Когерентные оптико-электронные системы обработки информации с дискретными каналами данных

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 4
1. Оптико-цифровые методы обработки массивов данных: современные возможности 14
§1.1 Вычислительные возможности оптических систем 15
§1.2 Основные новейшие направления исследований в мире 20
§1.3 Элементная база оптоэлектронных систем обработки информации 21
§1.4 Оптический процессор в вычислительной системе 28
§1.5 Оптико-электронные Фурье процессоры и корреляторы изображений 30
§1.6 Оптоэлектронные матричные и сигнальные процессоры, голографические реконфигурируемые процессоры 36
§1.7 Средства поддержки цифровых вычислительных систем - схемы оптических межсоединений 43
§ 1.8 Обсуждение 48
Выводы главы 1 49
2. Методы построения оптоэлектронных матричных процессоров 50 §2.1 Архитектуры, алгоритмы работы и вычислительные параметры
оптоэлектронных всктор-матричных перемножитслей 50
§2.2 Схемотехнические ограничения оптоэлектронных всктор-матричных перемножитслей 58
§2.3 Методы реализации оптоэлсктронных процессоров в виде гибридных микросхем и микромодулей 63
§2.4 Математическое моделирование и экспериментальное макетирование онтоэлектронных матричных процессоров 68
§2.5 Обсуждение 79
Выводы главы 2 82
3. Методы реализации инвариантных преобразований средствами Фурье оптики 84
§3.1 Инвариантные преобразования в оптике 84
§3.2 Общие принципы построения оптических систем для вычисления инвариантных признаков изображений 95
§3.3 Гибридная иерархическая система распознавания изображений на базе нейронной сети и оптоэлсктронного блока выделения инвариантных признаков 99
§3.4 Схемы измерения кольцевых и секторных элементов пространственного
спектра интенсивности изображений на базе массивов фотодетекторов специальной топологии 101
2
§3.5 Экспериментальное моделирование лазерной схемы прецизионного измерения кольцевых и секторных элементов пространственного спектра интенсивности изображений на базе массива фотодетекторов специальной топологии 104
Выводы главы 3 112
4. Методы синтеза и применения инвариантных корреляционных фильтров для оптико-электронных систем корреляционного распознавания изображений 113
§4.1 Фильтры на основе гармонических разложений 114
§4.2 Составные фильтры с синтезированной дискриминационной функцией 120
§4.3 Инвариантные корреляционные фильтры с оптимизацией параметров 123
§4.4. Составные корреляционные фильтры с линейным фазовым коэффициентом 129 §4.5 Компьютерное моделирование распознавания изображений с использованием инвариантных корреляционных фильтров 130
Выводы главы 4 143
5. Разработка методов применения инвариантных фильтров с линейным фазовым коэффициентом в системах корреляционного распознавания изображений 145
§5.1 Варианты применения инвариантных корреляционных фильтров в системах корреляционного распознавания изображений 145
§5.2 Необходимые краткие замечания об особенностях реализации и применения инвариантных корреляционных фильтров 147
§5.3 Применение инвариантных корреляционных фильтров с линейным фазовым коэффициентом для распознавания полутоновых сцен, полученных с помощью аэрофотосъёмки 150
§5.4 Экспериментальная реализация инвариантных корреляционных фильтров с линейным фазовым коэффициентом в схеме коррелятора Вандер Люгта 158
Выводы главы 5 182
Заключение 183
Список цитируемой литературы 188
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Использование оптических и оптоэлектронных средств при построении систем обработки информации привлекательно благодаря принципиальной возможности достижения чрезвычайно высоких скоростей обработки информации в оптике. Современный прогресс элементной базы, характеристики которой в последнее десятилетие достигли уровня адекватного или почти адекватного требованиям, возникающим при создании оптических средств обработки информации, делает реальностью как появление коммерческих и «продвинутых» экспериментальных образцов оптических процессоров, так и формирование новых направлений разработки оп тических устройств обработки информации. Как отмечено уже в ранних исследованиях по оптической обработке информации [1-12], возможность достижения высоких скоростей проведения вычислений в оптике обусловлена, прежде всего, параллелизмом действия оптических систем. Наиболее перспективные типы вычислений, реализуемые в оптике и в полной мере использующие её возможности, базируются на двух типах вычислительных операций: двумерном преобразовании Фурье в дифракционной оптической системе и поэлементном перемножении массивов данных в проецирующей оптической системе; в системах обоих указанных типов наибольшие информационные возможности открывает применение когерентного лазерного излучения.
