Оптические процессоры

метки: Оптический, Информация, Преобразователь, Устройство, Изображение, Преобразование, Фильтрация, Помощь

Развитие науки и техники идет по пути быстрого и постоянно увеличивающегося роста потока информации, подлежащего переработке и использованию. Поэтому проблема эффективной и своевременной обработки больших массивов информации приобретает все большее значение. Несмотря на достигнутые успехи, прогресс цифровой вычислительной техники в значительной мере отстает от возрастающих требований. Уже в настоящее время имеется много задач, которые ЦЭВМ не способны решать с требуемой скоростью. Можно указать, например, на многопараметрические задачи управления производством и технологическими процессами. В связи с этим специалисты отыскивают новые методы и средства обработки информации, с помощью которых можно успешно преодолеть возникшие трудности.

Большое место в проводимых исследованиях уделяется оптическим методам и средствам обработки информации. Бурное развитие когерентной оптики и голографии, обусловленное появлением лазеров, вновь обратило внимание специалистов на возможность выполнения ряда вычислительных операций оптическими методами. Интерес к оптическим методам обработки информации обусловлен исключительно высокой информационной емкостью светового поля как переносчика информации, высокой скоростью распространения оптических сигналов и сравнительной легкостью осуществления целого ряда интегральных операций над двумерными массивами информации.

Работы по созданию оптических процессоров начались еще в 80-х гг. Оптический процессор должен был использовать специальные элементы, в которых свет управляет светом. Логические операции представлены как взаимодействия вещества со светом. В 1990 году фирма «Bell» создала макет оптического устройства и продемонстрировала выполнение логических и арифметических операций с очень высоким быстродействием. В 2003 году компания Lenslet создала первый в мире оптический процессор, причем это была не демонстрационная модель, а коммерческий продукт. Процессор назывался EnLight256, его производительность составляла 8 тераоп (триллионов арифметических операций в секунду).

Операции выполнялись за счет манипуляции потоков света, а не электронов, поэтому достигалась такая производительность. Обычному пользователю это не требуется, но нужно отметить, что оптические процессоры пока не ориентированы на обычного пользователя. Оптические технологии в первую очередь рассчитаны на промышленное производство, военную технику – там, где нужно в реальном времени обрабатывать большие потоки информации.

Основу современных ЦЭВМ составляют базовые логические элементы 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ и др., которые создаются по кремниевой технологии и выполняют требуемые функции за счет преобразования потока электронов. Естественно было бы предположить, что в основу оптических процессоров должны быть положены те же логические элементы с тем же набором функций, но манипулирующие световым потоком, а не потоком электронов.

Логические элементы

... счисления. От десятичных логических элементов перешли к двоичным логическим элементам. Двоичность и троичность позволяет значительно сократить количество операций и элементов, выполняющих эту обработку, по сравнению с десятичными логическими элементами. Логические элементы выполняют логическую функцию (операцию) с входными ...

1 ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОПТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОРОВ

Основные элементы оптических процессоров с переносом изображения давно известны. Это – линза, зеркало, оптический транспарант (транспарант – прозрачная пластина, на которой каким-либо способом нанесено изображение, представляющее собой пространственное распределение коэффициента поглощения, коэффициента преломления (или толщины) или же того и другого одновременно) и слой пространства. В настоящее время к ним добавились волновые элементы, а также лазеры, полупроводниковые многоэлементные фотоприемники, нелинейные оптические среды, разного рода дефлекторы и светоклапанные устройства.

Базисная логическая функция, с помощью которой можно построить любой, сколь угодно сложный цифровой компьютер, имеет множество оптических реализаций. На рисунке 1 дан простой пример построения многовходовой функции ИЛИ-НЕ/И-НЕ с помощью линзы L и порогового устройства-инвертора N.

Рисунок 1 – Построение функции ИЛИ-НЕ/И-НЕ

Здесь в качестве порогового элемента можно использовать как оптическое светоклапанное устройство (переключающаяся бистабильная среда), так и простой фотоэлектронный приемник с нелинейной передаточной характеристикой (т.е. нелинейной зависимостью интенсивности выходного светового потока от входного).

