cmos+忆阻器实现高效分布式处理兼存储功能的传感器架构

本文介绍一个依靠忆阻器执行像素级自适应背景提取算法的成像传感器架构。内置光频转换器(L2F)的像素是图像处理的核心组件，其输出的与光强成正比的数字脉冲被施加到忆阻器后，忆阻器电阻将会发生相应变化。另外两个忆阻器用于保存动态边界，边界外的光生信号行为被认为是异常，即意外快速变化。与全cmos成像传感器相比，基于忆阻器的解决方案可取得更小的像素间距和非易失性存储功能，让设计人员能够使用可编程时间常数建立图像背景模型。

1.前言

过去的几十年，业界围绕cmos架构视觉传感器理论进行了大量广泛的研究和探讨，旨在于在成像早期阶段处理图像，从场景中提取最重要的特征，如果换作其它方式达到同样目的，例如，使用普通计算技术，则需要为此花费昂贵的成本。在这个方面，运动侦测是最重要的图像特征之一，是多个复杂视觉任务的基础。本文重点介绍时间对比概念，这个概念在很多应用中特别重要，包括交通监控、人体运动拍照和视频监视。这些应用要求图像侦测精确并可靠，形状侦测准确，变化反应及时。此外，运动检测还必须灵活地适应不同的工作场景和光强条件。背景提取是目前最被认可的运动侦测方法。背景提取就是生成一个背景估算值，然后逐帧更新。分析运动类型，并将其与场景中特定对象关联，以便进行更高级别的处理，在这个过程中，光强变化无疑是帮助我们发现运动的第一个线索。因为可能会在某一时间点意外侦测到所有像素的变化，其中包括光线、阴影、噪声引起的变化，相对于过去，像素变化过快时，应该考虑的潜在变化。因此，应该在像素级实现一种低通存储器，跟踪像素对比变化，并在像素行为变化时发出报警。

本文介绍如何利用忆阻器实现上述算法。在上个世纪70年代，蔡少棠教授从理论上预言存在一种叫做忆阻器的无源器件，2008年惠普实验室演示了这种无源器件的物理模型，顾名义，忆阻器是一种可变电阻器，其导通状态能够记忆以前流经忆阻器的电流历史。

本文主要内容如下：下一章介绍与输入偏压有关的忆阻器行为，特别是基于脉冲的编程，这是本文的研究基础。第三章介绍像素工作原理，第四章重点介绍像素实现。第五章介绍仿真结果，第六章是结论。

II.忆阻器行为

如前文所述，忆阻器可以视为一个时间可变的电阻器，电阻值取决于以前流经忆阻器的电流值。

图1：忆阻器和简化等效电路图。图a:TiO2忆阻器结构；图b:等效电阻器电路

首次提出的忆阻器概念的是蔡少棠教授，在推理无源电路理论的等式对称性依据时，他认为忆阻器是电阻器、电容器、电感器之外的第四个基础无源器件。在发现忆阻器物理模型后，很多人想利用忆阻器令人兴奋的记忆特性开发模拟集成电路。惠普实验室开发的首个物理模型基于TiO2的两个区：一个高电阻的非掺杂区和一个有高导电氧空穴TiO2-x的掺杂区, 这两个区夹在两个金属电极板的中间，如图1a所示。当向忆阻器施加外部偏压时，掺杂层和非掺杂层之间的边界就会移动，位移是所施加的电流或电压的函数，因此，带电荷的掺杂区的漂移导致两个电极之间电阻变化。对于简单的电阻导电情况，下面等式定义了电压电流关系：

利用参考文献取得与上面等式相关的参数，使用Verilog-A语言开发一个忆阻器行为模型，通过电路仿真，使用下列参数验证该模型：RON = 200Ω, ROFF =200KΩ, u2= 10-10cm2S-1V-1, D = 10nm。只要系统在M? (RON , ROFF )边界内，忆阻器就会表现出对称行为。当触达任何一个边界时，忆阻器将会像线性电阻一样动作，将边界电阻保持到输入极性变反为止。图2所示是典型的忆阻特性曲线，忆阻器这些有趣行为共同构成忆阻器或各类忆阻性设备的基本特征，图2a是施加电压及相应电流对时间t的曲线。图2b所示是电流-电压特性曲线。从图中不难看出，当w≤w0时，滞后出现，当w?w0时，滞后缩短。图2c是忆阻器在不平衡输入信号条件下的行为曲线，我们观察到，在前三个周期内，w(t)值逐渐升高，这是在一定时间内净电荷量累加的结果。在连续施加三个周期的极性相反的信号后，w(t)降至初始状态。总之，如图2a和2b所示，任何对称交流偏压都会导致双环电流-电压滞后现象，高频时下降至一条直线。此外，对于偏压出现的任何非对称，如图2c和2d所示，我们观察到一个多环电流电压滞后，随着电流升高，多环电流电压滞后更加明显。

