1.前语
曩昔的几十年，业界环绕CMOS架构视觉传感器
理论进行了许多广泛的研讨和评论，旨在于在成像前期阶段处理图画，从场景中提取最重要的特征，假如换作其它办法到达相同意图，例如，运用一般计算技能，则需求为此花费贵重的本钱[1],[2],[3],[4],[5],[6]。在这个方面，运动侦测是最重要的图画特征之一，是多个杂乱视觉使命的根底。本文要点介绍时刻比照概念，这个概念在许多运用中特别重要，包含交通监控、人体运动摄影和视频监督[2], [4], [5], [7]。这些运用要求图画侦测精确并牢靠，形状侦测精确，改动反响及时。此外，运动检测还有必要灵敏地习惯不同的作业场景和光强条件。布景提取是现在最被认可的运动侦测办法。布景提取便是生成一个布景预算值，然后逐帧更新。剖析运动类型，并将其与场景中特定方针相关，以便进行更高等级的处理，在这个过程中，光强改动无疑是协助咱们发现运动的第一个头绪。由于或许会在某一时刻点意外侦测到一切像素的改动，其间包含光线、暗影、噪声引起的改动，相关于曩昔，像素改动过快时，应该考虑的潜在改动。因而，应该在像素级完结一种低通存储器，盯梢像素比照改动，并在像素行为改动时宣布报警。
本文介绍怎么运用忆阻器完结上述算法。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材，2008年惠普实验室演示了这种无源器材的物理模型，顾名义，忆阻器是一种可变电阻器，其导通状况能够回忆曾经流经忆阻器的电流前史。
本文首要内容如下：下一章介绍与输入偏压有关的忆阻器行为，特别是依据脉冲的编程，这是本文的研讨根底。第三章介绍像素作业原理，第四章要点介绍像素完结。第五章介绍仿真成果，第六章是定论。
II.忆阻器行为
如前文所述，忆阻器能够视为一个时刻可变的电阻器，电阻值取决于曾经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
初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，他以为忆阻器是电阻器、电容器、电感器之外的第四个根底无源器材[8]。在发现忆阻器物理模型后，许多人想运用忆阻器令人兴奋的回忆特性开发模仿集成电路。惠普实验室开发的首个物理模型依据TiO2的两个区[9]：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心，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鸿沟就会移动，位移是所施加的电流或电压的函数，因而，带电荷的掺杂区的漂移导致两个电极之间电阻改动 [10]。关于简略的电阻导电状况，下面等式界说了电压电流联系：
其间，RON 是掺杂原子浓度高的半导体薄膜的高导电区的电阻;ROFF是高电阻非掺杂区的电阻;D是忆阻器的长度;状况变量w(t)是掺杂比，u是掺杂迁移率。等式(2)积分运算得出w(t)公式：
将(3)代入(1)，获得忆阻值。
若RON≤ROFF，忆阻值可用下面等式表达：
运用参考文献[9]获得与上面等式相关的参数，运用Verilog-A言语开发一个忆阻器行为模型，经过电路仿真，运用下列参数验证该模型：RON = 200Ω, ROFF =200KΩ, u2= 10-10cm2S-1V-1, D = 10nm。只需体系在MЄ (RON , ROFF )鸿沟内，忆阻器就会表现出对称行为。当触达任何一个鸿沟时，忆阻器将会像线性电阻相同动作，将鸿沟电阻坚持到输入极性变反停止[9], [11]。图2所示是典型的忆阻特性曲线，忆阻器这些风趣行为一起构成忆阻器或各类忆阻性设备的基本特征[12]，图2a是施加电压及相应电流对时刻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，滞后呈现，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，咱们观察到，在前三个周期内，w(t)值逐步升高，这是在必定时刻内净电荷量累加的成果。在接连施加三个周期的极性相反的信号后，w(t)降至初始状况。总归，如图2a和2b所示，任何对称沟通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，关于偏压呈现的任何非对称，如图2c和2d所示，咱们观察到一个多环电流电压滞后，跟着电流升高，多环电流电压滞后愈加显着。
