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KR102826195B1 - Apparatus and method for motion and motion path detection and vision sensor including the same - Google Patents

Apparatus and method for motion and motion path detection and vision sensor including the same Download PDF

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KR102826195B1
KR102826195B1 KR1020230119399A KR20230119399A KR102826195B1 KR 102826195 B1 KR102826195 B1 KR 102826195B1 KR 1020230119399 A KR1020230119399 A KR 1020230119399A KR 20230119399 A KR20230119399 A KR 20230119399A KR 102826195 B1 KR102826195 B1 KR 102826195B1
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South Korea
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frame
frame information
pixels
frame difference
pixel
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지동우
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아주대학교산학협력단
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Abstract

움직임 및 움직임 경로 감지 장치 및 방법과 이를 구비하는 비전 센서가 개시되며, 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치는, 입력광에 대한 집적 시간(Integration Time)이 미리 설정된 중첩 비율에 대응하도록 중첩되는 한 쌍의 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀을 구비하고, 상기 한 쌍의 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀을 이용하여 상기 입력광에 대한 프레임 정보를 획득하는 프레임 정보 획득부 및 상기 프레임 정보 중 상기 홀수 픽셀에 의해 획득된 제1프레임 정보와 상기 프레임 정보 중 상기 짝수 픽셀에 의해 획득된 제2프레임 정보를 기초로 하여, 상기 중첩 비율을 고려한 연산을 수행함으로써 상기 입력광에 의한 프레임 차이(Frame Difference, FD)를 도출하는 프레임 차이 연산부를 포함할 수 있다.A motion and motion path detection device and method and a vision sensor having the same are disclosed. The motion and motion path detection device according to one embodiment of the present application may include a frame information acquisition unit that has a pair of odd pixels and even pixels that overlap such that an integration time for input light corresponds to a preset overlap ratio, and acquires frame information for the input light using the pair of odd pixels and even pixels, and a frame difference calculation unit that performs an operation that takes into account the overlap ratio based on first frame information acquired by the odd pixels among the frame information and second frame information acquired by the even pixels among the frame information, thereby deriving a frame difference (FD) due to the input light.

Description

움직임 및 움직임 경로 감지 장치 및 방법과 이를 구비하는 비전 센서{APPARATUS AND METHOD FOR MOTION AND MOTION PATH DETECTION AND VISION SENSOR INCLUDING THE SAME}{APPARATUS AND METHOD FOR MOTION AND MOTION PATH DETECTION AND VISION SENSOR INCLUDING THE SAME}

본원은 움직임 및 움직임 경로 감지 장치 및 방법과 이를 구비하는 비전 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a device and method for detecting movement and movement paths, and a vision sensor having the same.

최근 들어, 점점 많은 컴퓨터 비전 애플리케이션이 더 낮은 대기 시간과 높은 에너지 효율성을 요구하고 있으며, 이를 해결하기 위해 비전 센서에서 디지털 백엔드 프로세서로 전송되는 이미지 데이터의 양을 줄이기 위해 다양한 센서 내 처리 기술이 도입되고 있다.In recent years, more and more computer vision applications require lower latency and higher energy efficiency, and various on-sensor processing technologies are being introduced to reduce the amount of image data transmitted from vision sensors to digital backend processors to address these issues.

이와 관련하여, 프레임 메모리는 시간적 이미지 처리에 필수적이며, 디지털화된 픽셀 정보를 저장하려면 대용량 메모리가 필요하다. 따라서, 센서 내 이벤트 감지를 위해 프레임 차이(Frame Difference, FD) 기반 비전 센서와 이벤트 기반 비전 센서는 모두 픽셀 내 아날로그 저장 커패시터 및 처리 회로를 채택하므로 필연적으로 픽셀 크기가 증가하게 된다.In this regard, frame memory is essential for temporal image processing, and large-capacity memory is required to store digitized pixel information. Therefore, both frame difference (FD)-based vision sensors and event-based vision sensors adopt in-pixel analog storage capacitors and processing circuits for in-sensor event detection, which inevitably increases the pixel size.

또한, 옵티컬 플로우(Optical Flow) 생성과 같은 고급 이미지 처리를 위해서는 큰 면적을 차지하는 SRAM(Static Random Access Memory) 기반 프레임 메모리가 필요한 실정이다.Additionally, advanced image processing such as optical flow generation requires large-area SRAM (Static Random Access Memory)-based frame memory.

본원의 배경이 되는 기술은 한국등록특허공보 제10-2209014호에 개시되어 있다.The background technology of this application is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2209014.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 픽셀 내부에 명시적인 저장 커패시터가 필요하지 않은 프레임 차이 처리 기법이 적용된 움직임 및 움직임 경로 감지 장치 및 방법과 이를 구비하는 비전 센서를 제공하려는 것을 목적으로 한다.The present invention is intended to solve the problems of the above-mentioned prior art, and to provide a motion and motion path detection device and method, and a vision sensor having the same, to which a frame difference processing technique that does not require an explicit storage capacitor inside a pixel is applied.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 영역 효율적인 혼합 신호 TD(Temporal Derivative) 처리를 위한 픽셀 내 시간 메모리(TM) 회로를 구비하는 움직임 및 움직임 경로 감지 장치 및 방법과 이를 구비하는 비전 센서를 제공하려는 것을 목적으로 한다.The present invention is intended to solve the problems of the above-mentioned prior art, and to provide a motion and motion path detection device and method having an in-pixel temporal memory (TM) circuit for area-efficient mixed-signal TD (Temporal Derivative) processing, and a vision sensor having the same.

다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical tasks to be achieved by the embodiments of the present invention are not limited to the technical tasks described above, and other technical tasks may exist.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치는, 입력광에 대한 집적 시간(Integration Time)이 미리 설정된 중첩 비율에 대응하도록 중첩되는 한 쌍의 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀을 구비하고, 상기 한 쌍의 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀을 이용하여 상기 입력광에 대한 프레임 정보를 획득하는 프레임 정보 획득부 및 상기 프레임 정보 중 상기 홀수 픽셀에 의해 획득된 제1프레임 정보와 상기 프레임 정보 중 상기 짝수 픽셀에 의해 획득된 제2프레임 정보를 기초로 하여, 상기 중첩 비율을 고려한 연산을 수행함으로써 상기 입력광에 의한 프레임 차이(Frame Difference, FD)를 도출하는 프레임 차이 연산부를 포함할 수 있다.As a technical means for achieving the above technical task, a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention may include a frame information acquisition unit that has a pair of odd pixels and even pixels that overlap such that an integration time for input light corresponds to a preset overlap ratio, and acquires frame information for the input light using the pair of odd pixels and even pixels, and a frame difference calculation unit that derives a frame difference (FD) by the input light by performing an operation that takes into account the overlap ratio based on first frame information acquired by the odd pixels among the frame information and second frame information acquired by the even pixels among the frame information.

또한, 상기 프레임 차이 연산부는, 상기 제1프레임 정보에 대하여 상기 제2프레임 정보를 2배한 값을 감산하는 연산을 수행하거나, 상기 제2프레임 정보에 대하여 상기 제1프레임 정보를 2배한 값을 감산하는 연산을 수행하여 상기 프레임 차이를 산출할 수 있다.In addition, the frame difference calculation unit can calculate the frame difference by performing an operation of subtracting twice the second frame information from the first frame information or by performing an operation of subtracting twice the first frame information from the second frame information.

또한, 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치는, 상기 프레임 차이와 미리 설정된 임계값을 비교하여 이벤트 발생 여부를 판단하고, 상기 이벤트의 발생에 따른 기준 전압을 생성하는 이벤트 감지부를 포함할 수 있다.In addition, the motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention may include an event detection unit that compares the frame difference with a preset threshold value to determine whether an event has occurred and generates a reference voltage according to the occurrence of the event.

또한, 상기 기준 전압의 크기가 상기 이벤트가 발생한 시점을 기준으로 한 시간 경과에 따라 누설 전류에 의해 감소할 수 있다.Additionally, the magnitude of the reference voltage may decrease due to leakage current over time from the time the event occurred.

또한, 상기 기준 전압이 상기 누설 전류에 의해 감소하는 도중에 상기 이벤트가 재차 감지되면, 상기 기준 전압의 크기가 미리 설정된 초기값으로 갱신될 수 있다.Additionally, if the event is detected again while the reference voltage is decreasing due to the leakage current, the size of the reference voltage can be updated to a preset initial value.

또한, 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치는, 상기 기준 전압에 대한 정보를 저장하는 TM 픽셀을 포함하는 시간 메모리 처리부를 포함할 수 있다.Additionally, the motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention may include a time memory processing unit including a TM pixel that stores information about the reference voltage.

또한, 상기 한 쌍의 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀 각각이 상기 TM 픽셀을 둘러싸도록 배치되되, 상기 홀수 픽셀과 상기 짝수 픽셀이 교번하여 배치될 수 있다.Additionally, each of the above pair of odd pixels and even pixels may be arranged to surround the TM pixel, and the odd pixels and even pixels may be arranged alternately.

한편, 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서는, 입력광에 대한 집적 시간(Integration Time)이 미리 설정된 중첩 비율에 대응하도록 상호 중첩되는 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀 각각을 복수 개 구비하는 패치 기반 픽셀 회로 및 상기 홀수 픽셀에 의해 획득된 제1프레임 정보와 상기 짝수 픽셀에 의해 획득된 제2프레임 정보를 기초로 하여, 상기 중첩 비율을 고려한 연산을 수행함으로써 상기 입력광에 의한 프레임 차이(Frame Difference, FD)를 도출하고, 상기 프레임 차이와 미리 설정된 임계값을 비교한 결과에 따라 기준 전압을 생성하는 프레임 차이 처리 회로를 포함할 수 있다.Meanwhile, a vision sensor having a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention may include a patch-based pixel circuit having a plurality of odd pixels and even pixels each overlapping with each other such that an integration time for input light corresponds to a preset overlap ratio, and a frame difference processing circuit which performs an operation considering the overlap ratio based on first frame information acquired by the odd pixels and second frame information acquired by the even pixels to derive a frame difference (FD) by the input light, and generates a reference voltage according to a result of comparing the frame difference with a preset threshold value.

또한, 상기 패치 기반 픽셀 회로는, 상기 기준 전압에 대한 정보를 저장하는 TM 픽셀을 구비할 수 있다.Additionally, the patch-based pixel circuit may have a TM pixel that stores information about the reference voltage.

또한, 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서는, 미리 설정된 제1구동 모드에 대응하여 상기 프레임 차이에 대한 정보가 반영된 시계열 이미지를 출력하도록 상기 TM 픽셀의 출력을 변환하는 컨버터 회로를 포함할 수 있다.In addition, a vision sensor having a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention may include a converter circuit that converts an output of the TM pixel to output a time series image in which information about the frame difference is reflected in response to a preset first driving mode.

