具有實(shí)時(shí)跟蹤功能的憶阻視覺傳感器架構(gòu)

因此，當(dāng)V_max試圖快速觸達(dá)V_S過程中，V_min也在做同樣的事情，只不過速度較慢。這里，灰色區(qū)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(hào)變化，這樣不會(huì)再產(chǎn)生任何熱像素。從此，灰色區(qū)域恢復(fù)窄狀和最大像素敏感度。

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

IV. 像素實(shí)現(xiàn)

可以用兩個(gè)理想的低通濾波器來實(shí)現(xiàn)等式(10)-(13)。如圖5所示，LPF1實(shí)現(xiàn)等式(10)和(11)，LPF2實(shí)現(xiàn)等式(12)和(13)。假設(shè)理想二極管D1-D4(無電壓降)，且R_L> R_H, 每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)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(jiān)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(shù)濾波器，這意味R和C應(yīng)該分別是兆歐和微法量級(jí)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(shù)切換到另一個(gè)時(shí)間常數(shù)，從而取得自適應(yīng)算法所需的行為特性。為取得一個(gè)高效的視覺傳感器架構(gòu)，這種雙邊峰值檢測(cè)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，這種設(shè)計(jì)方法有以下兩個(gè)缺點(diǎn)：(a)兩個(gè)閾壓值在模擬存儲(chǔ)器內(nèi)的保留時(shí)間達(dá)不到應(yīng)用的求;(b)充當(dāng)模擬存儲(chǔ)單元的電容器占用的芯片面積過大，影響像素間距變小。為解決這些主要問題，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(chǔ)和納米級(jí)尺度的優(yōu)勢(shì)。此外，通過數(shù)字脈沖(電壓或電流)信號(hào)很容易控制憶阻器的電阻，按照?qǐng)D4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(hào)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(zhuǎn)換器 (L2F)模塊將留在像素上的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成固定脈寬(△T)且頻率與光生電流(I_ph)成正比的數(shù)字脈沖，在像素復(fù)位過程中，M_S電阻值置于最高值(M_SL = R_OFF ),等待L2F數(shù)字脈沖設(shè)置電阻值。

圖7：像素在積分時(shí)間(Ti)內(nèi)的時(shí)序圖，L2F將n個(gè)數(shù)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(nèi)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，通過憶阻器電阻值(M_max, M_min)表達(dá)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(yù)計(jì)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(zhǔn)階段，是專門生成的信號(hào)。

A. 曝光時(shí)間

在曝光時(shí)間(Ti)內(nèi), L2F轉(zhuǎn)換器生成一串振幅I1、脈寬△T且頻率與光強(qiáng)成正比的電流脈沖，送入M_S，如圖7所示。下面的等式通過狀態(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(zhǎng)度，uv是摻雜遷移率，n是L2F在曝光時(shí)間內(nèi)生成的脈沖數(shù)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(cè)

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(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)位線上(blS，blH, blL)。然后將blS與blH和blL電壓分別比較，以檢測(cè)潛在熱像素條件。將SW1、SW2和SW3都設(shè)到位置”3”，因此，使共節(jié)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(qū)動(dòng)的列級(jí)(HBLOCK)比較器完成熱像素檢測(cè)。表I列出了不同像素狀態(tài)的數(shù)字輸出信號(hào)。

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(xiàn)一個(gè)時(shí)間常數(shù)T_H短的濾波器，用信號(hào)PLS生成的△T_P脈寬的電流脈沖IPH驅(qū)動(dòng)憶阻，饋入HBLOCK。通過估算注入到器件的電荷q_HOT = IH△T_P和施加的脈沖數(shù)量”m”，設(shè)置濾波器的時(shí)間常數(shù)。另一方面，考慮到冷像素條件，慢濾波器負(fù)責(zé)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)閾壓的更新過程。假設(shè)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(hào)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(jié)果

我們使用MATLAB建立了自適應(yīng)背景提取算法模型并進(jìn)行了仿真測(cè)試[7],[18]。如圖6所示，我們模擬了像素架構(gòu)的四種不同狀態(tài)，使用Cadence Spectre [19]通過電仿真再現(xiàn)了圖9所描述的預(yù)期行為。像素架構(gòu)設(shè)計(jì)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)間值不宜過大，以不會(huì)在高頻光阻編碼過程中導(dǎo)致Ms進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)為準(zhǔn)。