图2：电压驱动式忆阻器的行为仿真成果。在图a中，施加的对称输入电压(赤色)和相应电流(蓝色)是时刻的函数。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(赤色)和相应电流(绿色)是时刻的函数。图d对错对称输入电流-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), 其间w0 = 2ￗf0 = 2ￗu2/D2。
忆阻器初始电阻一般很大，施加极性相反的接连或脉冲电压可使电阻线性降至一个低电阻的谷底，如图3 [13], [14], [15]所示。施加极性相反的电压可使忆阻器康复初始高电阻，康复时刻一般比直接康复办法短许多[9]。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、电流起伏ip = 160uA的电流脉冲，以此能够向忆阻器写入数据。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。忆阻用具有脉冲式非线性编程功用，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，可完结光阻(L2R)编码。如图6的像素架构示意图所示。除其共同的非线性编程外，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。一切这些，结合其小标准和易完结性，使其成为一个最风趣的模仿信号处理运用元器材，不过，本文只评论怎么在紧凑的像素内运用忆阻器履行布景提取功用。
图3：在运用一系列不同占空比的编程频率wp=5w0、电流起伏ip = 160uA的电流脉冲给阻器编程时的忆阻-时刻改动速度
III. 作业原理
在评论传感器架构之前，需求描绘一下像素级自习惯布景提取算法[16]。咱们考虑成像传感器的一个像素给一个特定场景点编码的状况。该像素以帧速率fps收集光强，并将其转换成电压VS(nT)，其间T = 1/fps是像素传感器采样时刻，整数n 表明帧个数。在传感器作业过程中，像素收集的光强呈动态改动，改动速率取决于场景内运动类型或环境光的改动。经过监督信号动态改动和振幅，每个像素需求查看场景中是否产生潜在反常。为此，有必要从现有图画(Fi)提取布景(B)，然后比较终究差值与正确的阈值(TH)：
到达阈值的像素被标记为热像素，即在场景中检测到一个潜在的报警;未到达阈值的像素被识别为冷像素。考虑到布景易于改动，依据实践运用状况，选用杂乱程度不同的模型：
帧差：假定布景值等于曩昔图画值(B = Fi-1)。这是一个简略易懂的办法，不过不对错常牢靠。事实上，帧差对阈值(TH)、帧速率和物体速度十分灵敏：
简略移动均匀法：考虑到在若干个帧内的布景改动。这种办法需求n个帧缓冲器，可是占用十分多的存储容量和运算功用:
指数移动均匀法: 该办法需求一个无限脉冲响应滤波器，运用了指数下降加权系数(0 < a < 1)概念:
该办法的首要长处是，不需求添加存储器，经过改动学习速率值a，即可微调滤波器。
考虑到上述办法的硬件完结问题和稳健性，咱们运用指数移动均匀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布景模型。阈压界说了信号能够安全改动(冷像素)的电压规模，超越这个安全规模(高于最高阈压或低于最低阈压)，信号被视为反常(热像素)，或许会触发一次报警。
图4：在像素级履行布景动态提取算法
图4所示是布景提取算法的作业原理。该示例是一个单像素在20帧期间的作业状况。黑色曲线表明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鸿沟的两个阈压值的调集，在灰色区域内，信号能够自在改动，不会呈现任何报警。信号电压VS经低通滤波后生成信号，每个滤波器在两个时刻常量(tH < tL)之间开关操作，具体状况取决于下面条件：
