基于憶阻器的圖像處理技術(shù)研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字圖像處理在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。圖像處理技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、軍事學(xué)甚至社會(huì)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，已成為與國(guó)計(jì)民生緊密相連的一門應(yīng)用科學(xué)。然而，由于數(shù)字圖像處理是一類訪存密集型應(yīng)用，其算法具有數(shù)據(jù)量大、計(jì)算復(fù)雜度高的特點(diǎn)，如何提高圖像處理效率成為一個(gè)長(zhǎng)期困擾圖像界的棘手問(wèn)題。尤其是在信息時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)的普及和大數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨，使得需要對(duì)海量的圖像數(shù)據(jù)

2、進(jìn)行高效和實(shí)時(shí)的處理，迫切需要我們研究高效實(shí)時(shí)的圖像處理技術(shù)。本文以圖像處理為所面向的領(lǐng)域，針對(duì)憶阻器在圖像處理方面的研究現(xiàn)狀和面臨的問(wèn)題，利用憶阻器兼具運(yùn)算與存儲(chǔ)功能這一特點(diǎn)，研究基于憶阻器的圖像處理技術(shù)。首先在分析圖像處理算法的基礎(chǔ)上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)，然后對(duì)基本圖像操作和公共基本邏輯單元進(jìn)行基于憶阻器的設(shè)計(jì)，最后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和性能分析。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴對(duì)圖像處理領(lǐng)域的算法進(jìn)行了考察

3、和分析，并在此基礎(chǔ)上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)。通過(guò)對(duì)圖像處理算法的考察，篩選出適合于憶阻器實(shí)現(xiàn)的圖像處理算法，然后對(duì)這些適合于憶阻器實(shí)現(xiàn)的圖像處理算法進(jìn)行進(jìn)一步的分析，抽象出基本圖像操作。再對(duì)這些基本圖像操作進(jìn)行性能分析，從而為后文的憶阻器運(yùn)算與存儲(chǔ)融合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、以及憶阻器與傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于圖像處理時(shí)的性能比較分析做準(zhǔn)備。在上述分析工作的基礎(chǔ)上，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)。具體包括憶阻器運(yùn)算與存儲(chǔ)

4、融合結(jié)構(gòu)的基本思想、圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)和圖像數(shù)據(jù)的讀寫設(shè)計(jì)三個(gè)方面的內(nèi)容。在運(yùn)算與存儲(chǔ)融合結(jié)構(gòu)中，在圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置上即可進(jìn)行簡(jiǎn)單的圖像處理操作，從而大大減少圖像數(shù)據(jù)的訪存操作，達(dá)到提高圖像處理性能和效率的目的。由于要考慮圖像操作，因此，在運(yùn)算與存儲(chǔ)融合結(jié)構(gòu)中圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式不同于傳統(tǒng)的圖像存儲(chǔ)，必須兼顧存儲(chǔ)效率和運(yùn)算效率。為此，我們提出了的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式以及在該模式下圖像數(shù)據(jù)的讀寫設(shè)計(jì)。和傳統(tǒng)使用硬盤的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)相比，本文提出的融

5、合結(jié)構(gòu)可以顯著減少圖像數(shù)據(jù)的訪存開(kāi)銷，從而提高圖像處理的性能。
　　⑵通過(guò)對(duì)圖像處理算法的分析，我們抽象出了四類基本圖像操作并對(duì)它們進(jìn)行基于憶阻器融合存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。抽象的基本圖像操作包括圖像邏輯操作、圖像閾值分割、圖像邊緣檢測(cè)和圖像模板操作。結(jié)合憶阻器的特性，在憶阻存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中對(duì)這四類基本圖像操作進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們進(jìn)一步分析這些基本圖像操作，得到它們使用到的四類公共基本邏輯單元，包括譯碼器、計(jì)數(shù)器、移位器和加法器，并在

6、憶阻存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中對(duì)這些基本邏輯單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，本文提出的設(shè)計(jì)可以在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中完成基本圖像操作，從而有效避免圖像數(shù)據(jù)的讀寫，提高系統(tǒng)的效率。
　?、菫榱蓑?yàn)證本文所提出的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的正確性，我們對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和性能分析。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用的是模擬實(shí)驗(yàn)，使用電路模擬軟件HSPICE進(jìn)行模擬。首先對(duì)憶阻器模型在HSPICE模擬器中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)考察了不同的模型參數(shù)對(duì)憶阻器I-V特性的影響?？梢愿鶕?jù)研究的需要，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置不同的