張樂(lè)平

（懷寧縣委黨校組織教學(xué)科，安徽安慶246121）

憶阻圖像處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

張樂(lè)平

（懷寧縣委黨校組織教學(xué)科，安徽安慶246121）

針對(duì)目前圖像處理器處理效率低的問(wèn)題，提出了憶阻器圖像處理器結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析.首先，分析了目前的圖像處理算法，在此基礎(chǔ)之上總結(jié)出了適合于憶阻器的圖像基本操作；其次介紹了憶阻器的模型，在此基礎(chǔ)之上提出了憶阻器圖像處理器的Bank結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)分析；最后分析了憶阻器圖像處理器的讀寫操作.

憶阻器；圖像處理；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)分析

0 引言

圖像信息是人類獲取外界信息的重要手段，對(duì)于社會(huì)生產(chǎn)和人們的日常生活有著重要的作用.在人工智能、機(jī)器人等技術(shù)快速發(fā)展的背景下，圖像處理技術(shù)日益重要，并且已廣泛地應(yīng)用在工礦生產(chǎn)、軍事醫(yī)療等領(lǐng)域，而且取得了不錯(cuò)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[1].圖像處理是訪存密集的應(yīng)用，隨著應(yīng)用領(lǐng)域?qū)D像處理技術(shù)與處理性能的要求不斷提高，目前的圖像處理器不能很好地滿足要求，主要問(wèn)題是存儲(chǔ)延遲造成圖像處理效率低，這個(gè)問(wèn)題的主要原因是存儲(chǔ)速度提高緩慢[2].為了解決這個(gè)問(wèn)題，發(fā)展了多核處理器以及加入GPU等技術(shù)[3]，但是仍然不能從根本上解決問(wèn)題.

近年來(lái)憶阻器的研究逐漸火熱，憶阻器原件是近年新發(fā)展起來(lái)的新型器件.憶阻器的主要特點(diǎn)是具有融合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)計(jì)算的能力，以及具有存儲(chǔ)密度高、非易性等特點(diǎn)，這些優(yōu)異特點(diǎn)使得憶阻器可以成為解決目前圖像處理瓶頸的新希望.

目前針對(duì)憶阻器的研究主要集中在結(jié)構(gòu)方面，學(xué)術(shù)界對(duì)于其在圖像處理方面的應(yīng)用涉及較少.文獻(xiàn)[4]主要介紹了憶阻器的交叉桿陣列的讀寫和存取，并設(shè)計(jì)了不同的圖像處理方案，實(shí)現(xiàn)了彩色圖像的存儲(chǔ).文獻(xiàn)[5]利用混沌電路實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的加解密，其混度電路是基于憶阻器來(lái)設(shè)計(jì)的.文獻(xiàn)[6]實(shí)現(xiàn)了在保持圖像平滑的同時(shí)也保持住了圖像的邊緣信息，其利用的是憶阻器可以記憶流經(jīng)其電荷的特性.筆者根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，提出了以圖像處理運(yùn)算與存儲(chǔ)融合結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)思想的憶阻器圖像處理結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析.

1 圖像處理基本操作及性能分析

圖像處理是利用算法對(duì)圖像實(shí)現(xiàn)特定的操作，圖像處理的算法眾多，但是對(duì)于圖像的基本操作是一致的，本節(jié)將重點(diǎn)分析目前圖像處理的基本操作及其性能，在此基礎(chǔ)之上，總結(jié)出適合憶阻器圖像處理器的算法.

1.1 圖像處理的算法分析

直接對(duì)像素進(jìn)行處理的算法稱之為空間域圖像處理算法；將像素變換到頻率域處理，然后再將頻率域的處理結(jié)果變換到空間域的算法稱之為頻率域圖像處理算法.頻率域算法是以傅里葉變換為基礎(chǔ)，需要大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，涉及到許多復(fù)雜繁瑣的公式，故與空間域圖像處理算法相比，不太適合憶阻器圖像處理器的實(shí)現(xiàn).