또한, 상기 컨버터 회로는, 미리 설정된 제2구동 모드에 대응하여 소정의 기준 시점에 따른 일반 이미지를 출력하도록 상기 홀수 픽셀의 출력, 상기 짝수 픽셀의 출력 및 상기 TM 픽셀의 출력을 변환할 수 있다.Additionally, the converter circuit can convert the output of the odd pixels, the output of the even pixels, and the output of the TM pixels to output a normal image according to a predetermined reference point in time corresponding to a preset second driving mode.

또한, 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서는, 상기 제1구동 모드 및 상기 제2구동 모드 간의 전환을 위한 스위치 회로를 포함할 수 있다.Additionally, a vision sensor having a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention may include a switch circuit for switching between the first driving mode and the second driving mode.

한편, 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 방법은, 입력광에 대한 집적 시간(Integration Time)이 미리 설정된 중첩 비율에 대응하도록 중첩되는 한 쌍의 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀을 이용하여 상기 입력광에 대한 프레임 정보를 획득하는 단계 및 상기 프레임 정보 중 상기 홀수 픽셀에 의해 획득된 제1프레임 정보와 상기 프레임 정보 중 상기 짝수 픽셀에 의해 획득된 제2프레임 정보를 기초로 하여, 상기 중첩 비율을 고려한 연산을 수행함으로써 상기 입력광에 의한 프레임 차이(Frame Difference, FD)를 도출하는 단계를 포함할 수 있다.Meanwhile, a method for detecting a motion and a motion path according to one embodiment of the present invention may include a step of obtaining frame information on an input light by using a pair of odd pixels and even pixels that overlap such that an integration time for the input light corresponds to a preset overlap ratio, and a step of deriving a frame difference (Frame Difference (FD)) by the input light by performing an operation that takes into account the overlap ratio based on first frame information obtained by the odd pixels among the frame information and second frame information obtained by the even pixels among the frame information.

또한, 상기 프레임 차이를 도출하는 단계는, 상기 제1프레임 정보에 대하여 상기 제2프레임 정보를 2배한 값을 감산하는 연산을 수행하거나, 상기 제2프레임 정보에 대하여 상기 제1프레임 정보를 2배한 값을 감산하는 연산을 수행하여 상기 프레임 차이를 산출할 수 있다.In addition, the step of deriving the frame difference may calculate the frame difference by performing an operation of subtracting twice the second frame information from the first frame information or by performing an operation of subtracting twice the first frame information from the second frame information.

또한, 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 방법은, 상기 프레임 차이와 미리 설정된 임계값을 비교하여 이벤트 발생 여부를 판단하고, 상기 이벤트의 발생에 따른 기준 전압을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, a method for detecting movement and movement path according to one embodiment of the present invention may include a step of comparing the frame difference with a preset threshold value to determine whether an event has occurred, and generating a reference voltage according to the occurrence of the event.

또한, 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 방법은, 상기 기준 전압에 대한 정보를 TM 픽셀에 저장하는 단계 및 상기 TM 픽셀의 출력을 변환하여 상기 프레임 차이에 대한 정보가 반영된 시계열 이미지를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, a method for detecting movement and movement path according to one embodiment of the present invention may include a step of storing information about the reference voltage in a TM pixel and a step of converting an output of the TM pixel to output a time series image in which information about the frame difference is reflected.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.The above-described problem solving means are merely exemplary and should not be construed as limiting the present invention. In addition to the above-described exemplary embodiments, additional embodiments may exist in the drawings and detailed description of the invention.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 픽셀 내부에 명시적인 저장 커패시터가 필요하지 않은 프레임 차이 처리 기법이 적용된 움직임 및 움직임 경로 감지 장치 및 방법과 이를 구비하는 비전 센서를 제공할 수 있다.According to the above-described means for solving the problem of the present invention, a motion and motion path detection device and method, to which a frame difference processing technique that does not require an explicit storage capacitor inside a pixel is applied, and a vision sensor having the same can be provided.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 영역 효율적인 혼합 신호 TD(Temporal Derivative) 처리를 위한 픽셀 내 시간 메모리(TM) 회로를 구비하는 움직임 및 움직임 경로 감지 장치 및 방법과 이를 구비하는 비전 센서를 제공하려는 것을 목적으로 한다.According to the above-mentioned means for solving the problem of the present invention, the purpose is to provide a motion and motion path detection device and method having an in-pixel temporal memory (TM) circuit for area-efficient mixed-signal TD (Temporal Derivative) processing and a vision sensor having the same.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 영역/전력 효율적인 픽셀 회로 설계와 컬럼-레벨(Column-level) 처리 기술을 통합한 새로운 다중 모드 비전 센서를 제공할 수 있다.According to the above-described means for solving the problem of the present invention, a novel multi-mode vision sensor can be provided that integrates an area/power-efficient pixel circuit design and column-level processing technology.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 별도의 추가 스토리지 없이도 프레임 차이(Frame Difference, FD) 기반 이벤트 감지 및 시간 도함수(Temporal Derivative) 생성(TD generation) 동작을 수행할 수 있다.According to the solution to the aforementioned problem of the present invention, frame difference (FD)-based event detection and temporal derivative (TD) generation operations can be performed without separate additional storage.

다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.However, the effects that can be obtained from this invention are not limited to the effects described above, and other effects may exist.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 통한 프레임 차이(Frame Difference, FD) 검출 프로세스를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 통한 시간 도함수(Temporal Derivative) 도출 프로세스를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 일반 이미지 센서 모드에서의 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀과 TM 픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 패치 모드에서의 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5c는 패치 모드에서의 TM 픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 프레임 정보 획득부 및 프레임 차이 연산부의 동작을 설명하기 위한 회로도 및 타이밍도이다.
도 7은 TM 캘리브레이터(Calibrator)의 동작을 설명하기 위한 회로도 및 타이밍도이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서의 마이크로그래프(Micrograph)를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서의 출력 유형을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10a 내지 도 10c는 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서를 통해 도출된 출력 이미지를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치와 연계된 실험예로서, 종래의 비전 센서와 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서의 성능을 비교하여 나타낸 도표이다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치의 개략적인 구성도이다.
도 13은 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 방법에 대한 동작 흐름도이다.
FIG. 1 is a schematic diagram of a vision sensor having a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining a frame difference (FD) detection process using a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3a and FIG. 3b are conceptual diagrams for explaining a temporal derivative derivation process using a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.
Figure 4 is a drawing for explaining the operation of odd pixels, even pixels, and TM pixels in a normal image sensor mode.
Figures 5a and 5b are drawings for explaining the operation of odd pixels and even pixels in patch mode.
Figure 5c is a drawing for explaining the operation of the TM pixel in patch mode.
Figure 6 is a circuit diagram and timing diagram for explaining the operation of the frame information acquisition unit and the frame difference calculation unit.
Figure 7 is a circuit diagram and timing diagram for explaining the operation of the TM Calibrator.
FIG. 8 is a drawing exemplarily showing a micrograph of a vision sensor having a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining the output type of a vision sensor having a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 10A to 10C are diagrams exemplarily showing output images derived through a vision sensor having a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing an experimental example linked to a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention, comparing the performance of a conventional vision sensor and a vision sensor equipped with a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.
Figure 12 is a schematic diagram of a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.
Fig. 13 is a flowchart of an operation of a method for detecting motion and motion path according to one embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention are described in detail so that those with ordinary skill in the art can easily practice the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are assigned similar drawing reference numerals throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only the case where it is "directly connected," but also the case where it is "electrically connected" or "indirectly connected" with another element in between.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when it is said that an element is located “on,” “above,” “below,” “under,” or “below” another element, this includes not only cases where an element is in contact with another element, but also cases where another element exists between the two elements.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, whenever a part is said to "include" a component, this does not mean that it excludes other components, but rather that it may include other components, unless otherwise specifically stated.

본원은 움직임 및 움직임 경로 감지 장치 및 방법과 이를 구비하는 비전 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a device and method for detecting movement and movement paths, and a vision sensor having the same.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서의 개략적인 구성도이다. 구체적으로 도 1은 비전 센서(10)의 컬럼-레벨 아키텍처의 탑 다이어그램(Top diagram)을 나타낸 것이다.Fig. 1 is a schematic configuration diagram of a vision sensor having a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention. Specifically, Fig. 1 shows a top diagram of the column-level architecture of the vision sensor (10).

도 1을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서(10)(이하, '비전 센서(10)'라 한다.)는 패치 기반 픽셀 회로(11), 프레임 차이 처리 회로(12), 컨버터 회로(13), 스위치 회로(14), TM 교정 회로(15) 및 컨트롤러/행 디코더 회로(16)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a vision sensor (10) (hereinafter referred to as “vision sensor (10)”) having a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention may include a patch-based pixel circuit (11), a frame difference processing circuit (12), a converter circuit (13), a switch circuit (14), a TM correction circuit (15), and a controller/row decoder circuit (16).

구체적으로 비전 센서(10)의 패치 기반 픽셀 회로(11)는 입력광에 대한 집적 시간(Integration Time)이 미리 설정된 중첩 비율에 대응하도록 상호 중첩되는 홀수 픽셀(1) 및 짝수 픽셀(2) 각각을 복수 개 구비할 수 있다.Specifically, the patch-based pixel circuit (11) of the vision sensor (10) may be provided with a plurality of odd pixels (1) and even pixels (2) that overlap each other so that the integration time for input light corresponds to a preset overlap ratio.

또한, 비전 센서(10)의 프레임 차이 처리 회로(12)는 홀수 픽셀(1)에 의해 획득된 제1프레임 정보와 짝수 픽셀(2)에 의해 획득된 제2프레임 정보를 기초로 하여, 중첩 비율을 고려한 연산을 수행함으로써 입력광에 의한 프레임 차이(Frame Difference, FD)를 도출하고, 도출된 프레임 차이와 미리 설정된 임계값을 비교한 결과에 따라 기준 전압을 생성할 수 있다.In addition, the frame difference processing circuit (12) of the vision sensor (10) performs an operation considering the overlap ratio based on the first frame information acquired by the odd pixels (1) and the second frame information acquired by the even pixels (2), thereby deriving the frame difference (Frame Difference, FD) by the input light, and can generate a reference voltage based on the result of comparing the derived frame difference with a preset threshold value.

또한, 이와 관련하여, 패치 기반 픽셀 회로(11)는 프레임 차이 처리 회로(12)에서 생성된 기준 전압에 대한 정보를 저장하는 TM 픽셀(3)을 구비할 수 있다.Additionally, in this regard, the patch-based pixel circuit (11) may be equipped with a TM pixel (3) that stores information about a reference voltage generated by a frame difference processing circuit (12).