其间，等式(10)和(12)别离表明Vmax和Vmin的热像素条件，而等式(11)和(13)则表明冷像素条件。两个阈值的行为界定了一个依据信号动态在一段时刻内改动的灰色区域，灰色区域代表VS未发现反常条件的运动的电压规模，例如，假如VS忽然从亮变暗，跳过灰色区域上鸿沟(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。
因而，当Vmax企图快速触达VS过程中，Vmin也在做相同的作业，只不过速度较慢。这儿，灰色区域快速变大。在若干个帧后，两个阈压约束VS，吸收悉数信号改动，这样不会再产生任何热像素。从此，灰色区域康复窄状和最大像素灵敏度。
图6：运用内部三个忆阻器履行动态布景提取的像素示意图
IV. 像素完结
能够用两个抱负的低通滤波器来完结等式(10)-(13)。如图5所示，LPF1完结等式(10)和(11)，LPF2完结等式(12)和(13)。假定抱负二极管D1-D4(无电压降)，且RL > RH, 每个模块完结两个不同的一阶阻容滤波器，TH = RHC，且TL = RLC, 其间RH >> RL。监督场景中的事情需求从几秒到几十秒的大规模时刻常数滤波器，这意味R和C应该别离是兆欧和微法量级的电阻器和电容器。每个模块(LPF1, LPF2)都有必要能够从一个时刻常数切换到另一个时刻常数，然后获得自习惯算法所需的行为特性。为获得一个高效的视觉传感器架构，这种双方峰值检测和滤波操作有必要在像素邻近的方位完结。为此，有些人提出定制CMOS传感器处理方案[17],[7],[18],运用开关电容器技能模仿每个像素里边的两个滤波器。不过，这种规划办法有以下两个缺陷：(a) 两个阈压值在模仿存储器内的保存时刻达不到运用的求;(b)充任模仿存储单元的电容器占用的芯片面积过大，影响像素距离变小。为处理这些首要问题，咱们评论能否用一个忆阻器替代滤波器的部分功用，发挥其非易失性存储和纳米级标准的优势。此外，经过数字脉冲(电压或电流)信号很简单操控忆阻器的电阻，依照图4的作业原理，咱们的像素处理方案依托三个忆阻器(MS, Mmax，Mmin)保存与信号VS成正比的电阻值和两个阈压Vmax和Vmin。像素处理方案的原理示意图如图6所示。光频转换器 (L2F)模块将留在像素上的光强转换成固定脉宽(△T)且频率与光生电流(Iph)成正比的数字脉冲，在像素复位过程中，MS电阻值置于最高值(MSL = ROFF ),等候L2F数字脉冲设置电阻值。
图7：像素在积分时刻(Ti)内的时序图，L2F将n个数字电流脉冲I1馈入MS，使忆阻器电阻在Roff至R(n)规模内改动
图8：与像素的四个不同状况有关(max,min)的忆阻器操控： LL，HL，LH，HH
图9：在每个更新脉冲 (PLS)后，经过忆阻器电阻值(Mmax, Mmin)表达两个阈压在每个像素状况(表I所列像素状况: S1, S2, S3, S4)的估计行为。S1、S2和S3是产生在传感器作业期间的典型状况，而S4则产生在传感器校准阶段，是专门生成的信号。
A. 曝光时刻
在曝光时刻(Ti)内, L2F转换器生成一串振幅I1、脉宽△T且频率与光强成正比的电流脉冲，送入MS，如图7所示。下面的等式经过状况变量w(t)描绘了MS的状况：
其间，RON是低电阻，D是忆阻器长度，uv是 掺杂迁移率，n是L2F在曝光时刻内生成的脉冲数量，在施加n个脉冲后，终究电阻值是：
B. 读出和热像素侦测
在曝光时刻后，比较MS与Mmax和Mmin值，因而，像素衔接位线(SEL=H)，向三个忆阻施加相同的偏置电流Ibias，使忆阻器电压施加到三个位线上(blS，blH, blL)。然后将blS与blH和blL电压别离比较，以检测潜在热像素条件。将SW1、SW2和SW3都设到方位”3”，因而，使共节点C短接Vref，向Mmax和Mmin施加偏置电流Ibias。最终，获得下面的电压降：
运用置于像素外部的两个时钟驱动的列级(HBLOCK)比较器完结热像素检测。表I列出了不同像素状况的数字输出信号。
C. 阈压更新