Важнейшей чертой элементной базы новейших поколений, отвечающей как параллелизму оптических систем, так и современным формам представления информации, является рост числа дискретных информационных каналов в оптических и оптоэлектронных устройствах: увеличение числа индивидуально управляемых элементов в интегральных наборах излучателей, отсчётов пространственно-временных модуляторов света и детекторов изображений и т.д. Одновременно, рост возможностей цифровой электроники но управлению световыми сигналами и их использованию привёл к фактическому формированию в последнее десятилетие целых классов оптико-цифровых систем, сочетающих достоинства оптики и цифровой электроники. В нынешних технологических пределах оптические устройства обработки информации могут обладать малой энергоёмкостью работы - до 1,5x10-6 Ватт на переключение, а также теоретически чрезвычайно высоким быстродействием - до 1015 вычислительных операций в секунду или до сотен терабайт в секунду пропускной способности. Именно эти факты определяют растущий интерес исследователей, разработчиков и производителей к оптоэлектронным устройствам обработки информации. Среди развивающихся направлений оптической обработки информации следует отметить во первых радиооптическис и другие средства аналоговой и аналого-цифровой обработки сигналов, во вторых специализированные
4
аналого-цифровые матричные процессоры, Фурье процессоры и корреляторы изображений, а также, в третьих, средства коммутации и поддержки для высокопроизводительных цифровых вычислительных систем. На настоящий момент последнее из перечисленных направлений находится в стадии определения методов, средств и технологий реализации [13-16], второе находится на уровне технологических исследований и появления практических образцов [17-26], в рамках первого получены применяющиеся практические результаты [27-30].
Исследования по оптической обработке информации ведутся в наиболее развитых странах с возрастающей интенсивностью. В этой связи необходимо отмстить, прежде всего, соответствующие работы в крупнейших технологических и исследовательских центрах США и Японии, некоторые проекты КНР и Индии, а также ряд проектов стран Евросоюза. В частности, в США работы в области фотоники ведутся в таких организациях, как Los Alamos National Laboratory, Jet Propulsion Laboratory, Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), в ряде ведущих университетов, IBM, Intel, и многих др. Например, объём госбюджетного финансирования DARPA по проекту' аналоговой оптической обработки сигналов в 2002-2005 гг составлял 37 млн. долл. США, по проекту' разработки терабитного оптического роутера Data in Optical Domain в 2002-2006 гг - 60 млн. долл. США, по проекту' разработки оптических межсоединений для многопроцессорных вычислительных систем Chip to Chip Optical Interconnect (C20I) в 2003-2007 гг - 45 млн. долл. США и т.д.; одновременно организацией ведётся до 5-7 крупных проектов в области фотоники. Имеются сведения о высоком уровне кооперации исследовательских и технологических организаций при выполнении ряда федеральных проектов США; в частности в выполнении проекта C20I участвуют IBM, University of California Santa Barbara, University of Texas Austin, Colorado State University, Mayo Foundation, US Army Research Laboratory', The Air Force Research Laboratory, МП' Lincoln Laboratory'.
Как показывает сложившаяся реальная практика, принципиальным фактором развития оптоэлсктронных устройств нынешнего и, наиболее вероятно, следующих поколений является увеличение числа одновременно работающих дискретных каналов приёма, обработки и передачи данных, как правило использующих когерентное лазерное излучение. Данный факт определяет как возможные архитектуры и характеристики оптоэлектронных вычислителей, так и условия их использования - место в вычислительной системе и ряд требований к ней, возможные форматы данных и т.д.
Учитывая вышесказанное, целью работы являлись разработка и обоснование принципов построения эффективных оптоэлектронных устройств обработки массивов дискретных данных на основе применения методов дифракционной оптики, компьютерной
5
голографии и цифровой оптоэлектроннки, а также определение условий и методов применения таких устройств в цифровых системах обработки информации.
