忆阻图像处理器结构设计分析

张乐平

（怀宁县委党校组织教学科，安徽安庆246121）

忆阻图像处理器结构设计分析

张乐平

（怀宁县委党校组织教学科，安徽安庆246121）

针对目前图像处理器处理效率低的问题，提出了忆阻器图像处理器结构，并对其进行了详细的分析.首先，分析了目前的图像处理算法，在此基础之上总结出了适合于忆阻器的图像基本操作；其次介绍了忆阻器的模型，在此基础之上提出了忆阻器图像处理器的Bank结构，并对其进行了详细分析；最后分析了忆阻器图像处理器的读写操作.

忆阻器；图像处理；结构；设计分析

0 引言

图像信息是人类获取外界信息的重要手段，对于社会生产和人们的日常生活有着重要的作用.在人工智能、机器人等技术快速发展的背景下，图像处理技术日益重要，并且已广泛地应用在工矿生产、军事医疗等领域，而且取得了不错的社会经济效益[1].图像处理是访存密集的应用，随着应用领域对图像处理技术与处理性能的要求不断提高，目前的图像处理器不能很好地满足要求，主要问题是存储延迟造成图像处理效率低，这个问题的主要原因是存储速度提高缓慢[2].为了解决这个问题，发展了多核处理器以及加入GPU等技术[3]，但是仍然不能从根本上解决问题.

近年来忆阻器的研究逐渐火热，忆阻器原件是近年新发展起来的新型器件.忆阻器的主要特点是具有融合数据存储和数据计算的能力，以及具有存储密度高、非易性等特点，这些优异特点使得忆阻器可以成为解决目前图像处理瓶颈的新希望.

目前针对忆阻器的研究主要集中在结构方面，学术界对于其在图像处理方面的应用涉及较少.文献[4]主要介绍了忆阻器的交叉杆阵列的读写和存取，并设计了不同的图像处理方案，实现了彩色图像的存储.文献[5]利用混沌电路实现对图像的加解密，其混度电路是基于忆阻器来设计的.文献[6]实现了在保持图像平滑的同时也保持住了图像的边缘信息，其利用的是忆阻器可以记忆流经其电荷的特性.笔者根据目前的研究现状，提出了以图像处理运算与存储融合结构为设计思想的忆阻器图像处理结构，并进行了较为详细的分析.

1 图像处理基本操作及性能分析

图像处理是利用算法对图像实现特定的操作，图像处理的算法众多，但是对于图像的基本操作是一致的，本节将重点分析目前图像处理的基本操作及其性能，在此基础之上，总结出适合忆阻器图像处理器的算法.

1.1 图像处理的算法分析

直接对像素进行处理的算法称之为空间域图像处理算法；将像素变换到频率域处理，然后再将频率域的处理结果变换到空间域的算法称之为频率域图像处理算法.频率域算法是以傅里叶变换为基础，需要大量的数学计算，涉及到许多复杂繁琐的公式，故与空间域图像处理算法相比，不太适合忆阻器图像处理器的实现.

空间域图像处理算法的实质是将所要处理的图像看作是一个集合，而集合的元素就是图像的像素，算法针对集合中的元素或者元素块进行运算处理，其主要包括目标级处理、像素级处理以及特征级处理[7].因为像素级处理中，原图像中的像素可以直接生成目标图像的像素，因此方便进行全局运算、局部运算以及点运算，因此计算过程较之目标级处理以及特征级处理更为简单，适合忆阻器图像处理器的实现.

1.2 图像处理的基本操作分析

图像处理的基本操作包括图像压缩、图像分割、特征检测、图像增强以及图像复原等.图像压缩主要降低图像表示时的数据量，在实际处理操作过程中设计到编码过程以及概率计算，较为繁琐复杂，不适合忆阻器图像处理器实现.图像分割的相关算法都是利用图像亮度值的相似性以及不连续性，利用图像的不连续性可以用比较操作将图像分割，而比较操作可以用忆阻器来实现.特征检测主要有边缘检测、点检测以及线检测，这些检测主要用到的操作有：模板操作、减法操作以及逻辑操作，而这些操作都是可以利用忆阻器来加以实现的.图像增强算法包括直方图处理、锐化和平滑滤波、灰度变换以及算术逻辑操作增强等，其中直方图处理涉及到的算法较为复杂，不适宜用忆阻器加以实现，其余都可以利用忆阻器来实现.图像复原主要是利用退化现象中的已知知识来复原退化的图像，主要包括噪声、失真以及模糊等，涉及到的算法比较复杂，忆阻器大多难以实现，只能实现例如随机噪声等简单的图像复原算法.忆阻器图像处理器可以实现的操作有：图像分割、特征检测、图像增强以及部分图像复原操作.

