Design and Simulation of Array Cells of Mixed Sensor Processors for Intensity Transformation and Analog-Digital Coding in Machine Vision

Abstract

У розділі показано нагальну потребу створення відеосенсорів і процесорів для паралельного (одночасного по пікселях) оброблення зображень з розширеною функціональністю та багатоканальними виходами зображень. Розглянуто перспективні сфери та галузі застосування таких сенсорних процесорів, зокрема для апаратних високопродуктивних архітектур нейронних мереж, згорткових нейронних структур, паралельних матрично-матричних помножувачів і спеціальних процесорних систем. Показано та проаналізовано теоретичні основи, математичний апарат матричної й неперервної логіки та їхні базові операції, показано їхню функціональну повноту, а також оцінено їхні переваги та перспективи застосування в проєктуванні біологічно натхненних пристроїв і систем для оброблення та аналізу масивів сигналів. Показано, що деякі функції неперервної логіки, зокрема операції нормалізованої еквівалентності векторних і матричних сигналів, операція обмеженої різниці неперервної логіки, є потужною основою для проєктування вдосконалених інтелектуальних мікрокомірок для аналогових перетворень і аналого-цифрових кодувань. У наступних розділах глави детальніше розглянуто аспекти проєктування та моделювання таких мікробазових комірок і побудованих на їх основі неперервно-логічних швидкодійних АЦП. АЦП зображувального типу складається з матриці паралельно працюючих каналів, кожен з яких є базовою мікрокоміркою або їх набором. Базова мікрокомірка 2D-структури АЦП складається з кількох цифро-аналогових комірок (ЦК), виконаних на 15–35 КМОН-транзисторах. Для АЦП ітераційного типу потрібна лише одна комірка ЦК, а саме ЦК-(G), і вона додатково містить пристрій вибірки та зберігання (ПВЗ).The urgent need to create video sensors and processors for parallel (simultaneous by pixel) image processing with advanced functionality and multichannel picture outputs is shown in the chapter. We consider perspective spheres and areas of application of such sensor processors, in particular, for hardware high-performance architectures of neural networks, convolutional neural structures, parallel matrix-matrix multipliers, and special processor systems. We show and analyze the theoretical foundations, the mathematical apparatus of the matrix and continuous logic, and their basic operations, show their functional completeness, and evaluate their advantages and prospects for application in the design of biologically inspired devices and systems for processing and analysis of array signals. We show that some functions of continuous logic, including operations of normalized equivalence of vector and matrix signals, the operation of a limited difference in continuous logic, are a powerful basis for designing improved smart microcells for analog transformations and analog-digital encodings. In the next sections of the chapter, we consider in more detail the design and modeling aspects of such micro-basic cells and continuously logical high-speed ADCs based on them. The picture-type ADC consists of an array of parallel operating channels, each of which is a basic microcell or a set of them. The basic microcell of a 2D ADC structure consists of several digital-analog cells (DC), which is made on 15–35 CMOS transistors. For an iterative type ADC, only one DC cell is needed, which is DC-(G), and it additionally contains a sample and hold device (SHD).