海淀實(shí)驗(yàn)中學(xué) 許宇晗

基于記憶電阻實(shí)現(xiàn)的光圈自適應(yīng)反射弧結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

海淀實(shí)驗(yàn)中學(xué) 許宇晗

本文為了解決室內(nèi)攝像頭在黑暗環(huán)境中遭遇光照會出現(xiàn)曝光過度，拍攝畫面出現(xiàn)空白這一問題，設(shè)計(jì)了基于記憶電阻實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)反射弧結(jié)構(gòu)，通過聲音識別傳感器來處理聲音，然后把經(jīng)過處理的信號通過STDP算法進(jìn)行學(xué)習(xí)分析，最終輸出電信號來調(diào)整攝像頭的光圈大小，從而在一定程度上解決了拍攝光圈調(diào)整滯后的問題，增加了畫面的穩(wěn)定程度，減小了對于攝像頭的耗損程度。

記憶電阻；神經(jīng)元；反射弧；電路設(shè)計(jì)；STDP

1.引言

隨著安保設(shè)備普及度的提高，室內(nèi)攝像頭這項(xiàng)安全保障工具越來越普及?？僧?dāng)黑暗中的攝像頭在外部人員打開倉門猛然遭遇強(qiáng)光時(shí)，會出現(xiàn)一段實(shí)現(xiàn)的拍攝畫面空白，對于攝像頭感光元件造成了很大的耗損，同時(shí)，也給了犯罪分子可趁之機(jī)。最近科學(xué)家們剛發(fā)現(xiàn)的記憶電阻所具有的人工智能潛力恰好就能幫助解決這一問題。同時(shí)，再利用反射弧結(jié)構(gòu)模型和聲音傳感器、光線傳感器等傳感器和光圈電機(jī)等驅(qū)動設(shè)備的技術(shù)支持，我們設(shè)計(jì)了光圈自適應(yīng)反射弧這一模型。

2.記憶電阻的性質(zhì)

1)記憶電阻的同電感電路相似，也存在電流相對于電壓相位的滯后性，我們從記憶電阻的李薩如圖中可以看出圖像的形狀非常類似于磁滯回線。

2)記憶電阻的電流方向和阻值存在著這樣的關(guān)系：在記憶電阻上通正向電流→流經(jīng)記憶電阻的正向電荷↑→記憶電阻的阻值↓；反之，記憶電阻的阻值↑。所以當(dāng)流經(jīng)記憶電阻的電流由正變負(fù)時(shí)，其阻值為最小值，為導(dǎo)通狀態(tài)；反之，其阻值最大，為截止?fàn)顟B(tài)。

3)記憶電阻的電流電壓曲線圍成的面積與其通入的信號的頻率有關(guān)，通入的頻率越高時(shí)，電流電壓曲線的面積越小，滯回曲線越趨近于線性。

4）在通過記憶電阻的flux較大時(shí)，記憶電阻的仿真曲線為非線性曲線；通量較小時(shí)，近似為線性。其上每一點(diǎn)相對于原點(diǎn)連線的斜率即為記憶電阻的阻值M。

3.神經(jīng)元結(jié)構(gòu)簡介

（1）神經(jīng)元

神經(jīng)元屬于神經(jīng)細(xì)胞，由細(xì)胞體與突起組成。突起分為軸突和樹突。

細(xì)胞體是代謝和營養(yǎng)中心，即細(xì)胞核存在的地方。神經(jīng)元的功能就是接受刺激、產(chǎn)生興奮、傳導(dǎo)興奮。（2）突觸

興奮在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)是以神經(jīng)沖動的形式來傳導(dǎo)電信號，通過改變膜內(nèi)外鉀離子、鈉離子濃度來改變電位差，雙向傳導(dǎo)、不衰減。該神經(jīng)元的膜內(nèi)外電位從靜息電位的內(nèi)負(fù)外正變?yōu)閯幼麟娢粌?nèi)正外負(fù)，則傳導(dǎo)興奮，稱為去極化；若電位依然為內(nèi)負(fù)外正，且電位差升高，則傳導(dǎo)抑制，稱為超極化。其中，靜息電位的形成是通過鉀離子的外流，動作電位的形成是通過鈉離子的內(nèi)流，跨膜運(yùn)輸方式均為協(xié)助擴(kuò)散。

而在神經(jīng)元之間，興奮通過突觸這一結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)從電信號到化學(xué)信號再到電信號的傳遞。

