具有實(shí)時(shí)跟蹤功能的憶阻視覺傳感器架構(gòu)

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(duì)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(duì)稱輸入電流-電壓特性曲線。下降線對(duì)應(yīng)曲度更高的曲線。在圖c中，非對(duì)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(duì)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(gè)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(shí)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(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(hào)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(chǔ)效應(yīng)與電阻器的無(wú)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(hào)處理應(yīng)用元器件，不過(guò)，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w_p=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(jí)自適應(yīng)背景提取算法[16]。我們考慮成像傳感器的一個(gè)像素給一個(gè)特定場(chǎng)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V_S(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(guò)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(chǎng)景內(nèi)運(yùn)動(dòng)類型或環(huán)境光的變化。通過(guò)監(jiān)視信號(hào)動(dòng)態(tài)變化和振幅，每個(gè)像素需要檢查場(chǎng)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(dá)到閾值的像素被標(biāo)記為熱像素，即在場(chǎng)景中檢測(cè)到一個(gè)潛在的報(bào)警;未達(dá)到閾值的像素被識(shí)別為冷像素?？紤]到背景易于變化，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，選用復(fù)雜程度不同的模型：

l 幀差：假定背景值等于過(guò)去圖像值(B = F_i-1)。這是一個(gè)簡(jiǎn)單易懂的方法，不過(guò)不是非?？煽?。事實(shí)上，幀差對(duì)閾值(TH)、幀速率和物體速度非常敏感：

l 簡(jiǎn)單移動(dòng)平均法：考慮到在若干個(gè)幀內(nèi)的背景變化。這種方法需要n個(gè)幀緩沖器，但是占用非常多的存儲(chǔ)容量和運(yùn)算性能:

l 指數(shù)移動(dòng)平均法: 該方法需要一個(gè)無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器，應(yīng)用了指數(shù)降低加權(quán)系數(shù)(0a1)概念：

該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是，不需要增加存儲(chǔ)器，通過(guò)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(wèn)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(hào)可以安全變化(冷像素)的電壓范圍，超過(guò)這個(gè)安全范圍(高于最高閾壓或低于最低閾壓)，信號(hào)被視為異常(熱像素)，可能會(huì)觸發(fā)一次報(bào)警。

圖4：在像素級(jí)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(hào)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(hào)可以自由變化，不會(huì)出現(xiàn)任何報(bào)警。信號(hào)電壓VS經(jīng)低通濾波后生成信號(hào)，每個(gè)濾波器在兩個(gè)時(shí)間常量(t_Ht_L)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(gè)閾值的行為界定了一個(gè)根據(jù)信號(hào)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(guò)灰色區(qū)域上邊界(V_max)，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。