cmos+憶阻器實(shí)現(xiàn)高效分布式處理兼存儲功能的傳感器架構(gòu)

本文介紹一個(gè)依靠憶阻器執(zhí)行像素級自適應(yīng)背景提取算法的成像傳感器架構(gòu)。內(nèi)置光頻轉(zhuǎn)換器(L2F)的像素是圖像處理的核心組件，其輸出的與光強(qiáng)成正比的數(shù)字脈沖被施加到憶阻器后，憶阻器電阻將會發(fā)生相應(yīng)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(rèn)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(shè)計(jì)人員能夠使用可編程時(shí)間常數(shù)建立圖像背景模型。

1.前言

過去的幾十年，業(yè)界圍繞cmos架構(gòu)視覺傳感器理論進(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，從場景中提取最重要的特征，如果換作其它方式達(dá)到同樣目的，例如，使用普通計(jì)算技術(shù)，則需要為此花費(fèi)昂貴的成本。在這個(gè)方面，運(yùn)動(dòng)偵測是最重要的圖像特征之一，是多個(gè)復(fù)雜視覺任務(wù)的基礎(chǔ)。本文重點(diǎn)介紹時(shí)間對比概念，這個(gè)概念在很多應(yīng)用中特別重要，包括交通監(jiān)控、人體運(yùn)動(dòng)拍照和視頻監(jiān)視。這些應(yīng)用要求圖像偵測精確并可靠，形狀偵測準(zhǔn)確，變化反應(yīng)及時(shí)。此外，運(yùn)動(dòng)檢測還必須靈活地適應(yīng)不同的工作場景和光強(qiáng)條件。背景提取是目前最被認(rèn)可的運(yùn)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(yùn)動(dòng)類型，并將其與場景中特定對象關(guān)聯(lián)，以便進(jìn)行更高級別的處理，在這個(gè)過程中，光強(qiáng)變化無疑是幫助我們發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的第一個(gè)線索。因?yàn)榭赡軙谀骋粫r(shí)間點(diǎn)意外偵測到所有像素的變化，其中包括光線、陰影、噪聲引起的變化，相對于過去，像素變化過快時(shí)，應(yīng)該考慮的潛在變化。因此，應(yīng)該在像素級實(shí)現(xiàn)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(bào)警。

本文介紹如何利用憶阻器實(shí)現(xiàn)上述算法。在上個(gè)世紀(jì)70年代，蔡少棠教授從理論上預(yù)言存在一種叫做憶阻器的無源器件，2008年惠普實(shí)驗(yàn)室演示了這種無源器件的物理模型，顧名義，憶阻器是一種可變電阻器，其導(dǎo)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(nèi)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(chǔ)。第三章介紹像素工作原理，第四章重點(diǎn)介紹像素實(shí)現(xiàn)。第五章介紹仿真結(jié)果，第六章是結(jié)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：憶阻器和簡化等效電路圖。圖a:TiO2憶阻器結(jié)構(gòu)；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，在推理無源電路理論的等式對稱性依據(jù)時(shí)，他認(rèn)為憶阻器是電阻器、電容器、電感器之外的第四個(gè)基礎(chǔ)無源器件。在發(fā)現(xiàn)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發(fā)模擬集成電路?；萜諏?shí)驗(yàn)室開發(fā)的首個(gè)物理模型基于TiO2的兩個(gè)區(qū)：一個(gè)高電阻的非摻雜區(qū)和一個(gè)有高導(dǎo)電氧空穴TiO2-x的摻雜區(qū), 這兩個(gè)區(qū)夾在兩個(gè)金屬電極板的中間，如圖1a所示。當(dāng)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移動(dòng)，位移是所施加的電流或電壓的函數(shù)，因此，帶電荷的摻雜區(qū)的漂移導(dǎo)致兩個(gè)電極之間電阻變化。對于簡單的電阻導(dǎo)電情況，下面等式定義了電壓電流關(guān)系：

利用參考文獻(xiàn)取得與上面等式相關(guān)的參數(shù)，使用Verilog-A語言開發(fā)一個(gè)憶阻器行為模型，通過電路仿真，使用下列參數(shù)驗(yàn)證該模型：RON = 200Ω, ROFF =200KΩ, u2= 10-10cm2S-1V-1, D = 10nm。只要系統(tǒng)在M? (RON , ROFF )邊界內(nèi)，憶阻器就會表現(xiàn)出對稱行為。當(dāng)觸達(dá)任何一個(gè)邊界時(shí)，憶阻器將會像線性電阻一樣動(dòng)作，將邊界電阻保持到輸入極性變反為止。圖2所示是典型的憶阻特性曲線，憶阻器這些有趣行為共同構(gòu)成憶阻器或各類憶阻性設(shè)備的基本特征，圖2a是施加電壓及相應(yīng)電流對時(shí)間t的曲線。圖2b所示是電流-電壓特性曲線。從圖中不難看出，當(dāng)w≤w0時(shí)，滯后出現(xiàn)，當(dāng)w?w0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，我們觀察到，在前三個(gè)周期內(nèi)，w(t)值逐漸升高，這是在一定時(shí)間內(nèi)凈電荷量累加的結(jié)果。在連續(xù)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，任何對稱交流偏壓都會導(dǎo)致雙環(huán)電流-電壓滯后現(xiàn)象，高頻時(shí)下降至一條直線。此外，對于偏壓出現(xiàn)的任何非對稱，如圖2c和2d所示，我們觀察到一個(gè)多環(huán)電流電壓滯后，隨著電流升高，多環(huán)電流電壓滯后更加明顯。

