基于忆阻器遗忘特性的图片处理方法与流程

本发明涉及图片处理领域，具体涉及一种基于忆阻器遗忘特性的图片处理方法。

背景技术：

传统图像处理中，通常通过软件对进行预处理，针对不同用途采用不同图片处理算子，比如robert算子，sobel算子，prewitt算子等对图片进行边缘提取去噪等操作。传统的图片处理利用冯诺依曼架构计算机对图片进行算子卷积运算，需要从内存读取图片和算子，在运算器中进行运算，再将运算结果放回内存；由于处理器和内存读取速度之间的差距，图片处理速度受到极大限制，而且传统方式的算子之间串行进行，运算效率低。

随着科技的发展，一种神经形态芯片应运而生，主要是用突触表示算子，实现存储和运算一体化，但常规的神经形态电路中突触的实现并不理想。普通电阻突触能实现固定权值，但无法进行学习；双mos管突触能实现正权值学习，但无法变化为负权值；cmos电路突触能够满足权值需求，但体积过大，不能大规模集成。

一种基于非易失性忆阻器构建的忆阻桥突触，能够成功实现正负权值的变化，将之应用于图片学习和处理中，获得与冯诺依曼机同等效果；但此忆阻桥中，忆阻器行为偏向理想，在其神经形态电路中并未加以充分考虑和利用忆阻器的阈值特性、非线性、遗忘特性等，无法进一步提高神经形态电路处理图片的效率。

因此，为解决以上问题，需要一种基于忆阻器遗忘特性的图片处理方法，能够实现图片算子的自动切换与精确控制，提高了图片处理效率，降低了投入成本。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于忆阻器遗忘特性的图片处理方法，能够实现图片算子的自动切换与精确控制，提高了图片处理效率，降低了投入成本。

本发明的基于忆阻器遗忘特性的图片处理方法，包括如下步骤：

s1.构建若干个结构相同的忆阻桥；

s2.分别调整各忆阻桥的输入电压使得各忆阻桥均达到长时记忆状态，并将长时记忆状态对应的输入电压作为长时记忆电压，分别调整各忆阻桥长时记忆电压的作用时间使得各忆阻桥的权值分别满足设定的目标权值并得到长时记忆目标权值序列；

s3.分别调整各忆阻桥的输入电压使得各忆阻桥均达到短时记忆状态，并将短时记忆状态对应的输入电压作为短时记忆电压，分别调整各忆阻桥短时记忆电压的作用时间使得各忆阻桥的权值分别满足设定的目标权值并得到短时记忆目标权值序列；其中，所述忆阻桥的短时记忆电压小于忆阻桥的长时记忆电压；

s4.对短时记忆目标权值序列与图片像素信号值进行卷积运算并生成目标图片；

s5.对长时记忆目标权值序列与步骤s4中目标图片像素信号值进行卷积运算并生成新的目标图片；

s6.按照步骤s2-s5类推，根据设定的不同目标权值重新调整步骤s2中长时记忆电压以及长时记忆电压的作用时间和步骤s3中短时记忆电压以及短时记忆电压的作用时间，并对目标图片进行更新。

进一步，步骤s2中，调整长时记忆电压的作用时间使得忆阻桥的权值满足目标权值，具体包括：

s21.设置长时记忆电压的作用时间为使得忆阻桥中忆阻器的电阻值达到设定的目标初始电阻值；

s22.设置长时记忆电压的作用时间为使得忆阻桥中忆阻器目标初始电阻值的变化量达到设定的目标变化量；

s23.将忆阻桥中忆阻器的目标初始电阻值与目标初始电阻值的目标变化量的和作为忆阻桥中忆阻器的目标电阻值；

s24.根据忆阻桥中各忆阻器的目标电阻值计算忆阻桥的目标权值。

进一步，步骤s22中，根据如下公式确定长时记忆状态下忆阻器电阻值的变化量：

δml＝klsign(vl)(vl)²tl；

其中，δml为长时记忆状态下忆阻器电阻值的变化量；kl为长时记忆状态系数；sign(vl)为长时记忆电压vl的符号；vl为长时记忆电压；tl为长时记忆电压的作用时间。