На рисунке 2 показан оптический процессор, реализующий преобразование входного вектор-строки в выходной вектор-столбец.

Рисунок 2 – Преобразование вектор-строки в вектор-столбец

Здесь LED – линейка светоизлучающих диодов. Они расположены на фокальной линии цилиндрической линзы L1. T – оптический транспарант с записанной на нем матрицей пропускания T(i,j).

Строки матрицы параллельны образующей первой линзы. L2 – цилиндрическая линза, образующая которой параллельна столбцам матрицы транспаранта. Она собирает лучи, прошедшие через элементы одной строки, на одном пикселе многоэлементного фотоприемника D. Не трудно увидеть, что входной Х и выходной У вектора связаны линейным преобразованием

У = ТХ.

В оптической системе возможна также обработка двумерных структур. На рисунке 3 представлена схема оптического процессора, реализующего операцию свертки двух изображений, которая лежит в основе работы многих устройств ассоциативной памяти и распознавания образов.

Рисунок 3 – Свертка изображений

Здесь S – плоский однородный источник света, L1 и L2 – сферические линзы, D – матричный фотоприемник, T1 и T2 – транспаранты, пропускание которых соответствует двум обрабатываемым изображениям.

Распределение интенсивности излучения на матричном фотоприемнике пропорционально интегралу:

Оптические линзы и их использование

... линза. Линзы характеризуются, как правило, своей оптической силой (измеряется в диоптриях), или фокусным расстоянием, а также апертурой. Для построения оптических приборов с исправленной оптической ... по другую сторону линзы. Основные элементы линзы NN -- главная оптическая ось -- прямая линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу; O -- оптический центр -- ...

J(x,y)=(T1(x-u, y-v) T2(u,v)) du dv.

В предыдущих примерах свет выполнял ту роль, что и электроны в проводниках обычных микросхем. При этом в качестве «проводов» выступали геометрические лучи. Понятно, что с таким же успехом свет можно загнать в волновод и организовать вычислительную среду по принципам, близким к идеологии электронной полупроводниковой микросхемотехники. Этим занимается интегральная и волновая оптика.

Принципиально новые возможности дает использование свойств пространственной когерентности излучения. Так, в когерентной оптике легко реализуются следующие математические операции над комплексными функциями двух переменных: умножение и деление, сложение и вычитание, интегрирование и дифференцирование, вычисление свертки и корреляции, преобразование Фурье, преобразование Гильберта, преобразование Френеля и ряд других, можно показать, что даже с помощью только двух базовых операций умножения и преобразования Фурье можно выполнить целую серию других (сложение и вычитание, дифференцирование, интегрирование с весом, свертка, изменение масштаба аргумента функции, восстановление функции из ее спектральной плотности и др.).

когерентного оптического процессора, так называемая 4F-схема, приведена на рисунке 4. Здесь LS – лазерная осветительная система, формирующая широкий пучок когерентного излучения. T1 и T2 – амплитудно-фазовые транспаранты, модулирующие фазу и амплитуду проходящей световой волны. L1 и L2 – сферические линзы с фокусным расстоянием F. Результирующий сигнал считывается матричным фотоприемником D.

Рисунок 4 – Когерентный оптический процессор

Распределение амплитуды светового поля в плоскости фотодетектора пропорционально свертке амплитудного пропускания первого транспаранта с Фурье-образом амплитудного пропускания второго транспаранта. Процессоры такого типа используются в качестве комплексных пространственных фильтров в системе улучшения качества изображения, а также в системах распознавания образов.

Фурье-спектр двумерного сигнала вычисляется с помощью линзы L и слоя пространства длиной F так, как показано на рисунке 5. Остальные элементы предназначены для ввода-вывода данных и освещения системы.

Рисунок 5 – Вычисление Фурье-спектра двумерного сигнала

Для обычного компьютера, использующего быстрый алгоритм Кули-Тьюки, длительность Фурье-преобразования растет с ростом точек дискретизации n пропорционально: n log(n).

В оптическом компьютере эта процедура даже в двумерном случае выполняется всего за один машинный такт, что делает оптический компьютер незаменимым для решения задач, требующих быстрой оценки ситуации и управления в реальном времени.