图8描绘了两个忆阻器(Mmax和Mmin)的操控与S1、S2、S3和S4四个像素状况的联系。为完结一个时刻常数TH短的滤波器，用信号PLS生成的△TP脉宽的电流脉冲IPH驱动忆阻，馈入HBLOCK。经过预算注入到器材的电荷qHOT = IH∙△TP和施加的脉冲数量”m”，设置滤波器的时刻常数。另一方面，考虑到冷像素条件，慢滤波器负责处理电荷qCOLD = IPL∙△TP，qCOLD < qHOT。 这意味，给忆阻器供给的电荷量相一起，在qCOLD状况下，忆阻改动不大。经过选用图8所示的电路装备，有时能够进行两个阈压的更新过程。假定像素状况是S3，向Mmax馈入qHOT = IH∙△TP , 一起向Mmin馈入qCOLD = (IH-Id) ∙△TP, Id = IH-IL。在这种状况下，两个阈压(Vmax和Vmin)都挨近电流信号VS，可是以不同的速度挨近(Vmax上升快，Vmin下降慢)。
V. 仿真成果
咱们运用MATLAB建立了自习惯布景提取算法模型并进行了仿真测验[7],[18]。如图6所示，咱们模仿了像素架构的四种不同状况，运用Cadence Spectre [19]经过电仿真再现了图9所描绘的预期行为。像素架构规划选用3.3V、0:35m CMOS制作工艺，依照[9]和[20]所列等式，运用Verilog-A模仿忆阻器行为，挑选宽忆阻规模(RON = 200Ω ,ROFF = 200KΩ)，以掩盖更大的动态规模。曝光时刻值不宜过大，以不会在高频光阻编码过程中导致Ms进入导通状况为准。
运用相同的仿真参数验证四个像素状况，仿真成果见图10。用L2F在10 ms曝光时刻(Ti)内生成的数字脉冲设置Ms。在忆阻重置到ROFF状况前，比较Ms的终究值与Mmax和 Mmin值。然后，依据像素条件，对Mmax和Mmin进行相应的调整。图10a是图8的像素状况S1的仿真成果。这儿，像素作业正常，如曲线所示，Mmax和Mmin坚持向Ms缓慢集合的趋势。咱们还注意到，热像素的二进制信号始终是低电平状况。
在像素的其它状况: 图8中的S2, S3，S4，仿真成果发现一个热像素，咱们观察到两种状况。一种是，热状况像素直接随正常像素条件改动，另一种状况是热状况像素(典型S4)将有必要变成另一个热像素条件(S2 或S3)，才干返回到正常条件(S1)。
A. 直接从热像素状况转到冷像素状况
像素状况S2和S3一般直接转到正常像素条件。从图10b不难看出，在S2状况中，Mmax和Mmin测验以不同的时刻常量挨近Ms，在这个过程中，Mmax升高速度比快Mmin许多，直到像素康复到正常作业条件停止。如图10c所示，当像素在S3状况时呈现回转，Mmin以比Mmax更快速度的下降挨近Ms。图10d是S4状况的仿真成果。在这种状况下，Mmax上升速率与Mmin下降速率相同，直到像素康复到正常条件停止。在一切状况下，改动速率是由所施加的电流脉冲振幅操控的。
B. 从一个热像素状况转到另一个热像素状况，然后转至冷像素
尽管S4是一个典型的禁用状况，是依据Mmax和Mmin两个阈值产生的热像素，可是一般产生在校准阶段体系上电过程中。在这种状况，传感器是相片拍照形式，算法测验将两个阈值快速集合到冷像素条件，一起像素成心设置为状况S4。这个阶段可需求几个帧，直到整个像素到达冷状况停止。在S4状况，热像素不视为潜在报警。在图10e中，上鸿沟Mmax鄙人鸿沟Mmin之前安稳，导致S4转至S2，再转至S1。图10f是这种状况的成果：Mmin在Mmax之前安稳; 咱们观察到，从S4进入S3，再进入S1。
图10：内置三个忆阻器履行动态布景提取的像素架构在图6所示LL, HL, LH, HH条件下的电仿真成果。图a, b, c, d别离是四个不同操控状况S1, S2, S3、S4的仿真，从热直接变冷。图e, f是操控状况S4仿真，从热直接变冷，还描绘了每个像素状况的热像素(HOT)二进制信号。赤色条状图表明与上阈压V max有关的反常事情(热像素检测)，上阈压V max由Mmax决议;而蓝色条状图代表下阈压V min有关的反常事情，下阈压V min由Mmin决议，详见图4给出的算法作业原理。
VI. 定论
本文论说了怎么有效地结合CMOS电子元器材运用忆阻器，完结一个高效散布式处理兼备存储功用的视觉传感器架构，履行稳健的实时图画处理。本文首要论说了被称作方针盯梢引擎的自习惯布景提取技能。忆阻用具有纳米级标准和非易失性，有望成为全新的嵌入式散布处理和存储功用兼备的并行计算机的抱负元器材。当芯片内部滤波器需求长时刻常数或片上存储器需求更长的数据保存时刻时，忆阻器的特性将具有更重要的含义。