空間域圖像處理算法的實(shí)質(zhì)是將所要處理的圖像看作是一個(gè)集合，而集合的元素就是圖像的像素，算法針對(duì)集合中的元素或者元素塊進(jìn)行運(yùn)算處理，其主要包括目標(biāo)級(jí)處理、像素級(jí)處理以及特征級(jí)處理[7].因?yàn)橄袼丶?jí)處理中，原圖像中的像素可以直接生成目標(biāo)圖像的像素，因此方便進(jìn)行全局運(yùn)算、局部運(yùn)算以及點(diǎn)運(yùn)算，因此計(jì)算過(guò)程較之目標(biāo)級(jí)處理以及特征級(jí)處理更為簡(jiǎn)單，適合憶阻器圖像處理器的實(shí)現(xiàn).

1.2 圖像處理的基本操作分析

圖像處理的基本操作包括圖像壓縮、圖像分割、特征檢測(cè)、圖像增強(qiáng)以及圖像復(fù)原等.圖像壓縮主要降低圖像表示時(shí)的數(shù)據(jù)量，在實(shí)際處理操作過(guò)程中設(shè)計(jì)到編碼過(guò)程以及概率計(jì)算，較為繁瑣復(fù)雜，不適合憶阻器圖像處理器實(shí)現(xiàn).圖像分割的相關(guān)算法都是利用圖像亮度值的相似性以及不連續(xù)性，利用圖像的不連續(xù)性可以用比較操作將圖像分割，而比較操作可以用憶阻器來(lái)實(shí)現(xiàn).特征檢測(cè)主要有邊緣檢測(cè)、點(diǎn)檢測(cè)以及線檢測(cè)，這些檢測(cè)主要用到的操作有：模板操作、減法操作以及邏輯操作，而這些操作都是可以利用憶阻器來(lái)加以實(shí)現(xiàn)的.圖像增強(qiáng)算法包括直方圖處理、銳化和平滑濾波、灰度變換以及算術(shù)邏輯操作增強(qiáng)等，其中直方圖處理涉及到的算法較為復(fù)雜，不適宜用憶阻器加以實(shí)現(xiàn)，其余都可以利用憶阻器來(lái)實(shí)現(xiàn).圖像復(fù)原主要是利用退化現(xiàn)象中的已知知識(shí)來(lái)復(fù)原退化的圖像，主要包括噪聲、失真以及模糊等，涉及到的算法比較復(fù)雜，憶阻器大多難以實(shí)現(xiàn)，只能實(shí)現(xiàn)例如隨機(jī)噪聲等簡(jiǎn)單的圖像復(fù)原算法.憶阻器圖像處理器可以實(shí)現(xiàn)的操作有：圖像分割、特征檢測(cè)、圖像增強(qiáng)以及部分圖像復(fù)原操作.

1.3 圖像處理基本操作復(fù)雜度

圖像處理算法主要由4種基本圖像操作組成：邏輯操作、邊緣檢測(cè)、閥值分割以及模板操作.這4種基本操作的性能可以由空間和時(shí)間復(fù)雜度兩個(gè)維度去衡量，4種基本操作的性能見(jiàn)表1.

表14 種基本操作的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度

表1中，M，N代表圖像的大小，M，N均為正整數(shù)；P代表像素寬度，單位為bit；TA，TK，TL，TD分別代表進(jìn)行一次加法運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、乘法運(yùn)算以及除法運(yùn)算所用的時(shí)間.

2 憶阻器的模型結(jié)構(gòu)

憶阻器現(xiàn)在并沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用，尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，在世界范圍內(nèi)僅有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室具有制備憶阻器的能力，目前其他實(shí)驗(yàn)室研究的重點(diǎn)在于模型和激勵(lì)研究.圖1是惠普（HP）實(shí)驗(yàn)室抽象出的憶阻器的結(jié)構(gòu)示意圖.