또한, 도 1을 참조하면, 패치 기반 픽셀 회로(11)는 홀수 픽셀(1) 및 짝수 픽셀(2) 각각이 TM 픽셀(3)을 둘러싸도록 배치되되, 홀수 픽셀(1)과 짝수 픽셀(2)이 TM 픽셀(3)의 외측에 교번하여 배치되는 구조로 설계될 수 있다. 예시적으로 도 1을 참조하면, 패치 기반 픽셀 회로(11)는 복수의 패치 구조가 다수 배치되는 형태로 설계되되, 각각의 패치 구조 내부에 중심 영역에 배치된 하나의 TM 픽셀(3) 및 TM 픽셀(3)을 둘러 싸는 네 쌍의 홀수 픽셀(1) 및 짝수 픽셀(2)을 포함하는 3 X 3 구조로 이루어질 수 있다. 이 때, TM 픽셀(3)은 해당 패치 구조의 네 쌍의 홀수 픽셀(1) 및 짝수 픽셀(2)에 대하여 획득된 프레임 차이(FD)에 따른 이벤트 발생 감지 결과를 반영하는 기준 전압을 해당 패치 구조에 대응하여 저장하는 픽셀일 수 있다.In addition, referring to FIG. 1, the patch-based pixel circuit (11) may be designed to have a structure in which each of an odd pixel (1) and an even pixel (2) surrounds a TM pixel (3), and the odd pixel (1) and the even pixel (2) are alternately arranged on the outside of the TM pixel (3). For example, referring to FIG. 1, the patch-based pixel circuit (11) may be designed to have a plurality of patch structures arranged in a plurality of ways, and may be formed as a 3 X 3 structure including one TM pixel (3) arranged in a central region inside each patch structure and four pairs of odd pixels (1) and even pixels (2) surrounding the TM pixel (3). In this case, the TM pixel (3) may be a pixel that stores a reference voltage that reflects an event occurrence detection result according to a frame difference (FD) acquired for four pairs of odd pixels (1) and even pixels (2) of the corresponding patch structure, corresponding to the corresponding patch structure.

또한, 비전 센서(10)의 컨버터 회로(13)는 미리 설정된 제1구동 모드에 대응하여 프레임 차이(FD)에 대한 정보가 반영된 시계열 이미지를 출력하도록 TM 픽셀(3)의 출력을 변환할 수 있다.Additionally, the converter circuit (13) of the vision sensor (10) can convert the output of the TM pixel (3) to output a time series image in which information on the frame difference (FD) is reflected in response to a preset first driving mode.

또한, 컨버터 회로(13)는 미리 설정된 제2구동 모드에 대응하여 소정의 기준 시점에 따른 일반 이미지를 출력하도록 홀수 픽셀(1)의 출력, 짝수 픽셀(2)의 출력 및 TM 픽셀(3)의 출력을 변환할 수 있다.In addition, the converter circuit (13) can convert the output of the odd pixel (1), the output of the even pixel (2), and the output of the TM pixel (3) to output a normal image according to a predetermined reference point in time in response to a preset second driving mode.

한편, 전술한 비전 센서(10)의 구동 모드와 관련하여, 비전 센서(10)는 제1구동 모드 및 제2구동 모드 간의 전환을 위한 스위치 회로(14)를 구비할 수 있다. 참고로, 본원의 실시예에 관한 설명에서 제1구동 모드는 '패치 모드'로 달리 지칭되고, 제2구동 모드는 '일반 이미지 센서 모드'로 달리 지칭될 수 있으며, 각 구동 모드에 따른 비전 센서(10)의 구체적인 동작 및 각 구동 모드에서 생성되는 출력 이미지는 이하에서 상세히 후술하도록 한다.Meanwhile, with respect to the driving mode of the vision sensor (10) described above, the vision sensor (10) may be provided with a switch circuit (14) for switching between the first driving mode and the second driving mode. For reference, in the description of the embodiment of the present invention, the first driving mode may be referred to as a 'patch mode', and the second driving mode may be referred to as a 'general image sensor mode', and the specific operation of the vision sensor (10) according to each driving mode and the output image generated in each driving mode will be described in detail below.

또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 비전 센서(10)는 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치(100)(이하, '감지 장치(100)'라 한다.)를 포함할 수 있으며, 본원의 구현예에 따라서 감지 장치(100)는 전술한 패치 기반 픽셀 회로(11), 프레임 차이 처리 회로(12), 컨버터 회로(13) 및 스위치 회로(14) 중 적어도 일부의 회로를 포함하도록 비전 센서(10) 내부에 탑재되는 하위 모듈일 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the vision sensor (10) may include a motion and motion path detection device (100) (hereinafter, referred to as 'detection device (100)') according to one embodiment of the present invention, and according to an implementation example of the present invention, the detection device (100) may be a sub-module mounted inside the vision sensor (10) to include at least some circuits among the above-described patch-based pixel circuit (11), frame difference processing circuit (12), converter circuit (13), and switch circuit (14).

예시적으로 이하에서 상세히 설명하는 감지 장치(100)는 도 1에 점선 박스 형태로 도시된 회로도(확대 도면)에 포함된 각 모듈(회로)을 포함하도록 비전 센서(10)에 탑재(내장)되는 처리/연산 디바이스를 지칭하는 것일 수 있다.For example, the detection device (100) described in detail below may refer to a processing/operation device mounted (built-in) in the vision sensor (10) to include each module (circuit) included in the circuit diagram (enlarged drawing) shown in the form of a dotted box in FIG. 1.

종합하면, 본원에서 개시하는 비전 센서(10)를 이루는 픽셀은 홀수 픽셀(Odd; 1)과 짝수 픽셀(Even; 2)의 두 가지 유형으로 구분되고, 각 유형의 픽셀의 집적 시간(통합 시간, Integration Time)이 미리 설정된 중첩 비율에 따라 결정될 수 있다.In summary, the pixels forming the vision sensor (10) disclosed in the present invention are divided into two types: odd pixels (Odd; 1) and even pixels (Even; 2), and the integration time (Integration Time) of each type of pixel can be determined according to a preset overlap ratio.

이하에서는 비전 센서(10)의 구동 모드에 대하여 설명하도록 한다. 도 1을 참조하면, 비전 센서(10)에 의한 프레임 차이(FD) 계산은 홀수 픽셀(1)과 짝수 픽셀(2)이 바둑판 형태(패턴)으로 배치된 3 X 3 픽셀을 포함하는 패치(Patch) 단위마다 수행되며, 각 패치 구조의 중앙에는 TM 작업(TM Operation)에 사용되는 TM 픽셀(3)이 배치된다.Hereinafter, the driving mode of the vision sensor (10) will be described. Referring to Fig. 1, the frame difference (FD) calculation by the vision sensor (10) is performed for each patch unit including 3 X 3 pixels in which odd pixels (1) and even pixels (2) are arranged in a checkerboard pattern, and a TM pixel (3) used for TM operation is arranged at the center of each patch structure.

또한, 도 1의 ①을 참조하면, 각 패치마다 배치된 4개의 홀수 픽셀(1)과 짝수 픽셀(2)의 출력이 패치 수준 열 공유 COLPE/PO 라인을 통해 열 공유 FD 프로세서(Col. Shared FD Processor)를 포함하는 프레임 차이 연산부(120)로 전달되고, 도 1의 ②를 참조하면, FD 프로세서를 포함하는 프레임 차이 연산부(120)와 FDTH 비교기를 포함하는 이벤트 감지부(130)를 통해 해당 패치의 TM 픽셀 값을 업데이트 하는 FD 이벤트 신호인 EVT가 생성될 수 있다.In addition, referring to ① of FIG. 1, the outputs of four odd pixels (1) and even pixels (2) arranged in each patch are transferred to a frame difference operation unit (120) including a column-sharing FD processor (Col. Shared FD Processor) through a patch-level column-sharing COLPE/PO line, and referring to ② of FIG. 1, an FD event signal EVT that updates the TM pixel value of the corresponding patch can be generated through the frame difference operation unit (120) including the FD processor and the event detection unit (130) including the FDTH comparator.

또한, 본원에서 개시하는 비전 센서(10)는 패치 모드에 해당하는 제1구동 모드와 일반 이미지 센서 모드에 해당하는 제2구동 모드를 통합적으로 지원할 수 있으며, 복수의 아날로그-디지털 컨버터(Column-parallel single-slope ADC)를 구비하는 컨버터 회로(13)는 이미지 센서 모드(제2구동 모드)에서 ColPIX의 픽셀 출력을 변환할 수 있고, 도 1의 ③을 참조하면, 패치 모드(제1구동 모드)에서 ColTMO의 TM 출력을 변환하도록 동작할 수 있다. 한편, 컨버터 회로(13)의 아날로그-디지털 컨버터 소자는 본원의 구현예에 따라서 1b에서 8b 범위의 가변 분해능을 가지도록 설계될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.In addition, the vision sensor (10) disclosed in the present invention can comprehensively support a first driving mode corresponding to a patch mode and a second driving mode corresponding to a general image sensor mode, and a converter circuit (13) having a plurality of analog-to-digital converters (Column-parallel single-slope ADCs) can convert the pixel output of Col PIX in the image sensor mode (second driving mode), and, referring to ③ of FIG. 1, can operate to convert the TM output of Col TMO in the patch mode (first driving mode). Meanwhile, the analog-to-digital converter element of the converter circuit (13) can be designed to have a variable resolution in the range of 1b to 8b according to an implementation example of the present invention, but is not limited thereto.

도 2는 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 통한 프레임 차이(Frame Difference, FD) 검출 프로세스를 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining a frame difference (FD) detection process using a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 예시적으로 홀수 픽셀(1)과 짝수 픽셀(2)의 집적 시간에 대한 중첩 비율이 50%로 설정되는 경우, n번째 프레임 시점에서 F[n] 프레임 값은 짝수 픽셀(2)에 저장되고, (F[n-1]+F[n]) 값은 홀수 픽셀(1)에 저장될 수 있다. 따라서, 홀수 픽셀(1)의 픽셀 값에서 짝수 픽셀(2)의 픽셀 값을 두 배한 값을 감산하는 연산(O-2×E)을 수행하면, (n-1)번째 프레임과 n번째 프레임의 프레임 차이(F[n-1] - F[n])가 연산될 수 있다. 이렇듯, 각 프레임 시점의 프레임 정보가 각 픽셀의 포토다이오드(PD) 감지 노드에 저장될 수 있기 때문에, 비전 센서(10)는 추가적인 저장 커패시터 없이 프레임 차이 처리 회로(12)를 통해 프레임 차이(FD) 계산을 구현할 수 있다.Referring to FIG. 2, when the overlap ratio for the integration times of odd pixels (1) and even pixels (2) is set to 50%, for example, at the nth frame time point, the F[n] frame value can be stored in the even pixel (2), and the (F[n-1]+F[n]) value can be stored in the odd pixel (1). Therefore, when an operation (O-2×E) of subtracting twice the pixel value of the even pixel (2) from the pixel value of the odd pixel (1) is performed, the frame difference (F[n-1] - F[n]) between the (n-1)th frame and the nth frame can be calculated. In this way, since the frame information at each frame time point can be stored in the photodiode (PD) detection node of each pixel, the vision sensor (10) can implement frame difference (FD) calculation through the frame difference processing circuit (12) without an additional storage capacitor.