К основным задачам работы относятся:
• разработка и экспериментальное обоснование принципов реализации специализированных оптико-электронных процессоров, позволяющих осуществлять как аналоговую, так и цифровую обработку массивов дискретных данных;
• анализ схемотехнических возможностей и принципиальных ограничений применения специализированных оптико-электронных процессоров в цифровых системах обработки информации;
• исследование и анализ возможностей и способов реализации схемотехнически эффективных оптоэлектронных матричных процессоров, в том числе процессоров для операций линейной алгебры;
• анализ возможностей и разработка методов построения оптико-цифровых дифракционных лазерных систем распознавания изображений реального времени;
• анализ и разработка способов достижения инвариантности распознавания изображений в оптико-электронных системах, выполняющих измерение информативных признаков изображений или осуществляющих их корреляционную обработку.
Изложенные в диссертации теоретические и экспериментальные результаты отличаются от других исследований в этой области следующими положениями, определяющими научную новизну:
1. Показано, что широкий класс современных задач обработки информации может быт ь успешно решен при применении оптоэлектронных методов, базирующихся на использовании когерентного лазерного излучения. Показано, что основной перспективой вычислительных оптоэлсктронных устройств на настоящем этапе является достижение скорости вычислений до 10|2-10н операций в секунду или пропускной способности до соген терабайт в секунду.
2. Проведён анализ схемотехнических ограничений возможных скоростных и точностных параметров оптоэлектронных вектор-матричных перемножителей. Доказано, что наиболее перспективной схемой оптоэлектронных вектор-матричных перемножителей при их использовании в качестве элемента цифровой вычислительной системы является схема с временным интегрированием.
3. Разработаны и обоснованы теоретически и экспериментально методы реализации оптических процессоров обработки массивов дискретных данных в виде
6
гибридных микросхем и микромодулей. Предложен ряд архитектур гибридных микросхем и микромодулей, соответствующих различным вычислительным задачам.
4. С учётом возможностей современной элементной базы определены оптимальные варианты возможных схем инвариантной обработки изображений, использующие методы когерентной Фурье оптики и компьютерной голографии. Определены принципиальные ограничения таких схем.
5. Впервые предложен и экспериментально апробирован метод повышения точности измерения инвариантных признаков изображений в когерентной дифракционной оптико-цифровой системе. Теоретически показана и экспериментально продемонстрирована возможность достижения точности измерений инвариантных признаков до 14 бит и выше.
6. Сформулированы методики применения инвариантных корреляционных фильтров в условиях конкретных постановок задачи корреляционного распознавания изображений.
7. Впервые предложен и экспериментально продемонстрирован метод реализации инвариантных корреляционных фильтров с линейным фазовым коэффициентом в виде синтезированных амплитудных дифракционных элементов- в когерентных дифракционных корреляторах изображений.
Практическое значение результатов состоит в том, что они служат теоретической, и экспериментальной базой для разработки и эффективного применения оптоэлектронных средств обработки информации в современных цифровых вычислительных системах. Методика построения эффективных оптоэлектронных матричных процессоров и схемотехнические принципы их реализации могут быть использованы при построении специализированных процессоров обработки сигналов, изображений и массивов
17
дискретных данных со скоростью вычислений до 10 операций с целыми числами в секунду при цифровой точности 16 бит, и до 1013 операций с целыми числами в секунду при цифровой точности результата 7-8 бит. Принципы построения лазерных систем распознавания изображений, основанных на выделении инвариантных признаков с использованием методов Фурье оптики и нейросстевых алгоритмов предназначены для разработки и построения систем распознавания реального времени. Способ повышения точности результата измерений до 14 бит и выше в когерентной оптико-цифровой системе измерения инвариантных признаков пространственного спектра интенсивности изображений может применяться при построении систем распознавания изображений реального времени. Методики применения инвариантных корреляционных фильтров в системах оптико-электронного корреляционного распознавания изображений
7
предназначены для использования при построении оптико-электронных систем распознавания изображений, базирующихся как на электронных цифровых, так и на лазерных дифракционных корреляторах изображений. Метод реализации инвариантных корреляционных фильтров с линейным фазовым коэффициентом в виде синтезированных амплитудных или фазовых дифракционных элементов (голографических фильтров) может применяться при создании инвариантных лазерных корреляторов с эквивалентным быстродействием до 1013 операций с целыми числами в секунду, в том числе в условиях ограничений динамического диапазона модуляции используемых для ввода фильтров голографических носителей.
Исследования выполнены в соответствии с мрофаммой Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы», Межотраслевой программой «Оптоэлектроника», Межвузовской программой «Оптические процессоры»,
Аналитической целевой ведомственной программой Министерства образования и науки РФ «Исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры
инновационной России», а также при поддержке РФФИ.
