具有實(shí)時(shí)跟蹤功能的憶阻視覺(jué)傳感器架構

因此，當V_max試圖快速觸達V_S過(guò)程中，V_min也在做同樣的事情，只不過(guò)速度較慢。這里，灰色區域快速變大。在若干個(gè)幀后，兩個(gè)閾壓限制V_S，吸收全部信號變化，這樣不會(huì )再產(chǎn)生任何熱像素。從此，灰色區域恢復窄狀和最大像素敏感度。

圖6：利用內部三個(gè)憶阻器執行動(dòng)態(tài)背景提取的像素示意圖

IV. 像素實(shí)現

可以用兩個(gè)理想的低通濾波器來(lái)實(shí)現等式(10)-(13)。如圖5所示，LPF1實(shí)現等式(10)和(11)，LPF2實(shí)現等式(12)和(13)。假設理想二極管D1-D4(無(wú)電壓降)，且R_L> R_H, 每個(gè)模塊實(shí)現兩個(gè)不同的一階阻容濾波器，TH = RHC，且TL = RLC, 其中R_H>> R_L。監視場(chǎng)景中的事件需要從幾秒到幾十秒的大范圍時(shí)間常數濾波器，這意味R和C應該分別是兆歐和微法量級的電阻器和電容器。每個(gè)模塊(LPF1, LPF2)都必須能夠從一個(gè)時(shí)間常數切換到另一個(gè)時(shí)間常數，從而取得自適應算法所需的行為特性。為取得一個(gè)高效的視覺(jué)傳感器架構，這種雙邊峰值檢測和濾波操作必須在像素附近的位置完成。為此，有些人提出定制CMOS傳感器解決方案[17],[7],[18],使用開(kāi)關(guān)電容器技術(shù)模擬每個(gè)像素里面的兩個(gè)濾波器。不過(guò)，這種設計方法有以下兩個(gè)缺點(diǎn)：(a)兩個(gè)閾壓值在模擬存儲器內的保留時(shí)間達不到應用的求;(b)充當模擬存儲單元的電容器占用的芯片面積過(guò)大，影響像素間距變小。為解決這些主要問(wèn)題，我們探討能否用一個(gè)憶阻器代替濾波器的部分功能，發(fā)揮其非易失性存儲和納米級尺度的優(yōu)勢。此外，通過(guò)數字脈沖(電壓或電流)信號很容易控制憶阻器的電阻，按照圖4的工作原理，我們的像素解決方案依靠三個(gè)憶阻器(M_S, M_max，M_min)保存與信號V_S成正比的電阻值和兩個(gè)閾壓V_max和V_min。像素解決方案的原理示意圖如圖6所示。光頻轉換器 (L2F)模塊將留在像素上的光強轉換成固定脈寬(△T)且頻率與光生電流(I_ph)成正比的數字脈沖，在像素復位過(guò)程中，M_S電阻值置于最高值(M_SL = R_OFF ),等待L2F數字脈沖設置電阻值。

圖7：像素在積分時(shí)間(Ti)內的時(shí)序圖，L2F將n個(gè)數字電流脈沖I₁饋入M_S，使憶阻器電阻在R_off至R_(n)范圍內變化

圖8：與像素的四個(gè)不同狀態(tài)有關(guān)(max,min)的憶阻器控制： LL，HL，LH，HH

圖9：在每個(gè)更新脈沖 (PLS)后，通過(guò)憶阻器電阻值(M_max, M_min)表達兩個(gè)閾壓在每個(gè)像素狀態(tài)(表I所列像素狀態(tài): S1, S2, S3, S4)的預計行為。S1、S2和S3是發(fā)生在傳感器工作期間的典型狀態(tài)，而S4則發(fā)生在傳感器校準階段，是專(zhuān)門(mén)生成的信號。

A. 曝光時(shí)間

在曝光時(shí)間(Ti)內, L2F轉換器生成一串振幅I1、脈寬△T且頻率與光強成正比的電流脈沖，送入M_S，如圖7所示。下面的等式通過(guò)狀態(tài)變量w(t)描述了M_S的狀態(tài)：

其中，R_ON是低電阻，D是憶阻器長(cháng)度，uv是摻雜遷移率，n是L2F在曝光時(shí)間內生成的脈沖數量，在施加n個(gè)脈沖后，最終電阻值是：

B. 讀出和熱像素偵測

在曝光時(shí)間后，比較M_S與M_max和M_min值，因此，像素連接位線(xiàn)(SEL=H)，向三個(gè)憶阻施加相同的偏置電流I_bias，使憶阻器電壓施加到三個(gè)位線(xiàn)上(blS，blH, blL)。然后將blS與blH和blL電壓分別比較，以檢測潛在熱像素條件。將SW1、SW2和SW3都設到位置”3”，因此，使共節點(diǎn)C短接V_ref，向M_max和M_min施加偏置電流I_bias。最后，取得下面的電壓降：

使用置于像素外部的兩個(gè)時(shí)鐘驅動(dòng)的列級(HBLOCK)比較器完成熱像素檢測。表I列出了不同像素狀態(tài)的數字輸出信號。

C. 閾壓更新

圖8描述了兩個(gè)憶阻器(M_max和M_min)的控制與S1、S2、S3和S4四個(gè)像素狀態(tài)的關(guān)系。為實(shí)現一個(gè)時(shí)間常數T_H短的濾波器，用信號PLS生成的△T_P脈寬的電流脈沖IPH驅動(dòng)憶阻，饋入HBLOCK。通過(guò)估算注入到器件的電荷q_HOT = IH△T_P和施加的脈沖數量”m”，設置濾波器的時(shí)間常數。另一方面，考慮到冷像素條件，慢濾波器負責處理電荷qCOLD = IPL△T_P，q_COLD q_HOT。這意味，給憶阻器提供的電荷量相同時(shí)，在q_COLD情況下，憶阻變化不大。通過(guò)選用圖8所示的電路配置，有時(shí)可以進(jìn)行兩個(gè)閾壓的更新過(guò)程。假設像素狀態(tài)是S3，向M_max饋入q_HOT = I_H△T_P , 同時(shí)向Mmin饋入q_COLD= (I_H-I_d) △T_P, I_d = IH-IL。在這種情況下，兩個(gè)閾壓(V_max和V_min)都接近電流信號V_S，但是以不同的速度接近(V_max上升快，V_min下降慢)。