进一步，步骤s3中，调整短时记忆电压的作用时间使得忆阻桥的权值满足目标权值，具体包括：

s31.设置短时记忆电压的作用时间为使得忆阻桥中忆阻器的电阻值达到设定的目标初始电阻值；

s32.设置短时记忆电压的作用时间为使得忆阻桥中忆阻器目标初始电阻值的变化量达到设定的目标变化量；

s33.将忆阻桥中忆阻器的目标初始电阻值与目标初始电阻值的目标变化量的和作为忆阻桥中忆阻器的目标电阻值；

s34.根据忆阻桥中各忆阻器的目标电阻值计算忆阻桥的目标权值。

进一步，步骤s32中，根据如下公式确定短时记忆状态下忆阻器电阻值的变化量：

δms＝kssign(vs)(vs)²ts；

其中，δms为短时记忆状态下忆阻器电阻值的变化量；ks为短时记忆状态系数；sign(vs)为短时记忆电压vs的符号；vs为短时记忆电压；ts为短时记忆电压的作用时间。

进一步，步骤s4中，判断忆阻器是否有阈值特性，若是，则在图片的每一个像素脉冲信号后添加一个时间段为tp的脉冲信号来对抗短时记忆状态下忆阻器的衰减，若否，则利用图片像素脉冲信号来对抗短时记忆状态下忆阻器的衰减。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于忆阻器遗忘特性的图片处理方法，通过施加不同的电压幅值使得忆阻桥分别处于长时记忆与短时记忆状态，在同一记忆状态下，通过改变设定电压幅值的作用时间来改变忆阻桥的权值，进而得到能与图片像素值进行卷积运算的图片算子，从而达到处理图片的目的，实现了图片算子的自动切换与精确控制，提高了图片处理效率，降低了投入成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的忆阻桥结构示意图；

图3为本发明的图片卷积运算结构示意图；

图4为本发明的带阈值特性的图片处理效果示意图；

图5为本发明的不带阈值特性的图片处理效果示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：

本发明的基于忆阻器遗忘特性的图片处理方法，包括如下步骤：

s1.构建若干个结构相同的忆阻桥；本实施例中，所述忆阻桥包括第一忆阻器、与第一忆阻器结构相反的第二忆阻器、与第二忆阻器结构相同的第三忆阻器以及与第一忆阻器结构相同的第四忆阻器；其中，所述第一忆阻器的一端与电源连接，所述第一忆阻器的另一端经过第二忆阻器接地，所述第一忆阻器与第二忆阻器的公共连接点为电源输出正端；所述第三忆阻器的一端与电源连接，所述第三忆阻器的另一端经过第四忆阻器接地，所述第三忆阻器与第四忆阻器的公共连接点为电源输出负端。所述第一、第二、第三以及第四忆阻器均具有遗忘特性。

s2.分别调整所述若干个忆阻桥的输入电压使得这些忆阻桥均达到长时记忆状态，并将长时记忆状态对应的输入电压作为长时记忆电压，分别调整所述若干个忆阻桥长时记忆电压的作用时间使得所述若干个忆阻桥的权值分别满足设定的目标权值得到长时记忆目标权值序列；本实施例中，所述输入电压为忆阻桥对应的电源电压；若干个忆阻桥分别对应的长时记忆电压vl的大小均为100mv；所述若干个忆阻桥之间设置有同步时钟，保证了若干个忆阻桥均得到目标权值后再形成目标权值序列；所述忆阻桥的权值w为其中，m1为第一忆阻器的电阻值，m2为第二忆阻器的电阻值；m3为第三忆阻器的电阻值；m4为第四忆阻器的电阻值；根据所述忆阻桥的连接关系，所述忆阻桥的权值w进一步化简为：则确定权值只需确定电阻值m1以及电阻值m2即可；