2 СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССОРЫ

В настоящее время развитие методов и средств оптической обработки информации идет по пути создания специализированных аналоговых оптических вычислительных устройств для решения достаточно широкого круга прикладных задач.

МИКРОПРОЦЕССОРНОЕ УСТРОЙСТВО

... объекта. Объектами исследования являются: датчики для бесконтактного измерения температуры, микроконтроллеры. Задача работы: разработка устройства для бесконтактного измерения температуры на микроконтроллере Atmel. 1 Основные принципы и способы бесконтактного измерения температуры различных объектов 1.1 Классификация термометрических ...

Можно выделить следующие 4 группы таких устройств в зависимости от выполняемых операций и их структуры.

1) Специализированные оптические процессоры, предназначенные для двумерного спектрального анализа изображений или многоканального спектрального анализа электрических сигналов. В простейшем случае (при разложении по Фурье) оптический анализатор спектра содержит всего одну линзу, устройство ввода и устройство вывода в виде матрицы фотодетекторов.

2) Специализированные оптические процессоры, предназначенные для выполнения операций линейной пространственной фильтрации над изображениями или многоканальной фильтрации над электрическими сигналами. Эти процессоры содержат две линзы, осуществляющие два последовательных Фурье-преобразования, устройства ввода и вывода и амплитудный фильтр-маску в частотной плоскости для модуляции пространственно-частотного спектра входного изображения требуемым образом.

3) Специализированные оптические процессоры, предназначенные для выполнения операций двумерного корреляционного анализа изображений или для многоканального корреляционного анализа электрических сигналов. Данные корреляторы обычно синтезируют на основе оптических схем пространственной фильтрации, в которых в качестве фильтров-масок используют так называемые голографические согласованные фильтры, представляющие собой фурье-голограммы опорного изображения или электрического сигнала.

4) Специализированные оптические процессоры, предназначенные для выполнения одномерных и двумерных интегральных преобразований Гильберта, Френеля и др. над электрическими сигналами или изображениями. Преобразования Гильберта могут быть реализованы, например, в двухлинзовой схеме пространственной фильтрации с помощью дифракционных решеток со сбоем.

В будущем просматривается создание универсальных оптических вычислительных устройств, как аналоговых, так и цифровых, пригодных для решения широкого класса задач.

2.1 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ОПТИЧЕСКОГО ПРОЦЕССОРА

схема специализированного оптического процессора представлена на рисунке 6. Специализированный оптический процессор включает в себя источник когерентного света (ОКГ), расширитель пучка, устройство ввода информации, собственно аналоговым оптический вычислитель (процессор), устройство вывода информации и запоминающее устройство.

Рисунок 6 – Обобщенная структурная схема специализированного оптического процессора

ввода служит для преобразовании подлежащей обработке информации в форму, удобную для использования в оптическом вычислителе, и его задачей является осуществление пространственной модуляции, сформированной расширителем пучка плоской монохроматической волны по амплитуде, фазе или поляризации в соответствии с обрабатываемыми сигналами. Таким образом, устройство ввода преобразует обрабатываемые сигналы, имеющие различную физическую природу, в когерентные оптические сигналы. Обычно обрабатываемые сигналы поступают в электрической или оптической форме. Для преобразования электрических сигналов в оптические используют ультразвуковые модуляторы света или электронно-лучевые трубки с экраном в виде термопластической мишени, электрооптического кристалла, катодохромного материала и др. При оптической обработке изображений устройство ввода должно преобразовывать изображение в некогерентном свете в изображение в когерентном свете. Такое преобразование можно осуществить, например, с помощью электрооптических или жидких кристаллов, которые в совокупности со слоем фотопроводника образуют сложную структуру типа: прозрачный металлический электрод — фотопроводник — кристалл — прозрачный металлический электрод.

Исследование радиотехнических сигналов

... и частоты приведены в таблице 5. Таблица 5 Значения коэффициентов ряда Фурье, АЧХ и ФЧХ сигнала n a (n), mV b (n), mV A (n), mV ... функция может быть представлена в виде суммы обобщенного ряда Фурье В котором коэффициенты называются спектральными составляющими сигнала и определяются Наибольшее распространение получила ортогональная система основная на ...

