具有實時跟蹤功能的憶阻視覺傳感器架構

圖2：電壓驅動式憶阻器的行為仿真結果。在圖a中，施加的對稱輸入電壓(紅色)和相應電流(藍色)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 = 2f₀ = 2u₂/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初始高電阻，恢復時間通常比直接恢復方法短很多[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w_p=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，用光頻率轉換器作為編程信號源，用與光強成正比的電流脈沖驅動憶阻器，可實現(xiàn)光阻(L2R)編碼。如圖6的像素架構示意圖所示。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與電阻器的無漏電性。所有這些，結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用元器件，不過，本文只討論如何在緊湊的像素內使用憶阻器執(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w_p=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

在討論傳感器架構之前，需要描述一下像素級自適應背景提取算法[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，并將其轉換成電壓V_S(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)實際應用情況，選用復雜程度不同的模型：

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

l 簡單移動平均法：考慮到在若干個幀內的背景變化。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:

l 指數(shù)移動平均法: 該方法需要一個無限脈沖響應濾波器，應用了指數(shù)降低加權系數(shù)(0a1)概念：

該方法的主要優(yōu)點是，不需要增加存儲器，通過改變學習速率值a，即可微調濾波器。

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，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(t_Ht_L)之間開關操作，具體情況取決于下面條件：

其中，等式(10)和(12)分別表示V_max和V_min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(V_max)，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。