具有實時跟蹤功能的憶阻視覺傳感器架構(gòu)

　　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]。在這個方面，運動偵測是最重要的圖像特征之一，是多個復(fù)雜視覺任務(wù)的基礎(chǔ)。本文重點介紹時間對比概念，這個概念在很多應(yīng)用中特別重要，包括交通監(jiān)控、人體運動拍照和視頻監(jiān)視[2], [4], [5], [7]。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。此外，運動檢測還必須靈活地適應(yīng)不同的工作場景和光強條件。背景提取是目前最被認(rèn)可的運動偵測方法。背景提取就是生成一個背景估算值，然后逐幀更新。分析運動類型，并將其與場景中特定對象關(guān)聯(lián)，以便進行更高級別的處理，在這個過程中，光強變化無疑是幫助我們發(fā)現(xiàn)運動的第一個線索。因為可能會在某一時間點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，應(yīng)該考慮的潛在變化。因此，應(yīng)該在像素級實現(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發(fā)出報警。

　　本文介紹如何利用憶阻器實現(xiàn)上述算法。在上個世紀(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年惠普實驗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，第四章重點介紹像素實現(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時間可變的電阻器，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，他認(rèn)為憶阻器是電阻器、電容器、電感器之外的第四個基礎(chǔ)無源器件[8]。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?；萜諏嶒炇议_發(fā)的首個物理模型基于TiO2的兩個區(qū)[9]：一個高電阻的非摻雜區(qū)和一個有高導(dǎo)電氧空穴TiO2-x的摻雜區(qū), 這兩個區(qū)夾在兩個金屬電極板的中間，如圖1a所示。當(dāng)向憶阻器施加外部偏壓時，摻雜層和非摻雜層之間的邊界就會移動，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)致兩個電極之間電阻變化 [10]。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：

　　其中，RON 是摻雜原子濃度高的半導(dǎo)體薄膜的高導(dǎo)電區(qū)的電阻;ROFF是高電阻非摻雜區(qū)的電阻;D是憶阻器的長度;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RON≤ROFF，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(shù)，使用Verilog-A語言開發(fā)一個憶阻器行為模型，通過電路仿真，使用下列參數(shù)驗證該模型：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)觸達任何一個邊界時，憶阻器將會像線性電阻一樣動作，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，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[12]，圖2a是施加電壓及相應(yīng)電流對時間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，滯后出現(xiàn)，當(dāng)w?w0時，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，在前三個周期內(nèi)，w(t)值逐漸升高，這是在一定時間內(nèi)凈電荷量累加的結(jié)果。在連續(xù)施加三個周期的極性相反的信號后，w(t)降至初始狀態(tài)?？傊鐖D2a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低電阻的谷底，如圖3 [13], [14], [15]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)時間通常比直接恢復(fù)方法短很多[9]。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，用與光強成正比的電流脈沖驅(qū)動憶阻器，可實現(xiàn)光阻(L2R)編碼。如圖6的像素架構(gòu)示意圖所示。除其獨特的非線性編程外，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)合其小尺度和易實現(xiàn)性，使其成為一個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的憶阻-時間變化速度

　　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[16]。我們考慮成像傳感器的一個像素給一個特定場景點編碼的情況。該像素以幀速率fps采集光強，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間，整數(shù)n 表示幀個數(shù)。在傳感器工作過程中，像素采集的光強呈動態(tài)變化，變化速率取決于場景內(nèi)運動類型或環(huán)境光的變化。通過監(jiān)視信號動態(tài)變化和振幅，每個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)：

　　達到閾值的像素被標(biāo)記為熱像素，即在場景中檢測到一個潛在的報警;未達到閾值的像素被識別為冷像素?？紤]到背景易于變化，根據(jù)實際應(yīng)用情況，選用復(fù)雜程度不同的模型：