Аналоговый оптический вычислитель осуществляет над сфокусированным в устройстве ввода когерентным оптическим сигналом требуемую математическую операцию и представляет результат вычислений в виде некоторой световой картины, распределение комплексных амплитуд поля в которой связано с распределением поля на входе требуемым математическим соотношением. Для выполнения математических операций обычно используют амплитудные маски или голограммы, устанавливаемые в определенных местах оптической схемы, и с их помощью осуществляют пространственную модуляции поля по требуемому закону.

вывода информации преобразует результат вычислений в электрический сигнал для последующей обработки в ЦЭВМ или ином электронном устройстве, либо регистрирует его на светочувствительный носитель (например, фотопленку).

Для преобразования оптических сигналов в электрические обычно используют пространственно распределенные фотоприемники (например, передающие телевизионные трубки или матрицы фотодетекторов) либо одиночные дискретные фотоприемники в виде фотодиодов или фотоэлектронных умножителей.

Запоминающее устройство (оптическое или голографическое) служит для хранения требуемого набора эталонных масок или голограмм и является обязательным функциональным блоком в оптико-электронных информационно-поисковых системах, а также в многофункциональных аналоговых оптических вычислительных

2.2 СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Операция преобразования Фурье над двумерными комплексными функциями является элементарной в когерентной оптике и осуществляется с помощью обычной сферической линзы (рисунок 7).

Рисунок 7 – Схема двумерного оптического анализатора спектра пространственных частот

Если в передней фокалькой плоскости линзы Л поместить транспарант, на котором записана некоторая функция g(х,у) в виде изменения амплитудного пропускания транспаранта, и осветить его плоской монохроматической волной единичной амплитуды, то распределение комплексных амплитуд в задней фокальной плоскости будет представлять собой фурье-образ этой функции с точностью до некоторого фазового множителя

(1)

или в символической записи

Здесь и — ? — координаты в задней фокальной плоскости; f — фокусное расстояние линзы; ? — длина волны используемого света; f [ ] — оператор Фурье-преобразования.

Помощь по Теле2, тарифы, вопросы (3)

... сигнал; осуществляет фильтрацию сигнала; осуществляет линеаризацию статической характеристики датчика с целью получения линейного диапазона. Для расчетных целей исходную схему упрощают до схемы, показанной на рис.2, где АР -- регулятор, ... проблемы осуществляется с помощью той же системы стабилизации, задание которой изменяется от программного задатчика. регулятор автоматический конструирование ...

Соотношение (1) получено в предположении, что оптическая система является линейной, пространственно-инвариантной и работает в параксиальной области. Из этого соотношения следует, что обычная линза является анализатором спектра пространственных частот. Точность выполнения операции спектрального анализа зависит от степени выполнимости принятых допущений, величины аберраций линзы и составляет единицы процентов при использовании оптики, характеризующейся среднеквадратичным значением аберраций ??0,02?.

При необходимости обработки одномерных сигналов (например, электрических) вторую координату используют для реализации многоканальной обработки. В этом случае применяют цилиндрические линзы, осуществляющие Фурье-преобразование только вдоль одной оси. При использовании 35 мм фотопленки с разрешающей способностью 100 мм ^-1 нетрудно реализовать параллельный спектральный анализ одновременно в 1000 каналов. Для обработки электрических сигналов в реальном времени используют явление дифракции света на ультразвуковых волнах, возбуждаемых в акустооптических модуляторах света. Число каналов при этом ограничивается апертурой используемой оптики и технологическими возможностями изготовления многоканальных ультразвуковых модуляторов света (в настоящее время оно составляет несколько десятков).

