CN113094531B - 一种存内图像检索方法及检索*** - Google Patents

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Abstract

本发明属于信息计算领域，具体涉及一种存内图像检索方法及检索***，包括：提取待检索图像的特征得到特征编码，并以电压形式输入至非易失存储器阵列中的各存储单元，阵列预存储有图像数据库中所有图像的特征编码，每个存储单元存储一张图像的特征编码，该特征编码的提取方式同待检索图像的特征编码提取方式；根据每个存储单元所输出的其内各存储器累加电流值确定待检索图像特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小；确定相似度最大所对应的图像，完成图像检索。本发明引入非易失存储器阵列，可同时实现图像特征存储与检索，减少信息存储与传输的过程；且只需一次施加电压就可以实现与存储器内所有的图像特征比较，具有极高的并行度。

Description

一种存内图像检索方法及检索***
技术领域
本发明属于信息计算领域，更具体地，涉及一种存内图像检索方法及检索***。
背景技术
图像检索的目的是在图像数据库中查找与给定图像相似的内容。图像检索主要分为基于文本的图像检索和基于内容的图像检索，其中基于文本的检索方式已经不能适应当今社会呈***式增长的图像数据量，目前主要采用基于内容的图像检索方式。基于内容的图像检索主要通过提取图像特征的方式进行检索，对图像数据库中的所有图像用相同的方式进行特征提取然后建立索引，待检索的图像采用相同的特征提取方法，之后度量图像特征之间的距离，将距离较小的图像输出作为检索结果。
传统的计算机进行图像检索时，图像数据需要在存储器与处理器之间由总线进行传输，当图像数据量较大时，数据的频繁搬运会造成极大的能量效率并且降低图像检索的效率。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种存内图像检索方法及检索***，其目的在于改进传统架构在执行大规模图像检索时所存在的效率低、能耗高的缺点。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种存内图像检索方法，包括：
提取待检索图像的特征得到特征编码，并以电压的形式输入至非易失存储器阵列中的各存储单元，所述非易失存储器阵列预存储有图像数据库中所有图像的特征编码，每个存储单元存储一张图像的特征编码，该特征编码的提取方式同所述待检索图像的特征编码提取方式；
根据每个存储单元所输出的其内各存储器累加电流值，确定待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小；
确定相似度最大所对应的图像，完成存内图像检索。
进一步，所述电压为由0和Vread组合构成的方波形式，所述Vread的幅值大小不会改变存储器的阻态，进而不改变各存储单元所存储的特征编码信息，其中，Vread表示读电压。
进一步，将所述非易失存储器阵列的每一行作为一个存储单元；存储单元中每两个非易失存储器通过高低阻态的组合来存储特征编码的一位。
进一步，每个存储单元还配置有一个晶体管，用于接收控制指令以控制该存储单元对特征编码的擦除和写入操作。
进一步，在确定待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小之前，还包括：将各所述电流值转化为电压值，并进一步经过模数转换器转化为数字量，根据数字量的大小来确定待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小。
本发明还提供一种存内图像检索***，包括：
特征提取模块，用于提取输入的待检索图像的特征，得到特征编码；
存内检索模块，其包括非易失存储器阵列，用于将所述特征提取模块输入的特征编码以电压的形式输入至非易失存储器阵列中的各存储单元，所述非易失存储器阵列预存储有图像数据库中所有图像的特征编码，每个存储单元存储一张图像的特征编码，该特征编码的提取方式同所述待检索图像的特征编码提取方式；根据每个存储单元所输出的其内各存储器累加电流值，判断待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小；
