Release Final

тобто, сигнал 1 у нас утворюється, коли світло від джерела проходить через транспарант Р1 (модульований сигналом 1). Транспарант Р2 модулюється сигналом 2. Коли світло від Р1 проходить через лінзу Л3, на виході утворюється світло, розподіл якого == згортка сигналів 1 та 2.

(211) Оптичні комп'ютери. Операція згортки для множення матриць

Читайте також питання (210), особливо в кінці; В цифровій обробці, згортка - це операція обчислення нового значення обраного пікселя,

що враховує значення оточуючих його пікселів. Для обчислення значення використовується матриця, звана ядром згортки. Зазвичай ядро згортки є квадратною матрицею n * n, де n - непарне, проте ніщо не заважає зробити матрицю прямокутної. Під час обчислення нового значення обраного пікселя ядро згортки як би «прикладається» своїм центром (саме тут важлива непарність розміру матриці) до даного пікселя. Навколишні пікселі так само накриваються ядром. Далі вираховується сума, де доданками є добутки значень пікселів на значення комірки ядра, що накрила даний піксель. Сума ділиться на суму всіх елементів ядра згортки. Отримане значення саме і є новим значенням обраного пікселя. Якщо застосувати згортку до кожного пікселя зображення, то в результаті вийде якийсь ефект, що залежить від обраного ядра згортки.

Справа в тому, що пошкодження вхідного сигналу (на прикладі зображення) дуже часто можна представити у наступному вигляді:

f (x, y) - вихідне неспотворене зображення

h (x, y) – функція, що спотворює зображення n (x, y) - адитивний шум

g (x, y) - результат спотворення, тобто те, що ми спостерігаємо в результаті (зміщене або розфокусоване зображення)

Сформулюємо модель процесу спотворення наступним чином: g (x, y) = h (x, y) * f (x, y) + n (x, y). Зірочка – це згортка.

Теорема про згортку: Операція згортки в просторовій області еквівалентна звичайному множенню в частотній області. Відповідно, операція обернена згортка еквівалентна діленню в частотній області

(Примітки: 1. множення поелементне, а не матричне. 2. Частотна область == Фур'є- простір == спектральний простір. 3. Мова йде про просторові частоти в зображенні (не часові в сигналі, оскільки обробка сигналів в оптиці вважається миттєвою, ми не накопичуємо відомості про часову зміну сигналу)).

Значить, підібравши певну функцію (ядро згортки) і виконавши зворотню згортку (реалізувавши її простим накладанням світлового сигналу і транспаранта в фокальній площині лінзи), ми можемо певним чином відновити початковий сигнал! (На жаль, шумова компонента непередбачувана, отож остаточно усунути її не вдасться і вона вилазитиме тими чи іншими артефактами на зображенні. При цьому ми все одно виграємо, тому що ми будемо здатні щось розрізнити на картинці, де не були здатні розрізнити нічого).

Вибрати таке ядро згортки == вибрати фільтр. Бувають: розмиття, виділення меж (sharpness), компенсації трансляції (компенсувати змазування через рух), зрештою, можна виконувати узгоджену фільтрацію.

Узгоджена фільтрація використовується при розпізнаванні образів у заданому зображ.:

•окремі літери

•символи

•прості малюнки

•відбитки пальців

•об’єкти на місцевості

Кроки:

Створення фільтру, погодженого з образом інформації, що підлягає розпізнанню Вихід: яскрава світла пляма, що вказує на наявність впізнаваного образу

(212)(213) Оптичні комп'ютери. Хвилеводні логічні елементи: з керуванням напругою; на основі гелю/масла.

07 Хвилеводні логічні елементи (11 слайдів).pptx

Хвилевід – певна об'ємна або поверхнева структура, вздовж якої електромагнітна хвиля (ЕМХ) здатна поширюватись з мінімальними втратами. При цьому вихід ЕМХ за межі хвилеводу можливий лише на дуже незначну відстань через виконання умов повного внутрішнього відбиття для ЕМХ, що намагається вийти назовні, або через відсутність квантових станів для фотонів такої ЕМХ за межами хвилеводу (хвилевід на основі фотонного кристалу).

