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適用於視訊編碼系統之基於最小可覺差視覺感知引擎之演算法及硬體架構設計

在現今的生活中，多媒體一直在人類的生活中扮演重要的腳色。 由於計算複雜度和傳輸帶寬的限制，高品質的視訊數據處理的改進成為一個重要的議題。最新的視頻壓縮標準，HEVC，提供了幾十到幾百個的壓縮倍率。 對於視訊壓縮而言，最終接收者還是人的眼睛。然而，傳統的壓縮標準僅利用峰信號 - 噪聲比（PSNR）作為用於壓縮的視頻品質參考指數。 PSNR指標不考慮人類視覺系統（HVS）的特性。視頻串流的分配通常沒有對人眼的感知進行優化。如何在有限的頻寬內，根據不同的內容、有效地分配串流的壓縮效率成為了重要的議題。以比特，諸如利用更多的位元來壓縮重要的區域以及相對較少的位元分配給不重要的區域，如此一來便可有效降低儲存所需的位元數。換句話說，對於同樣的位元率下，能夠提供更好的視覺分數。其中最重要的概念就是考慮人類視覺系統的特性。許多研究工作一直致力於為模擬人類視覺系統的特性。相關的模型已依不同方式整合到視頻編碼架構。其中，由於近年來顯著的效益，利用最小可覺差（JND）模型改進編碼效率的研究最為研究者所討論。但是，常見的傳統視覺模型引擎的視頻編碼只有一些整合不同研究的算法，該算法忽略了不同HVS技術之間的相互影響。在這篇論文中，我們將討論各個模型之間的關係，並提出了新的最小可覺差模型改良的視頻編解碼器。為了滿足在視頻編碼系統中的即時要求，我們也提出了一種低硬體複雜度的人類視覺系統感知引擎硬體。相較於原本的壓縮標準，我們引擎的硬體額外成本可以忽略不計。 本文的主要目的是探討各相關技術之間的關係，並進一步提出了一個新的最小可覺差模型設計的視頻編解碼器。感知評價引擎必須分析當前視頻幀中的數據區域的內容來決定如何進行位元分配。我們提出了一種新的最小可覺差（JND）模型，其中考量了視覺注意模型、敏感度模型和量化失真並同時計算出各編碼單元(CU)中所含內容在人眼的重要性。利用HEVC當作原始的壓縮衡量指標，我們進一步開發出適合硬體實現的演算法和系統結構。考量系統的頻寬，我們採用的編碼運算單元(CU)作為我們的基本處理單元。為了確保我們的感知模型的相容性，我們採用[1]作為我們的基礎平台。 我們提出的演算法藉由改變個區塊的量化參數，使得各區塊得到較好的位元分配。該演算法實現了平均約14％的位元比率降低在27-37 QP範圍內，並且無感知上的視覺質量下降。而於硬體方面，該引擎使用TSMC40nm技術設計的，其尺寸為約0.1平方毫米，功率消耗是7.39mW，其硬體額外成本與[1]比約為1％兼容。

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分散式視訊編碼器之設計與實現

分散式視訊編碼是一個有別於傳統視訊架構的視訊編碼，他的特色是低運算複雜度的編碼器，然而存在著兩個不同的問題。因此為了處理這兩個問題，我們分別提出不同的方法去解決。第一個問題為分散式視訊編碼採用低功耗及低成本的編碼器，但是無法在適用的情境下利用軟體解達到即時編碼的速度。因此我們實作一個混合型分散式視訊編碼的編碼器晶片，並且能達到每秒編碼30幀1080p的影像。另外一個問題是編解碼時間的極度不平衡，因此低複雜度的移動評估被加入演算法中來解決這個問題。解碼時間平均上可以減為原來的一半，使得編解碼的時間可以更加平衡，而且碼率-失真曲線可以得到提升。

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超薄型紋理結構HIT太陽能電池模擬與效率最佳化

本論文中，介紹以雙面紋理結構為主的HIT太陽能電池。一開始先介紹關於HIT太陽能電池的發展現況，以及所使用的模擬軟體。然後介紹HIT需要用到的紋理結構。接著模擬紋理結構中角度的特性，再將紋理結構搭配3層HIT和5層HIT，分別在不同厚度之下，模擬出在單面紋理結構中，效率、填充因子、短路電流密度和開路電壓各種電性，將兩組電性參數做比較。 為了找出最佳化的條件，接下來探討在HIT太陽能電池中，本質層、p層、n層及基材在不同的厚度下，與不同的參雜濃度下的各種參數表現，解釋其物理意義，並比較3層和5層HIT之間的效率表現。接著模擬不同的生命週期帶來什麼不同的影響。為了提高效率，再將單面紋理結構改成雙面紋理結構，模擬各種參數。由於單晶矽厚度越薄，效率越高，所以透過模擬找出最薄且效率最高的厚度之後，再比較薄與厚之間的差異。再將所有最佳化條件都加入，模擬出效率最高的超薄雙面紋理結構HIT太陽能電池。