圖中，D代表憶阻器薄膜的厚度，ω代表憶阻器摻雜區(qū)域的長(zhǎng)度，電極的電阻太小可以不計(jì)，故憶阻器的電阻等于由摻雜區(qū)和非摻雜區(qū)引入的電阻之和.當(dāng)ω=D時(shí)，可以設(shè)憶阻器的電阻為RON，當(dāng)ω=0時(shí)憶阻器的阻值為ROFF，然后根據(jù)圖1所示的憶阻器結(jié)構(gòu)模型可以計(jì)算出憶阻器的阻值，如公式（1）所示：

其中，M（q）表示憶阻器的阻值，μV表示離子平均漂移速度.HP實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了憶阻器線性漂流模型，但是實(shí)際分界面的漂移過(guò)程是非線性的，尤其是在邊界處其非線性特性尤為明顯.

3 憶阻器圖像處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)研究

圖像處理過(guò)程中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具有類型統(tǒng)一以及結(jié)構(gòu)規(guī)整的特點(diǎn)，而且像素級(jí)圖像處理算法具有簡(jiǎn)單同質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，可以利用Home自治結(jié)構(gòu)[8].Home自治是一種不會(huì)被外界干擾的實(shí)現(xiàn)預(yù)定服務(wù)和操作以及自我管理的數(shù)據(jù)處理機(jī)制，其是通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置加以實(shí)現(xiàn)的.筆者基于Home自治思想提出憶阻器圖像存儲(chǔ)與處理的融合結(jié)構(gòu)，即Bank結(jié)構(gòu).

圖1 憶阻器漂移模型結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 Bank總體結(jié)構(gòu)

圖2展示了提出的Bank總體框圖，其是一個(gè)融合運(yùn)算能力的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu).如圖所示，該系統(tǒng)具有多個(gè)功能模塊，主要包括：讀寫脈沖生成器、選址系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、讀寫系統(tǒng)、互聯(lián)電路以及接地電阻等多個(gè)部分構(gòu)成，下面將詳細(xì)介紹.

圖像基本操作控制模塊：利用憶阻器進(jìn)行圖形處理，主要進(jìn)行4種圖像基本操作.所以該控制模塊包含了4個(gè)子模塊來(lái)完成4種基本操作，4種基本模塊均可以發(fā)生相應(yīng)的激勵(lì)脈沖序列來(lái)觸發(fā)相應(yīng)的操作.此模塊設(shè)計(jì)成可擴(kuò)展模塊，以便憶阻器運(yùn)算能力提高后，可以設(shè)置更多的基本操作.

激勵(lì)脈沖生成器：此模塊是受圖像基本操作模塊控制，在接到后者的控制信號(hào)以后，生成基本操作激勵(lì)脈沖序列，此脈沖序列施加在交叉桿陣列上，繼而完成相應(yīng)的圖像基本操作.

圖2 Bank總體結(jié)構(gòu)示意圖

邏輯運(yùn)算區(qū)：此功能模塊主要負(fù)責(zé)保存中間運(yùn)算結(jié)果以及輔助完成邏輯運(yùn)算，其工作機(jī)制是基于憶阻器交叉陣列，邏輯運(yùn)算區(qū)是存儲(chǔ)器的一個(gè)部分.

讀寫脈沖生成器：該功能模塊主要控制交叉陣列讀寫，然后生成特定脈沖電壓.

圖像數(shù)據(jù)區(qū)：此功能區(qū)是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，其由交叉桿陣列構(gòu)成，存儲(chǔ)位由憶阻器構(gòu)成.

選址系統(tǒng)：此系統(tǒng)主要由列地址和行地址譯碼器構(gòu)成，由讀寫操作地址對(duì)處理器的存儲(chǔ)器尋址，與讀寫控制器共同完成讀寫操作.

讀寫系統(tǒng)：此系統(tǒng)主要用于讀出圖像數(shù)據(jù)，其構(gòu)成主要由讀出放大電路以及讀寫驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成.

驅(qū)動(dòng)電路：該部分主要是將脈沖電壓進(jìn)行放大，然后作用在對(duì)應(yīng)的行或者列上，其包括受控開(kāi)關(guān)以及三態(tài)驅(qū)動(dòng)門.