s3.分别调整所述若干个忆阻桥的输入电压使得这些忆阻桥均达到短时记忆状态，并将短时记忆状态对应的输入电压作为短时记忆电压，分别调整所述若干个忆阻桥短时记忆电压的作用时间使得所述若干个忆阻桥的权值分别满足设定的目标权值得到短时记忆目标权值序列；其中，所述忆阻桥的短时记忆电压小于忆阻桥的长时记忆电压；本实施例中，所述若干个忆阻桥分别对应的短时记忆电压vs的大小均为10mv，则短时记忆电压明显小于长时记忆电压，从而节省了电量资源，也使得短时记忆电压对长时记忆状态的影响可以忽略不计。

s4.对短时记忆目标权值序列与图片像素信号值进行卷积运算并生成目标图片；本实施例中，所述图片像素信号值为电压值v1，将所述短时记忆目标权值序列作为目标图片算子，并对该目标图片算子与图片像素信号值进行卷积运算得到一组图片像素信号值，并将该组图片像素信号值作为最新的图片像素信号值。

s5.对长时记忆目标权值序列与步骤s4中目标图片像素信号值进行卷积运算并生成新的目标图片；本实施例中，将长时记忆目标权值序列作为另一个目标图片算子，并对该目标图片算子与步骤s4中得到的最新图片像素信号值进行卷积运算得到新的一组图片像素信号值，并将该组图片像素信号值作为最新的图片像素信号值。

s6.按照步骤s2-s5类推，根据设定的不同目标权值重新调整步骤s2中长时记忆电压以及长时记忆电压的作用时间和步骤s3中短时记忆电压以及短时记忆电压的作用时间，并对目标图片进行更新。本实施例中，重新调整步骤s2中的长时记忆电压vl的方向(大小不变)以及长时记忆电压vl的作用时间后，可以得到另一个长时记忆目标权值序列sel，然后重新调整步骤s3中的短时记忆电压vs的方向(大小不变)以及短时记忆电压vs的作用时间后，可以得到另一个短时记忆目标权值序列ses，并对短时记忆目标权值序列ses与更新后的图片像素信号值进行卷积运算得到一组图片像素信号值并更新图片像素信号值，然后对长时记忆目标权值序列sel与更新后的图片像素信号值进行卷积运算得到一组图片像素信号值并更新图片像素信号值。通过对目标图片进行不断更新，使得目标图片接近或达到预期效果。

需要说明的是，所述忆阻桥的权值保存在所述忆阻桥中，同时所述卷积运算也在忆阻桥中进行，从而实现了存储和运算合为一体。

本实施例中，步骤s2中，调整长时记忆电压的作用时间使得忆阻桥的权值满足目标权值，具体包括：

s21.设置长时记忆电压的作用时间为使得忆阻桥中忆阻器的电阻值达到设定的目标初始电阻值；在长时记忆电压的大小以及方向确定后，可以通过设置长时记忆电压的作用时间来实现忆阻桥中忆阻器电阻值的初始化，使得忆阻器达到目标初始电阻值，所述目标初始电阻值根据目标初始权值进行设定。本实施例中，对忆阻桥中所有忆阻器的电阻值进行归一化处理，则m1+m2等于1，由于电阻值m1的变化量与电阻值m2的变化量相同，只是变化方向相反，则忆阻桥对应的权值w的变化量δw为：δw＝2δm(2)；其中，δm为电阻值m2的变化量，并将-δm作为电阻值m1的变化量，即确定忆阻桥权值的变化，只需关心第二忆阻器的电阻值m2的变化即可。需要说明的是，为了确保忆阻桥能够达到目标初始权值，则在确定了电压vl的大小以及方向的情况下，设置作用时间为最长的作用时间。本实施例中，电压vl大小为100mv，则根据式子(3)，电阻值的最大变化量的绝对值为1时对应的作用时间10μs为最长作用时间，即所述为10μs。