Основные научные положении, выносимые на защиту:
1. Методика построения схемотехнически эффективных лазерных
оптоэлектронных процессоров для операций линейной алгебры. Разработка и
экспериментальное обоснование методов реализации специализированных процессоров в виде гибридных микросхем и микромодулей с послоевой структурой организации. Экспериментальное обоснование возможности создания лазерных вектор-матричных перемножителей со скоростью вычислений до 1012 операций с целыми числами в секунду при цифровой точности 16 бит, и со скоростью вычислений до 5x1013 операций с целыми числами в секунду при цифровой точности результата 7-8 бит.
2. Принципы построения лазерных систем распознавания изображений в реальном времени, основанных на выделении инвариантных признаков с использованием средств Фурье оптики и нейросетевых алгоритмов. Разработка и экспериментальная демонстрация способа повышения точности результата измерений до 14 бит и выше в когерентной дифракционной оптико-цифровой системе измерения инвариантных признаков пространственного спектра интенсивности изображений.
3. Методы применения инвариантных корреляционных фильтров в системах
оптико-электронного корреляционного распознавания изображений, базирующихся как на
8
электронных цифровых, так и на лазерных дифракционных корреляторах в условиях конкретных постановок задачи корреляционного распознавания изображений.
4. Способ реализации инвариантных корреляционных фильтров с линейным фазовым коэффициентом в виде синтезированных дифракционных элементов (голографических фильтров) в схемах лазерных корреляторов изображений.
5. Экспериментальная демонстрация реализации инвариантных корреляционных фильтров с линейным фазовым коэффициентом в схемах когерентных дифракционных корреляторов, в том числе при использовании для ввода фильтров голографических носителей с ограниченным динамическим диапазоном модуляции.
Данные положения определяют методы создания оптико-электронных систем обработки информации, позволяющие осуществлять как аналоговую, так и цифровую обработку массивов дискретных данных, в том числе специализированных оптоэлектронных матричных процессоров, когерентных систем измерения инвариантных признаков изображений, лазерных процессоров корреляционного распознавания изображений.
Апробации работы. Результаты работ докладывались: на международных конференциях «Аэрокосмические датчики» (Орландо, США, 1995, 1996 гг), на международной конференции по фотонике и машинному зрению (Провиденс, США, 2003г), на международных конференциях «Фундаментальные проблемы опто- и микроэлектроники» (Хабаровск, 2004г, Харбин, КНР, 2006г), на международном конгрессе по оптическим вычислениям (Эдинбург, Великобритания, 1994г), на международной конференции «Оптическая память и нейронные сети» (Москва, 1995г), на международной конференции по оптической обработке информации (С.-Пб., 1996г), на всероссийских конференциях «Научная сессия МИФИ» (Москва, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 гг), на международной конференции «Оборона и безопасность» (Орландо, США, 2008, 2009 гг), на международной конференции по голографии (Прага, Чехия, 2009г), на международной конференции «Оборона и безопасность Европа» (Тулуза, Франция, 20 Юг), на международной конференции «Голография Экспо» (Москва, 20Юг), на международном конгрессе «Фундаментальные проблемы оптики - Оптика XXI век» (С.-Пб., 2006, 2010 гг).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 88 работ, из них 14 статей в реферируемых журналах рекомендованных ВАК, 24 статьи в сборниках и других изданиях, 50 тезисов в материалах научных конференций.
9
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
В главе первой представлены результаты анализа современного состояния элементной базы оптоэлектронных систем обработки информации и рассмотрены принципы их построения. Отмечено, что отличительной чертой современной вычислительной оптоэлектроники стала интеграция оптоэлектронных информационных средств в электронные цифровые вычислительные системы. Существенный прогресс элементной базы, в том числе интегральных массивов лазеров, пространственно-временных модуляторов, фотодетекторов и детекторов изображений, обеспечивает увеличение числа дискретных каналов обработки оптического сигнала с целью достижения массированного параллелизма. Отмечено, что в настоящее время при разработке оптических вычислителей возможны как адаптация существующей элементной базы, так и специальная разработка элементов с требуемой функциональностью. Основными нишами применения оптоэлектронных вычислительных устройств являются: 1) использование их в качестве специализированных вычислительных средств в составе цифровых систем в качестве процессоров-ускорителей, 2) использование их в качестве средств поддержки в высокопараллсльных вычислительных системах, фактически роль шины данных, возможно выполняющей часть обработки. В первом случае уже сейчас можно рассчитывать на создание относительно простых и недорогих устройств, с некоторой степенью миниатюризации. Во втором случае, в настоящий момент, можно говорить об уникальности применения и некоторой определенности в выборе архитектур и типа элементной базы. Основной перспективой информационных оитоэлекгронных устройств на настоящем этапе является достижение скорости вычислений до 1013-10 1 операций в секунду или пропускной способности до сотен терабайт в секунду.