结果比较模块，用于根据所述存内检索模块输出的各相似度大小，确定相似度最大所对应的图像。
进一步，所述电压为由0和Vread组合构成的方波形式，所述Vread的幅值大小不会改变存储器的阻态，进而不改变各存储单元所存储的特征编码信息，其中，Vread表示读电压。
进一步，将所述非易失存储器阵列的每一行作为一个存储单元；存储单元中每两个非易失存储器通过高低阻态的组合来存储特征编码的一位。
进一步，每个存储单元还配置有一个晶体管，用于接收控制指令以控制该存储单元对特征编码的擦除和写入操作。
进一步，在确定待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小之前，还包括：将各所述电流值转化为电压值，并进一步经过模数转换器转化为数字量，根据数字量的大小来确定待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)基于非易失器件的存储器可以实现在存储器内部完成图像的检索，不需要总线的数据传输过程，存储器可以直接输出图像特征之间的距离，提高了检索效率，降低了能耗。
(2)目前新型的非易失存储器一般是二端器件，器件更容易微缩，可以减小电路的面积。
(3)检索过程只需要施加读电压，该读电压的大小不足以改变存储器的阻值，因此不涉及改变存储器阻值的操作，极大地降低了功耗。
(4)检索过程具有极高的并行性，只需施加一次电压就可以一次性得到待检索图像的图像特征与存储器内所有图像特征的相似度计算结果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种存内图像检索方法流程框图；
图2为本发明实施例提供的基于非易失存储器的存内图像检索***结构示意图；
图3为本发明实施例提供的存内图像检索的流程图；
图4为本发明实施例提供的存内检索模块的电路结构示意图；
图5为本发明实施例提供的电压输入和数据存储的形式；
图6为本发明实施例提供的基于非易失存储器的汉明距离计算方法；
图7为本发明实施例提供的在非易失存储器阵列中擦除数据的操作示意图；
图8为本发明实施例提供的在非易失存储器阵列中写入数据的操作示意图；
图9为本发明实施例提供的在非易失存储器阵列中进行汉明距离计算示例。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
一种存内图像检索方法，如图1所示，包括：
提取待检索图像的特征得到特征编码，并以电压的形式输入至非易失存储器阵列中的各存储单元，非易失存储器阵列预存储有图像数据库中所有图像的特征编码，每个存储单元存储一张图像的特征编码，这些特征编码的提取方式同待检索图像的特征编码提取方式；
根据每个存储单元所输出的其内各存储器累加电流值，确定待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小；
确定相似度最大所对应的图像，完成存内图像检索。
需要说明的是，非易失存储器阵列中的非易失存储器可为忆阻器、相变存储器、铁电存储器、磁随机存储器或闪存等。另外，特征编码的提取可具体通过感知哈希算法生成图像指纹以得到图像的特征编码。
将每个存储单元所输出的电流值来表征待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码之间的汉明距离，本实施例通过非易失存储器阵列计算汉明距离实现相似度计算。最后通过比较相似度大小，来确定与待检索图像最相似的图像。因此，本实施例方案基于非易失器件的存储器可以实现在存储器内部完成图像的检索，不需要总线的数据传输过程，存储器可以直接输出图像特征之间的距离，提高了检索效率，降低了能耗。此外，目前新型的非易失存储器一般是二端器件，器件更容易微缩，可以减小电路的面积，因此，本实施例提出的存内图像检索技术可以有效的解决现有图像检索所存在的技术问题。
优选的，上述电压为由0和Vread组合构成的方波形式，Vread的幅值大小不会改变存储器的阻态，进而不改变各存储单元所存储的特征编码信息，存内检索模块在进行相似度计算过程中不会改变图像特征库中存储的信息其中，Vread表示读电压。因此，上述检索***在存储有图像数据库中所有图像的特征编码后可进行多次图像检索，每次检索后，非易失存储器阵列中所存储的特征编码都不会改变。