根据式子(1)，若m2的初始值为0.6，则m1的初始值为0.4，权值w为0.2；根据忆阻桥目标权值的正负情况，对于不小于0的权值，设该权值的目标初始权值w0为1；对于小于0的权值，设该权值的目标初始权值w0为-1。根据式子(2)，w0为1时，权值的变化量δw为w0-w＝0.8，那么δm为0.4，根据式子(3)，电压vl为正的100mv，则作用时间为4μs时，电阻值m1就达到了目标初始电阻值0，电阻值m2达到了目标初始电阻值1，尽管作用时间还在继续，但m1以及的m2目标初始电阻值不再发生变化。根据式子(2)，w0为-1时，δw为-1.2，那么δm为-0.6，根据式子(3)，电压vl为负的100mv，则作用时间为6μs时，电阻值m1就达到了目标初始电阻值1，电阻值m2达到了目标初始电阻值0，后续的作用时间同样不影响目标初始电阻值的变化。

s22.设置长时记忆电压的作用时间为使得忆阻桥中忆阻器目标初始电阻值的变化量达到设定的目标变化量；本实施例中，在步骤s21中忆阻器达到目标初始电阻值后，使得忆阻桥的初始权值为1或-1，如果忆阻桥的目标权值为2，先将该目标权值缩小10倍，得到目标权值为0.2，则设忆阻桥的初始权值为1，从初始权值1到目标权值0.2后的变化量δw为-0.8，那么所述目标变化量δm为-0.4，则根据式子(3)，电压vl为负的100mv，所述作用时间如果忆阻桥的目标权值为-2，先将该目标权值缩小10倍，得到目标权值为-0.2，则设忆阻桥的初始权值为-1，则从初始权值-1到目标权值-0.2后的变化量δw为0.8，那么所述目标变化量δm为0.4，则根据式子(3)，电压vl为正的100mv，所述作用时间为4μs。

s23.将忆阻桥中忆阻器的目标初始电阻值与目标初始电阻值的目标变化量的和作为忆阻桥中忆阻器的目标电阻值；本实施例中，若设忆阻桥的初始权值为1，则所述电阻值m1的目标初始电阻值为0，电阻值m2的目标初始电阻值为1，目标变化量δm为-0.4，则电阻值m1的目标电阻值为0.4，电阻值m2的目标电阻值为0.6；若设忆阻桥的初始权值为-1，则所述电阻值m1的目标初始电阻值为1，电阻值m2的目标初始电阻值为0，目标变化量δm为0.4，则电阻值m1的目标电阻值为0.6，电阻值m2的目标电阻值为0.4。

s24.根据忆阻桥中各忆阻器的目标电阻值计算忆阻桥的目标权值；本实施例中，将电阻值m1的目标电阻值0.4以及电阻值m2的目标电阻值0.6带入式子(1)，可以得到权值0.2，将该权值还原放大10倍，则得到目标权值2；将电阻值m1的目标电阻值0.6以及电阻值m2的目标电阻值0.4带入式子(1)，可以得到权值-0.2，将该权值还原放大10倍，则得到目标权值-2。

本实施例中，步骤s22中，根据如下公式确定长时记忆状态下忆阻器电阻值的变化量：

δml＝klsign(vl)(vl)²tl(3)；

其中，δml为长时记忆状态下忆阻器电阻值的变化量；kl为长时记忆状态系数，本实施例中，取值为10^-8；sign(vl)为长时记忆电压vl的符号，如果电压vl为负值，则sign(vl)取值为-1，如果电压vl为正值，则sign(vl)取值为1；vl为长时记忆电压，大小为100mv；tl为长时记忆电压的作用时间，单位为ns；这里将mv和ns作为标准单位。

本实施例中，步骤s3中，调整短时记忆电压的作用时间使得忆阻桥的权值满足目标权值，具体包括：

s31.设置短时记忆电压的作用时间为使得忆阻桥中忆阻器的电阻值达到设定的目标初始电阻值；本实施例中，与步骤s21的原理相同，电压vs大小为10mv，则根据式子(4)，电阻值的最大变化量的绝对值为1时对应的作用时间1μs为最长作用时间，即所述为1μs。