Получение транспарантов с амплитудным пропусканием, измеряющимся в линейном соответствии с обрабатываемым сигналов, встречает определенные трудности, вызванные нелинейностью характеристик фотопленки. Это обстоятельство существенно ограничивает динамический диапазон обрабатываемых сигналов и точность анализа. Поэтому при обработке одномерных сигналов целесообразно использовать «силуэтную» форму записи. При силуэтной форме записи анализируемая функция представляется в виде двух частей

каждая из которых описывает, соответственно, положительную и отрицательную части. Тогда амплитудная прозрачность силуэтной маски будет иметь вид

где

Отрицательная амплитудная прозрачность реализуется с помощью полуволновой фазосдвигающей пластинки, перекрывающей отрицательную часть анализируемой функции.

Нетрудно показать, что распределение комплексных амплитуд света в задней фокальной плоскости сферической линзы вдоль оси р при освещении силуэтной маски, помещенной в передней фокальной плоскости, плоской монохроматической волной будет иметь следующий вид:

(2)

Определение газового состава при помощи оптических датчиков

... классификация датчиков газового состава электрохимические датчики на основе твердых электролитов; электрические датчики; катарометры; парамагнитные датчики; оптические датчики. Далее, следуя теме реферата, будет рассмотрен только один тип датчиков. Оптические датчики ... в табл. 1. Таблица 1. Основные газы, анализируемые с помощью оптических излучений Длина волны, нм Рентгенов­ское излучение 10 -2 ...

т.е. представляет собой одномерное Фурье-преобразование анализируемой функции. При сканировании полученного светового распределения точечным фотоприемником получается спектр функции.

Спектральный анализ, осуществляемый с помощью когерентных оптических анализаторов, применяется для решения разнообразных задач: измерения и контроля диаметра сверхтонкой проволоки; анализа микроструктур в биологии; количественной обработки интерферограмм в фурье-спектроскопии; формирования признаков в устройствах распознавания образов; интерпретации геологического материала; многоканального спектрального анализа сигналов электрической и иной природы и др.

Пример. Контроль диаметра сверхтонкой проволоки удобно производить путем анализа пространственного спектра, получаемого с помощью линзы при просвечивании проволоки коллимированным светом лазера. Нетрудно получить спектр крупного масштаба, что существенно облегчает измерения. Расстояние между двумя соседними нулями в спектре однозначно связано с диаметром проволоки. Измеряя это расстояние с помощью электронных приборов, можно осуществить бесконтактный автоматический контроль проволоки непосредственно в процессе ее изготовления.

2.3 ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ

Простота осуществления операций прямого и обратного Фурье-преобразования над двумерными функциями (в общем случае комплексными) в сочетании с голографическим способом регистрации световых полей открывает широкие возможности для синтеза схем пространственной фильтрации с произвольным видом передаточной функции.

На рисунке 8 приведена наиболее распространенная схема пространственной фильтрации, состоящая из точечного монохроматического источника света, устройства формирования плоской монохроматической волны и двух линз Л _п , и Л_в , отстоящих друг от друга на расстоянии, равном сумме их фокусных расстояний.

Рисунок 8 – Схема устройства пространственной фильтрации изображений

Преобразующая линза Л _п осуществляет двумерное Фурье-преобразование над функцией g(х,у), записанной в виде изменения амплитудного пропускания (или изменения рельефа или коэффициента преломления) транспаранта, помещаемого в передней фокальной плоскости, и отображает, таким образом, в своей задней фокальной плоскости пространственно-частотный спектр этой функции:

В частотной плоскости помещается фильтр-маска с передаточной характеристикой (характеристикой амплитудного пропускания) Н(р,q).

Непосредственно за фильтром распределение комплексных амплитуд будет равно произведению g(p,q) h(p,q) .

Восстанавливающая линза Л _в осуществляет повторное фурье-преобразование над видоизменённым пространственно-частотным спектром и формирует в выходной плоскости распределение амплитуд света, описываемое выражением:

Оптические рефлектометры

... диагностики волоконно-оптических линий связи и научное обоснование алгоритмического принципа обработки данных оптических рефлектометров. В ... 5.3.3 Метод медианной фильтрации 5.4 Алгоритм увеличения метрологических характеристик рефлектометров Выводы по главе ... мультиплексоре и параметры оптического волокна конкретного направления, с помощью обычного рефлектометра вообще невозможно. Применение ...