突觸分為突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜。

突觸前膜的神經(jīng)元興奮，把興奮傳導(dǎo)至突觸小體，位于突觸小體的突觸小泡在突觸前膜依據(jù)細(xì)胞膜的流動性釋放出神經(jīng)遞質(zhì)，在突觸間隙中實(shí)現(xiàn)化學(xué)信號的轉(zhuǎn)變。神經(jīng)遞質(zhì)作用于突觸后膜的受體上，把信號傳導(dǎo)至突觸后膜的神經(jīng)元上。

其中，神經(jīng)遞質(zhì)分為興奮類（乙酰膽堿）和抑制類（γ-氨基丁酸）。也就是說，對于突觸后膜的神經(jīng)元或興奮或抑制。這一過程，線粒體參與功能，單向傳遞、存在突觸延擱。興奮一般惠氏肌肉收縮、腺體分泌。

4.聲音識別傳感器

（1）聲音識別系統(tǒng)原理

聲音識別的關(guān)鍵主要在傳感器，其設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分，一個(gè)部分是軟件部分，另一個(gè)部分是硬件部分，硬件部分原理是采用一個(gè)電容似的駐極體話筒，當(dāng)有不同頻率的振幅和聲波傳入話筒時(shí)，會導(dǎo)致話筒內(nèi)電容間距d的變化，電容的變化會產(chǎn)生電壓信號，電壓信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換之后，就可以獲得數(shù)字信號，進(jìn)而進(jìn)入軟件模塊進(jìn)行進(jìn)一步的分析。當(dāng)我們提取完語音特征之后，我們會按照特定算法要求，同參考模式進(jìn)行匹配進(jìn)行進(jìn)一步的分析。目前比較多的模型匹配技術(shù)有HMM、、ANN和DTW等，我們經(jīng)過進(jìn)一步的選擇， 最終決定選用DTW算法為原型，通過編程來實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。聲音識別傳感器設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，其中軟件設(shè)計(jì)部分的核心是聲音識別算法實(shí)現(xiàn)。聲音識別算法包括前端處理和后端匹配兩個(gè)部分，前端處理包括預(yù)處理和特征提取，常用的特征包括短時(shí)均值能量、短時(shí)均值過零率、預(yù)測系數(shù)、倒譜、共振峰等。這些特征參數(shù)按照時(shí)間序列構(gòu)成待測數(shù)據(jù)集，然后按照特定算法要求通參考模式進(jìn)行匹配得到結(jié)果。目前比較多的模型匹配技術(shù)有DTW、HMM和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等，本文以DTW算法為原型基礎(chǔ)編程實(shí)現(xiàn)。

（2）軟件編程與實(shí)現(xiàn)

我們的語音識別傳感器編程主要包括三部分：語音采集、訓(xùn)練和識別。

第一步：語音采集。采集外接的語音，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的聲音壓縮文件，

第二部：聲音訓(xùn)練。對錄入的語音進(jìn)行預(yù)處理和Mel倒譜系數(shù)提取，得到相應(yīng)的語音模塊并保存到指定的文件中；

第三步：語音識別：對待測語音進(jìn)行預(yù)處理和Mel倒譜系數(shù)提取，然后與保存的模板進(jìn)行匹配，得到識別結(jié)果的相似度，進(jìn)而得出最后的決策。①

5.基于STDP算法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)反射弧的功能

（1）STDP概述

STDP是Spike-Timing-Dependent-Plasticity的簡稱,可譯作脈沖時(shí)間依賴的可塑性。這種學(xué)習(xí)機(jī)制最初是從機(jī)器學(xué)習(xí)算法提出，被用于機(jī)器智能及神經(jīng)科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域。STDP在十多年的發(fā)展過程中，其生物和生理基礎(chǔ)的合理性都得到了充分的正式。事實(shí)上，STDP這種學(xué)習(xí)機(jī)制中，生物學(xué)上的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制與和記憶電阻的工作機(jī)制非常地相似，如果將記憶電阻通過STDP與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)，那么我們可以得到一種全新的，自適應(yīng)的學(xué)習(xí)機(jī)器。②

（2）反射弧

反射是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的參與下，動物體或人體對內(nèi)外環(huán)境變化作出的規(guī)律性應(yīng)答。所以反射是神經(jīng)調(diào)節(jié)的基本方式，而完成反射活動的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)就是反射弧。

（3）模型

由巴普洛夫的實(shí)驗(yàn)，我們設(shè)計(jì)了這樣的模型（如圖1所示）：