Оптичний резонатор – структура або елемент, наприклад, простір, обмежений двома дзеркалами, або замкнений хвилевід, в якому є умови для існування ЕМХ певної частоти дуже тривалий час без сильних втрат або виходу з резонатора. Прикладом хорошого оптичного резонатору є інтерферометр Фабрі-Перро.

Виявляється, на хвилеводах можна реалізувати логічні елементи. Звичайно, це досягається лише певною взаємодією з хвилеводом (інакше, за означенням, хвилевід не буде модифіковувати сигнал, що проходить через нього).

Перший спосіб – використати так званий електроакустичний ефект. Можна створити спеціальну комірку, в якій вхідний сигнал розбивається на кілька незалежних, а потім на кожний з цих дрібніших сигналів за рахунок електроптичного ефекту створювати різницю оптичної довжини ходу (керовану електрично). Сигнал на виході такої комірки, у випадку, якщо ми розщепили вхідний сигнал Х навпіл на Х1 та Х2, описується виразом

.

Тепер, якщо по кожному з під-сигналів набіг фаз однаковий, на виході буде відновлено вихідний сигнал, а якщо набіг фаз буде /2, то на виході через деструктивну інтерференцію буде дуже слабкий сигнал (в ідеалі – ніякого сигналу). Якщо приписати наявості інтенсивного сигналу на виході зміст логічної 1, а відсутності – логічний 0, то така комірка по суті виконує логічні операції над ЕЛЕКТРИЧНИМИ сигналами, що керують коміркою (даючи результат в ОПТИЧНІЙ формі). Дивіться слайди.

Нарешті, взаємодія з хвилеводом може бути іще більш цікавої природи. Наприклад, якщо в нас є поверхневий хвилевід, і поблизу нього резонатор, то за звичайних умов перекачки енергії з хвилевода в резонатор (за означенням хвилевода) не відбувається. Проте якщо покрити хвилевід певним середовищем (рідиною) з відмінними оптичними властивостями, може відбутись порушення умов ПВВ для цього контакту. Як на слайді: коли через мікроголочку подається краплина гелю/олії, що дотикається до обох хвилеводів, це немов би коротке замикання, але оптичних хвилеводів: енергія світла перекачується в резонатор і суттєво послаблюється далі вздовж хвилеводу. Якщо ж краплинку такою мікроголкою відкачати, то «закоротка» усувається, і світло знову не виходить за межі хвилеводу!

(214) Оптичні комп'ютери. Голографія для зберігання інформації. Голографічні методи розпізнавання образів

что-то типа "обычная фотка и глаз сохраняют только распределение амплитуды, а информацию о фазе теряют

[20:47:32] Theodor: если использовать 2 когерентных луча, один опорный, а другой направить на объект, то можно получить интерференцию между ними в каком-то месте (записать информацию про распределение фазы волн

[20:48:15] Theodor: и вот сверх фича в том, что если на эту самую фотографию интерференции правильным образом опять посветить двумя когерентными лучами - они, сцуко, восстановят нам изображение того объекта, об который была записана такая картинка!!!"

Как известно, голографический принцип записи состоит в регистрации одновременно объектной (несущей информацию об объекте) и опорной волн. При этом в результате сложения взаимно когерентных опорной и объектной волн происходит преобразование фазовых соотношений в амплитудную структуру интерференционной картины. Регистрация этой интерференционной картины на голографическом оптическом диске и приводит к записи голограммы (рис.16). Изменения в материале голографического диска могут быть в виде модуляции поглощения, показателя преломления или толщины. Прогресс в разработке голографических систем хранения информации связан в основном с развитием современных технологий, позволяющих производить относительно дешевые устройства ввода/вывода информации, а также успехами в разработке новых регистрирующих сред для голографической записи.

Рис.16. Принцип голографической записи информации Особенности голографического метода записи информации

1)Голографический метод позволяет создавать трехмерное пространственное изображение объекта, которое не может быть создано в такой же степени каким-либо другим способом.

2)При голографической записи можно использовать для хранения информации не только поверхность, но и объем записывающего материала, что значительно увеличивает плотность записи, поскольку угловая и спектральная селективность объемных голограмм позволяет осуществлять многократную запись информации на один и тот же участок регистрирующего материала.

3)Голографический метод позволяет регистрировать прозрачные объекты, в которых отдельные части отличаются не коэффициентом пропускания и отражения, а изменением показателя преломления или толщины объекта, влияющим на изменение длины оптического пути.