Во второй главе рассмотрены принципы построения оптоэлектронных магричных процессоров. Отмечено, что на нынешнем этапе создание конкурентоспособных оптоэлектронных матричных процессоров сталкивается главным образом со сложностью их интеграции в цифровые вычислительные системы, а наиболее существенными проблемами в этом плане являются высокие значения коэффициентов разветвления и необходимость аппаратных и вычислительных затрат для постобработки результата вычислений. На основе проведённого схемотехнического анализа доказано, что в случае использования оптического вектор-матричного перемножителя в качестве специализированного процессора в цифровой вычислительной системе эффективными представляются только архитектуры с временным интсфированисм с получением сумм перекрёстных бит. Показано, что использование лазерных оптических вектор-матричных перемножителей может быть эффективно при решении задач реального времени с
Ю
бинарным входом, небольшой разрядностью входных данных (1-3 бит), и невысокими требованиями к точности результата (7-16 бит) при достижении производительности, до 10,2-1014 операций с целыми числами в секунду. Рассмотрены возможности реализация оптических процессоров в виде гибридных микросхем, и микромодулей. Использование подобных принципов схемотехники позволяет говорить о возможности создания миниатюризированных оптических вычислителей для выполнения различных типов вычислительных операций над массивами дискретных данных. Отмечено, что основной задачей разработки гибридных микросхем и микромодулей является создание устройств ввода-вывода, к которым помимо точностных, скоростных и энергетических предъявляются высокие требования по согласованности размеров и оптимизации топологии. Предложены архитектуры гибридных микросхем и микромодулей для выполнения матричных операций, в том числе с применением методов цифровых вычислений по алгоритмам свертки дискретных логарифмических последовательностей, с использованием специализированных ФПЗС и др. Проведён анализ принципиально возможных архитектур гибридных микросхем и микромодулей, определены наиболее эффективные их типы. Экспериментально продемонстрированы ряд основных алгоритмов работы гибридных микросхем и микромодулей. Учитывая данные анализа возможных параметров, результаты проведенных исследований подтверждают возможность создания оптоэлсктронных матричных процессоров с размерностью обрабатываемого массива до 100, с точностью 14 бит при достижении производительности до 10,: операций с целыми числами в секунду или с точностью 8 бит при достижении производительности до 1013 операций с целыми числами в секунду.
Третья глава посвящена исследованию методов построения лазерных дифракционных оптических систем инвариантного распознавания изображений с использованием современных методов компьютерной голографии и цифровой оптики. Анализ известных оптоэлектронных схем инвариантного распознавания изображений показывает, что в настоящее время возможно два функциональных типа подобных устройств: 1)
осуществляющих инвариантное корреляционное сравнение и обеспечивающих выход типа «да-нст», и 2) осуществляющих вычисление (измерение) инвариантных признаков, используемых затем при распознавании. Основной проблемой при построении систем, обеспечивающих вычисление инвариантных признаков в оптике является низкая точность результата оптических вычислений. Показаны возможности применения нсйросетевых методов распознавания изображений при комбинировании в единой системе оптоэлекгронного блока предобработки, осуществляющего выделение инвариантных признаков и нейронной сети, выполняющей распознавание с их использованием; отмечено, что, несмотря на устойчивость нейронных сетей к шумами ошибкам, точность
11
оптического вычисления инвариантных признаков часто оказывается недостаточной и в этом случае. Предложены метод и соответствующая когерентная дифракционная оптикоцифровая схема прецизионного измерения кольцевых и секторных элементов пространственного спектра интенсивности изображений, инвариантных соответственно к повороту и изменению масштаба. За счёт увеличения числа дискретных каналов измерения и применения цифровой постобработки схема, базирующаяся на массиве фотодетекторов специальной топологии, позволяет осуществлять параллельное вычисление инвариантных признаков с высокой цифровой точностью. Цифровая постобработка, обеспечивающая накопление точности результата состоит только в сложении результатов измерений. Экспериментально продемонстрирован эффект повышения точности результата в предложенной когерентной оптико-цифроной системе измерения 256 инвариантных признаков пространственного спектра интенсивности изображений размерности 103х103 до 14 бит и выше.