где h (u,v) = f ^-1 h(p,q) — импульсная реакция схемы пространственной фильтрации; символ * означает операцию свертки.

Таким образом, распределение комплексных амплитуд в выходной плоскости представляет собой свертку входной функции с импульсной характеристикой схемы пространственной фильтрации h(u,v).

Следовательно, для вычисления свертки двух двумерных функций необходимо одну из свертываемых функций подать на вход схемы пространственной фильтрации, а в частотную плоскость поместить Фурье-образ второй функции.

Если Н(р,q) =1, то h(u,v) = ?(u,v), на выходе получается перевернутое изображение функции g(х,у).

В простейших случаях достаточно использовать амплитудные фильтры (бинарные в виде диафрагм, колец, целей и полутоновые с произвольным законом изменения пропускания).

Обычно такие фильтры изготавливают на фотоматериалах путем регистрации требуемого распределения света, формируемого в специальных оптических схемах, или синтезируют на ЦЭВМ. В общем случае для синтеза произвольной импульсной характеристики необходимо воздействовать и на амплитуду и на фазу гармоник пространственно-частотного спектра. Это осуществляется с помощью фильтров с комплексной функцией прозрачности или с помощью голограмм.

фильтрация находит применение как для обработки изображения, так и для многоканальной обработки электрических сигналов.

Можно указать следующие задачи, которые могут эффективно решаться методом пространственной фильтрации:

• улучшение качества изображений путем их апостериорной обработки;
• повышение контраста, устранение дефокусировки и смаза, подавление аддитивных помех;
• осуществление над изображением операций типа дифференцирования, преобразования Гильберта и др;
• обработка сигналов фазированных антенных решеток;
• многоканальная фильтрация электрических сигналов;
• машинная обработка геофизических данных;
• обработка снимков треков пузырьковых камер и др.

Пример. Апостериорная обработка изображений: повышение контраста и устранение дефокусировки.

Для повышения контраста изображений необходимо ослабить нулевые пространственные частоты по отношению к спектру сигнала. Это достигается с помощью режекторного фильтра с передаточной характеристикой:

(4)

где ? — область локализации нулевых пространственных частот; 0?t?1 — минимальная прозрачность режекторного фильтра, величина которой зависит от контраста обрабатываемого изображения.

Дефокусировка изображения может быть устранена с помощью фильтра, передаточная характеристика которого обратна передаточной характеристике изображающей системы. Поскольку в общем случае требуемая характеристика обратного фильтра должна быть комплексной, возникли известные трудности при синтезе таких фильтров на фотоматериале. Дж.Строук предложил оригинальный способ синтеза требуемого фильтра путем наложения двух транспарантов, на одном из которых голографическим способом синтезирован фильтр с передаточной функцией, комплексно-сопряженной требуемой, т.е. Н ₁ =Т^* , а на другом — фильтр с амплитудный коэффициентом пропускания Н² =1/|Т|² . Тогда результирующая передаточная характеристика будет

Обработка звуковой информации

... обработке звуковой информации 1.1 Профессиональная обработка звука Под обработкой звука следует понимать различные преобразования звуковой информации с целью изменения каких-то характеристик звучания. К обработке звука относятся способы создания различных звуковых эффектов, фильтрация, ... на пространственные характеристики ... звуковой картой, коды нот, которые она должна "изобразить". Эта технология ...

(5)

С помощью такого фильтра Строуку удалось существенно повысить разрешение электронных микроскопов, что позволило получить изображение двойной спирали ДНК.

2.4 КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

Когерентные оптические корреляторы можно синтезировать как в предметной, так и в частотной области. При обработке двумерных функций удобнее использовать корреляторы, синтезируемые в частотной области, поскольку они не требуют перемещений анализируемых функций относительно друг друга. Они реализуются на базе схемы пространственной фильтрации с помощью голографических согласованных фильтров ГСФ.