4)При восстановлении волнового фронта с голограммы можно получить действительное изображение объекта с максимальным разрешением не только в поперечном,

но и продольном направлениях. Такая особенность голографического метода применяется, например, при измерении размеров микрочастиц в аэрозолях, при изучении биологических объектов и для более общих задач микроскопии.

5)Опорная волна, образующая вместе с объектной волной интерференционную картину, может быть модулирована в результате прохождения через специальную маску. Восстанавливаться изображение будет только при прохождении опорного пучка через такую же маску. Это свойство может быть использовано, например, в устройствах с фазовокодированным мультиплексированием.

6)Голографический метод позволяет осуществлять суперпозицию интерференционных полей. В связи с этим можно получить интерферограмму не только от двух (или более) одновременно существующих объектов, но также от объектов, голографируемых в разное время, в том числе и одного, изменяющегося во времени объекта. Это свойство голографической записи привело к созданию голографической интерферометрии, методы которой позволяют изучать не только деформации объектов, но также фазовую структуру прозрачных объектов.

7)Голографический метод позволяет реализовать свойство ассоциативности голограмм, заключающееся в том, что при освещении голограммы частью объектного пучка, восстанавливается опорная волна, соответствующая той, которая была использована при записи данного объекта.

8)Голографический метод позволяет реализовать так называемую распределенную запись информации, что повышает надежность записи и считывания. Это свойство наиболее ценно при создании голографических систем памяти.

Перечисленные особенности голографического метода в той или иной степени используются и в устройствах голографической памяти.

Для розпізнавання об’єктів використовують статичні і дтинамічні голограми. Статичні: Навчальні зображення (один і той же об’єкт, статичні голограми, купа зображень під

різними кутами і різних розмірів тощо) обробляються для «усереднення» - з них формується комбінований фільтр, який називається синтезованою дискримінантною функцією (SDF). Порівнюючи з ним те зображення, яке ми обробляємо, можна визначити чи присутнє в цьому зразку наше зображення – те, для якого складалась усереднена функція.

Динамічні: на основі фоторефрактивного ефекту

Відбувається так: після фокусування на частинці об’єктного та опорного променя вони інтерферують. Якщо в певному місці при цьому інтенсивність збільшується, там генерується заряд. Отримуємо профіль зарядів, відповідний інтерференційній картині. Відповідно змінюється показник заломлення.

Фоторефрактивный эффект заключается в изменении показателя преломления среды под действием света. В электрооптических кристаллах фоторефрактивный эффект обусловлен переносом и перераспределением пространственного заряда под действием света. Поле этого пространственного заряда благодаря линейному электрооптическому эффекту изменяет оптические свойства среды. Фоторефракция была экспериментально обнаружена в 1965 г. как вредный эффект, по искажению формы световых пучков при прохождении их через электрические модуляторы на кристаллах LiNbO3, LiTaO3, BaTiO3. Поэтому этот эффект первоначально был назван оптическим повреждением («optical damage»). Была показана и возможность устранения оптических неоднородностей кристалла при отжиге или однородной

засветке.В 1968 г. фоторефрактивный эффект в ниобате лития был использован для записи фазовой объемной голограммы. Таким образом, фоторефрактивные кристаллы могут быть использованные для оптических транспарантов, причем динамических. Голограмма здесь может перезаписываться при изменении сигнального пучка. Время записи динамических голограмм может составлять наносекунду, а время хранения – до нескольких лет. Динамические голограммы в фоторефрактивных кристаллах применяются для оптической памяти, усиления оптических изображений,обращения и самообращения волнового фронта световых пучков, создания «фильтров новизны», синхронизации излучения нескольких лазеров, и т.д.

Оптическая память, время хранения от милисекунд для GaAs до нескольких лет в LiNbO3:Fe. Количество голограмм в одном кристалле – 10000. Принцип кодирования и доступ к данной голограмме осуществляется за счет высокой угловой селективности объемных голограмм, путем изменения положения опорного (считывающего) пучка. Количество циклов перезаписи неограниченно.