В четвёртой главе изложены результаты исследований методов синтеза и применения инвариантных корреляционных фильтров в системах корреляционного распознавания изображений. Проведён сравнительный анализ инвариантных корреляционных фильтров основных типов. С использованием созданного специального программного обеспечения проведены компьютерные эксперименты по синтезу корреляционных фильтров и моделированию корреляционного распознавания с их применением. Проведено сравнительное исследование свойств корреляционных фильтров различных типов. Результаты проведённых сравнительного анализа и моделирования позволили сформулировать положения методик применения корреляционных фильтров.
Глава пятая посвящена проблемам применения инвариантных корреляционных фильтров с линейным фазовым коэффициентом при решении задач корреляционного распознавания изображений в условиях их конкретных постановок. Рассмотрены возможности реализации инвариантных корреляционных фильтров в корреляционных системах, строящихся как на основе цифровых электронных, так и на основе лазерных дифракционных корреляторов; с учетом параметров современной элементной базы, в настоящее время возможна работа таких систем в режиме реального времени при размерностях входных изображений 1 ()3х 103 и выше и достижимых скоростях обработки соответственно 10'° и 1013 вычислительных операций в секунду. Предложен метод для корреляционного распознавания полутоновых изображений, регистрируемых в различных условиях освещённости и в условиях их возможных геометрических искажений; метод состоит в применении процедур выделения контуров полутоновых изображений и использования затем инвариантных корреляционных фильтров с линейным фазовым коэффициентом при распознавании полученных бинарных контурных изображений.
12
Проанализированы и опробованы стандартные алгоритмы оконтуривания, а также разработан и опробован оптимизированный морфологический алгоритм оконтуривания изображений, превосходящий по соотношению «скорость/качество» стандартные. Проведены успешные компьютерные эксперименты по корреляционному распознаванию полутоновых изображений, подвергнутых искажениям «плоский поворот и изменение масштаба» с использованием разработанного метода. Разработан и экспериментально опробован метод реализации инвариантных корреляционных фильтров с линейным фазовым коэффициентом в виде синтезированных дифракционных элементов (голографических фильтров) в схемах когерентных корреляторов с фильтрацией в частотной плоскости. Исследованы проблемы ограниченности динамического диапазона голографического носителя и использования бинарного представления голографических фильтров; установлено, что для представления корреляционных фильтров необходимо использовать не менее 16-ти градаций пропускания голографического фильтра, при этом возможно представление градаций пропускания с использованием бинарного растра. Результаты экспериментального макетирования когерентного коррелятора с инвариантными корреляционными фильтрами с линейным фазовым коэффициентом реализованными в виде компьютерно синтезированных дифракционных элементов демонстрируют возможность инвариантного распознавания, в том числе, в случае использования для ввода фильтров голографических носителей с ограниченным и даже бинарным динамическим диапазоном модуляции.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации.
13
ГЛАВА I
ОПТИКО-ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАССИВОВ ДАННЫХ: СОВРЕМЕННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Оптические устройства обработки информации характеризуются малой в технологическом пределе энергоёмкостью работы и теоретически чрезвычайно высоким быстродействием, объясняемым естественным пространственным параллелизмом оптических систем и широкой полосой модуляции оптического сигнала. Несмотря на указанные достоинства оптических систем обработки информации, их реализация и применение сталкиваются с рядом трудностей. В основе оптических методов обработки информации лежит возможность преобразования амплитуды или интенсивности световой волны в оптической системе; соответственно вычисления и преобразования данных в оптике производятся за счёт выполнения оптических арифметических действий двух видов - умножения амплитуды или интенсивности на пропускание или отражение и сложения амплитуд или интенсивностей, непосредственно или за счёт накопления при детектировании. С точки зрения обработки информации, аналоговая природа оптических умножения и сложения определяет низкую точность оптических вычислений, также как и при электронных аналоговых вычислениях. Аналоговый результат вычислений диктует часто неприемлемые схемотехнические требования к вычислительной системе, в составе которой используется оптический процессор. Возникающая необходимость в электронной предобработке и постобработке данных ограничивает частоты работы оптоэлектронного процессора полосой частот электронных устройств. Б результате, перспективы создания оптоэлектронных средств обработки информации определяются как уровнем оптической, так и уровнем электронной технологии и основным достоинством оптики оказывается, главным образом, параллелизм работы оптических систем.
