Preview only show first 10 pages with watermark. For full document please download

A Sensitive Dynamic And Active Pixel Vision Sensor For Color Or

   EMBED


Share

Transcript

A Sensitive Dynamic and Active Pixel Vision Sensor for Color or Neural  Imaging Applications  Diederik Paul Moeys, Institute of Neuroinformatics, University of Zürich and ETH Zürich, Switzerland  The work presented in this abstract is a summary of the recently defended Ph.D. investigation  titled “Analog and digital implementations of retinal ganglion cells”. This was conducted in the  Sensors group of the Inst. of Neuroinformatics of ETH Zürich, led by Prof. Tobi Delbruck and Shih‐ Chii Liu, in the field of Neuromorphic Engineering (NE). NE consists of trying to understand the  underlying principles of the brain and reproducing them in hardware, in order to achieve fast and  intelligent computations which diverge from standard approaches.   In particular, the Ph.D. work focused on Dynamic Vision Sensors (DVS) and their applications. The  DVS is a vision sensor, which goes beyond the frame‐based approach of normal digital cameras  by imitating the biological eye. Each pixel of the DVS sensor is a single independent processing  unit on its own, capable of telling if there has been a positive (ON event) or negative (OFF event)  logarithmic temporal change in light intensity. The coordinates of ON and OFF events and their  timestamps are thereby generated and communicated off chip. Through the sensor’s inherent  preprocessing, only brightness changes from the scene are sent for further computations. This  compression allows a lower data‐rate that is dependent on the activity in the visual field, which  in  turn  means  a  lower  power  consumption  and  sub  millisecond  latencies.  The  logarithmic  compression also allows high dynamic range (>100 dB). The detection of changes by the DVS is  particularly useful in the context of tracking, since only moving objects’ edges are visible (Fig. 1).  Applications  such  as  bolometry,  fluorescence  microscopy  and  fluid  dynamics,  requiring  the  detection  of  small  visual  contrast,  need  high  sensitivity.  DVS  sensors  provide  higher  dynamic  range and reduce data rate and latency, but most of these sensors have limited sensitivity. During  this Ph.D., a 200x192 CMOS vision sensor in 180 nm technology, called SDAVIS, was developed  for such applications. The sensor outputs DVS events as well as conventional frames. The SDAVIS  improves on previous DVS sensors with higher sensitivity for temporal contrast (down to 1%).  The achievement is possible through the adoption of an in‐pixel preamplification stage. This in‐ pixel preamplifier reduces the effective intrascene dynamic range of the sensor (70 dB), but an  automated operating region control allows to extend it up to at least 110 dB.   The  sensor  was  developed  in  collaboration  with  Towerjazz  and  IMEC  research  institute  (Interuniversity  Microelectronics  Centre),  Leuven,  Belgium,  under  the  EU‐funded  project  SEEBETTER and VISUALISE. The collaboration with IMEC allowed access to state‐of‐the‐art vision  sensor technology, and high‐precision characterization instrumentation.   The output of SDAVIS is shown in Fig. 1, in comparison to another recent DVS sensor that was  not  designed  for  high  sensitivity.  As  can  be  seen,  the  10‐15X  higher  sensitivity  of  SDAVIS  is  noticeable by eye. Shadows do not spoil the image quality and tiny details are well perceived  (both sensors have similar resolution; only the sensitivity changes).  A  B C    Fig. 1 A: Moving hand stimulus; B: Previous DVS sensor raw output with Full Color Scale (FCS) of 1; C: SDAVIS raw output with FCS  of 10 events. Both B and C show 30 ms DVS time slices. ON events are represented in white and OFF events in black.  The higher sensitivity of SDAVIS make this sensor potentially useful for neuronal calcium imaging,  as shown in Fig. 2. Recent experiments in collaboration with the Brain Research Institute of the  University  of  Zurich  show  in  fact  that  SDAVIS  has  the  potential  of  substituting  the  expensive  current CCD or CMOS frame‐based imaging systems which have low frame rates when recording  at full resolution. The output of a minute of recording of one of these systems can fill over 40 GB  of storage. SDAVIS can reduce redundancy and increase time resolution because it responds only  to fluorescence changes which streamline recordings from large neuron populations. A  B   Fig. 2 A: State‐of‐the‐art digital camera frame compared to (B) the corresponding 100 ms DVS time slice of SDAVIS which only  shows real‐time activity continuously. Both cameras image mouse neurons expressing calcium‐sensitive green fluorescent protein.  SDAVIS is also the first DVS sensor to produce color DVS events and frames, as shown in Fig. 3.  A  B C   Fig.  3  A:  ground  truth  (cellphone  camera);  B:  RGBW  events  separate  by  color  (RGBW  ON  events  are  represented  in  RGBW  respectively and OFF events in black); C: interpolated RGBW frame.  The SDAVIS is being turned into an R&D USB camera product by the Swiss company IniLabs, which  helped  with  the  development  on  the  software  side.  This  work  was  also  partially  funded  by  Samsung and by the Swiss National Science Foundation.