圖2：電壓驅(qū)動(dòng)式憶阻器的行為仿真結(jié)果。在圖a中，施加的對稱輸入電壓（紅色）和相應(yīng)電流（藍(lán)色）是時(shí)間的函數(shù)。圖b是對稱輸入電流-電壓特性曲線。下降線對應(yīng)曲度更高的曲線。在圖c中，非對稱輸入施加電壓（紅色）和相應(yīng)電流（綠色）是時(shí)間的函數(shù)。圖d是非對稱輸入電流-電壓特性曲線。圖a中的施加電壓是±v0 sin(w0t)，而圖c中的施加電壓是±v0 sin2(w0t), 其中w0 = 2?f0 = 2?u2/D2。

憶阻器初始電阻通常很大，施加極性相反的連續(xù)或脈沖電壓可使電阻線性降至一個(gè)低電阻的谷底，如圖3所示。施加極性相反的電壓可使憶阻器恢復(fù)初始高電阻，恢復(fù)時(shí)間通常比直接恢復(fù)方法短很多。在圖3中，憶阻器的初始電阻值很高，向憶阻器施加一序列占空比可控的脈沖頻率wp=5w0、電流幅度ip = 160uA的電流脈沖，以此可以向憶阻器寫入數(shù)據(jù)。占空比越高，流經(jīng)憶阻器的電荷量就越大，導(dǎo)電速度也就越快。憶阻器具有脈沖式非線性編程功能，用光頻率轉(zhuǎn)換器作為編程信號源，用與光強(qiáng)成正比的電流脈沖驅(qū)動(dòng)憶阻器，可實(shí)現(xiàn)光阻(L2R)編碼。如圖6的像素架構(gòu)示意圖所示。除其獨(dú)特的非線性編程外，憶阻器還可視為兼有電容器的存儲效應(yīng)與電阻器的無漏電性。所有這些，結(jié)合其小尺度和易實(shí)現(xiàn)性，使其成為一個(gè)最有趣的模擬信號處理應(yīng)用元器件，不過，本文只討論如何在緊湊的像素內(nèi)使用憶阻器執(zhí)行背景提取功能。

圖3：在使用一系列不同占空比的編程頻率wp=5w0、電流幅度ip = 160uA的電流脈沖給阻器編程時(shí)的憶阻-時(shí)間變化速度

III. 工作原理

在討論傳感器架構(gòu)之前，需要描述一下像素級自適應(yīng)背景提取算法。我們考慮成像傳感器的一個(gè)像素給一個(gè)特定場景點(diǎn)編碼的情況。該像素以幀速率fps采集光強(qiáng)，并將其轉(zhuǎn)換成電壓VS(nT)，其中T = 1/fps是像素傳感器采樣時(shí)間，整數(shù)n 表示幀個(gè)數(shù)。在傳感器工作過程中，像素采集的光強(qiáng)呈動(dòng)態(tài)變化，變化速率取決于場景內(nèi)運(yùn)動(dòng)類型或環(huán)境光的變化。通過監(jiān)視信號動(dòng)態(tài)變化和振幅，每個(gè)像素需要檢查場景中是否發(fā)生潛在異常。為此，必須從現(xiàn)有圖像(Fi)提取背景(B)，然后比較最終差值與正確的閾值(TH)：

?

該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是，不需要增加存儲器，通過改變學(xué)習(xí)速率值a，即可微調(diào)濾波器。

考慮到上述方法的硬件實(shí)現(xiàn)問題和穩(wěn)健性，我們利用指數(shù)移動(dòng)平均法和兩個(gè)電壓閾值而非參考文獻(xiàn)(6)的一個(gè)閾壓建立了一個(gè)背景模型。閾壓定義了信號可以安全變化（冷像素）的電壓范圍，超過這個(gè)安全范圍（高于最高閾壓或低于最低閾壓），信號被視為異常（熱像素），可能會觸發(fā)一次報(bào)警。

圖4：在像素級執(zhí)行背景動(dòng)態(tài)提取算法

圖4所示是背景提取算法的工作原理。該示例是一個(gè)單像素在20幀期間的工作情況。黑色曲線表示像素獲取的信號電壓VS，紅線(Vmax)和藍(lán)線(Vmin)波形是界定灰色區(qū)上下邊界的兩個(gè)閾壓值的集合，在灰色區(qū)域內(nèi)，信號可以自由變化，不會出現(xiàn)任何報(bào)警。信號電壓VS經(jīng)低通濾波后生成信號，每個(gè)濾波器在兩個(gè)時(shí)間常量(tH < tL)之間開關(guān)操作，具體情況取決于下面條件：

其中，等式(10)和(12)分別表示Vmax和Vmin的熱像素條件，而等式(11)和(13)則表示冷像素條件。兩個(gè)閾值的行為界定了一個(gè)根據(jù)信號動(dòng)態(tài)在一段時(shí)間內(nèi)變化的灰色區(qū)域，灰色區(qū)域代表VS未發(fā)現(xiàn)異常條件的運(yùn)動(dòng)的電壓范圍，例如，如果VS突然從亮變暗，越過灰色區(qū)域上邊界(Vmax)，則生成一個(gè)熱像素。

圖5：兩個(gè)一階低通濾波器生成圖4中的兩個(gè)閾壓。