基于改进忆阻细胞神经网络的彩色图像边缘提取  被引量:16

Color image edge extraction using memristor-based CNN

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作  者:杨婷[1] 段书凯[1] 王丽丹[1] 董哲康 胡小方[3] Ting YANG Shukai DUAN Lidan WANG Zhekang DONG Xiaofang HU(School of Electronics and Information Engineering, Southwest University, Chongqing 400715, China College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China School of Computer Science and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China)

机构地区:[1]西南大学电子信息工程学院,重庆400715 [2]浙江大学电气工程学院,杭州310027 [3]西南大学计算机与信息科学学院,重庆400715

出  处:《中国科学:信息科学》2017年第7期863-877,共15页Scientia Sinica(Informationis)

基  金:国家自然科学基金(批准号:61372139;61571372;61101233;60972155);新世纪优秀人才支持计划(教技函[2013]47号);教育部"春晖计划"科研项目(批准号:Z2011148);中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:XDJK2016A001;XDJK2014A009;XD JK2016D008);留学人员科技活动项目择优资助经费(国家级;优秀类;渝人社办(2012)186号);重庆市高等学校优秀人才支持计划(渝教人(2011)65号)资助项目

摘  要:细胞神经网络具有局部互联结构和高速并行处理的能力,被广泛应用于图像处理.然而,一方面,现有处理方法大多采用固定模板,在处理实际复杂图像时难以得到较好的效果.另一方面,因传统CMOS工艺发展瓶颈,利用其实现大规模细胞神经网络变得不切实际.本文首先以人眼感知原理为基础,考虑图像中各个像素空间分布的影响,提出了一种新型阈值自适应算法,其克服了传统边缘提取算法的局限性.利用具有独特开关转换机制、非易失性和纳米级尺寸等优点的新型非线性两端电路元件忆阻器来解决CNN的硬件实现难题.将自旋忆阻器与细胞神经网络相结合形成忆阻细胞神经网络作为算法的硬件.最后,对彩色图像的边缘提取进行数值仿真,抗噪性检测,与传统边缘提取算法对比分析,并计算各算法边缘提取结果的FOM(figure of merit)值和峰值信噪比(PSNR),验证了基于像素空间分布的阈值自适应忆阻细胞神经网络在彩色图像边缘提取中的有效性.Because of the locally connected lattice structure and high-speed parallel processing, cellular neural network(CNN) have been widely used in image processing. Traditional processing methods typically employ fixed templates, which impose significant limitations on practical complex image processing. However, the hardware implementation of large-scale CNNs becomes impossible due to the bottleneck of traditional CMOS technology.In this paper, a new threshold-adaptive algorithm is proposed by considering pixel space distributions based on human visual perception, which can overcome the aforementioned limitation. Then, the memristor, a twoterminal nonlinear device with unique high-speed switching, nonvolatility, and nanometer scale is used to solve the circuit realization problem. Specifically, we design a spintronic memristor-based CNN(SMCNN) to facilitate the proposed threshold-adaptive algorithm. Finally, by using the example of color image processing, the effectiveness of the proposed SMCNN is demonstrated by means of numerical simulations and comparative analysis.

关 键 词:忆阻器 细胞神经网络 彩色图像处理 边缘提取 自适应阈值 

分 类 号:TP183[自动化与计算机技术—控制理论与控制工程] TP391.41[自动化与计算机技术—控制科学与工程]

 

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