Схема согласованной пространственной фильтрации осуществляет параллельный корреляционный анализ входного изображения. Результат анализа отображается в выходной плоскости в виде некоторой световой картины тем пучком света, который дифрагирует на фильтре-голограмме в направлении распространения опорного пучка при записи фильтра и представляет собой поле функций взаимной корреляции входного изображения и эталонного изображения, записанного на фильтре-голограмме. Схема согласованной пространственной фильтрации слабо чувствительна положению опознаваемого объекта в пределах анализируемого изображения, однако допустимые изменения его масштаба и угловой ориентации не должны превышать, соответственно ± (5?10)% и 2?5° по отношению к эталону в зависимости от структурной сложности объекта. Отношение сигнал/шум на выходе схемы колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен в зависимости от структуры объекта и окружающего его фона. Неинвариантность схемы фильтрации к масштабу и ориентации объекта может быть устранена путем использования многоканального фильтра, либо путем осуществления поиска по масштабу и ориентации. В последнем случае увеличивается время анализа.

С помощью согласованной пространственной фильтрации могут быть решены следующие задачи:

• обнаружение объектов на некотором сложной фоне;
• навигационная привязка летательных аппаратов по наземным ориентирам;
• исследование скорости движения облаков по фотоснимкам, получаемых с метеорологических спутников;
• автоматический дактилоскопический поиск (опознавание полных отпечатков пальцев);
• автоматическая идентификация ИК спектров веществ;
• ввод буквенно-цифровой информации в ЦЭВМ;
• интегральный контроль качества печатных плат и интегральных схем;
• интегральный контроль предела усталости лопаток турбин;
• идентификация и распознавание электрических сигналов;
• оптимальная фильтрация электрических сигналов;
• многоканальный корреляционный анализ электрических сигналов и др.

Пример. Исследование скорости движения облаков и интегральный контроль качества печатных плат.

Сущность метода исследования скорости движения облаков состоит в анализе снимков облачности над одним и тем же участком земной поверхности, получаемых со стационарного метеоспутника с определенным интервалом (20-30 мин).

По первому снимку делают ряд ГСФ на наиболее интересные для метеорологов фрагменты облачности и определяют их координаты путем обработки снимка на согласованном пространственном фильтре. Затем обрабатывают второй снимок. Поскольку за время между снимками облака не успевают существенно изменить свою структуру, то в результате корреляционного анализа второго снимка на выходе получают смешение корреляционных пиков. Определив их координаты и сравнив корреляционные поля второго и первого снимков, можно найти скорости и направления перемещения облаков, т.е. составить поле ветра.

Сущность метода контроля качества печатных плат состоит в сравнении рисунка печатного монтажа до и после температурных воздействий. С этой целью на рисунок печатного монтажа платы в нормальных условиях изготавливают ГСФ и измеряют интенсивность корреляционного пятна на выходе согласованного фильтра. Затем плату последовательно нагревают и охлаждают до температур, оговариваемых в технических условиях, и при нормальной температуре опять устанавливают в схему согласованной фильтрации. Из-за неодинаковых температурных коэффициентов расширения печатных проводников и материала платы возникают остаточные деформации, которые изменяют положение печатных проводников на плате. В результате смещения проводников интенсивность корреляционного пятна будет изменяться в зависимости от величины смещения (деформации).

Измеряя интенсивность корреляционного пятна до и после температурных воздействий можно оценить величину возникших при этом остаточных деформаций и осуществить технологический контроль качества печатных плат. На рисунке 9 представлена схема получения ГСФ непосредственно с поверхности платы, т.е. в отраженном свете, и схема обработки.

Рисунок 9 – Схема устройства согласованной пространственной фильтрации для контроля печатных плат: а) в режиме записи ГСФ; б) в режиме измерений

Зависимость интенсивности корреляционного пятна от величины деформации иллюстрирует рисунок 10. Аналогичным образом можно обнаруживать начинающиеся усталостные разрушения в механических деталях (например, в лопатках турбин).

Смещение печатных проводников (10 ^-3 дюйма)

Рисунок 10 – Зависимость интенсивности корреляционного пятна от величины деформации печатных проводников

Метод согласованной пространственной фильтрации при решении задач контроля безусловно уступает интерферометрии и по чувствительности и по точности, однако он не требует сложной расшифровки интерферограмм, проще, является интегральным методом и легко поддается автоматизации.