도 3a 및 도 3b는 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 통한 시간 도함수(Temporal Derivative) 도출 프로세스를 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 3a and FIG. 3b are conceptual diagrams for explaining a temporal derivative derivation process using a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.

도 3a를 참조하면, 프레임 차이 처리 회로(12)의 이벤트 감지부(130)는 프레임 차이(FD)가 생성되고 나면, 생성된 프레임 차이 값을 FD 이벤트 처리를 위한 미리 설정된 임계값(FDTH)과 비교하고, 비교 결과에 따라 이벤트가 발생한 것으로 판단되면(FD>FDTH), 기준 전압(VTM)이 하이(High)로 설정되도록 스위치 소자를 제어하며, 해당 시점(즉, 이벤트가 발생한 시점)을 기준으로 한 시간 경과에 따라 기준 전압(VTM)의 크기가 누설 전류에 의해 로우(Low) 상태로 감소하게 된다.Referring to FIG. 3a, the event detection unit (130) of the frame difference processing circuit (12) compares the generated frame difference value with a preset threshold value (FD TH ) for FD event processing when a frame difference (FD) is generated, and if it is determined that an event has occurred based on the comparison result (FD>FD TH ), it controls the switching element so that the reference voltage (V TM ) is set to high, and as time passes based on that point in time (i.e., the point in time when the event occurred), the size of the reference voltage (V TM ) decreases to a low state due to leakage current.

달리 말해, 기준 전압(VTM)의 크기는 이벤트가 발생한 시점을 기준으로 한 시간 경과에 따라 누설 전류에 의해 감소하며, 기준 전압이 상기 누설 전류에 의해 감소하는 도중에 프레임 차이(FD) 처리를 통해 이벤트가 재차 감지되면, 기준 전압(VTM)의 크기가 미리 설정된 초기값으로 갱신되어 기준 전압(VTM)이 상승할 수 있다.In other words, the size of the reference voltage (V TM ) decreases due to the leakage current over time from the time when the event occurs, and if the event is detected again through frame difference (FD) processing while the reference voltage is decreasing due to the leakage current, the size of the reference voltage (V TM ) can be updated to a preset initial value, so that the reference voltage (V TM ) can increase.

이에 따라, 기준 전압(VTM)의 값(크기)은 프레임 차이(FD) 기반의 이벤트가 얼마나 자주 발생하는지 나타내는 파라미터로 활용될 수 있으며, 예를 들어 물체가 빠르게 움직이는 경우, 프레임 차이(FD) 기반 이벤트가 상대적으로 자주 발생하게 되므로, 기준 전압(VTM)은 높은 값을 유지는 반면, 물체가 정지해 있으면 기준 전압(VTM) 값은 0이 된다.Accordingly, the value (magnitude) of the reference voltage (V TM ) can be utilized as a parameter indicating how frequently a frame difference (FD)-based event occurs. For example, when an object moves quickly, frame difference (FD)-based events occur relatively frequently, so the reference voltage (V TM ) maintains a high value, whereas when the object is stationary, the reference voltage (V TM ) value becomes 0.

이와 관련하여, 도 3b의 (a)는 비전 센서(10)에 의해 계측되는 물체가 상대적으로 빠르게 움직이는 경우(Fast Moving Image)의 기준 전압(VTM)의 크기 변화를 나타내고, 도 3b의 (b)는 비전 센서(10)에 의해 계측되는 물체가 상대적으로 느리게 움직이는 경우(Slow Moving Image)의 기준 전압(VTM)의 크기 변화를 나타내고, 도 3b의 (c)는 비전 센서(10)에 의해 계측되는 물체가 정지 상태인 경우(Static Image)의 기준 전압(VTM)의 크기 변화를 나타낸 것이다.In this regard, (a) of FIG. 3b shows the change in the size of the reference voltage (V TM ) when the object measured by the vision sensor (10) moves relatively fast (Fast Moving Image), (b) of FIG. 3b shows the change in the size of the reference voltage (V TM ) when the object measured by the vision sensor (10) moves relatively slow (Slow Moving Image), and (c) of FIG. 3b shows the change in the size of the reference voltage (V TM ) when the object measured by the vision sensor (10) is stationary (Static Image).

이하에서는 도 4 내지 도 7을 참조하여 비전 센서(10)를 이루는 각 하위 회로 파트의 구체적인 구조 및 동작 방식에 대하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the specific structure and operation method of each sub-circuit part constituting the vision sensor (10) will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 7.

도 4는 일반 이미지 센서 모드에서의 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀과 TM 픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.Figure 4 is a drawing for explaining the operation of odd pixels, even pixels, and TM pixels in a normal image sensor mode.

도 4를 참조하면, 일반 이미지 센서 모드(제2구동 모드)에서 모든 픽셀(달리 말해, 홀수 픽셀(O; 1), 짝수 픽셀(E; 2) 및 TM 픽셀(TM; 3)은 기본 3T 픽셀로 작동할 수 있다. 구체적으로 PS 노드, PSTM 노드, EVT 노드 및 ColPE/PO 노드는 제1전원 전압 노드(VDD)에 연결될 수 있고, RSTMO 노드 및 ColTMO 노드는 제2전원 전압 노드(VSS)에 연결될 수 있다. 또한, 각 감지 노드의 출력값(VPD_E/O 및 VPD_TM)은 각각 MSF 스위치 및 MRS 스위치를 통해 열 공유 출력 ColPIX 측으로 전송된다.Referring to FIG. 4, in the normal image sensor mode (the second driving mode), all pixels (in other words, the odd pixel (O; 1), the even pixel (E; 2), and the TM pixel (TM; 3) can operate as basic 3T pixels. Specifically, the PS node, the PS TM node, the EVT node, and the Col PE/PO node can be connected to the first power voltage node (VDD), and the RS TMO node and the Col TMO node can be connected to the second power voltage node (VSS). In addition, the output values (V PD_E/O and V PD_TM ) of each sensing node are transmitted to the heat sharing output Col PIX side through the M SF switch and the M RS switch, respectively.

도 5a 및 도 5b는 패치 모드에서의 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.Figures 5a and 5b are drawings for explaining the operation of odd pixels and even pixels in patch mode.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, ColPIX는 제2전원 전압 노드(VSS)에 연결되고 홀수 픽셀(1) 및 짝수 픽셀(2)에 대한 RSE 및 RSE는 제1전원 전압(VDD)으로 설정될 수 있으며, 이에 따라 연결되고 홀수 픽셀(1) 및 짝수 픽셀(2)의 MRS 스위치는 MSF 스위치에 대한 변성 저항으로 동작하고, 픽셀 값 VPD_E 및 VPD_O는 픽셀 전류 출력 iE 및 iO를 각각 생성할 수 있다. 또한, iE 및 iO는 패치 작업을 위해 각 픽셀에서 MPT 스위치를 통해 ColPE 및 ColPO측으로 전달된다. 또한, 도 5b를 참조하면, 전력 소비를 줄이기 위해 짧은 펄스 신호 PS가 MPT 스위치를 게이트 하도록 인가될 수 있다. 또한, 각 픽셀에서의 전류 출력(iE 및 iO)은 각 픽셀의 유형에 따라 해당 패치 구조의 패치 수준 전류 출력(iPE/PO)에 합산되도록 ColPE/PO로 인가된다.Referring to FIGS. 5a and 5b, Col PIX is connected to a second power supply voltage node (VSS), and RS E and RS E for odd pixels (1) and even pixels (2) can be set to a first power supply voltage (VDD), so that the M RS switches of the odd pixels (1) and even pixels (2) operate as degenerate resistors for the M SF switches, and the pixel values V PD_E and V PD_O can generate pixel current outputs i E and i O , respectively. In addition, i E and i O are transferred to the Col PE and Col PO sides through the M PT switches in each pixel for patching operation. In addition, referring to FIG. 5b, a short pulse signal PS can be applied to gate the M PT switches to reduce power consumption. Additionally, the current output (i E and i O ) at each pixel is fed to Col PE/PO to be summed to the patch-level current output (i PE/PO ) of the corresponding patch structure according to the type of each pixel.

또한, 도 5b에 도시된 타이밍 다이어그램은 홀수 픽셀(1) 및 짝수 픽셀(2)의 PD(RSTE/O)를 교대로 재설정함으로써 홀수 픽셀(1) 및 짝수 픽셀(2) 간의 이미지 집적 시간(Integration Time)이 매 프레임마다 중첩되는 것을 나타낸다.Additionally, the timing diagram illustrated in Fig. 5b shows that the image integration times between the odd pixels (1) and the even pixels (2) overlap in each frame by alternately resetting the PD (RST E/O ) of the odd pixels (1) and the even pixels (2).

도 5c는 패치 모드에서의 TM 픽셀의 동작을 설명하기 위한 도면이다.Figure 5c is a drawing for explaining the operation of the TM pixel in patch mode.

도 5를 참조하면, TM 픽셀 (3)의 경우, 홀수 픽셀(1) 및 짝수 픽셀(2) 대비, MSFTM 및 MRSTM에 해당하는 스위치 소자(트랜지스터)가 추가로 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 제1구동 모드(패치 모드)에서 기준 전압 노드(VTM)는 FD 이벤트 신호 EVT와 PSTM이 모두 하이(High) 상태일 때, 하이(High) 상태로 설정될 수 있다.Referring to FIG. 5, in the case of the TM pixel (3), it can be confirmed that, compared to the odd pixel (1) and the even pixel (2), there are additional switch elements (transistors) corresponding to M SFTM and M RSTM , and in the first driving mode (patch mode), the reference voltage node (V TM ) can be set to a high state when both the FD event signal EVT and the PS TM are high.