本实施例使用非易失存储器阵列实现图像数据库中图像特征编码存储。优选的，将非易失存储器阵列的每一行作为一个存储单元，存储一张图像的特征编码，这样便于采集每个存储单元所输出的各存储器电流累加值。存储单元中每两个非易失存储器通过高低阻态的组合来存储特征编码的一位。
优选的，每个存储单元还配置有一个晶体管，用于接收控制指令以控制该存储单元对特征编码的擦除和写入操作。
图像的特征编码存储主要包括擦除与写入两个部分，以实现非易失存储器阵列所存储的特征编码库的更新。由于晶体管的存在，在对每两个存储器中所存储的一位特征编码进行擦除与写入过程中，不会改变其他非易失存储器中所存储的信息。
优选的，在确定待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小之前，还包括：将各所述电流值转化为电压值，并进一步经过模数转换器转化为数字量，根据数字量的大小来确定待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小。
通过在非易失存储器阵列上施加读电压，用电流值表示计算结果。电流值对应图像之间的汉明距离计算结果，电流越小表示汉明距离距离越小，电流越大表示汉明距离越大；如果图像之间的汉明距离计算结果越小，则两张图像越相似；如果两张图像的汉明距离计算结果越大，则两张图像匹配程度越低。结果比较模块将读电流(即各存储单元输出的电流值)转化为电压；通过模数转换器将该电压值转化为数字量进行对比，以保证比较结果更加准确。
综上，本实施例采用新型非易失存储器作为存储单元，可以在同一阵列中实现图像特征存储与检索，减少了信息传输和存储的过程，提高了计算效率。另外，检索过程只需要施加读电压，该读电压的大小不足以改变存储器的阻值，因此不涉及改变存储器阻值的操作，极大地降低了功耗。同时，检索过程具有极高的并行性，只需施加一次电压就可以一次性得到待检索图像的图像特征与存储器内所有图像特征的相似度计算结果。
实施例二
一种存内图像检索***，包括：
特征提取模块，用于提取输入的待检索图像的特征，得到特征编码；
存内检索模块，其包括非易失存储器阵列，用于将所述特征提取模块输入的特征编码以电压的形式输入至非易失存储器阵列中的各存储单元，所述非易失存储器阵列预存储有图像数据库中所有图像的特征编码，每个存储单元存储一张图像的特征编码，这些特征编码的提取方式同所述待检索图像的特征编码提取方式；根据每个存储单元所输出的其内各存储器累加电流值，判断待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小；
结果比较模块，用于根据所述存内检索模块输出的各相似度大小，确定相似度最大所对应的图像。
如图2所示，本实施例还可以包括图像输入模块，该图像输入模块用于将待检索的图像输入到存内图像检索***中的特征提取模块；紧接着特征提取模块通过提取输入图像的特征得到特征编码，并输入给存内检索模块，以便于进行比较；存内检索模块用于存储图像数据库中所有图像的特征编码，构成图像特征库，同时可以计算输入图像的特征编码与存储特征编码之间的相似度，并输出相似度比较的结果。
具体如图3所示的具体操作流程：选择合适的特征提取方法对图像数据库中的所有图像提取特征，得到特征编码然后存储到非易失存储器阵列中，建立图像特征库；输入图像，采用相同的特征提取方法提取输入图像的特征，得到输入图像的特征编码；将输入图像对应的特征编码输入到非易失存储器阵列，与所有存储的图像特征编码进行相似度度量；比较相似度度量的结果，输出相似度较高的图像。需要说明的是，图中的“图像特征库”即为非易失存储器阵列所存储的图像的特征编码集合。
优选的，上述电压为由0和Vread组合构成的方波形式，Vread的幅值大小不会改变存储器的阻态，进而不改变各存储单元所存储的特征编码信息，存内检索模块在进行相似度计算过程中不会改变图像特征库中存储的信息其中，Vread表示读电压。因此，上述检索***在存储有图像数据库中所有图像的特征编码后可进行多次图像检索，每次检索后，非易失存储器阵列中所存储的特征编码都不会改变。
本实施例使用非易失存储器阵列实现图像数据库中图像特征编码存储。优选的，将非易失存储器阵列的每一行作为一个存储单元，存储一张图像的特征编码，这样便于采集每个存储单元所输出的各存储器电流累加值。存储单元中每两个非易失存储器通过高低阻态的组合来存储特征编码的一位。
