随着计算机技术的迅猛发展,数字图像处理在许多领域得到了广泛的应用。图像处理技术已经被广泛应用于工程学、计算机科学、信息科学、统计学、物理学、化学、生物学、医学、军事学甚至社会科学等多个学科,已成为与国计民生紧密相连的一门应用科学。然而,由于数字图像处理是一类访存密集型应用,其算法具有数据量大、计算复杂度高的特点,如何提高图像处理效率成为一个长期困扰图像界的棘手问题。尤其是在信息时代,网络的普及和大数据时代的来临,使得需要对海量的图像数据进行高效和实时的处理,迫切需要我们研究高效实时的图像处理技术。忆阻器是近年来发现的一种新型使能器件,具有非易失、密度高等优异的存储特性,基于忆阻器的纳米存储技术已成为新的研究热点。研究还发现,作为一种存储结构,忆阻器的纳米杆交叉结构上可以直接进行逻辑运算。这说明忆阻器具备融合计算和存储的能力,这一特性使得忆阻器技术有望解决图像处理所面临的问题,值得深入研究。本文以图像处理为所面向的领域,针对忆阻器在图像处理方面的研究现状和面临的问题,利用忆阻器兼具运算与存储功能这一特点,研究基于忆阻器的图像处理技术。首先在分析图像处理算法的基础上提出了基于忆阻器的图像处理运算与存储融合结构,然后对基本图像操作和公共基本逻辑单元进行基于忆阻器的设计,最后对设计进行实验验证和性能分析。具体而言,本文的主要工作和创新点体现在:1.提出了基于忆阻器的图像处理运算与存储融合结构(第二章)本文首先对图像处理领域的算法进行了考察和分析,并在此基础上提出了基于忆阻器的图像处理运算与存储融合结构。通过对图像处理算法的考察,筛选出适合于忆阻器实现的图像处理算法,然后对这些适合于忆阻器实现的图像处理算法进行进一步的分析,抽象出基本图像操作。再对这些基本图像操作进行性能分析,从而为后文的忆阻器运算与存储融合结构设计、以及忆阻器与传统技术应用于图像处理时的性能比较分析做准备。在上述分析工作的基础上,提出了基于忆阻器的图像处理运算与存储融合结构设计。具体包括忆阻器运算与存储融合结构的基本思想、图像数据的存储设计和图像数据的读写设计三个方面的内容。在运算与存储融合结构中,在图像数据的存储位置上即可进行简单的图像处理操作,从而大大减少图像数据的访存操作,达到提高图像处理性能和效率的目的。由于要考虑图像操作,因此,在运算与存储融合结构中图像数据的存储方式不同于传统的图像存储,必须兼顾存储效率和运算效率。为此,我们提出了的图像数据存储模式以及在该模式下图像数据的读写设计。和传统使用硬盘的存储结构相比,本文提出的融合结构可以显著减少图像数据的访存开销,从而提高图像处理的性能。2.在忆阻存储结构中设计了基本图像操作和基本逻辑单元(第三章)通过对图像处理算法的分析,我们抽象出了四类基本图像操作并对它们进行基于忆阻器融合存储结构的设计。抽象的基本图像操作包括图像逻辑操作、图像阈值分割、图像边缘检测和图像模板操作。结合忆阻器的特性,在忆阻存储结构中对这四类基本图像操作进行了设计。在设计过程中,我们进一步分析这些基本图像操作,得到它们使用到的四类公共基本逻辑单元,包括译码器、计数器、移位器和加法器,并在忆阻存储结构中对这些基本逻辑单元进行了设计。与传统设计相比,本文提出的设计可以在存储结构中完成基本图像操作,从而有效避免图像数据的读写,提高系统的效率。3.实验验证了本文设计的基本逻辑单元并对基本图像操作和基本逻辑单元的性能进行了分析(第四章)为了验证本文所提出的结构和设计的正确性,我们对其进行了实验验证和性能分析。实验验证采用的是模拟实验,使用电路模拟软件HSPICE进行模拟。首先对忆阻器模型在HSPICE模拟器中进行了实现,详细考察了不同的模型参数对忆阻器I-V特性的影响。可以根据研究的需要,适当地设置不同的参数以得到I-V特性不同的忆阻器。然后对基本逻辑单元的忆阻器设计进行模拟验证。我们在HSPICE模拟器中分别实现了基于忆阻器的3-8译码器、4位二进制计数器、8位数据的各种移位操作和加法器,验证了本文所设计的这些基本逻辑单元的正确性。最后根据第三章中对基本图像操作的忆阻器设计,对基本图像操作和基本逻辑单元的忆阻器设计进行了性能分析,并与传统的图像处理技术进行比较,从而说明我们的设计的高效性。