이와 관련하여, MEVT는 EVT 및 PSTM의 논리 AND 연산을 위해 기본 NMOS 소자 구현될 수 있다. 또한, RSTTM이 제1기준 전압(VDD)에 해당하고, RSTM이 VBTM에 해당하는 경우 iRS의 누설 전류가 생성되어 시간이 경과에 따라 기준 전압(VTM)을 감소시킨다. 이 때, VBTM은 MRS의 소자 크기를 최소화하고, 기준 전압(VTM) 노드에서 기생 커패시턴스만 가지고도 긴 시정수를 나타내도록 내부적으로 생성되는 음의 전압이다. 기준 전압 노드(VTM)의 전압은 MSFTM 및 MRSTM을 통해 패치 수준 열 공유 COLTMO로 전달되며, RSTMO는 TM 출력(TMO)에 대한 행 선택 신호이다.In this regard, the M EVT can be implemented with basic NMOS devices for the logical AND operation of the EVT and PS TM . In addition, when the RST TM corresponds to the first reference voltage (VDD) and the RS TM corresponds to V BTM , the leakage current of i RS is generated to decrease the reference voltage (V TM ) over time. At this time, V BTM is a negative voltage generated internally to minimize the device size of the M RS and exhibit a long time constant even with only the parasitic capacitance at the reference voltage (V TM ) node. The voltage of the reference voltage node (V TM ) is delivered to the patch-level column sharing COL TMO through the M SFTM and the M RSTM , and the RS TMO is a row select signal for the TM output (TMO).

또한, 도 5c의 (b)의 TM 동작의 타이밍도에서 GCLK는 전역 클럭 신호이고, 도 5c의 (b)를 참조하면, [i, k] 번째 패치 작업을 위하여, PS[i]를 통해 iPE/PO가 생성되는 동작과, 프레임 차이(FD) 처리(연산) 후, FD 이벤트 신호 EVT[k]가 생성되는 동작과, PSTM[i]를 통해 EVT 결과를 기준 전압(VTM)에 반영하여 TM 픽셀(3)에 저장하는 작업이 순차적으로 수행되는 것을 확인할 수 있다.In addition, in the timing diagram of the TM operation of (b) of Fig. 5c, GCLK is a global clock signal, and referring to (b) of Fig. 5c, for the [i, k]th patch operation, it can be confirmed that the operation of generating i PE/PO through PS[i], the operation of generating FD event signal EVT[k] after frame difference (FD) processing (operation), and the operation of reflecting the EVT result to the reference voltage (V TM ) through PS TM [i] and storing it in the TM pixel (3) are sequentially performed.

도 6은 프레임 정보 획득부 및 프레임 차이 연산부의 동작을 설명하기 위한 회로도 및 타이밍도이다. 구체적으로 도 6은 FD 프로세서를 포함하는 프레임 차이 연산부(120) 및 FDTH 비교기를 포함하는 이벤트 감지부(130)를 구비하는 프레임 차이 처리 회로(12)의 세부 회로도를 나타낸 것이다.Fig. 6 is a circuit diagram and timing diagram for explaining the operation of the frame information acquisition unit and the frame difference calculation unit. Specifically, Fig. 6 shows a detailed circuit diagram of a frame difference processing circuit (12) having a frame difference calculation unit (120) including an FD processor and an event detection unit (130) including an FD TH comparator.

먼저, 탐지되는 물체가 정지되어 있는 상태인 정적 이미지를 가정하면, iPE 또는 iPO 중 하나는 다른 것보다 이미지 집적 시간의 절반으로 생성되므로, 특정 패치 구조에서 어느 하나의 픽셀의 현재 픽셀 값은 다른 픽셀의 픽셀 값의 두 배가 된다. 예시적으로, 홀수 픽셀(1)이 한 프레임 시간 동안 정적 이미지에 노출되고, 짝수 픽셀(2)도 마찬가지로 정적 이미지에 노출되어 두 프레임 구간 동안 동일하게 정적 이미지에 노출되는 경우, VPD_O는 VPD_E 값의 두 배로 설정되며, MSF 및 MRS를 사용한 전압-전류 변환이 선형이라고 가정하면, iPO 역시 2×iPE가 된다. iPE/PO는 이미지의 집적 시간과 반비례 관계를 가질 수 있으므로 FD 프로세서의 입력에 IOFS가 도입되어 IOFS-iPO/PE가 생성될 수 있다. 또한, PSCOL 스위치는 IOFS의 게이팅 신호이며, PS와 PSTM의 펄스 폭이 동일하다.First, assuming a static image where the detected object is stationary, one of i PE or i PO is generated in half the image integration time of the other, so that the current pixel value of one pixel in a specific patch structure is twice that of the other pixel. For example, if an odd pixel (1) is exposed to a static image for one frame time and an even pixel (2) is also exposed to a static image so that they are equally exposed to the static image for two frame periods, V PD_O is set to twice the value of V PD_E , and assuming that the voltage-to-current conversion using M SF and M RS is linear, i PO also becomes 2×i PE . Since i PE/PO can be inversely related to the integration time of the image, I OFS can be introduced at the input of the FD processor to generate I OFS -i PO/PE . In addition, the PSCOL switch is a gating signal of I OFS , and the pulse widths of PS and PS TM are identical.

여기서, IOFS는 VPD_E/O가 VDD와 같을 때 iPO/PE 값으로 설정된다. 따라서, (IOFS-iPO/PE)는 통합 시간에 비례하게 되고, 이어서 VPE/PO용 커패시터 CPE/PO에 (IOFS-iPE/PO)를 통합하는 동작이 이루어지며, 이 시점까지의 전체 프로세스는 도 6에서 PΦ1 중에 발생하고, 프레임 차이(FD) 연산을 위한 2배 곱셈 연산을 위해 CPEO(=CPE/PO1+CPE/PO2)와 PEO 신호를 사용할 수 있다.Here, I OFS is set to the i PO/PE value when V PD_E/O is equal to VDD. Therefore, (I OFS -i PO/PE ) becomes proportional to the integration time, and then an operation to integrate (I OFS -i PE /PO ) into the capacitor C PE/PO for V PE /PO is performed, and the entire process up to this point occurs during PΦ1 in Fig. 6, and C PEO (=C PE/PO1 +C PE/PO2 ) and PEO signal can be used for the double multiplication operation for the frame difference (FD) operation.

예를 들어, 홀수 픽셀(1)이 2개의 프레임을 통합하고 짝수 픽셀(2)이 1개의 프레임을 통합하면, PEO=0으로 CPEO가 VPO에 추가되어 VPO에서 커패시턴스가 두 배가 된다. 즉, 이는 (IOFS-iPE) 통합 값 VPE에 2가 곱해지는 것을 의미한다.For example, if an odd pixel (1) integrates two frames and an even pixel (2) integrates one frame, then C PEO is added to V PO with PEO = 0, doubling the capacitance at V PO . That is, this means that the integrated value V PE , (I OFS -i PE ), is multiplied by 2.

즉, 정적 이미지의 경우 VPE와 VPO 간에 차이가 발생하지 않고, 이와 대비하여 동적 이미지의 경우에 VPE와 VPO 간에 차이가 발생하여 다음 단계에서 FDTH와 비교된다. 도 6에 도시된 PΦ2에서 CPE2를 갖는 용량성 DAC는 비교 결과 PΦ2C에 따라 VPE/PO 중 낮은 값을 FDTH만큼 증가시킨다. 또한, 도 6의 PΦ3 단계에서 비교 결과에 따라 토글되지 않으면(달리 말해, FD>FDTH를 만족하면), EVT 신호가 발생된다.That is, for a static image, there is no difference between V PE and V PO , and in contrast, for a dynamic image, there is a difference between V PE and V PO , which is compared with FD TH in the next step. In PΦ2 illustrated in Fig. 6, the capacitive DAC with C PE2 increases the lower value of V PE / PO by FD TH according to the comparison result PΦ2C. In addition, if it is not toggled according to the comparison result in step PΦ3 of Fig. 6 (in other words, if FD > FD TH is satisfied), the EVT signal is generated.

도 7은 TM 캘리브레이터(Calibrator)의 동작을 설명하기 위한 회로도 및 타이밍도이다.Figure 7 is a circuit diagram and timing diagram for explaining the operation of the TM Calibrator.

구체적으로 도 7의 (a)는 컬럼 레벨 더미 TM 픽셀, 비교기, 누산기, 1b 출력 델타-시그마 변조기 및 음전하 펌프로 구성된 TM 교정 회로(VBTM 생성 회로; 15)의 회로도를 나타낸다. 도 7의 (a)를 참조하면, 기준 전압(VTM)에 대한 목표 감쇠 시간(Target decay time, TDT)에 따라 내부적으로 생성된 보정 신호 EVTCAL이 더미 TM 픽셀(Dummy TM Pixels)로 전달될 수 있다.Specifically, Fig. 7 (a) shows a circuit diagram of a TM correction circuit (V BTM generation circuit; 15) consisting of a column-level dummy TM pixel, a comparator, an accumulator, a 1b output delta-sigma modulator, and a negative charge pump. Referring to Fig. 7 (a), an internally generated correction signal EVT CAL can be transmitted to the dummy TM pixels according to a target decay time (TDT) for a reference voltage (V TM ).

또한, 도 7의 (b)는 하나의 더미 TM 픽셀과 TDT=8 프레임이 보정에 사용될 때의 개념적 타이밍 다이어그램을 나타내며, EVTCAL=high는 8프레임당 한 번씩 적용되며 COMPOUT이 4프레임에 대해 높고 나머지 4프레임에 대해 낮을 때 제어 루프가 안정화된다. 또한, 본원의 일 실시예에 따르면, 내부 다이 공정 변동을 더욱 완화하기 위해 84개의 전체 컬럼 레벨 더미 TM 픽셀을 사용할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.Also, Fig. 7(b) shows a conceptual timing diagram when one dummy TM pixel and TDT=8 frames are used for compensation, where EVT CAL =high is applied once per 8 frames and the control loop is stabilized when COMP OUT is high for 4 frames and low for the remaining 4 frames. Furthermore, according to one embodiment of the present disclosure, 84 full column level dummy TM pixels may be used to further mitigate internal die process variations, but is not limited thereto.

도 8은 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서의 마이크로그래프(Micrograph)를 예시적으로 나타낸 도면이다.FIG. 8 is a drawing exemplarily showing a micrograph of a vision sensor having a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 본원의 일 실시예에 따른 비전 센서(10)의 칩은 0.18μm 표준 CMOS 공정으로 구현될 수 있으며, 칩 테스트에 사용되는 출력 버퍼를 포함하여 코어 면적은 3.7×3.8mm2 수준으로 설계될 수 있다. 또한, 픽셀 어레이는 예시적으로 324×252 픽셀로 구성될 수 있으며, 픽셀 피치는 10μm, 필 팩터는 21% 프레임 속도는 12.5fps 수준으로 설계될 수 있다.Referring to FIG. 8, a chip of a vision sensor (10) according to one embodiment of the present invention may be implemented with a 0.18 μm standard CMOS process, and a core area including an output buffer used for chip testing may be designed to be at the level of 3.7 × 3.8 mm 2 . In addition, a pixel array may be configured with 324 × 252 pixels, and a pixel pitch may be designed to be 10 μm, a fill factor may be designed to be 21%, and a frame speed may be designed to be 12.5 fps.

