaling Multidimensional Inference for Big Structured Data

In information technology, big data is a collection of data sets so large and complex that it becomes difficult to process using traditional data processing applications [151]. In a world of increasing sensor modalities, cheaper storage, and more data oriented questions, we are quickly passing the limits of tractable computations using traditional statistical analysis methods. Methods which often show great results on simple data have difficulties processing complicated multidimensional data. Accuracy alone can no longer justify unwarranted memory use and computational complexity. Improving the scaling properties of these methods for multidimensional data is the only way to make these methods relevant. In this work we explore methods for improving the scaling properties of parametric and nonparametric models. Namely, we focus on the structure of the data to lower the complexity of a specific family of problems. The two types of structures considered in this work are distributive optimization with separable constraints (Chapters 2-3), and scaling Gaussian processes for multidimensional lattice input (Chapters 4-5). By improving the scaling of these methods, we can expand their use to a wide range of applications which were previously intractable open the door to new research questions

Propuesta de arquitectura y circuitos para la mejora del rango dinámico de sistemas de visión en un chip diseñados en tecnologías CMOS profundamente submicrométrica

El trabajo presentado en esta tesis trata de proponer nuevas técnicas para la expansión del rango dinámico en sensores electrónicos de imagen. En este caso, hemos dirigido nuestros estudios hacia la posibilidad de proveer dicha funcionalidad en un solo chip. Esto es, sin necesitar ningún soporte externo de hardware o software, formando un tipo de sistema denominado Sistema de Visión en un Chip (VSoC). El rango dinámico de los sensores electrónicos de imagen se define como el cociente entre la máxima y la mínima iluminación medible. Para mejorar este factor surgen dos opciones. La primera, reducir la mínima luz medible mediante la disminución del ruido en el sensor de imagen. La segunda, incrementar la máxima luz medible mediante la extensión del límite de saturación del sensor. Cronológicamente, nuestra primera opción para mejorar el rango dinámico se basó en reducir el ruido. Varias opciones se pueden tomar para mejorar la figura de mérito de ruido del sistema: reducir el ruido usando una tecnología CIS o usar circuitos dedicados, tales como calibración o auto cero. Sin embargo, el uso de técnicas de circuitos implica limitaciones, las cuales sólo pueden ser resueltas mediante el uso de tecnologías no estándar que están especialmente diseñadas para este propósito. La tecnología CIS utilizada está dirigida a la mejora de la calidad y las posibilidades del proceso de fotosensado, tales como sensibilidad, ruido, permitir imagen a color, etcétera. Para estudiar las características de la tecnología en más detalle, se diseñó un chip de test, lo cual permite extraer las mejores opciones para futuros píxeles. No obstante, a pesar de un satisfactorio comportamiento general, las medidas referentes al rango dinámico indicaron que la mejora de este mediante sólo tecnología CIS es muy limitada. Es decir, la mejora de la corriente oscura del sensor no es suficiente para nuestro propósito. Para una mayor mejora del rango dinámico se deben incluir circuitos dentro del píxel. No obstante, las tecnologías CIS usualmente no permiten nada más que transistores NMOS al lado del fotosensor, lo cual implica una seria restricción en el circuito a usar. Como resultado, el diseño de un sensor de imagen con mejora del rango dinámico en tecnologías CIS fue desestimado en favor del uso de una tecnología estándar, la cual da más flexibilidad al diseño del píxel. En tecnologías estándar, es posible introducir una alta funcionalidad usando circuitos dentro del píxel, lo cual permite técnicas avanzadas para extender el límite de saturación de los sensores de imagen. Para este objetivo surgen dos opciones: adquisición lineal o compresiva. Si se realiza una adquisición lineal, se generarán una gran cantidad de datos por cada píxel. Como ejemplo, si el rango dinámico de la escena es de 120dB al menos se necesitarían 20-bits/píxel, log2(10120/20)=19.93, para la representación binaria de este rango dinámico. Esto necesitaría de amplios recursos para procesar esta gran cantidad de datos, y un gran ancho de banda para moverlos al circuito de procesamiento. Para evitar estos problemas, los sensores de imagen de alto rango dinámico usualmente optan por utilizar una adquisición compresiva de la luz. Por lo tanto, esto implica dos tareas a realizar: la captura y la compresión de la imagen. La captura de la imagen se realiza a nivel de píxel, en el dispositivo fotosensor, mientras que la compresión de la imagen puede ser realizada a nivel de píxel, de sistema, o mediante postprocesado externo. Usando el postprocesado, existe un campo de investigación que estudia la compresión de escenas de alto rango dinámico mientras se mantienen los detalles, produciendo un resultado apropiado para la percepción humana en monitores convencionales de bajo rango dinámico. Esto se denomina Mapeo de Tonos (Tone Mapping) y usualmente emplea solo 8-bits/píxel para las representaciones de imágenes, ya que éste es el estándar para las imágenes de bajo rango dinámico. Los píxeles de adquisición compresiva, por su parte, realizan una compresión que no es dependiente de la escena de alto rango dinámico a capturar, lo cual implica una baja compresión o pérdida de detalles y contraste. Para evitar estas desventajas, en este trabajo, se presenta un píxel de adquisición compresiva que aplica una técnica de mapeo de tonos que permite la captura de imágenes ya comprimidas de una forma optimizada para mantener los detalles y el contraste, produciendo una cantidad muy reducida de datos. Las técnicas de mapeo de tonos ejecutan normalmente postprocesamiento mediante software en un ordenador sobre imágenes capturadas sin compresión, las cuales contienen una gran cantidad de datos. Estas técnicas han pertenecido tradicionalmente al campo de los gráficos por ordenador debido a la gran cantidad de esfuerzo computacional que requieren. Sin embargo, hemos desarrollado un nuevo algoritmo de mapeo de tonos especialmente adaptado para aprovechar los circuitos dentro del píxel y que requiere un reducido esfuerzo de computación fuera de la matriz de píxeles, lo cual permite el desarrollo de un sistema de visión en un solo chip. El nuevo algoritmo de mapeo de tonos, el cual es un concepto matemático que puede ser simulado mediante software, se ha implementado también en un chip. Sin embargo, para esta implementación hardware en un chip son necesarias algunas adaptaciones y técnicas avanzadas de diseño, que constituyen en sí mismas otra de las contribuciones de este trabajo. Más aún, debido a la nueva funcionalidad, se han desarrollado modificaciones de los típicos métodos a usar para la caracterización y captura de imágenes

