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。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。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據。占空比越高，流經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n 表示幀個數。在傳感器工作過程中，像素采集的光強呈動態變化，變化速率取決于場景內運動類型或環境光的變化。通過監視信號動態變化和振幅，每個像素需要檢查場景中是否發生潛在異常。為此，必須從現有圖像(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。考慮到背景易于變化，根據實際應用情況，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?。事實上，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，應用了指數降低加權系數(0a1)概念：

該方法的主要優點是，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問題和穩健性，我們利用指數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)，可能會觸發一次報警。

圖4：在像素級執行背景動態提取算法

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)波形是界定灰色區上下邊界的兩個閾壓值的集合，在灰色區域內，信號可以自由變化，不會出現任何報警。信號電壓VS經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信號動態在一段時間內變化的灰色區域，灰色區域代表VS未發現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。