具有實(shí)時(shí)跟蹤功能的憶阻視覺(jué)傳感器架構

本文介紹一個(gè)依靠憶阻器執行像素級自適應背景提取算法的成像傳感器架構。內置光頻轉換器(L2F)的像素是圖像處理的核心組件，其輸出的與光強成正比的數字脈沖被施加到憶阻器后，憶阻器電阻將會(huì )發(fā)生相應變化。另外兩個(gè)憶阻器用于保存動(dòng)態(tài)邊界，邊界外的光生信號行為被認為是異常，即意外快速變化。與全CMOS成像傳感器相比，基于憶阻器的解決方案可取得更小的像素間距和非易失性存儲功能，讓設計人員能夠使用可編程時(shí)間常數建立圖像背景模型。

1.前言

過(guò)去的幾十年，業(yè)界圍繞CMOS架構視覺(jué)傳感器理論進(jìn)行了大量廣泛的研究和探討，旨在于在成像早期階段處理圖像，從場(chǎng)景中提取最重要的特征，如果換作其它方式達到同樣目的，例如，使用普通計算技術(shù)，則需要為此花費昂貴的成本[1],[2],[3],[4],[5],[6]。在這個(gè)方面，運動(dòng)偵測是最重要的圖像特征之一，是多個(gè)復雜視覺(jué)任務(wù)的基礎。本文重點(diǎn)介紹時(shí)間對比概念，這個(gè)概念在很多應用中特別重要，包括交通監控、人體運動(dòng)拍照和視頻監視[2], [4], [5], [7]。這些應用要求圖像偵測精確并可靠，形狀偵測準確，變化反應及時(shí)。此外，運動(dòng)檢測還必須靈活地適應不同的工作場(chǎng)景和光強條件。背景提取是目前最被認可的運動(dòng)偵測方法。背景提取就是生成一個(gè)背景估算值，然后逐幀更新。分析運動(dòng)類(lèi)型，并將其與場(chǎng)景中特定對象關(guān)聯(lián)，以便進(jìn)行更高級別的處理，在這個(gè)過(guò)程中，光強變化無(wú)疑是幫助我們發(fā)現運動(dòng)的第一個(gè)線(xiàn)索。因為可能會(huì )在某一時(shí)間點(diǎn)意外偵測到所有像素的變化，其中包括光線(xiàn)、陰影、噪聲引起的變化，相對于過(guò)去，像素變化過(guò)快時(shí)，應該考慮的潛在變化。因此，應該在像素級實(shí)現一種低通存儲器，跟蹤像素對比變化，并在像素行為變化時(shí)發(fā)出報警。

本文介紹如何利用憶阻器實(shí)現上述算法。在上個(gè)世紀70年代，蔡少棠教授從理論上預言存在一種叫做憶阻器的無(wú)源器件，2008年惠普實(shí)驗室演示了這種無(wú)源器件的物理模型，顧名義，憶阻器是一種可變電阻器，其導通狀態(tài)能夠記憶以前流經(jīng)憶阻器的電流歷史。

本文主要內容如下：下一章介紹與輸入偏壓有關(guān)的憶阻器行為，特別是基于脈沖的編程，這是本文的研究基礎。第三章介紹像素工作原理，第四章重點(diǎn)介紹像素實(shí)現。第五章介紹仿真結果，第六章是結論。

II.憶阻器行為

如前文所述，憶阻器可以視為一個(gè)時(shí)間可變的電阻器，電阻值取決于以前流經(jīng)憶阻器的電流值。

圖1：憶阻器和簡(jiǎn)化等效電路圖。圖a:TiO2憶阻器結構;圖b:等效電阻器電路

首次提出的憶阻器概念的是蔡少棠教授，在推理無(wú)源電路理論的等式對稱(chēng)性依據時(shí)，他認為憶阻器是電阻器、電容器、電感器之外的第四個(gè)基礎無(wú)源器件[8]。在發(fā)現憶阻器物理模型后，很多人想利用憶阻器令人興奮的記憶特性開(kāi)發(fā)模擬集成電路?；萜諏?shí)驗室開(kāi)發(fā)的首個(gè)物理模型基于TiO₂的兩個(gè)區[9]：一個(gè)高電阻的非摻雜區和一個(gè)有高導電氧空穴TiO_2-x的摻雜區,這兩個(gè)區夾在兩個(gè)金屬電極板的中間，如圖1a所示。當向憶阻器施加外部偏壓時(shí)，摻雜層和非摻雜層之間的邊界就會(huì )移動(dòng)，位移是所施加的電流或電壓的函數，因此，帶電荷的摻雜區的漂移導致兩個(gè)電極之間電阻變化 [10]。對于簡(jiǎn)單的電阻導電情況，下面等式定義了電壓電流關(guān)系：

其中，R_ON是摻雜原子濃度高的半導體薄膜的高導電區的電阻;R_OFF是高電阻非摻雜區的電阻;D是憶阻器的長(cháng)度;狀態(tài)變量w(t)是摻雜比，u是摻雜遷移率。等式(2)積分運算得出w(t)公式：

將(3)代入(1)，取得憶阻值。

若R_ON≤R_OFF，憶阻值可用下面等式表達：

利用參考文獻[9]取得與上面等式相關(guān)的參數，使用Verilog-A語(yǔ)言開(kāi)發(fā)一個(gè)憶阻器行為模型，通過(guò)電路仿真，使用下列參數驗證該模型：R_ON = 200Ω，R_OFF =200KΩ，u₂= 10^-10cm²S^-1V^-1，D = 10nm。只要系統在M (R_ON , R_OFF )邊界內，憶阻器就會(huì )表現出對稱(chēng)行為。當觸達任何一個(gè)邊界時(shí)，憶阻器將會(huì )像線(xiàn)性電阻一樣動(dòng)作，將邊界電阻保持到輸入極性變反為止[9], [11]。圖2所示是典型的憶阻特性曲線(xiàn)，憶阻器這些有趣行為共同構成憶阻器或各類(lèi)憶阻性設備的基本特征[12]，圖2a是施加電壓及相應電流對時(shí)間t的曲線(xiàn)。圖2b所示是電流-電壓特性曲線(xiàn)。從圖中不難看出，當w≤w0時(shí)，滯后出現，當ww0時(shí)，滯后縮短。圖2c是憶阻器在不平衡輸入信號條件下的行為曲線(xiàn)，我們觀(guān)察到，在前三個(gè)周期內，w(t)值逐漸升高，這是在一定時(shí)間內凈電荷量累加的結果。在連續施加三個(gè)周期的極性相反的信號后，w(t)降至初始狀態(tài)?？傊?，如圖2a和2b所示，任何對稱(chēng)交流偏壓都會(huì )導致雙環(huán)電流-電壓滯后現象，高頻時(shí)下降至一條直線(xiàn)。此外，對于偏壓出現的任何非對稱(chēng)，如圖2c和2d所示，我們觀(guān)察到一個(gè)多環(huán)電流電壓滯后，隨著(zhù)電流升高，多環(huán)電流電壓滯后更加明顯。