接地電阻：其是驅(qū)動(dòng)電路、負(fù)載電阻以及激勵(lì)脈沖發(fā)生器配合，于交叉桿陣列中出現(xiàn)的狀態(tài)邏輯電路.互聯(lián)電路：互聯(lián)電路主要用于Bank的擴(kuò)展，可以讓多個(gè)Bank互聯(lián)，形成容量更大的存儲(chǔ)系統(tǒng).

邏輯運(yùn)算區(qū)和圖像數(shù)據(jù)區(qū)由交叉桿陣列組成，系統(tǒng)其余部分還是通常的CMOS電路.在實(shí)際設(shè)計(jì)憶阻器圖像處理器時(shí)，可以將讀寫和激勵(lì)脈沖發(fā)生器合并，可以盡可能地減少處理器的外部連線.

3.2 圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

圖像數(shù)據(jù)可以看成是一個(gè)M行N列的矩陣，矩陣元素長(zhǎng)度取決于圖像的類型.通常情況下，黑白圖像在算法中對(duì)應(yīng)的矩陣元素長(zhǎng)度要比彩色圖像對(duì)應(yīng)矩陣的元素長(zhǎng)度小得多.目前的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是將圖像數(shù)據(jù)以行或者列為單位進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)交換.其缺點(diǎn)是不能對(duì)磁盤進(jìn)行隨機(jī)尋址，而只能按照行或者列進(jìn)行尋址.如果采用憶阻器的交叉桿陣列來(lái)組成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)節(jié)后，那么數(shù)據(jù)可直接反映到交叉桿陣列中，進(jìn)而可以隨機(jī)尋址，所以憶阻器的交叉桿陣列特別適合存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù).

現(xiàn)在智能設(shè)備產(chǎn)生的圖像規(guī)模越來(lái)越大，當(dāng)其超越一個(gè)Bank容量時(shí)，可以對(duì)所要處理的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū).目前常規(guī)的圖像數(shù)據(jù)分區(qū)方式有3種：交叉劃分、行劃分以及列劃分.圖3展示的就是圖像數(shù)據(jù)3種劃分方式以及在憶阻器處理器中的存儲(chǔ)情況.圖3（a）是按行劃分的示意圖，圖3（b）是按列劃分的示意圖，圖3（c）是交叉劃分的示意圖，圖3（d）是大規(guī)模圖像數(shù)據(jù)的交叉劃分以及存儲(chǔ)示意圖.數(shù)據(jù)的劃分方式直接決定圖像處理的通信復(fù)雜度以及通信量.當(dāng)圖像數(shù)據(jù)規(guī)模龐大時(shí)，憶阻器圖像處理器中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)采用交叉劃分，即從行列兩個(gè)維度將一個(gè)大規(guī)模圖像劃分為圖像塊，然后采用圖3（c）或者（d）進(jìn)行存儲(chǔ).因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為存儲(chǔ)與計(jì)算相融合的結(jié)構(gòu)，因此除了考慮通常的效率問(wèn)題，還需注意是否便于在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程.

4 憶阻器圖像處理器數(shù)據(jù)讀寫研究

憶阻器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，高阻態(tài)代表邏輯上的“0”，低阻態(tài)代表邏輯上的“1”.本節(jié)內(nèi)容將分析憶阻器圖像處理器的讀寫操作電路，首先分析讀電壓以及寫電壓應(yīng)滿足的條件.

4.1 憶阻器圖像處理器的讀電路

圖4展示的是憶阻器處理器的讀電路，如圖所示，讀電路一次可以讀取存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中整行的數(shù)據(jù).存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中的每一位與對(duì)應(yīng)的敏感放大器連接，后者的參考電壓為VREF，其必須滿足0＜VREF＜VR，VR即為讀電壓，讀電壓滿足0＜VR＜VCLOSE，其中VCLOSE為正向閥值電壓.在進(jìn)行讀操作時(shí)，所要讀取的行接VR，而其他所有行均與VREF相連接.