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多輸入熱電能量獵取系統

本論文提出一個具有多重輸入的熱電能量獵取系統以降低所需的硬體複雜度並使其達到較高時間使用效率，此系統架構實現於 0.18-μm CMOS 製程。搭配所建議具有高時間效率且以責任週期為根基的最大功率擷取策略，其阻抗調整範圍可從5 Ω 到10 Ω。由於結合電感器共享機制與雙向轉換器兩種技巧，能量擷取電路與調節電路可以整合成單一級電路，而且並不犧牲功率轉換效率與功率輸出力。其峰值轉換效率達到58.5%，而在儲存電容充飽電荷的情形下，最大的輸出功率值可高達32.4mW。

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使用時間模態三角積分調變器的電容式感測器介面電路

此論文中闡述了電容式感測器介面電路的設計與實作。實作出來的電路於一般取樣頻率下能達到費法拉等級的解析度，能用在量測受到形變的感測器的電容值變化量。由於待測物電容值與輸出的數位碼呈線性的對應關係，在計算未知電容值時可以利用簡單的內插法得到。透過使用台積電標準0.18微米互補式金氧半導體製程，一共有兩個介面電路實作出來並且藉由量測得到功能的驗證。首先，我們先介紹時間模態來做為製程間可攜式的解決方法。三角積分調變器則用來達成高解析度以及輸入與輸出的線性關係。此電路為了避免使用傳統的類比組成區塊，因此只包含了充電泵及時間模態的三角積分調變器。接著，我們採用一個二位元的架構以及額外的省電技巧藉以達到與先前相同的解析度表現但同時間降低了一半的功耗。由於晶片的輸出形式為數位，因此資料可以很簡易的由邏輯分析儀進行蒐集，接著在電腦上利用MATLAB軟體進行後續處理。兩顆晶片的面積皆為0.68*0.68平方毫米。工作電壓操作在1.2伏特的情況下，晶片的功耗分別為817微瓦及360微瓦，有效位元數(ENOB)分別為8.8及9.07，而品質因數(FoM)分別為114.5皮焦耳和41.7皮焦耳。

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使用分時多工時間數位轉換器具量化雜訊消除技巧操作於三十六億赫茲之小數型全數位鎖相迴路

本篇論文實現了一個具量化雜訊消除功能的全數位小數型鎖相迴路。本鎖相迴路操作在三十六億赫茲，使用了分時多工時間數位轉換器以偵測量化雜訊消除增益。利用量化雜訊消除技巧，可以將三角積分調變器所產生的量化雜訊消除。在傳統做法上，需要利用一增益校正迴路以校正消除增益，鎖相迴路的鎖定時間會因此增加。利用所提出之分時多工時間數位轉換器，消除增益可被快速且精確的計算出來，且不會影響鎖定時間。 此量化雜訊消除技巧實現於一個36億赫茲頻帶的全數位鎖相迴路。使用台積電90奈米製程，整個系統操作於1.2 V，共花費8.16 mA電流，核心電路面積為0.329 mm2。在三十六億赫茲下，所量測到的參考突波為 -45 dBc。相位雜訊於10 MHz 頻率偏移下從 -99 dBc/Hz 改善為-123 dBc/Hz，有23dB的改善。由10 kHz積分到40 MHz的均方根抖動從10.88 ps改善為4.605 ps。量測到的全數位鎖相迴路的鎖定時間為6 μs。

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考慮串擾之變異感知精確波形錯誤模擬

波形精確的錯誤模擬器對先進製程是關鍵的。本論文提出了變異感知波形精確的錯誤模擬。在我們的模擬器中，訊號波形由位元序列表示。以位元邏輯運算來執行邏輯閘計值，可以同時處理訊號的所有轉態。執行蒙特卡羅模擬作為製程變異的模型。提出的模擬器展示在串擾錯誤上。與傳統的事件驅動模擬器相比，我們的模擬器記憶所有訊號的波形，使串擾錯誤模擬可以快速的被實現。我們的模擬器的串擾錯誤激活比率比浮動模式延遲模型高百分之十八。由於製程變異，錯誤模擬的結果是統計的錯誤涵蓋率分部，而不是一個確定的值。