1.3 图像处理基本操作复杂度

图像处理算法主要由4种基本图像操作组成：逻辑操作、边缘检测、阀值分割以及模板操作.这4种基本操作的性能可以由空间和时间复杂度两个维度去衡量，4种基本操作的性能见表1.

表14 种基本操作的时间复杂度和空间复杂度

表1中，M，N代表图像的大小，M，N均为正整数；P代表像素宽度，单位为bit；TA，TK，TL，TD分别代表进行一次加法运算、逻辑运算、乘法运算以及除法运算所用的时间.

2 忆阻器的模型结构

忆阻器现在并没有大规模应用，尚处于实验室研究阶段，在世界范围内仅有少数实验室具有制备忆阻器的能力，目前其他实验室研究的重点在于模型和激励研究.图1是惠普（HP）实验室抽象出的忆阻器的结构示意图.

图中，D代表忆阻器薄膜的厚度，ω代表忆阻器掺杂区域的长度，电极的电阻太小可以不计，故忆阻器的电阻等于由掺杂区和非掺杂区引入的电阻之和.当ω=D时，可以设忆阻器的电阻为RON，当ω=0时忆阻器的阻值为ROFF，然后根据图1所示的忆阻器结构模型可以计算出忆阻器的阻值，如公式（1）所示：

其中，M（q）表示忆阻器的阻值，μV表示离子平均漂移速度.HP实验室构建了忆阻器线性漂流模型，但是实际分界面的漂移过程是非线性的，尤其是在边界处其非线性特性尤为明显.

3 忆阻器图像处理器数据存储研究

图像处理过程中的数据存储具有类型统一以及结构规整的特点，而且像素级图像处理算法具有简单同质的优点，可以利用Home自治结构[8].Home自治是一种不会被外界干扰的实现预定服务和操作以及自我管理的数据处理机制，其是通过数据存储位置加以实现的.笔者基于Home自治思想提出忆阻器图像存储与处理的融合结构，即Bank结构.

图1 忆阻器漂移模型结构示意图

3.1 Bank总体结构

图2展示了提出的Bank总体框图，其是一个融合运算能力的存储结构.如图所示，该系统具有多个功能模块，主要包括：读写脉冲生成器、选址系统、驱动电路、读写系统、互联电路以及接地电阻等多个部分构成，下面将详细介绍.

图像基本操作控制模块：利用忆阻器进行图形处理，主要进行4种图像基本操作.所以该控制模块包含了4个子模块来完成4种基本操作，4种基本模块均可以发生相应的激励脉冲序列来触发相应的操作.此模块设计成可扩展模块，以便忆阻器运算能力提高后，可以设置更多的基本操作.

激励脉冲生成器：此模块是受图像基本操作模块控制，在接到后者的控制信号以后，生成基本操作激励脉冲序列，此脉冲序列施加在交叉杆阵列上，继而完成相应的图像基本操作.

图2 Bank总体结构示意图

逻辑运算区：此功能模块主要负责保存中间运算结果以及辅助完成逻辑运算，其工作机制是基于忆阻器交叉阵列，逻辑运算区是存储器的一个部分.

读写脉冲生成器：该功能模块主要控制交叉阵列读写，然后生成特定脉冲电压.

图像数据区：此功能区是用来存储数据，其由交叉杆阵列构成，存储位由忆阻器构成.

选址系统：此系统主要由列地址和行地址译码器构成，由读写操作地址对处理器的存储器寻址，与读写控制器共同完成读写操作.

读写系统：此系统主要用于读出图像数据，其构成主要由读出放大电路以及读写驱动电路构成.

驱动电路：该部分主要是将脉冲电压进行放大，然后作用在对应的行或者列上，其包括受控开关以及三态驱动门.

接地电阻：其是驱动电路、负载电阻以及激励脉冲发生器配合，于交叉杆阵列中出现的状态逻辑电路.互联电路：互联电路主要用于Bank的扩展，可以让多个Bank互联，形成容量更大的存储系统.

逻辑运算区和图像数据区由交叉杆阵列组成，系统其余部分还是通常的CMOS电路.在实际设计忆阻器图像处理器时，可以将读写和激励脉冲发生器合并，可以尽可能地减少处理器的外部连线.

3.2 图像数据存储设计

图像数据可以看成是一个M行N列的矩阵，矩阵元素长度取决于图像的类型.通常情况下，黑白图像在算法中对应的矩阵元素长度要比彩色图像对应矩阵的元素长度小得多.目前的数据存储器是将图像数据以行或者列为单位进行存储和数据交换.其缺点是不能对磁盘进行随机寻址，而只能按照行或者列进行寻址.如果采用忆阻器的交叉杆阵列来组成数据存储节后，那么数据可直接反映到交叉杆阵列中，进而可以随机寻址，所以忆阻器的交叉杆阵列特别适合存储图像数据.