使用相同的仿真參數(shù)驗(yàn)證四個(gè)像素狀態(tài)，仿真結(jié)果見圖10。用L2F在10 ms曝光時(shí)間(Ti)內(nèi)生成的數(shù)字脈沖設(shè)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(jù)像素條件，對(duì)M_max和M_min進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。圖10a是圖8的像素狀態(tài)S1的仿真結(jié)果。這里，像素工作正常，如曲線所示，M_max和M_min保持向Ms緩慢匯合的趨勢(shì)。我們還注意到，熱像素的二進(jìn)制信號(hào)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(jié)果發(fā)現(xiàn)一個(gè)熱像素，我們觀察到兩種情況。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(zhuǎn)到冷像素狀態(tài)

像素狀態(tài)S2和S3通常直接轉(zhuǎn)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)過程中，M_max升高速度比快M_min很多，直到像素恢復(fù)到正常工作條件為止。如圖10c所示，當(dāng)像素在S3狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，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(jié)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(fù)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(zhuǎn)到另一個(gè)熱像素狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)至冷像素

雖然S4是一個(gè)典型的禁用狀態(tài)，是根據(jù)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(zhǔn)階段系統(tǒng)上電過程中。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(shè)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(dá)到冷狀態(tài)為止。在S4狀態(tài)，熱像素不視為潛在報(bào)警。在圖10e中，上邊界M_max在下邊界M_min之前穩(wěn)定，導(dǎo)致S4轉(zhuǎn)至S2，再轉(zhuǎn)至S1。圖10f是這種情況的結(jié)果：M_min在M_max之前穩(wěn)定; 我們觀察到，從S4進(jìn)入S3，再進(jìn)入S1。

圖10：內(nèi)置三個(gè)憶阻器執(zhí)行動(dòng)態(tài)背景提取的像素架構(gòu)在圖6所示LL, HL, LH, HH條件下的電仿真結(jié)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(hào)。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(cè))，上閾壓V _max由M_max決定;而藍(lán)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，詳見圖4給出的算法工作原理。

VI. 結(jié)論

本文論述了如何有效地結(jié)合CMOS電子元器件使用憶阻器，實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效分布式處理兼?zhèn)浯鎯?chǔ)功能的視覺傳感器架構(gòu)，執(zhí)行穩(wěn)健的實(shí)時(shí)圖像處理。本文主要論述了被稱作目標(biāo)跟蹤引擎的自適應(yīng)背景提取技術(shù)。憶阻器具有納米級(jí)尺度和非易失性，有望成為全新的嵌入式分布處理和存儲(chǔ)功能兼?zhèn)涞牟⑿杏?jì)算機(jī)的理想元器件。當(dāng)芯片內(nèi)部濾波器需要長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)或片上存儲(chǔ)器需要更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)保存時(shí)間時(shí)，憶阻器的特性將具有更重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] J. Choi, S. Park, J. Cho, and E. Yoon, “A 3.4 w cmos image sensor withembedded feature-extraction algorithm for motion-triggered object-ofinterestimaging,” in Solid-State Circuits Conference Digest of TechnicalPapers (ISSCC), 2013 IEEE International, Feb 2013, pp. 478–479.

[2] P. Lichtsteiner, C. Posch, and T. Delbruck, “A 128 x 128 120dB30mW Asynchronous Vision Sensor that Responds to Relative IntensityChange,” in IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, Feb. 2006, pp. 25–26.

[3] N. Massari, M. Gottardi, and S. A. Jawed, “A 100W 64128 像素sContrast-Based Asynchronous Binary Vision Sensor for Wireless SensorNetwors,,” in IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, Feb. 2008, pp. 588–589.

[4] G. Kim, M. Barangi, Z. Foo, N. Pinckney, S. Bang, D. Blaauw, andD. Sylvester, “A 467nw cmos visual motion sensor with temporalaveraging and 像素 aggregation,” in Solid-State Circuits ConferenceDigest of Technical Papers (ISSCC), 2013 IEEE International. IEEE,2013, pp. 480–481.

[5] T. Ohmaru, T. Nakagawa, S. Maeda, Y. Okamoto, M. Kozuma,S. Yoneda, H. Inoue, Y. Kurokawa, T. Ikeda, Y. Ieda et al., “6.5 25.3wat 60fps 240160-像素 vision sensor for motion capturing with in-像素non-volatile analog memory using crystalline oxide semiconductor fet,”in Solid-State Circuits Conference-(ISSCC), 2015 IEEE International.IEEE, 2015, pp. 1–3.