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光場影像多基準線視差計算分析與架構設計

隨著科技的日新月異，光場相機已逐漸取代傳統相機，而各種光場應用中，深度資訊扮演了極為重要的角色。相較於傳統平面影像，還原擁有視差的影像能提供較高品質的深度資訊，立體場景較能完整呈現，可帶給人們更深的立體感受。即使近年來演算法的迅速發展，目前高水準的視差算演算法仍然無法符合即時影像生成的需求。產生即時且準確的視差深度圖已成為現今研究中的一項挑戰。 視差計算可被定義為在二維度馬可夫隨機場的一種能量最小化問題。在多種整體最佳化的方法中，信賴傳遞演算法提供了高品質的結果並且有很多的好處於硬體實作上，有著很高的潛力達到即時影像處理的需求。信賴傳遞演算法主要是考量每一節點與鄰近節點的相互關係，配合節點本身可能的機率分布，決定最佳的深度資訊。再利用節點之間的訊息傳遞，達成最後收斂的效果，找出一組最佳的深度資訊，進行深度修補步驟。然而，由於迭代的程序，信賴傳遞演算法需要很高的頻寬、記憶體以及運算成本。方格信賴傳遞演算法大幅節省記憶體的使用量，並能保有訊息交換的資訊。 本論文首先探討多元光場組態下使用多基準線視差估計演算法計算所得之中央視差深度資訊，針對不同視圖數量以及視圖組態分析資料計算時間及視差深度表現。接著討論現行信賴傳遞演算法在硬體實作上遭遇的問題，由於圖片解析度的提高，深度精細度也隨之必須提高，造成了原始訊息更新方式在硬體實作上造成面積極大的困擾，而軟體上高效率的演算法因為訊息之間的相依性，使之於硬體實作時無法達到即時更新的需求。先期曾經提出之快速訊息更新方式，雖然能夠提供高解析度之視差計算結果，但因做了簡單的假設使得品質有部分犧牲，在視圖數量較少的狀況下品質落差更為嚴重。 本論文並針對複雜度的簡化提出了硬體上有效率的訊息計算方式，能在高精細度且不犧牲任何品質的狀況下，大量降低運算複雜度，保有效能，並能在硬體架構上實行。最後，在方格信賴傳遞演算法為基礎的架構下，提出了新的訊息更新處理單元，節省了極大部分信賴傳遞演算法硬體架構面積。

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透過平衡態生化反應之多項式取值

使用生化分子作運算是合成生物學這門領域主要目標之一，如果將生化系統以化學反應層級做分析，便可知組合適當化學反應擁有實作出計算的潛力。在此我們將討論的是從合成的角度做算術運算，並特別想討論算術運算中基本的多項式運算。本篇論文提供兩種實作出多項式的方法，第一個是整數取值之多項式，此方法將一個成法器重複使用，並在時間軸上做分工，來達成多次乘法和加法運算組成之多項式。在這個架構下的化學反應，可類比於電腦中擁有確切順序和執行時間的指令。第二個方法是實數取值多項式，此多項式取值是利用控制化學反應平衡態濃度來達成，控制方法便是組合適當的生成反應和降解反應。兩種方法都經過電腦模擬一些範例來驗證正確性，在論文中將第二種方法的多項式運用到型態形成，有相當理想的成果。未來希望可以在我們的模型中套用上更多生物因子，並於活體細胞中實做出來。

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自組裝波浪型結構應用於可調變光學濾波器及奈米投影曝光製作週期性金屬/介電材料孔洞陣列

本論文主要研究在聚二甲基矽氧烷(PDMS)基板製作出週期性的銀金屬波浪結構，且波浪結構的週期可以藉由沉積的銀金屬厚度來控制。這樣彈性伸縮的金屬光柵激發了銀/空氣的表面電漿模態，我們可以藉由外加應力的拉伸進而改變此共振波長達到3.5%，實驗證實這樣的可調變光學濾波元件的確有發展的可能性。 此外，我們提出一個創新的奈米投影曝光顯影技術來製造表面電漿奈米柵欄。因為可藉由減小上層透光薄膜層的厚度而使PDMS基板的週期性波浪結構縮小至奈米尺度，這種自組裝形成波浪型結構的彈性PDMS基板可以作為干涉模板，並由製成時施加的應變來決定波浪型結構的週期及振幅。此技術可製造出所需的尺寸大小及操作波長的表面電漿柵欄耦合器，並能藉由可改變週期的干涉模板來快速製作大面積的表面電漿奈米柵欄。 最後利用奈米投影曝光顯影技術在玻璃基板上製造大面積週期性金屬/介電材料的長方形孔洞陣列，並量測垂直方向入射光在穿透不同比例長方形矩陣銀薄膜孔洞的穿透情形，顯示出隨著長寬比的增加會使得共振峰值朝向長波長移動，以及使得共振峰值變寬。