优选的，每个存储单元还配置有一个晶体管，用于接收控制指令以控制该存储单元对特征编码的擦除和写入操作。
图像的特征编码存储主要包括擦除与写入两个部分，以实现非易失存储器阵列所存储的特征编码库的更新。由于晶体管的存在，在对每两个存储器中所存储的一位特征编码进行擦除与写入过程中，不会改变其他非易失存储器中所存储的信息。
优选的，在确定待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小之前，还包括：将各所述电流值转化为电压值，并进一步经过模数转换器转化为数字量，根据数字量的大小来确定待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小。
通过在非易失存储器阵列上施加读电压，用电流值表示计算结果。电流值对应图像之间的汉明距离计算结果，电流越小表示汉明距离距离越小，电流越大表示汉明距离越大；如果图像之间的汉明距离计算结果越小，则两张图像越相似；如果两张图像的汉明距离计算结果越大，则两张图像匹配程度越低。结果比较模块将读电流(即各存储单元输出的电流值)转化为电压；通过模数转换器将该电压值转化为数字量进行对比，以保证比较结果更加准确。
为了更清楚的表达实施例一和实施例二的方案，现给出如下说明：
如图4所示的存内检索模块的电路结构示意图，图像的特征编码存储在非易失存储器阵列中，两个非易失存储器存储一位信息，在执行检索操作时，将输入图像的特征编码以电压形式输入，然后统计并比较每一行的电流值，该电流值就表示输入图像与存储图像之间的汉明距离。其中，控制电路用来选择晶体管，对于选中的晶体管，其所在的存储有信息的非易失存储器单元(即前述的存储单元)可以被擦除和写入，未被选中的晶体管所在的存储单元不会***作。待检索图像的特征编码以电压形式同步输入每一行的存储单元中，每个存储单元输出电流值经过电压转化电路后输入到模数转换器以得到数字量输出。
如图5所示，关于电压输入和数据存储的形式。以两个非易失存储器和一个晶体管为一个存储单元进行数据存储，每个存储单元中，左侧的忆阻器称为M1，右侧的忆阻器称为M2，当M1为低阻态、M2为高阻态时，代表该存储单元存储“0”；M1为高阻态、M2为低阻态时，代表该存储单元存储“1”。M1施加电压为0V、M2施加电压为读电压VRead时，代表输入“1”；M1施加电压为读电压VRead，M2施加电压为0V时代表输入“1”，其中VRead为读电压，读电压应该小于存储器的操作电压，在施加过程中不会造成器件阻值的变化，同时要与0V电压存在区分，在实际应用中VRead一般设置为0.1V。当输入变量与存储变量相同时，读电压施加在高阻态器件上，得到小电流；当输入变量与存储变量不同时，读电压施加在低阻态器件上得到大电流，相当于完成了一次异或逻辑运算。
如图6所示，关于基于非易失存储器的汉明距离计算方法。以两组数据之间的汉明距离计算为例，其中一组数据以电压形式输入，另一组数据按照图5的方式存储，同时晶体管的栅极施加电压VG(使晶体管打开)。当施加电压时，对两组数据的每一位进行异或逻辑操作，最后读取的电流值就是两组数据之间的汉明距离计算结果。
如图7所示，当擦除第二行存储的数据“1001”时，施加电压VG选中该行后，在非易失存储器的上电极全部施加擦除(RESET)电压，将原来处于低阻态的器件转变为高阻态，原来处于高阻态的器件保持不变，之后该行非易失存储器的阻态全部转变为高阻态，此时该行不再存储数据；在擦除操作过程中，由于其它行未被选中，其中存储的信息不会被擦除。
如图8所示，当在第二行写入数据“1001”时，施加电压VG选中该行，根据写入数据的不同，施加不同的电压。如果要写入“0”，M1施加编程(SET)电压，将其转变为低阻态，M2不施加电压，其状态保持在高阻态；写入“1”时，施加的电压相反，M1不施加电压，M2施加SET电压，之后M2变为低阻态。按照图中所示的电压施加方式将“1001”写入到非易失存储器的第二行中。
