AM：用于惡劣照明條件下高效機(jī)器視覺(jué)的雙自適應(yīng)異質(zhì)結(jié)突觸晶體管

背景介紹

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)由圖像獲取，預(yù)處理和分析模塊組成，這些模塊打算像人類視覺(jué)系統(tǒng)一樣執(zhí)行檢測(cè)，處理和識(shí)別功能，已成為各種智能場(chǎng)景的最重要方面之一，包括無(wú)人駕駛汽車，機(jī)器人技術(shù)和工業(yè)制造等。在獲取圖像數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)際場(chǎng)景中的嚴(yán)酷環(huán)境不確定性（例如不均勻的照明和不穩(wěn)定的視圖場(chǎng)）可能會(huì)導(dǎo)致捕獲的圖像包含非理想因素。為了降低硬件的復(fù)雜性并提高圖像識(shí)別效率，需要精確的原位置增強(qiáng)和對(duì)非結(jié)構(gòu)化信息的過(guò)濾，而不是引入額外的輔助照明。在這方面 - 傳感器處理可能提供機(jī)會(huì)。但是，由于光伏效應(yīng)或光電導(dǎo)電效應(yīng)通常會(huì)發(fā)生，并有助于在光條件下（即陽(yáng)性光電導(dǎo)率）增加通道電流，仍然需要仔細(xì)的光晶體管設(shè)備設(shè)計(jì)來(lái)追求光晶體管設(shè)備負(fù)光電導(dǎo)率（NPC），這對(duì)于人工視力適應(yīng)至關(guān)重要。

在獲取圖像日期后，在以下階段，深度學(xué)習(xí)算法（例如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN））為高準(zhǔn)確性識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。然而，基礎(chǔ)硬件仍然保持靜態(tài)且不那么復(fù)雜，從而導(dǎo)致耗時(shí)的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)過(guò)程，尤其是向后流動(dòng)過(guò)程鑒于這一點(diǎn)，具有二階適應(yīng)性的設(shè)備有望成為具有高能量效率和環(huán)境魯棒性的內(nèi)存計(jì)算的突破。在這方面，作為歷史活動(dòng)可以改變當(dāng)前的突觸可塑性的神經(jīng)穩(wěn)態(tài)機(jī)制之一，啟發(fā)了有效的訓(xùn)練和識(shí)別。在轉(zhuǎn)移性中，可以通過(guò)刺激調(diào)節(jié)長(zhǎng)期增強(qiáng)（LTP）和長(zhǎng)期抑郁（LTD），并且LTP和LTD之間的過(guò)渡閾值（θ+）通過(guò)先前的刺激（閾值滑動(dòng)），確定此外，抑制程度（增強(qiáng)的抑郁效應(yīng)，EDE）也取決于先前和刺激后。這種依賴歷史的體重變化現(xiàn)象使生物體能夠根據(jù)經(jīng)驗(yàn)適應(yīng)學(xué)習(xí)率，從而提高了學(xué)習(xí)效率。用于實(shí)施設(shè)備，以前的報(bào)告著重于頻率依賴性的跨塑性模型，稱為Bienenstock, Cooper和Munro（BCM）規(guī)則。

此外，面對(duì)具有低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和豐富功能性的下一代電子設(shè)備的要求，可以按需電氣/光學(xué)重新配置以采用特定功能的多功能設(shè)備，是解決復(fù)雜任務(wù)的適應(yīng)性計(jì)算的有希望的硬件平臺(tái)。此外，將多個(gè)功能集成到一個(gè)設(shè)備中具有集成成本和規(guī)模的優(yōu)勢(shì)，并且可以簡(jiǎn)化外部電路并減少由不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸引起的延遲時(shí)間。因此，在惡劣的照明條件下，高度希望使用可以簡(jiǎn)化硬件復(fù)雜性的光自適應(yīng)和二階自適應(yīng)函數(shù)的雙自動(dòng)光電設(shè)備開(kāi)發(fā)，可以簡(jiǎn)化硬件復(fù)雜性。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作報(bào)告了一個(gè)雙重適應(yīng)性的有機(jī)異質(zhì)結(jié)晶體管作為系統(tǒng)中的工作單元，該單元促進(jìn)了精確的對(duì)比度增強(qiáng)，并在惡劣的照明條件下提高了收斂速度。