V. 仿真結果

我們使用MATLAB建立了自適應背景提取算法模型并進(jìn)行了仿真測試[7],[18]。如圖6所示，我們模擬了像素架構的四種不同狀態(tài)，使用Cadence Spectre [19]通過(guò)電仿真再現了圖9所描述的預期行為。像素架構設計采用3.3V、0:35m CMOS制造工藝，按照[9]和[20]所列等式，使用Verilog-A模擬憶阻器行為，選擇寬憶阻范圍(R_ON = 200Ω,R_OFF = 200KΩ)，以覆蓋更大的動(dòng)態(tài)范圍。曝光時(shí)間值不宜過(guò)大，以不會(huì )在高頻光阻編碼過(guò)程中導致Ms進(jìn)入導通狀態(tài)為準。

使用相同的仿真參數驗證四個(gè)像素狀態(tài)，仿真結果見(jiàn)圖10。用L2F在10 ms曝光時(shí)間(Ti)內生成的數字脈沖設置Ms。在憶阻重置到R_OFF狀態(tài)前，比較Ms的最終值與M_max和 M_min值。然后，根據像素條件，對M_max和M_min進(jìn)行相應的調整。圖10a是圖8的像素狀態(tài)S1的仿真結果。這里，像素工作正常，如曲線(xiàn)所示，M_max和M_min保持向Ms緩慢匯合的趨勢。我們還注意到，熱像素的二進(jìn)制信號始終是低電平狀態(tài)。

在像素的其它狀態(tài): 圖8中的S2, S3，S4，仿真結果發(fā)現一個(gè)熱像素，我們觀(guān)察到兩種情況。一種是，熱狀態(tài)像素直接隨正常像素條件變化，另一種情況是熱狀態(tài)像素(典型S4)將必須變成另一個(gè)熱像素條件(S2 或S3)，才能返回到正常條件(S1)。

A. 直接從熱像素狀態(tài)轉到冷像素狀態(tài)

像素狀態(tài)S2和S3通常直接轉到正常像素條件。從圖10b不難看出，在S2狀態(tài)中，M_max和M_min嘗試以不同的時(shí)間常量接近Ms，在這個(gè)過(guò)程中，M_max升高速度比快M_min很多，直到像素恢復到正常工作條件為止。如圖10c所示，當像素在S3狀態(tài)時(shí)出現反轉，M_min以比M_max更快速度的下降接近Ms。圖10d是S4狀態(tài)的仿真結果。在這種情況下，M_max上升速率與M_min下降速率相同，直到像素恢復到正常條件為止。在所有情況下，變化速率是由所施加的電流脈沖振幅控制的。

B. 從一個(gè)熱像素狀態(tài)轉到另一個(gè)熱像素狀態(tài)，然后轉至冷像素

雖然S4是一個(gè)典型的禁用狀態(tài)，是根據M_max和M_min兩個(gè)閾值發(fā)生的熱像素，但是通常發(fā)生在校準階段系統上電過(guò)程中。在這種情況，傳感器是照片拍攝模式，算法嘗試將兩個(gè)閾值快速匯合到冷像素條件，同時(shí)像素故意設置為狀態(tài)S4。這個(gè)階段可需要幾個(gè)幀，直到整個(gè)像素達到冷狀態(tài)為止。在S4狀態(tài)，熱像素不視為潛在報警。在圖10e中，上邊界M_max在下邊界M_min之前穩定，導致S4轉至S2，再轉至S1。圖10f是這種情況的結果：M_min在M_max之前穩定; 我們觀(guān)察到，從S4進(jìn)入S3，再進(jìn)入S1。

圖10：內置三個(gè)憶阻器執行動(dòng)態(tài)背景提取的像素架構在圖6所示LL, HL, LH, HH條件下的電仿真結果。圖a, b, c, d分別是四個(gè)不同控制狀態(tài)S1, S2, S3、S4的仿真，從熱直接變冷。圖e, f是控制狀態(tài)S4仿真，從熱間接變冷，還描述了每個(gè)像素狀態(tài)的熱像素(HOT)二進(jìn)制信號。紅色條狀圖表示與上閾壓V _max有關(guān)的異常事件(熱像素檢測)，上閾壓V _max由M_max決定;而藍色條狀圖代表下閾壓V _min有關(guān)的異常事件，下閾壓V _min由M_min決定，詳見(jiàn)圖4給出的算法工作原理。

VI. 結論

本文論述了如何有效地結合CMOS電子元器件使用憶阻器，實(shí)現一個(gè)高效分布式處理兼備存儲功能的視覺(jué)傳感器架構，執行穩健的實(shí)時(shí)圖像處理。本文主要論述了被稱(chēng)作目標跟蹤引擎的自適應背景提取技術(shù)。憶阻器具有納米級尺度和非易失性，有望成為全新的嵌入式分布處理和存儲功能兼備的并行計算機的理想元器件。當芯片內部濾波器需要長(cháng)時(shí)間常數或片上存儲器需要更長(cháng)的數據保存時(shí)間時(shí)，憶阻器的特性將具有更重要的意義。

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