도 9는 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서의 출력 유형을 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining the output type of a vision sensor having a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.

구체적으로 도 9의 (a)는 특정 프레임에 대응하여 획득된 이미지이고, 도 9의 (b)는 본원에서 개시하는 한 쌍의 홀수 픽셀(1) 및 짝수 픽셀(2)을 이용한 프레임 정보 획득 및 연산 방식을 통해 도출되는 프레임 간 이벤트 발생을 나타내는 이미지이고, 도 9의 (c)는 이벤트 발생에 따른 기준 전압(VTM)에 대한 정보를 저장하는 TM 픽셀(3)을 이용하여 생성되는 시간 도함수(Temporal Derivative) 이미지를 나타낸 것이다.Specifically, (a) of FIG. 9 is an image acquired corresponding to a specific frame, (b) of FIG. 9 is an image showing the occurrence of an event between frames derived through a frame information acquisition and calculation method using a pair of odd pixels (1) and even pixels (2) disclosed in the present invention, and (c) of FIG. 9 is a temporal derivative image generated using a TM pixel (3) that stores information on a reference voltage (V TM ) according to the occurrence of an event.

이와 관련하여, 본원에서 개시하는 비전 센서(10)는 제1구동 모드(패치 모드)에 대응하여 도 9의 (c)와 같은 시계열 이미지(시간 도함수 이미지)를 출력하도록 동작할 수 있고, 이와 대비하여 제2구동 모드(일반 이미지 센서 모드)에 대응하여 도 9의 (a)와 같은 일반 이미지(프레임 이미지)를 출력하도록 동작할 수 있다.In this regard, the vision sensor (10) disclosed in the present invention can operate to output a time series image (time derivative image) such as (c) of FIG. 9 in response to the first driving mode (patch mode), and in contrast, can operate to output a general image (frame image) such as (a) of FIG. 9 in response to the second driving mode (general image sensor mode).

도 10a 내지 도 10c는 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서를 통해 도출된 출력 이미지를 예시적으로 나타낸 도면이다.FIGS. 10A to 10C are diagrams exemplarily showing output images derived through a vision sensor having a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.

도 10a는 비전 센서(10)를 이용하여 화면에 검은색 바탕에 왼쪽 아래에서 오른쪽 위로 이동하는 흰색 원을 포착한 결과를 나타낸 도면으로서, 도 10a의 첫 번째 행은 일반 이미지 센서 모드에 따른 출력 이미지이고, n번째 프레임(F[n])에서 물체 위치를 각각 나타낸다. 두 번째 및 세 번째 행 이미지는 각각 TDT=8 프레임 및 TDT=16 프레임인 패치 모드 출력(8b TD 출력; TDO)이며, 물체의 이동 방향과 궤적은 단일 프레임 TDO로 명확하게 캡처되는 것을 확인할 수 있다. 또한, TDT에 대한 설정값이 클수록 물체에 대한 추적 결과(궤적, 트레이스)가 상대적으로 오랫동안 이미지에 반영되는 것을 확인할 수 있다.Fig. 10a is a drawing showing the result of capturing a white circle moving from the lower left to the upper right on a black background on the screen using a vision sensor (10). The first row of Fig. 10a is an output image according to the general image sensor mode, and represents the object position in the nth frame (F[n]), respectively. The second and third row images are patch mode outputs (8b TD output; TDO) with TDT = 8 frames and TDT = 16 frames, respectively, and it can be confirmed that the moving direction and trajectory of the object are clearly captured with a single frame TDO. In addition, it can be confirmed that the larger the setting value for TDT, the longer the tracking result (trajectory, trace) for the object is reflected in the image.

또한, 마지막 행 이미지는 1b TDO를 나타내며, 1b 처리의 경우 상한 및 하한 임계값이 모두 TMO에 적용되고 TMO의 중간 값만 TDO=1을 생성하며, 이러한 이중 임계값을 통해 해당 물체의 추적 정보만이 추출될 수 있다.In addition, the last row image represents 1b TDO, and for 1b processing, both upper and lower thresholds are applied to TMO, and only the middle value of TMO generates TDO=1, and through this double thresholding, only the tracking information of the corresponding object can be extracted.

도 10b는 서로 다른 속도로 움직이는 두 대의 자동차를 비전 센서(10)를 이용하여 캡처한 결과를 화면에 표시한 것으로, 상측에 도시된 자동차는 하측에 도시된 자동차보다 두 배의 속도로 상대적으로 빠르게 움직인다. 도 10b를 참조하면, 일반 이미지 센서 모드(좌측 도시)에서는 상측 차량에 대한 이미지가 약간 상대적으로 흐릿하게 나타남으로써 두 차량의 속도 차이가 간접적으로 표현되는 반면, 패치 모드(우측 도시)에 따른 시계열 이미지(TDO)에서는 궤적의 방향, 길이, 기울기를 통해 물체의 속도를 직접적으로 추출할 수 있으며, 이 때 상대적으로 빠른 차량(상측에 도시된 차량)에 의해 상대적으로 느린 차량 대비 2배 더 긴 트레이스 길이(Long Trace)와 부드러운 기울기(Gentle Gradient) 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있다.Fig. 10b shows the results of capturing two vehicles moving at different speeds using a vision sensor (10) and displaying them on the screen. The vehicle shown on the upper side moves relatively fast at twice the speed of the vehicle shown on the lower side. Referring to Fig. 10b, in the general image sensor mode (left image), the image for the vehicle on the upper side appears relatively blurry, so that the speed difference between the two vehicles is indirectly expressed, whereas in the time series image (TDO) according to the patch mode (right image), the speed of the object can be directly extracted through the direction, length, and gradient of the trajectory. In this case, it can be confirmed that the relatively fast vehicle (the vehicle shown on the upper side) exhibits a trace length (Long Trace) that is twice as long as that of the relatively slow vehicle and a smooth gradient (Gentle Gradient).

도 10c는 회전하는 3개의 블레이드를 구비하는 팬과 2개의 고정된 물체(인형)를 비전 센서(10)를 통해 캡처한 이미지를 나타내며, 블레이드의 움직임은 본원에서 개시하는 프레임 차이(FD) 처리 방식을 통해 캡쳐되는 반면, 고정된 물체와 팬의 지지부 파트는 필터링되는 것을 확인할 수 있다(우측 상단의 EVT 이미지 참조.). 또한, TM 처리 후 생성되는 시계열 이미지(TDO)는 블레이드의 흔적을 명확하게 나타내며, 이 데모에서는 센서의 프레임 속도가 블레이드 속도에 비해 충분히 빠르지 않아 각 프레임의 EVT가 개별 추적을 남기지만, 각각의 트레이스는 EVT가 발생한 시간(8b-TDO, 우측 하단)에 따라 다른 값을 나타내므로 여전히 팬 회전 방향을 식별할 수 있다.FIG. 10c shows an image captured by a vision sensor (10) of a fan with three rotating blades and two fixed objects (dummies), and it can be seen that the movement of the blades is captured by the frame difference (FD) processing method disclosed herein, while the fixed objects and the support parts of the fan are filtered out (see the EVT image at the upper right). In addition, the time series image (TDO) generated after TM processing clearly shows the traces of the blades, and although in this demo the frame rate of the sensor is not fast enough compared to the blade speed, so that the EVT of each frame leaves an individual trace, each trace shows a different value depending on the time (8b-TDO, lower right) at which the EVT occurred, so that the fan rotation direction can still be identified.

또한, 두 블레이드 사이에 생성된 12개의 트레이스를 기준으로 팬 속도는 실제 팬 속도에 해당하는 20.8rpm(=1회전/(3 블레이드 × 12 트레이스) × 12.5fps × 60초)으로 추정할 수 있게 된다.Additionally, based on the 12 traces generated between the two blades, the fan speed can be estimated as 20.8 rpm (= 1 rotation / (3 blades × 12 traces) × 12.5 fps × 60 seconds), which corresponds to the actual fan speed.

도 11은 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치와 연계된 실험예로서, 종래의 비전 센서와 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서의 성능을 비교하여 나타낸 도표이다.FIG. 11 is a diagram showing an experimental example linked to a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention, comparing the performance of a conventional vision sensor and a vision sensor equipped with a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 전력 소비는 TDO 해상도에 따라 확장 가능하며, 종래의 연구에서의 멀티모드 비전 센서와 비교하여, [1] T.-H. Hsu et al., "A 0.8 V multimode vision sensor for motion and saliency detection with ping-pong PWM pixel," IEEE JSSC, 2021. 및 [2] X. Zhong et al., "A fully dynamic multi-mode CMOS vision sensor with mixed-signal cooperative motion sensing and object segmentation for adaptive edge computing", IEEE JSSC, 2020. 연구에 따른 종래의 비전 센서는 FoM 측면에서 약간 나은 성능을 보이나, 픽셀 내 커패시터를 추가로 배치하여 프레임 차이를 추출하거나, 외부의 SRAM을 이용하여 배경을 제거하는 간단한 이미지 처리만 수행할 수 있는 반면, 본원에서 개시하는 비전 센서(10)는 별도의 저장 소자없이도 시간 도함수(Temporal Derivative) 도출을 수행할 수 있는 이점이 있다.Referring to FIG. 11, the power consumption is scalable according to the TDO resolution, and compared to the multimode vision sensor in the conventional study, [1] T.-H. Hsu et al., "A 0.8 V multimode vision sensor for motion and saliency detection with ping-pong PWM pixel," IEEE JSSC, 2021. and [2] X. Zhong et al., "A fully dynamic multi-mode CMOS vision sensor with mixed-signal cooperative motion sensing and object segmentation for adaptive edge computing", IEEE JSSC, 2020. The conventional vision sensor according to the study shows slightly better performance in terms of FoM, but can only perform simple image processing such as extracting frame differences by additionally arranging capacitors in the pixels or removing the background using an external SRAM, whereas the vision sensor (10) disclosed in the present invention has an advantage of being able to perform temporal derivative derivation without a separate storage element.