Фундаментальной особенностью современной оптоэлектроники является дискретный характер представления информации, определяющийся глобальностью современных цифровых технологий; несомненным является также то, что единственным способом наращивания параллелизма в настоящее время является увеличение числа функционирующих одновременно дискретных информационных каналов. Эта специфика формирует как требования к разрабатываемым средствам обработки информации, так и сам облик самой используемой элементной базы. Таким образом, в настоящее время, в практическом плане имеет смысл говорить уже не столько о развитии оптических вычислительных устройств и соответственно чисто средств обработки информации оптических, сколько о развитии гибридных оптоэлектронных и оптико-цифровых
14
технологий обработки информации, в которые оптические вычислительные устройства входят как составные части.
В данной главе диссертации кратко рассматривается и анализируется современное состояние оптоэлектронных технологий и средств обработки информации: представлены разумные оценки современных вычислительных возможностей оптических систем, рассмотрена доступная оптоэлектронная элементная база, определено место оптоэлектронных вычислителей в цифровых вычислительных системах, а также представлен краткий обзор реализаций оптоэлсктронных систем обработки информации.
§1.1 Вычислительные возможности оптических систем
Практика показала, что базовыми типами вычислительных операций, реализуемых в оптике непосредственно и в наиболее полной мере использующих сё параллелизм, являются преобразование Фурье, и поэлементное перемножение массивов данных; так или иначе другие возможные тины оптических вычислений могут быть сведены к ним или к их различным комбинациям. Оба указанных типа вычислительных операций естественны для оптических систем, так как фактически заложены в физической природе их действия: преобразование Фурье отвечает дифракционным, а поэлементное
перемножение соответствует геометрооптическим свойствам [31].
УВ1 ОС1 УВ2 ОС2 П
Г"] \
3о 3>А)
и~~
Рис. 1.1: Оптическая система поэлементного перемножения массивов в оптике.
Поэлементное перемножение массивов в оптике
Принцип поэлементного перемножения массивов данных в оптике иллюстрирует рис. 1.1. Элементы входного массива данных яу** (будем пользоваться дискретным представлением) вводятся как пространственное распределение интенсивности устройством ввода УВ1, оптическая система ОС1 преобразует его в распределение,
15
соответствующее массиву 5у и проецирует на устройство ввода УВ2. Состояние УВ2 -пропускание или отражение - определяется массивом данных Л/у.
Таким образом, после УВ2 пространственное распределение интенсивности в системе соответствует массиву, элементы которого пропорциональны частным произведениям массивов Б и Н:
•У уку» (1 1)
этот шаг является ключевым для значительного числа типов оптических вычислительных операций. Оптическая система ОС2 формирует в плоскости детектирования (П) результирующее распределение интенсивности луНЫХ. Конкретный тип вычислительной операции определяется типом изменения размерности данных в оптической системе, задаваемым в свою очередь соотношением размерностей УВІ и УВ2 и свойствами ОСІ и ОС2. Изменения размерности представления данных, как показано уже в самых первых исследованиях по оптической обработке информации могут быть успешно использованы для повышения эффективности и гибкости их обработки в оптической системе [2]. 'Гак,
И у
например, при использовании проецирующих ОСІ и ОС2 и при размерностях Зу ', Л,у, и
/*1 і у
5,у ' Л'х.У отсчётов система выполняет матрично-матричное перемножение [32], при
о у И К! V
использовании анаморфотных ОСІ и ОС2 и при размерностях Зу\ Л,у, и .у,у у соответственно іУхІ, Л'х.Уи 1 xN система выполняет всктор-магричнос перемножение [33], а при использовании астигматических ОСІ и ОС2 и при размерностях зу**, Л,у, и .чивых соответственно Л'хі, ІхЛ'и система выполняет вычисление внешнего произведения векторов [34].