　　? 幀差：假定背景值等于過去圖像值(B = Fi-1)。這是一個簡單易懂的方法，不過不是非?？煽?。事實上，幀差對閾值(TH)、幀速率和物體速度非常敏感：

　　? 簡單移動平均法：考慮到在若干個幀內(nèi)的背景變化。這種方法需要n個幀緩沖器，但是占用非常多的存儲容量和運算性能:

　　? 指數(shù)移動平均法: 該方法需要一個無限脈沖響應(yīng)濾波器，應(yīng)用了指數(shù)降低加權(quán)系數(shù)(0 < a < 1)概念:

　　該方法的主要優(yōu)點是，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現(xiàn)問題和穩(wěn)健性，我們利用指數(shù)移動平均法和兩個電壓閾值而非參考文獻(6)的一個閾壓建立了一個背景模型。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)一次報警。

　　圖4：在像素級執(zhí)行背景動態(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)任何報警。信號電壓VS經(jīng)低通濾波后生成信號，每個濾波器在兩個時間常量(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。兩個閾值的行為界定了一個根據(jù)信號動態(tài)在一段時間內(nèi)變化的灰色區(qū)域，灰色區(qū)域代表VS未發(fā)現(xiàn)異常條件的運動的電壓范圍，例如，如果VS突然從亮變暗，越過灰色區(qū)域上邊界(Vmax)，則生成一個熱像素。

　　圖5：兩個一階低通濾波器生成圖4中的兩個閾壓。

　　因此，當(dāng)Vmax試圖快速觸達VS過程中，Vmin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。在若干個幀后，兩個閾壓限制VS，吸收全部信號變化，這樣不會再產(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)部三個憶阻器執(zhí)行動態(tài)背景提取的像素示意圖

　　IV. 像素實現(xiàn)

　　可以用兩個理想的低通濾波器來實現(xiàn)等式(10)-(13)。如圖5所示，LPF1實現(xiàn)等式(10)和(11)，LPF2實現(xiàn)等式(12)和(13)。假設(shè)理想二極管D1-D4(無電壓降)，且RL > RH, 每個模塊實現(xiàn)兩個不同的一階阻容濾波器，TH = RHC，且TL = RLC, 其中RH >> RL。監(jiān)視場景中的事件需要從幾秒到幾十秒的大范圍時間常數(shù)濾波器，這意味R和C應(yīng)該分別是兆歐和微法量級的電阻器和電容器。每個模塊(LPF1, LPF2)都必須能夠從一個時間常數(shù)切換到另一個時間常數(shù)，從而取得自適應(yīng)算法所需的行為特性。為取得一個高效的視覺傳感器架構(gòu)，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],使用開關(guān)電容器技術(shù)模擬每個像素里面的兩個濾波器。不過，這種設(shè)計方法有以下兩個缺點：(a) 兩個閾壓值在模擬存儲器內(nèi)的保留時間達不到應(yīng)用的求;(b)充當(dāng)模擬存儲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，通過數(shù)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憶阻器(MS, Mmax，Mmin)保存與信號VS成正比的電阻值和兩個閾壓Vmax和Vmin。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轉(zhuǎn)換成固定脈寬(△T)且頻率與光生電流(Iph)成正比的數(shù)字脈沖，在像素復(fù)位過程中，MS電阻值置于最高值(MSL = ROFF ),等待L2F數(shù)字脈沖設(shè)置電阻值。

　　圖7：像素在積分時間(Ti)內(nèi)的時序圖，L2F將n個數(shù)字電流脈沖I1饋入MS，使憶阻器電阻在Roff至R(n)范圍內(nèi)變化

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

　　圖9：在每個更新脈沖 (PLS)后，通過憶阻器電阻值(Mmax, Mmin)表達兩個閾壓在每個像素狀態(tài)(表I所列像素狀態(tài): S1, S2, S3, S4)的預(yù)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(zhǔn)階段，是專門生成的信號。

