具有實(shí)時(shí)跟蹤功能的憶阻視覺傳感器架構(gòu)

本文介紹一個(gè)依靠憶阻器執(zhí)行像素級(jí)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(huì)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(hào)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(chǔ)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(chǎng)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[1],[2],[3],[4],[5],[6]。在這個(gè)方面，運(yùn)動(dòng)偵測(cè)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(duì)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[2], [4], [5], [7]。這些應(yīng)用要求圖像偵測(cè)精確并可靠，形狀偵測(cè)準(zhǔn)確，變化反應(yīng)及時(shí)。此外，運(yùn)動(dòng)檢測(cè)還必須靈活地適應(yīng)不同的工作場(chǎng)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(cè)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(chǎng)景中特定對(duì)象關(guān)聯(lián)，以便進(jìn)行更高級(jí)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?huì)在某一時(shí)間點(diǎn)意外偵測(cè)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(duì)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(jí)實(shí)現(xiàn)一種低通存儲(chǔ)器，跟蹤像素對(duì)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(jiǎn)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(duì)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[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?shí)驗(yàn)室開發(fā)的首個(gè)物理模型基于TiO₂的兩個(gè)區(qū)[9]：一個(gè)高電阻的非摻雜區(qū)和一個(gè)有高導(dǎo)電氧空穴TiO_2-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(huì)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 [10]。對(duì)于簡(jiǎn)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，R_ON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;R_OFF是高電阻非摻雜區(qū)的電阻;D是憶阻器的長(zhǎng)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(yùn)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(dá)：

利用參考文獻(xiàn)[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(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：R_ON = 200Ω，R_OFF =200KΩ，u₂= 10^-10cm²S^-1V^-1，D = 10nm。只要系統(tǒng)在M (R_ON , R_OFF )邊界內(nèi)，憶阻器就會(huì)表現(xiàn)出對(duì)稱行為。當(dāng)觸達(dá)任何一個(gè)邊界時(shí)，憶阻器將會(huì)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[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(duì)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)ww0時(shí)，滯后縮短。圖2c是憶阻器在不平衡輸入信號(hào)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(hào)后，w(t)降至初始狀態(tài)?？傊?，如圖2a和2b所示，任何對(duì)稱交流偏壓都會(huì)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(duì)于偏壓出現(xiàn)的任何非對(duì)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。