所要讀取行兩端的電壓差必須滿足（VR-VREF）＜VCLOSE，在這個(gè)條件下憶阻器的狀態(tài)不會(huì)改變，根據(jù)經(jīng)放大后的電流確定存儲(chǔ)狀態(tài)是“0”還是“1”，而其他行兩端電壓差為0，不會(huì)產(chǎn)生電流，故不會(huì)對(duì)讀電路的結(jié)果產(chǎn)生影響.

4.2 憶阻器圖像處理器的寫電路

如圖5所示為憶阻器處理器存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的寫電路，其可以每次寫一位數(shù)據(jù).寫入數(shù)據(jù)不同，所施加的電壓不同，圖5（a）為寫入數(shù)據(jù)“1”所加電壓的情況，圖5（b）為寫入數(shù)據(jù)“0”所施加電壓的情況，其中VW必須滿足

圖3 數(shù)據(jù)劃分與憶阻存儲(chǔ)器存儲(chǔ)示意圖

圖5 憶阻器圖像處理器的寫電路

公式（2）：

其中，VW為寫電壓，VCLOSE為正向閥值電壓，VOPEN為負(fù)向閥值電壓，VSET為正向激勵(lì)電壓，VCLEAR為清零電壓.

由公式（2）可知當(dāng)VW不小于VCLOSE和VSET中絕對(duì)值的最大值，才可以保證VW將“1”寫入到存儲(chǔ)器中，與此同時(shí)-VW可以將“0”寫入到存儲(chǔ)器中；為了保證其他憶阻器兩端電壓狀態(tài)不會(huì)改變，VW/2必須小于改變憶阻器狀態(tài)的電壓中的絕對(duì)值最小值.向憶阻器處理器寫“1”時(shí)，目標(biāo)憶阻器所在的行列電壓為+VW/2和-VW/2，處理器其他行電壓均為0，因此目標(biāo)憶阻器兩端電壓差可以計(jì)算出為VW，實(shí)現(xiàn)了向憶阻器寫入“1”的操作.向憶阻器寫入“0”時(shí)，目標(biāo)憶阻器兩端的電壓為-VW，實(shí)現(xiàn)了向憶阻器寫入“0”的操作，其他憶阻器兩端電壓為0或者-VW/2，憶阻器狀態(tài)不變.

5 結(jié)論

主要研究了憶阻器圖像處理器的結(jié)構(gòu)，首先分析了目前圖像處理技術(shù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)以及目前存在的存儲(chǔ)器讀寫效率低、常規(guī)方法無(wú)法有效解決的問(wèn)題，針對(duì)目前存在的問(wèn)題，提出了基于憶阻器的圖像處理結(jié)構(gòu).在分析目前圖像處理算法的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了適合憶阻器圖像處理結(jié)構(gòu)的4種基本操作：閥值操作、邏輯操作、邊緣檢測(cè)以及模板操作，并且從空間維度和時(shí)間維度分析了4種操作的性能，得出了圖像數(shù)據(jù)適合于在憶阻器交叉桿上存儲(chǔ)，并且這些基本圖像操作適合采用憶阻器邏輯運(yùn)算來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的結(jié)論.在此基礎(chǔ)之上，研究了憶阻器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，提出了Bank結(jié)構(gòu)，然后提出了基于憶阻器的圖像處理運(yùn)算與存儲(chǔ)融合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、圖像存儲(chǔ)設(shè)計(jì)和讀寫電路設(shè)計(jì).

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（責(zé)任編輯王穎莉）

An Analysis of Structure Design Memristor Image Processor

ZHANG Le-ping
(Department of Organization Teaching,Huaining County Party School,Anqin,Anhui 246121,China)

In order to solve the problem of low efficiency of memristor image processor,an image processor architecture of memristor is proposed.Firstly,this paper analyzes the current image processing algorithms,and summarizes the basic operation of the image which is suitable for the memristor.Then it introduces a memristor model,and presents the Bank structure of the memristor image processor.Finally,it analyzes the read-write operation of the memristor image processor.

memristor;image processing;structure;design and analysis

TP3-0

A

1673-1972（2017）03-0059-06

2017-03-09

張樂(lè)平（1974-），男，安徽安慶人，講師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用與維修研究.