Получение преобразовании Фурье в оптике
Для получения преобразования Фурье в оптике используется известное свойство линзы формировать в фокальной плоскости дифракционную картину Фраунгофера, с точностью до постоянного фазового множителя совпадающую, с преобразованием Фурье двумерного распределения монохроматического светового поля на входе [35]. Когерентная оптическая система, представленная на рис. 1.2, формирует с помощью Фурье линзы (ФІ1) в плоскости детектирования (II) выходной сигнал Ь'вы\{*вых>Увых) (здесь будем пользоваться непрерывным представлением), пропорциональный Фурье образу входного
изображения хп.\(хвх,Увх), введённого устройством ввода (У В):
~ £(Л, /„ ) = (1.2)
16
Таким образом, схема даёт возможность осуществить одно преобразование Фурье за один такт ввода-вывода, получая таким образом спектр пространственных частот входного изображения.
ув фл п
Зв>{хш,уи) Зшх(Хизс,ушх) -в (£„,£„)
£
Рис 1.2: Оптическая система для вычисления преобразования Фурье.
Подобно любым другим устройствам, осуществляющим частотное преобразование, схемы с Фурье-лнизами могут быть использованы для фильтрации сигналов; впервые эго было продемонстрировано Э. Лббс и Л. Портером [36-38] на рубеже Х1Х-го и ХХ-го веков, их эксперименты заложили основы применения методов пространственной фильтрации для обработки изображений [39-41]. Пространственная фильтрация может быть организована как в области изображения, так и в частотной плоскости, подробнее варианты рассмотрены ниже в §1.5 и §3.2.
Важнейшим и широко известным приложением схем пространственной фильтрации является их использование для получения корреляции, подробнее варианты оптических корреляторов изображений обсуждаются в §1.5 настоящей диссертации.
Оптические системы с дискретными каналами ввода-вывода
В рассмотренных выше оптических системах двумерный оптический сигнал Явх формируется устройствами ввода, актуальные реализации которых (массивы источников света и пространственно-временные модуляторы света) в качестве фундаментального принципа построения и функционирования предполагают параллельное использование независимо управляемых каналов. Аналогично, детектирование светового сигнала осуществляется в настоящее время с применением матричных детекторов изображений, при этом соответствующие электрические сигналы йвых формируются параллельно функционирующими элементами таких детекторов. Таким образом, естественным способом описания работы рассматриваемых систем является их описание как
17
совокупности независимых или связанных, действующих параллельно пространственно-дискретных каналов обработки сигнала.
С точки зрения оптики, такой подход не противоречит ни геомстрооптическому, ни дифракционному описанию оптических систем; кроме того, очевидно его соответствие широко применяемому описанию их действия с точки зрения теории линейных систем. При расчёте аппаратные функции и отклики таких элементов и систем на их основе в целом могут быть удобно описаны с помощью аппарата обобщённых функций стандартным образом [35]. В связи с этим, далее основное внимание будет уделяться описанию действия рассматриваемых систем с точки зрения вида производимых ими вычислительных операций.
Об оценках вычислительных способностей оптических систем
В общем случае скорость вычислений системы рис. 1.1 при обработке массивов Б и Н размерности Ых№ отсчётов пропорциональна и не меньше произведения Л’2 на тактовую частоту/т, определяемую скоростями ввода входных массивов и считывания выходного:
В-Ьр/т. (1.3)
Полагая Л-100,/7=1ГГц, получим 5=1013 операции умножения в секунду.
Для наиболее корректного сравнения с электронными средствами эквивалентная скорость вычислений преобразования Фурье в оптической системе рис. 1.2 может быть оценена путём учёта времени её срабатывания и числа вычислительных операций, необходимых для подсчёта быстрого преобразования Фурье (БПФ) в цифровой вычислительной системе и равного аМо%2М, где а - константа, зависящая от варианта алгоритма и лежащая в пределах от 3 до 20, М - число отсчётов обрабатываемого сигнала. Таким образом, для входного изображения явх размера Лг^ отсчётов эквивалентная скорость вычислений Вэкв оптической системы вычисления преобразования Фурье может быть оценена в соответствии с формулой:
Н:же = аЛ'21о82Л,2/г, (1.4)
здесь /т - тактовая частота работы системы, определяемая скоростями ввода входного изображения и считывания выходного. Полагая 10, N=4096, /т= 1 кГц, получим Вэкв порядка 4x1012 операций в секунду.
Как мы увидим ниже, приведённые численные оценки являются, хоть и предельными, но реально достижимыми при использовании современной элементной базы.
18