如图9所示，计算了输入“1010”与存储在存储阵列中的“1110”、“1001”、“0100”和“0101”，在所有晶体管的栅极施加电压VG，使晶体管打开，按照图4所示的电压施加方式将输入序列对应的电压输入到非易失存储器的电极然后读取电流。以忆阻器的实际器件测试测试结果为例，模拟读电流的值分别为0.718mA、1.481mA、1.957mA、2.763mA，根据该器件高低阻态电流的平均值进行计算，汉明距离的值分别为1.07、2.21、2.92、4.13，与理论的汉明距离结果比较接近。
本发明提供的一种基于非易失存储器的存内图像检索方法和***，可以在存储器内实现图像检索，减少了信息的传输与存储过程，提高了计算效率；同时具有极高的并行度，可以同时实现与存储内所有图像之间的相似度计算。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种存内图像检索方法，其特征在于，包括：
提取待检索图像的特征得到特征编码，并以电压的形式输入至非易失存储器阵列中的各存储单元，所述非易失存储器阵列预存储有图像数据库中所有图像的特征编码，每个存储单元存储一张图像的特征编码，该特征编码的提取方式同所述待检索图像的特征编码提取方式；
根据每个存储单元所输出的其内各存储器累加电流值，确定待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小，具体的：所述电流值对应图像之间的汉明距离计算结果，电流越小表示汉明距离越小，电流越大表示汉明距离越大，如果图像之间的汉明距离计算结果越小，则两张图像越相似；如果两张图像的汉明距离计算结果越大，则两张图像匹配程度越低；
将各所述电流值转化为电压值，并进一步经过模数转换器转化为数字量，根据数字量的大小来确定待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小，确定相似度最大所对应的图像，完成存内图像检索。
2.根据权利要求1所述的一种存内图像检索方法，其特征在于，所述电压为由0和Vread组合构成的方波形式，所述Vread的幅值大小不会改变存储器的阻态，进而不改变各存储单元所存储的特征编码信息，其中，Vread表示读电压。
3.根据权利要求1所述的一种存内图像检索方法，其特征在于，将所述非易失存储器阵列的每一行作为一个存储单元；存储单元中每两个非易失存储器通过高低阻态的组合来存储特征编码的一位。
4.根据权利要求3所述的一种存内图像检索方法，其特征在于，每个存储单元还配置有一个晶体管，用于接收控制指令以控制该存储单元对特征编码的擦除和写入操作。
5.一种存内图像检索***，其特征在于，包括：
特征提取模块，用于提取输入的待检索图像的特征，得到特征编码；
存内检索模块，其包括非易失存储器阵列，用于将所述特征提取模块输入的特征编码以电压的形式输入至非易失存储器阵列中的各存储单元，所述非易失存储器阵列预存储有图像数据库中所有图像的特征编码，每个存储单元存储一张图像的特征编码，该特征编码的提取方式同所述待检索图像的特征编码提取方式；根据每个存储单元所输出的其内各存储器累加电流值，判断待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小，具体的：所述电流值对应图像之间的汉明距离计算结果，电流越小表示汉明距离越小，电流越大表示汉明距离越大，如果图像之间的汉明距离计算结果越小，则两张图像越相似；如果两张图像的汉明距离计算结果越大，则两张图像匹配程度越低；
结果比较模块，用于根据所述存内检索模块输出的各相似度大小，确定相似度最大所对应的图像，具体为：将各所述电流值转化为电压值，并进一步经过模数转换器转化为数字量，根据数字量的大小来确定待检索图像的特征编码与每个存储单元所存储的特征编码的相似度大小。
6.根据权利要求5所述的一种存内图像检索***，其特征在于，所述电压为由0和Vread组合构成的方波形式，所述Vread的幅值大小不会改变存储器的阻态，进而不改变各存储单元所存储的特征编码信息，其中，Vread表示读电压。
7.根据权利要求5所述的一种存内图像检索***，其特征在于，将所述非易失存储器阵列的每一行作为一个存储单元；存储单元中每两个非易失存储器通过高低阻态的组合来存储特征编码的一位。
8.根据权利要求7所述的一种存内图像检索***，其特征在于，每个存储单元还配置有一个晶体管，用于接收控制指令以控制该存储单元对特征编码的擦除和写入操作。
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