图2：电压驱动式忆阻器的行为仿真结果。在图a中，施加的对称输入电压（红色）和相应电流（蓝色）是时间的函数。图b是对称输入电流-电压特性曲线。下降线对应曲度更高的曲线。在图c中，非对称输入施加电压（红色）和相应电流（绿色）是时间的函数。图d是非对称输入电流-电压特性曲线。图a中的施加电压是±v0 sin(w0t)，而图c中的施加电压是±v0 sin2(w0t), 其中w0 = 2?f0 = 2?u2/D2。

忆阻器初始电阻通常很大，施加极性相反的连续或脉冲电压可使电阻线性降至一个低电阻的谷底，如图3所示。施加极性相反的电压可使忆阻器恢复初始高电阻，恢复时间通常比直接恢复方法短很多。在图3中，忆阻器的初始电阻值很高，向忆阻器施加一序列占空比可控的脉冲频率wp=5w0、电流幅度ip = 160uA的电流脉冲，以此可以向忆阻器写入数据。占空比越高，流经忆阻器的电荷量就越大，导电速度也就越快。忆阻器具有脉冲式非线性编程功能，用光频率转换器作为编程信号源，用与光强成正比的电流脉冲驱动忆阻器，可实现光阻(L2R)编码。如图6的像素架构示意图所示。除其独特的非线性编程外，忆阻器还可视为兼有电容器的存储效应与电阻器的无漏电性。所有这些，结合其小尺度和易实现性，使其成为一个最有趣的模拟信号处理应用元器件，不过，本文只讨论如何在紧凑的像素内使用忆阻器执行背景提取功能。

图3：在使用一系列不同占空比的编程频率wp=5w0、电流幅度ip = 160uA的电流脉冲给阻器编程时的忆阻-时间变化速度

III. 工作原理

在讨论传感器架构之前，需要描述一下像素级自适应背景提取算法。我们考虑成像传感器的一个像素给一个特定场景点编码的情况。该像素以帧速率fps采集光强，并将其转换成电压VS(nT)，其中T = 1/fps是像素传感器采样时间，整数n 表示帧个数。在传感器工作过程中，像素采集的光强呈动态变化，变化速率取决于场景内运动类型或环境光的变化。通过监视信号动态变化和振幅，每个像素需要检查场景中是否发生潜在异常。为此，必须从现有图像(Fi)提取背景(B)，然后比较最终差值与正确的阈值(TH)：

该方法的主要优点是，不需要增加存储器，通过改变学习速率值a，即可微调滤波器。

考虑到上述方法的硬件实现问题和稳健性，我们利用指数移动平均法和两个电压阈值而非参考文献(6)的一个阈压建立了一个背景模型。阈压定义了信号可以安全变化（冷像素）的电压范围，超过这个安全范围（高于最高阈压或低于最低阈压），信号被视为异常（热像素），可能会触发一次报警。

图4：在像素级执行背景动态提取算法

图4所示是背景提取算法的工作原理。该示例是一个单像素在20帧期间的工作情况。黑色曲线表示像素获取的信号电压VS，红线(Vmax)和蓝线(Vmin)波形是界定灰色区上下边界的两个阈压值的集合，在灰色区域内，信号可以自由变化，不会出现任何报警。信号电压VS经低通滤波后生成信号，每个滤波器在两个时间常量(tH < tL)之间开关操作，具体情况取决于下面条件：

其中，等式(10)和(12)分别表示Vmax和Vmin的热像素条件，而等式(11)和(13)则表示冷像素条件。两个阈值的行为界定了一个根据信号动态在一段时间内变化的灰色区域，灰色区域代表VS未发现异常条件的运动的电压范围，例如，如果VS突然从亮变暗，越过灰色区域上边界(Vmax)，则生成一个热像素。

图5：两个一阶低通滤波器生成图4中的两个阈压。