또한, [5] S. Park et al., "243.3pJ/pixel bio-inspired time-stamp-based 2D optic flow sensor for artificial compound eyes," IEEE ISSCC, 2014.에서 개시하는 옵티컬 플로우(Optical Flow) 센서는 시간 도함수 연산을 수행하지만 디지털 후처리 코어뿐만 아니라 타임 스탬프 저장을 위한 별도의 SRAM을 사용하는 반면, 본원에서 개시하는 비전 센서(10)는 추가 저장 소자 없이도 9.6배 이상 작은 픽셀로 유사한 시간 처리 결과를 나타냈다.In addition, the optical flow sensor disclosed in [5] S. Park et al., "243.3pJ/pixel bio-inspired time-stamp-based 2D optic flow sensor for artificial compound eyes," IEEE ISSCC, 2014. performs time derivative operations but uses a separate SRAM for storing time stamps in addition to a digital post-processing core, whereas the vision sensor (10) disclosed in this application showed similar time processing results with pixels that are 9.6 times smaller without additional storage elements.

도 12는 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 장치의 개략적인 구성도이다.Figure 12 is a schematic diagram of a motion and motion path detection device according to one embodiment of the present invention.

도 12를 참조하면, 감지 장치(100)는 프레임 정보 획득부(110), 프레임 차이 연산부(120), 이벤트 감지부(130) 및 시간 메모리 처리부(140)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 12, the detection device (100) may include a frame information acquisition unit (110), a frame difference calculation unit (120), an event detection unit (130), and a time memory processing unit (140).

프레임 정보 획득부(110)는 입력광에 대한 집적 시간(Integration Time)이 미리 설정된 중첩 비율에 대응하도록 중첩되는 한 쌍의 홀수 픽셀(1) 및 짝수 픽셀(2)을 이용하여 입력광에 대한 프레임 정보를 획득할 수 있다.The frame information acquisition unit (110) can acquire frame information on input light by using a pair of odd pixels (1) and even pixels (2) that overlap so that the integration time for the input light corresponds to a preset overlap ratio.

프레임 차이 연산부(120)는 프레임 정보 획득부(110)에 의해 획득된 프레임 정보 중 홀수 픽셀(1)에 의해 획득된 제1프레임 정보와 짝수 픽셀(2)에 의해 획득된 제2프레임 정보를 기초로 하여, 중첩 비율을 고려한 연산을 수행함으로써 입력광에 의한 프레임 차이(Frame Difference, FD)를 도출할 수 있다.The frame difference calculation unit (120) can derive the frame difference (Frame Difference, FD) due to input light by performing a calculation that takes into account the overlap ratio based on the first frame information obtained by the odd pixel (1) and the second frame information obtained by the even pixel (2) among the frame information obtained by the frame information acquisition unit (110).

구체적으로 프레임 차이 연산부(120)는 제1프레임 정보에 대하여 제2프레임 정보를 2배한 값을 감산하는 연산을 수행하거나, 제2프레임 정보에 대하여 제1프레임 정보를 2배한 값을 감산하는 연산을 수행하여 프레임 차이를 산출할 수 있다.Specifically, the frame difference calculation unit (120) can calculate the frame difference by performing an operation to subtract twice the second frame information from the first frame information or by performing an operation to subtract twice the first frame information from the second frame information.

이벤트 감지부(130)는 프레임 차이 연산부(120)에 의해 도출된 프레임 차이와 미리 설정된 임계값을 비교하여 이벤트 발생 여부를 판단할 수 있다. 또한, 이벤트 감지부(130)는 판단된 이벤트의 발생에 따른 기준 전압을 생성할 수 있다.The event detection unit (130) can determine whether an event has occurred by comparing the frame difference derived by the frame difference calculation unit (120) with a preset threshold value. In addition, the event detection unit (130) can generate a reference voltage according to the occurrence of the determined event.

시간 메모리 처리부(140)는 기준 전압에 대한 정보를 TM 픽셀(3)에 저장할 수 있다. 또한, 시간 메모리 처리부(140)는 TM 픽셀(3)의 출력을 변환하여 프레임 차이에 대한 정보가 반영된 시계열 이미지를 출력할 수 있다.The time memory processing unit (140) can store information about the reference voltage in the TM pixel (3). In addition, the time memory processing unit (140) can convert the output of the TM pixel (3) to output a time series image in which information about the frame difference is reflected.

이하에서는 상기에 자세히 설명된 내용을 기반으로, 본원의 동작 흐름을 간단히 살펴보기로 한다.Below, we will briefly review the operating flow of this system based on the detailed explanation above.

도 13은 본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 방법에 대한 동작 흐름도이다.Fig. 13 is a flowchart of an operation of a method for detecting motion and motion path according to one embodiment of the present invention.

도 13에 도시된 움직임 및 움직임 경로 감지 방법은 앞서 설명된 감지 장치(100)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 감지 장치(100)에 대하여 설명된 내용은 움직임 및 움직임 경로 감지 방법에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.The motion and motion path detection method illustrated in Fig. 13 can be performed by the detection device (100) described above. Therefore, even if the content is omitted below, the content described for the detection device (100) can be equally applied to the description of the motion and motion path detection method.

도 13을 참조하면, 단계 S11에서 프레임 정보 획득부(110)는 입력광에 대한 집적 시간(Integration Time)이 미리 설정된 중첩 비율에 대응하도록 중첩되는 한 쌍의 홀수 픽셀(1) 및 짝수 픽셀(2)을 이용하여 입력광에 대한 프레임 정보를 획득할 수 있다.Referring to FIG. 13, in step S11, the frame information acquisition unit (110) can acquire frame information on input light by using a pair of odd pixels (1) and even pixels (2) that overlap so that the integration time for the input light corresponds to a preset overlap ratio.

다음으로, 단계 S12에서 프레임 차이 연산부(120)는 단계 S11을 통해 획득된 프레임 정보 중 홀수 픽셀(1)에 의해 획득된 제1프레임 정보와 짝수 픽셀(2)에 의해 획득된 제2프레임 정보를 기초로 하여, 중첩 비율을 고려한 연산을 수행함으로써 입력광에 의한 프레임 차이(Frame Difference, FD)를 도출할 수 있다.Next, in step S12, the frame difference calculation unit (120) performs a calculation that takes into account the overlap ratio based on the first frame information obtained by the odd pixels (1) and the second frame information obtained by the even pixels (2) among the frame information obtained through step S11, thereby deriving the frame difference (Frame Difference, FD) due to the input light.

구체적으로 단계 S12에서 프레임 차이 연산부(120)는 제1프레임 정보에 대하여 제2프레임 정보를 2배한 값을 감산하는 연산을 수행하거나, 제2프레임 정보에 대하여 제1프레임 정보를 2배한 값을 감산하는 연산을 수행하여 프레임 차이를 산출할 수 있다.Specifically, in step S12, the frame difference calculation unit (120) can calculate the frame difference by performing an operation to subtract twice the second frame information from the first frame information or by performing an operation to subtract twice the first frame information from the second frame information.

다음으로, 단계 S13에서 이벤트 감지부(130)는 단계 S12를 통해 도출된 프레임 차이와 미리 설정된 임계값을 비교하여 이벤트 발생 여부를 판단할 수 있다.Next, in step S13, the event detection unit (130) can compare the frame difference derived through step S12 with a preset threshold value to determine whether an event has occurred.

다음으로, 단계 S14에서 이벤트 감지부(130)는 단계 S13에서 판단된 이벤트의 발생에 따른 기준 전압을 생성할 수 있다.Next, in step S14, the event detection unit (130) can generate a reference voltage according to the occurrence of the event determined in step S13.

다음으로, 단계 S15에서 시간 메모리 처리부(140)는 기준 전압에 대한 정보를 TM 픽셀(3)에 저장할 수 있다.Next, in step S15, the time memory processing unit (140) can store information about the reference voltage in the TM pixel (3).

다음으로, 단계 S16에서 시간 메모리 처리부(140)는 TM 픽셀(3)의 출력을 변환하여 프레임 차이에 대한 정보가 반영된 시계열 이미지를 출력할 수 있다.Next, in step S16, the time memory processing unit (140) can convert the output of the TM pixel (3) to output a time series image reflecting information about the frame difference.

상술한 설명에서, 단계 S11 내지 S16은 본원의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.In the above description, steps S11 to S16 may be further divided into additional steps or combined into fewer steps, depending on the implementation example of the present invention. In addition, some steps may be omitted as needed, and the order between the steps may be changed.

본원의 일 실시예에 따른 움직임 및 움직임 경로 감지 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method for detecting movement and movement path according to one embodiment of the present invention may be implemented in the form of program commands that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program commands, data files, data structures, etc., alone or in combination. The program commands recorded on the medium may be those specially designed and configured for the present invention or may be those known to those skilled in the art of computer software and available for use. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, magneto-optical media such as floptical disks, and hardware devices specially configured to store and execute program commands such as ROMs, RAMs, flash memories, etc. Examples of the program commands include not only machine language codes generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter, etc. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

또한, 전술한 움직임 및 움직임 경로 감지 방법은 기록 매체에 저장되는 컴퓨터에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 또는 애플리케이션의 형태로도 구현될 수 있다.Additionally, the aforementioned motion and motion path detection method can also be implemented in the form of a computer program or application executed by a computer and stored in a recording medium.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single component may be implemented in a distributed manner, and likewise, components described as distributed may be implemented in a combined manner.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present application.

10: 움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서
100: 움직임 및 움직임 경로 감지 장치
11: 패치 기반 픽셀 회로
110: 프레임 정보 획득부
12: 프레임 차이 처리 회로
120: 프레임 차이 연산부
130: 이벤트 감지부
140: 시간 메모리 처리부
13: 컨버터 회로
14: 스위치 회로
1: 홀수 픽셀
2: 짝수 픽셀
3: TM 픽셀
10: Vision sensor having motion and motion path detection device
100: Motion and motion path detection device
11: Patch-based pixel circuit
110: Frame information acquisition section
12: Frame difference processing circuit
120: Frame difference calculation unit
130: Event detection unit
140: Time memory processing unit
13: Converter circuit
14: Switch circuit
1: Odd pixels
2: Even pixels
3: TM Pixel

Claims (15)