2. 通過(guò)在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中利用晶體管陣列，可以在0.4％的低對(duì)比度圖像中突出顯示細(xì)節(jié)和邊緣，并且還可以實(shí)現(xiàn)93.8％的高識(shí)別精度，并顯著促進(jìn)收斂率約5次。

圖文解析

圖1. 基于有機(jī)異質(zhì)結(jié)晶體管的提議機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的示意圖。a）系統(tǒng)集成了圖像預(yù)處理和識(shí)別功能。b）光自適應(yīng)閾值滑動(dòng)的示意圖，c）二階自適應(yīng)跨性質(zhì)，d）有機(jī)異質(zhì)結(jié)晶體管的設(shè)備結(jié)構(gòu)。

圖2. 有機(jī)異晶晶體管的表征。a）PTCDI-C13和五烯/PTCDI-C13界面樣品的表面形態(tài)。b）用PTCDI-C13和PTCDI-C13和五烯/PTCDI-C13界面（光強(qiáng)度：1 MW CM-2），樣品中樣品的相應(yīng)表面電勢(shì)和代表性的表面電勢(shì)圖。比例尺，5 μm。c）五苯/PTCDI-C13系統(tǒng)的UPS光譜。d）轉(zhuǎn)移曲線和e）設(shè)備負(fù)區(qū)域的輸出曲線。

圖3. 有機(jī)異質(zhì)結(jié)晶體管的突觸可塑性。a）具有負(fù)柵極脈沖的不同刺激的設(shè)備的傳遞曲線。b）具有不同VGS振幅的設(shè)備的PSC。c）計(jì)算出的?PSC是負(fù)柵極脈沖的函數(shù)。d）設(shè)備不同電流水平的保留屬性。E）設(shè)備的LTP/LTD曲線。f）在不同負(fù)VR處設(shè)備的VTR和Vθ +。計(jì)算出的?PSC作為g）正柵極脈沖的函數(shù)和h）VG的峰值持續(xù)時(shí)間。i）具有不同VDS振幅的設(shè)備的PSC。

圖4. 有機(jī)異質(zhì)結(jié)晶體管中的光響應(yīng)和化生性。a）五苯，PTCDI-C13的薄膜的吸收光譜及其異質(zhì)結(jié)。b）在不同的照明強(qiáng)度下，設(shè)備的傳輸曲線。c）設(shè)備的PSC是由不同的照明強(qiáng)度觸發(fā)的。d）在不同的照明強(qiáng)度下滑動(dòng)的照片自適應(yīng)閾值滑動(dòng)。e）設(shè)備的歷史依賴性突觸可塑性（VDS = -3 V，VR = 0 V，TD = 1 s）。h）在有機(jī)異質(zhì)結(jié)晶體管中實(shí)現(xiàn)的跨塑性。

圖5. 用于圖像預(yù)處理和識(shí)別的有機(jī)異質(zhì)結(jié)晶體管。a）對(duì)比度增強(qiáng)，特征提取和低對(duì)比度圖像的對(duì)比度增強(qiáng)，特征提取和分類的預(yù)處理和圖像識(shí)別過(guò)程的示意圖。我們實(shí)驗(yàn)室“一個(gè)實(shí)驗(yàn)室”的徽標(biāo)圖像b）原始圖像，c）具有不均光與低合同的非理想圖像以及d）有機(jī)異質(zhì)結(jié)晶體管處理的圖像。e）具有不同架構(gòu)的CNN的識(shí)別精度。MNIST數(shù)據(jù)集的5個(gè)時(shí)期的混淆矩陣（準(zhǔn)確性：40.1％）和g）me-lenet-5（準(zhǔn)確性：86.9％）。h）CNN具有不同體系結(jié)構(gòu)的損耗函數(shù)。.I）ME-LENET-5的識(shí)別準(zhǔn)確性對(duì)于具有和不進(jìn)行預(yù)處理的低對(duì)比度數(shù)據(jù)集的識(shí)別精度。J）在100個(gè)時(shí)期的混淆矩陣（準(zhǔn)確性：93.8％）和K）對(duì)預(yù)處理的低對(duì)比度數(shù)據(jù)集的Melenet-5回憶。