Pixels for focal-plane scale space generation and for high dynamic range imaging

Focal-plane processing allows for parallel processing throughout the entire pixel matrix, which can help increasing the speed of vision systems. The fabrication of circuits inside the pixel matrix increases the pixel pitch and reduces the fill factor, which leads to reduced image quality. To take advantage of the focal-plane processing capabilities and minimize image quality reduction, we first consider the inclusion of only two extra transistors in the pixel, allowing for scale space generation at the focal plane. We assess the conditions in which the proposed circuitry is advantageous. We perform a time and energy analysis of this approach in comparison to a digital solution. Considering that a SAR ADC per column is used and the clock frequency is equal to 5.6 MHz, the proposed analysis show that the focal-plane approach is 26 times faster if the digital solution uses 10 processing elements, and 49 times more energy-efficient. Another way of taking advantage of the focal-plane signal processing capability is by using focal-plane processing for increasing image quality itself, such as in the case of high dynamic range imaging pixels. This work also presents the design and study of a pixel that captures high dynamic range images by sensing the matrix average luminance, and then adjusting the integration time of each pixel according to the global average and to the local value of the pixel. This pixel was implemented considering small structural variations, such as different photodiode sizes for global average luminance measurement. Schematic and post-layout simulations were performed with the implemented pixel using an input image of 76 dB, presenting results with details in both dark and bright image areas.O processamento no plano focal de imageadores permite que a imagem capturada seja processada em paralelo por toda a matrix de pixels, característica que pode aumentar a velocidade de sistemas de visão. Ao fabricar circuitos dentro da matrix de pixels, o tamanho do pixel aumenta e a razão entre área fotossensível e a área total do pixel diminui, reduzindo a qualidade da imagem. Para utilizar as vantagens do processamento no plano focal e minimizar a redução da qualidade da imagem, a primeira parte da tese propõe a inclusão de dois transistores no pixel, o que permite que o espaço de escalas da imagem capturada seja gerado. Nós então avaliamos em quais condições o circuito proposto é vantajoso. Nós analisamos o tempo de processamento e o consumo de energia dessa proposta em comparação com uma solução digital. Utilizando um conversor de aproximações sucessivas com frequência de 5.6 MHz, a análise proposta mostra que a abordagem no plano focal é 26 vezes mais rápida que o circuito digital com 10 elementos de processamento, e consome 49 vezes menos energia. Outra maneira de utilizar processamento no plano focal consiste em aplicá-lo para melhorar a qualidade da imagem, como na captura de imagens em alta faixa dinâmica. Esta tese também apresenta o estudo e projeto de um pixel que realiza a captura de imagens em alta faixa dinâmica através do ajuste do tempo de integração de cada pixel utilizando a iluminação média e o valor do próprio pixel. Esse pixel foi projetado considerando pequenas variações estruturais, como diferentes tamanhos do fotodiodo que realiza a captura do valor de iluminação médio. Simulações de esquemático e pós-layout foram realizadas com o pixel projetado utilizando uma imagem com faixa dinâmica de 76 dB, apresentando resultados com detalhes tanto na parte clara como na parte escura da imagem