Возможности оптических методов обработки информации в решении задач измерений и контроля далеко не исчерпываются приведенными примерами. Достоинством оптических методов измерений является простота, экспрессность измерений и легкость автоматизации, что весьма существенно при внедрении этих методов в промышленность. Обеспечиваемая при этом точность в большинстве случаев вполне достаточна для практики. Оптические методы измерений и контроля особенно эффективны, когда необходимо дать интегральную оценку качества или когда нельзя использовать контактные методы измерений.

2.5 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ГИЛЬБЕРТА

Преобразование Гильберта является частным случаем линейной фильтрации. Поскольку пропускание фильтра Гильберта g ₀ (x) равно 1, то отфильтрованное изображение содержит всю энергию сигнала, без потерь.

Рисунок 11 – Визуализация фазового объекта П с помощью фазового ножа, осуществляющего преобразование Гильберта фазового объекта. Фазовый нож ФН создает сдвиг фазы в половине спектра пространственных частот объекта. Линзы ?₁ и ?₂ выполняют преобразование Фурье, прямое и обратное.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Оптические методы обработки информации открывают принципиальную возможность создания вычислительных машин как узко специализированных, так и более универсальных, построенных на совершенно новых принципах. В настоящее время развитие оптической обработки информации идет по пути создания специализированных аналогичных оптических вычислительных устройств для решения широкого круга задач в различных областях науки и техники, а также по пути создания дополнительных оптических устройств к существующим ЦЭВМ с целью увеличения их производительности: голографических и оптических запоминающих устройств различных типов и устройств ввода-вывода изображений. В ближайшем будущем эта тенденция сохранится. Создание оперативных устройств ввода (пространственно-временных модуляторов), реверсивных высокоразрешающих и высокочувствительных регистрирующих сред, экономичных и быстродействующих дефлекторов, много элементных матричных фотоприемников существенно расширит сферу применений оптических методов и круг решаемых ими задач. При наличии соответствующей элементной базы станет возможным создание аналогичных оптических вычислительных машин, обладающих некоторой универсальностью при решении задач определенного вида.

Оптические методы безусловно не решают всех проблем обработки информации. В частности, в оптике трудно реализовать решение задач, связанных с выполнением большого количества логических операций, которые легко решаются цифровой техникой. Поэтому развитие оптической вычислительной техники, по-видимому, пойдет по пути создания гибридных оптико-электронных вычислительных систем и комплексов. В состав гибридных оптико-электронных систем будут входить:

1) оптические устройства обработки двумерных массивов информации по заданному алгоритму;

2) ЦЭВМ, выполняющая логические операции и операции, связанные с управлением всей системой;

3) голографические ЗУ (постоянные и оперативные);

4) оптические (в том числе голографические) устройства ввода-вывода изображений и сигналов.

Создание гибридных оптико-электронных вычислительных машин, т.е. таких машин, в которых выполнение управляющих и логических функций возможно на ЦЭВМ, а выполнение процессов обработки больших массивов информации – на аналоговые оптические устройства, обеспечивало бы сочетание высокой производительности и быстродействия оптических методов с универсальностью и гибкостью ЭЦВМ и позволило бы выйти на новый, ранее не достижимый уровень автоматизации процессов управления. Можно полагать, что внедрение оптических систем и средств обработки информации даст качественный скачок, последствия которого будут сравнимы с эффектом, который в свое время дало внедрение электронно-вычислительной техники.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/opticheskiy-preobrazovatel-informatsii/

1. http://bsfp.media-security.ru/science/index.htm

Иркутский Филиал Института Лазерной Физики СО РАН. Малов С. Н. Роль диффузионной подсветки при вычитании изображений фазовых объектов.

2. КИИСиФЭ plasma.karelia.ru

3. http://phys.web.ru

4. Новые материалы оптической информатики, фотонные кристаллы, оптическая память: 2002 № 7. Санкт-Петербургский Государственный Университет. Задворкин А. В. Оптические компьютеры, способ обработки информации.

5. www.photonica.ru

6. webmaster@media-security.ru. Проблемы и задачи оптической обработки информации. Гуревич С. Б., Соколов В. К.