现在智能设备产生的图像规模越来越大，当其超越一个Bank容量时，可以对所要处理的图像数据进行分区.目前常规的图像数据分区方式有3种：交叉划分、行划分以及列划分.图3展示的就是图像数据3种划分方式以及在忆阻器处理器中的存储情况.图3（a）是按行划分的示意图，图3（b）是按列划分的示意图，图3（c）是交叉划分的示意图，图3（d）是大规模图像数据的交叉划分以及存储示意图.数据的划分方式直接决定图像处理的通信复杂度以及通信量.当图像数据规模庞大时，忆阻器图像处理器中的存储结构采用交叉划分，即从行列两个维度将一个大规模图像划分为图像块，然后采用图3（c）或者（d）进行存储.因为本设计的结构为存储与计算相融合的结构，因此除了考虑通常的效率问题，还需注意是否便于在存储结构中实现计算过程.

4 忆阻器图像处理器数据读写研究

忆阻器存储数据时，高阻态代表逻辑上的“0”，低阻态代表逻辑上的“1”.本节内容将分析忆阻器图像处理器的读写操作电路，首先分析读电压以及写电压应满足的条件.

4.1 忆阻器图像处理器的读电路

图4展示的是忆阻器处理器的读电路，如图所示，读电路一次可以读取存储结构中整行的数据.存储结构中的每一位与对应的敏感放大器连接，后者的参考电压为VREF，其必须满足0＜VREF＜VR，VR即为读电压，读电压满足0＜VR＜VCLOSE，其中VCLOSE为正向阀值电压.在进行读操作时，所要读取的行接VR，而其他所有行均与VREF相连接.

所要读取行两端的电压差必须满足（VR-VREF）＜VCLOSE，在这个条件下忆阻器的状态不会改变，根据经放大后的电流确定存储状态是“0”还是“1”，而其他行两端电压差为0，不会产生电流，故不会对读电路的结果产生影响.

4.2 忆阻器图像处理器的写电路

如图5所示为忆阻器处理器存储结构的写电路，其可以每次写一位数据.写入数据不同，所施加的电压不同，图5（a）为写入数据“1”所加电压的情况，图5（b）为写入数据“0”所施加电压的情况，其中VW必须满足

图3 数据划分与忆阻存储器存储示意图

图5 忆阻器图像处理器的写电路

公式（2）：

其中，VW为写电压，VCLOSE为正向阀值电压，VOPEN为负向阀值电压，VSET为正向激励电压，VCLEAR为清零电压.

由公式（2）可知当VW不小于VCLOSE和VSET中绝对值的最大值，才可以保证VW将“1”写入到存储器中，与此同时-VW可以将“0”写入到存储器中；为了保证其他忆阻器两端电压状态不会改变，VW/2必须小于改变忆阻器状态的电压中的绝对值最小值.向忆阻器处理器写“1”时，目标忆阻器所在的行列电压为+VW/2和-VW/2，处理器其他行电压均为0，因此目标忆阻器两端电压差可以计算出为VW，实现了向忆阻器写入“1”的操作.向忆阻器写入“0”时，目标忆阻器两端的电压为-VW，实现了向忆阻器写入“0”的操作，其他忆阻器两端电压为0或者-VW/2，忆阻器状态不变.

5 结论

主要研究了忆阻器图像处理器的结构，首先分析了目前图像处理技术的发展状态以及目前存在的存储器读写效率低、常规方法无法有效解决的问题，针对目前存在的问题，提出了基于忆阻器的图像处理结构.在分析目前图像处理算法的基础上，总结出了适合忆阻器图像处理结构的4种基本操作：阀值操作、逻辑操作、边缘检测以及模板操作，并且从空间维度和时间维度分析了4种操作的性能，得出了图像数据适合于在忆阻器交叉杆上存储，并且这些基本图像操作适合采用忆阻器逻辑运算来进行实现的结论.在此基础之上，研究了忆阻器数据存储器的结构，提出了Bank结构，然后提出了基于忆阻器的图像处理运算与存储融合结构设计，包括总体结构设计、图像存储设计和读写电路设计.

[1]赵小川.现代数字图像处理技术提高及应用案例详解[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[2]HENNESSYJL，PATTERSONDA.ComputerArchitecture：AQuantitativeApproach[M].SanFrancisco：MorganKaufmannPublishers Inc，2007.

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[6]JIANGF，SHIBE.TheMemristiveGridOutperformstheResistiveGridforEdgePreservingSmoothing[C]//EuropeanConferenceonCircuitTheoryandDesign.IEEEXplore，2009：181-184.

[7]GONZALEZRC，WOODSRE.数字图像处理[M].北京：电子工业出版社，2005.

[8]方旭东.基于忆阻器的数据存储体系结构技术研究[D].长沙：国防科技大学，2013.

（责任编辑王颖莉）

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

张乐平（1974-），男，安徽安庆人，讲师，主要从事计算机应用与维修研究.