根据式子(1)，若m2的初始值为0.7，则m1的初始值为0.3，权值w为0.4；根据式子(2)，w0为1时，δw为0.6，那么δm为0.3，根据式子(4)，电压vs为正的10mv，则作用时间为0.3μs时，电阻值m1就达到了目标初始电阻值0，电阻值m2达到了目标初始电阻值1，尽管作用时间还在继续，但m1以及的m2目标初始电阻值不再发生变化。根据式子(2)，w0为-1时，δw为-1.4，那么δm为-0.7，根据式子(4)，电压vs为负的10mv，则作用时间为0.7μs时，电阻值m1就达到了目标初始电阻值1，电阻值m2达到了目标初始电阻值0，后续的作用时间同样不影响目标初始电阻值的变化。

s32.设置短时记忆电压的作用时间为使得忆阻桥中忆阻器目标初始电阻值的变化量达到设定的目标变化量；本实施例中，与步骤s22的原理相同，如果忆阻桥的目标权值为4，先将该目标权值缩小10倍，得到目标权值为0.4，则设忆阻桥的初始权值为1，从初始权值1到目标权值0.4后的变化量δw为-0.6，那么所述目标变化量δm为-0.3，则根据式子(3)，电压vs为负的10mv，所述作用时间为0.3μs；如果忆阻桥的目标权值为-4，先将该目标权值缩小10倍，得到目标权值为-0.4，则设忆阻桥的初始权值为-1，则从初始权值-1到目标权值-0.4后的变化量δw为0.6，那么所述目标变化量δm为0.3，则根据式子(3)，电压vs为正的10mv，所述作用时间为0.3μs。

s33.将忆阻桥中忆阻器的目标初始电阻值与目标初始电阻值的目标变化量的和作为忆阻桥中忆阻器的目标电阻值；本实施例中，若设忆阻桥的初始权值为1，则所述电阻值m1的目标初始电阻值为0，电阻值m2的目标初始电阻值为1，目标变化量δm为-0.3，则电阻值m1的目标电阻值为0.3，电阻值m2的目标电阻值为0.7；若设忆阻桥的初始权值为-1，则所述电阻值m1的目标初始电阻值为1，电阻值m2的目标初始电阻值为0，目标变化量δm为0.3，则电阻值m1的目标电阻值为0.7，电阻值m2的目标电阻值为0.3。

s34.根据忆阻桥中各忆阻器的目标电阻值计算忆阻桥的目标权值。本实施例中，将电阻值m1的目标电阻值0.3以及电阻值m2的目标电阻值0.7带入式子(1)，可以得到权值0.4，将该权值还原放大10倍，则得到目标权值4；将电阻值m1的目标电阻值0.7以及电阻值m2的目标电阻值0.3带入式子(1)，可以得到权值-0.4，将该权值还原放大10倍，则得到目标权值-4。

本实施例中，步骤s32中，根据如下公式确定短时记忆状态下忆阻器电阻值的变化量：

δms＝kssign(vs)(vs)²ts；(4)

其中，δms为短时记忆状态下忆阻器电阻值的变化量；ks为短时记忆状态系数，本实施例中，取值为10^-5；sign(vs)为短时记忆电压vs的符号，如果电压vs为负值，则sign(vs)取值为-1，如果电压vs为正值，则sign(vs)取值为1；vs为短时记忆电压，大小为10mv；ts为短时记忆电压的作用时间，单位为ns；这里将mv和ns作为标准单位。

本实施例中，步骤s4中，由于短时记忆状态会自动衰减成稳定的长时记忆状态，而在衰减的过程中，容易造成短时记忆状态下生成的目标图片算子不稳定。若忆阻桥中所使用的忆阻器有阈值特性，也即是长短时记忆状态下生成的目标图片算子不受阈值以下电压信号的影响，本实施例中，长时记忆电压vl和短时记忆电压vs均为阈值电压，为了补偿衰减量，则在每一个像素电压信号后附带一个1ns的vs电压信号，保证了短时记忆状态下的电压不低于阈值电压，从而使得生成的目标算子更加稳定；若忆阻桥中所使用的忆阻器没有阈值特性，则设定自动衰减的时间略大于短时记忆状态下对图片的处理时间，当图片的处理时间为100μs时，那么自动衰减时间也近似为100μs，则对应的自动衰减速度f＝0.00001ω/ns，即每ns衰减0.00001ω，此衰减量0.00001ω可被图片像素电压信号抵消。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。