　　A. 曝光時間

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

　　其中，RON是低電阻，D是憶阻器長度，uv是 摻雜遷移率，n是L2F在曝光時間內(nèi)生成的脈沖數(shù)量，在施加n個脈沖后，最終電阻值是：

　　B. 讀出和熱像素偵測

　　在曝光時間后，比較MS與Mmax和Mmin值，因此，像素連接位線(SEL=H)，向三個憶阻施加相同的偏置電流Ibias，使憶阻器電壓施加到三個位線上(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(shè)到位置”3”，因此，使共節(jié)點C短接Vref，向Mmax和Mmin施加偏置電流Ibias。最后，取得下面的電壓降：

　　使用置于像素外部的兩個時鐘驅(qū)動的列級(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(shù)字輸出信號。

　　C. 閾壓更新

　　圖8描述了兩個憶阻器(Mmax和Mmin)的控制與S1、S2、S3和S4四個像素狀態(tài)的關(guān)系。為實現(xiàn)一個時間常數(shù)TH短的濾波器，用信號PLS生成的△TP脈寬的電流脈沖IPH驅(qū)動憶阻，饋入HBLOCK。通過估算注入到器件的電荷qHOT = IH?△TP和施加的脈沖數(shù)量”m”，設(shè)置濾波器的時間常數(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?△TP，qCOLD < qHOT。 這意味，給憶阻器提供的電荷量相同時，在qCOLD情況下，憶阻變化不大。通過選用圖8所示的電路配置，有時可以進行兩個閾壓的更新過程。假設(shè)像素狀態(tài)是S3，向Mmax饋入qHOT = IH?△TP , 同時向Mmin饋入qCOLD = (IH-Id) ?△TP, Id = IH-IL。在這種情況下，兩個閾壓(Vmax和Vmin)都接近電流信號VS，但是以不同的速度接近(Vmax上升快，Vmin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行了仿真測試[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(RON = 200Ω ,ROFF = 200KΩ)，以覆蓋更大的動態(tài)范圍。曝光時間值不宜過大，以不會在高頻光阻編碼過程中導(dǎo)致Ms進入導(dǎo)通狀態(tài)為準(zhǔn)。

　　使用相同的仿真參數(shù)驗證四個像素狀態(tài)，仿真結(jié)果見圖10。用L2F在10 ms曝光時間(Ti)內(nèi)生成的數(shù)字脈沖設(shè)置Ms。在憶阻重置到ROFF狀態(tài)前，比較Ms的最終值與Mmax和 Mmin值。然后，根據(jù)像素條件，對Mmax和Mmin進行相應(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，Mmax和Mmin保持向Ms緩慢匯合的趨勢。我們還注意到，熱像素的二進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(jié)果發(fā)現(xiàn)一個熱像素，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，Mmax和Mmin嘗試以不同的時間常量接近Ms，在這個過程中，Mmax升高速度比快Mmin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)時出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，Mmin以比Mmax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，Mmax上升速率與Mmin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. 從一個熱像素狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一個熱像素狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)至冷像素

　　雖然S4是一個典型的禁用狀態(tài)，是根據(jù)Mmax和Mmin兩個閾值發(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，算法嘗試將兩個閾值快速匯合到冷像素條件，同時像素故意設(shè)置為狀態(tài)S4。這個階段可需要幾個幀，直到整個像素達到冷狀態(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Mmax在下邊界Mmin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：Mmin在Mmax之前穩(wěn)定; 我們觀察到，從S4進入S3，再進入S1。

　　圖10：內(nèi)置三個憶阻器執(zhí)行動態(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，還描述了每個像素狀態(tài)的熱像素(HOT)二進制信號。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Mmax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Mmin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，實現(xiàn)一個高效分布式處理兼?zhèn)浯鎯δ艿囊曈X傳感器架構(gòu)，執(zhí)行穩(wěn)健的實時圖像處理。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?zhèn)涞牟⑿杏嬎銠C的理想元器件。當(dāng)芯片內(nèi)部濾波器需要長時間常數(shù)或片上存儲器需要更長的數(shù)據(jù)保存時間時，憶阻器的特性將具有更重要的意義。