움직임 및 움직임 경로 감지 장치에 있어서,
한 쌍의 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀을 구비하고, 상기 홀수 픽셀의 입력광에 대한 집적 시간(Integration Time)과 상기 짝수 픽셀의 입력광에 대한 집적 시간이 적어도 일부 중첩되는 것이되, 상기 집적 시간이 중첩되는 정도가 미리 설정된 중첩 비율에 해당하는 상기 한 쌍의 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀을 이용하여 상기 입력광에 대한 프레임 정보를 획득하는 프레임 정보 획득부; 및
상기 프레임 정보 중 상기 홀수 픽셀에 의해 획득된 제1프레임 정보와 상기 프레임 정보 중 상기 짝수 픽셀에 의해 획득된 제2프레임 정보를 기초로 하여, 상기 중첩 비율에 따라 상기 제1프레임 정보 및 상기 제2프레임 정보 사이의 프레임 차이(Frame Difference, FD)를 산출하는 연산을 수행함으로써 상기 입력광에 의한 상기 프레임 차이를 도출하는 프레임 차이 연산부,
를 포함하는, 감지 장치.
In a motion and motion path detection device,
A frame information acquisition unit that acquires frame information for the input light by using the pair of odd pixels and even pixels, which comprises a pair of odd pixels and even pixels, wherein the integration time for input light of the odd pixels and the integration time for input light of the even pixels overlap at least partially, and the degree of overlapping of the integration times corresponds to a preset overlap ratio; and
A frame difference calculation unit that derives the frame difference due to the input light by performing an operation to calculate the frame difference (Frame Difference, FD) between the first frame information and the second frame information based on the first frame information acquired by the odd pixels among the frame information and the second frame information acquired by the even pixels among the frame information according to the overlapping ratio.
A sensing device comprising:
제1항에 있어서,
상기 중첩 비율이 50%로 미리 설정되면,
상기 프레임 차이 연산부는,
상기 제1프레임 정보에 대하여 상기 제2프레임 정보를 2배한 값을 감산하는 연산을 수행하거나, 상기 제2프레임 정보에 대하여 상기 제1프레임 정보를 2배한 값을 감산하는 연산을 수행하여 상기 프레임 차이를 산출하는 것인, 감지 장치.
In the first paragraph,
If the above overlap ratio is preset to 50%,
The above frame difference calculation unit,
A detection device that calculates the frame difference by performing an operation of subtracting twice the second frame information from the first frame information or by performing an operation of subtracting twice the first frame information from the second frame information.
제1항에 있어서,
상기 프레임 차이와 미리 설정된 임계값을 비교하여 이벤트 발생 여부를 판단하고, 상기 이벤트의 발생에 따른 기준 전압을 생성하는 이벤트 감지부,
를 더 포함하는 것인, 감지 장치.
In the first paragraph,
An event detection unit that compares the above frame difference with a preset threshold value to determine whether an event has occurred and generates a reference voltage according to the occurrence of the event;
A sensing device further comprising:
제3항에 있어서,
상기 기준 전압의 크기가 상기 이벤트가 발생한 시점을 기준으로 한 시간 경과에 따라 누설 전류에 의해 감소하는 것을 특징으로 하는, 감지 장치.
In the third paragraph,
A sensing device, characterized in that the magnitude of the reference voltage decreases due to leakage current over time based on the time at which the event occurs.
제4항에 있어서,
상기 기준 전압이 상기 누설 전류에 의해 감소하는 도중에 상기 이벤트가 재차 감지되면, 상기 기준 전압의 크기가 미리 설정된 초기값으로 갱신되는 것인, 감지 장치.
In paragraph 4,
A detection device, wherein if the event is detected again while the reference voltage is decreasing due to the leakage current, the size of the reference voltage is updated to a preset initial value.
제3항에 있어서,
상기 기준 전압에 대한 정보를 저장하는 TM 픽셀을 포함하는 시간 메모리 처리부,
를 더 포함하는 것인, 감지 장치.
In the third paragraph,
A time memory processing unit including a TM pixel storing information about the above reference voltage,
A sensing device further comprising:
제6항에 있어서,
상기 한 쌍의 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀 각각이 상기 TM 픽셀을 둘러싸도록 배치되되, 상기 홀수 픽셀과 상기 짝수 픽셀이 교번하여 배치되는 것을 특징으로 하는, 감지 장치.
In Article 6,
A sensing device, characterized in that each of the above pair of odd pixels and even pixels is arranged to surround the TM pixel, and the odd pixels and the even pixels are arranged alternately.
움직임 및 움직임 경로 감지 장치를 구비하는 비전 센서에 있어서,
홀수 픽셀 및 짝수 픽셀 각각을 복수 개 구비하고, 상기 홀수 픽셀의 입력광에 대한 집적 시간(Integration Time)과 상기 짝수 픽셀의 입력광에 대한 집적 시간이 각각 적어도 일부 중첩되는 것이되, 상기 집적 시간이 중첩되는 정도가 미리 설정된 중첩 비율에 해당하는 패치 기반 픽셀 회로; 및
상기 홀수 픽셀에 의해 획득된 제1프레임 정보와 상기 짝수 픽셀에 의해 획득된 제2프레임 정보를 기초로 하여, 상기 중첩 비율에 따라 상기 제1프레임 정보 및 상기 제2프레임 정보 사이의 프레임 차이(Frame Difference, FD)를 산출하는 연산을 수행함으로써 상기 입력광에 의한 상기 프레임 차이를 도출하고, 상기 프레임 차이와 미리 설정된 임계값을 비교한 결과에 따라 기준 전압을 생성하는 프레임 차이 처리 회로,
를 포함하되,
상기 패치 기반 픽셀 회로는,
상기 기준 전압에 대한 정보를 저장하는 TM 픽셀을 더 구비하는 것인, 비전 센서.
In a vision sensor having a motion and motion path detection device,
A patch-based pixel circuit having a plurality of odd pixels and even pixels, wherein the integration time for input light of the odd pixels and the integration time for input light of the even pixels overlap at least partially, and the degree of overlap of the integration times corresponds to a preset overlap ratio; and
A frame difference processing circuit that derives the frame difference by the input light by performing an operation to calculate the frame difference (Frame Difference, FD) between the first frame information and the second frame information based on the first frame information acquired by the odd pixels and the second frame information acquired by the even pixels according to the overlapping ratio, and generates a reference voltage according to the result of comparing the frame difference with a preset threshold value.
Including, but not limited to,
The above patch-based pixel circuit,
A vision sensor further comprising a TM pixel storing information about the above reference voltage.
제8항에 있어서,
미리 설정된 제1구동 모드에 대응하여 상기 프레임 차이에 대한 정보가 반영된 시계열 이미지를 출력하도록 상기 TM 픽셀의 출력을 변환하는 컨버터 회로,
를 더 포함하는 것인, 비전 센서.
In Article 8,
A converter circuit that converts the output of the TM pixel to output a time series image reflecting information about the frame difference in response to a preset first driving mode;
A vision sensor further comprising:
제9항에 있어서,
상기 컨버터 회로는,
미리 설정된 제2구동 모드에 대응하여 소정의 기준 시점에 따른 일반 이미지를 출력하도록 상기 홀수 픽셀의 출력, 상기 짝수 픽셀의 출력 및 상기 TM 픽셀의 출력을 변환하는 것이고,
상기 제1구동 모드 및 상기 제2구동 모드 간의 전환을 위한 스위치 회로,
를 더 포함하는 것인, 비전 센서.
In Article 9,
The above converter circuit,
Converting the output of the odd pixels, the output of the even pixels, and the output of the TM pixels to output a normal image according to a predetermined reference point in time in response to a preset second driving mode,
A switch circuit for switching between the first driving mode and the second driving mode,
A vision sensor further comprising:
움직임 및 움직임 경로 감지 방법에 있어서,
홀수 픽셀의 입력광에 대한 집적 시간(Integration Time)과 짝수 픽셀의 입력광에 대한 집적 시간이 적어도 일부 중첩되는 것이되, 상기 집적 시간이 중첩되는 정도가 미리 설정된 중첩 비율에 해당하는 한 쌍의 홀수 픽셀 및 짝수 픽셀을 이용하여 상기 입력광에 대한 프레임 정보를 획득하는 단계; 및
상기 프레임 정보 중 상기 홀수 픽셀에 의해 획득된 제1프레임 정보와 상기 프레임 정보 중 상기 짝수 픽셀에 의해 획득된 제2프레임 정보를 기초로 하여, 상기 중첩 비율에 따라 상기 제1프레임 정보 및 상기 제2프레임 정보 사이의 프레임 차이(Frame Difference, FD)를 산출하는 연산을 수행함으로써 상기 입력광에 의한 상기 프레임 차이를 도출하는 단계,
를 포함하는, 감지 방법.
In a method for detecting movement and movement path,
A step of obtaining frame information for the input light by using a pair of odd pixels and even pixels, wherein the integration time for the input light of odd pixels and the integration time for the input light of even pixels overlap at least partially, and the degree of overlapping of the integration times corresponds to a preset overlap ratio; and
A step of deriving the frame difference due to the input light by performing an operation to calculate the frame difference (Frame Difference, FD) between the first frame information and the second frame information based on the first frame information acquired by the odd pixels among the frame information and the second frame information acquired by the even pixels among the frame information according to the overlapping ratio.
A detection method comprising:
제11항에 있어서,
상기 중첩 비율이 50%로 미리 설정되면,
상기 프레임 차이를 도출하는 단계는,
상기 제1프레임 정보에 대하여 상기 제2프레임 정보를 2배한 값을 감산하는 연산을 수행하거나, 상기 제2프레임 정보에 대하여 상기 제1프레임 정보를 2배한 값을 감산하는 연산을 수행하여 상기 프레임 차이를 산출하는 것인, 감지 방법.
In Article 11,
If the above overlap ratio is preset to 50%,
The steps for deriving the above frame difference are:
A detection method for calculating the frame difference by performing an operation of subtracting twice the second frame information from the first frame information or by performing an operation of subtracting twice the first frame information from the second frame information.
제11항에 있어서,
상기 프레임 차이와 미리 설정된 임계값을 비교하여 이벤트 발생 여부를 판단하고, 상기 이벤트의 발생에 따른 기준 전압을 생성하는 단계,
를 더 포함하는 것인, 감지 방법.
In Article 11,
A step of comparing the above frame difference with a preset threshold value to determine whether an event has occurred and generating a reference voltage according to the occurrence of the event;
A detection method further comprising:
제13항에 있어서,
상기 기준 전압의 크기가 상기 이벤트가 발생한 시점을 기준으로 한 시간 경과에 따라 누설 전류에 의해 감소하되,
상기 기준 전압이 상기 누설 전류에 의해 감소하는 도중에 상기 이벤트가 재차 감지되면, 상기 기준 전압의 크기가 미리 설정된 초기값으로 갱신되는 것인, 감지 방법.
In Article 13,
The magnitude of the above reference voltage is reduced by the leakage current over time from the time the above event occurred.
A detection method, wherein if the event is detected again while the reference voltage is decreasing due to the leakage current, the size of the reference voltage is updated to a preset initial value.
제13항에 있어서,
상기 기준 전압에 대한 정보를 TM 픽셀에 저장하는 단계; 및
상기 TM 픽셀의 출력을 변환하여 상기 프레임 차이에 대한 정보가 반영된 시계열 이미지를 출력하는 단계,
를 더 포함하는 것인, 감지 방법.
In Article 13,
A step of storing information about the above reference voltage in a TM pixel; and
A step of converting the output of the above TM pixel to output a time series image reflecting information about the frame difference,
A detection method further comprising:
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