(215) Оптичні комп'ютери. Асоціативна пам'ять. Відновлення образів

Орієнотована на роботу з зображеннями. Дозволяє відновити дуже розмиті зображення. Використовує такий прилад, як обертаюче дзеркало (кювета з молекулами газу чи рідини, що при малій інтенсивності наданого променя заломлюють його, а при великій – змінюють орієнтацію і відбивають) - воно відбиває хвилю отак:

Також створюється віртуальна голографічна дифракційна гратка

АССОЦИАТИВНАЯ ПАМЯТЬ способна распознать два изображения, имеющие общие черты. Элемент памяти формируется при освещении фотоэмульсии опорным пучком, пропущенным через транспарант с изображением квадрата (вверху слева), благодаря чему в пленке записывается голограмма, или интерференционная картина. На том же слое эмульсии процесс повторяется с треугольником и кругом. Угол падения опорного пучка каждый раз

меняется, чтобы иметь возможность различать изображения. Пластинка с эмульсией (теперь голографический элемент памяти) обрабатывается и помещается между двумя обращающими зеркалами (внизу). Изображение, которое необходимо распознать (изображенный здесь несколько искаженный квадрат}, отражается полупрозрачным зеркалом на эмульсию (голубой}. Все лучи, которые в опознаваемом квадрате соответствуют лучам одной из хранимой в пленке голограмм, складываясь, дают сильный выходной пучок (толстая пиния}; если соответствия лучей нет, выходной пучок получается слабее (линия средней толщины и тонкая линия). Сильный и средний выходные пучки отражаются обращающим зеркалом справа (красный). Слабый выходной пучок, однако, недостаточно мощен для возбуждения обращения и проходит сквозь обращающее зеркало (голубой пучок справа). Таким образом отбираются показатели “квадратности”. После второго обращения сильного и среднего выходных пучков левым обращающим зеркалом процесс повторяется. Последующие итерации дают на выходе квадрат. Иначе говоря, система “распознала”, что входным было изображение неточного квадрата, а не круга или треугольника.

(216) (219) Оптичні комп'ютери. Оптичний процесор EnLight 256. Принципи роботи. Структура. Основні параметри. Сфера застосування.

http://andrey04cad.livejournal.com/11191.html?thread=

І була фірма Lenslet, і створила вона цю штуку, яка ще й працює... Це - гібридний оптичний процесор (оптичні логічні елементи, але підєднані до перетворювачів дуже навіть електричних - вхідна і вихідна інформація представлена в електронному вигляді). Анаоговий перетворювач. Саме ядро оптичне, складається з 256 VCSEL-лазерів, просторового модулятора світла, набора лінз и приймачів. Производительность процессора составляет 8 триллионов операций в секунду: за один такт (8 нс) процессор умножает 256-байтный на матрицу 256х256.

Понти про параметри:

заявленные быстродействие в 8 триллионов целочисленных трехоперандных команд типа "умножение с накоплением" (MAC -- фактически умножение двух чисел и сложение результата с третьим числом) в секунду, способность выполнять за секунду или 125 млн. 128точечных дискретных комплексных преобразований Фурье, или 500 тыс. таких же преобразований, но уже на 16 тыс. точек, или 125 млн. вычислений 128-точечных комплексных корреляционных функций! Оценка энергопотребления, обеспечивающего такую мощь вычислителя, также внушает уважение -- суммарное составляет 40 Вт, а "приведенное к производительности" -- 5 мВт на 1 млрд. операций в секунду. Иными словами, эти цифры в среднем на два порядка выше (на некоторых задачах -- на три и даже на шесть!), чем показатели классических современных DSP, и Бог знает насколько превосходят возможности универсальных процессоров.

Оптична матриця VMM (Vector-Matrix Multiplication) складається з:

N не-когерентных лазеров, которые представляются вектор, состоящий из N элементов, каждый элемент – это 8 бит. (джерела світла)

Пространственного модулятора Multiple Quantum Well (MQW), состоящего из NxN пиксельных модуляторов, размещенных на одном чипе. (управління світлом). Програмування процесора - через зміну значень в модуляторі (заміна матриці).

Ряда из N детекторов света, которые интегрированы в массив аналоговосветового преобразования (Analog to Digital Converters, ADC). Детекторы установлены так, чтобы получать лучи от матрицы модулятора. Вывод столбца детектора – это вектор-результат

Каждый элемент входного вектора проектируется на столбец матрицы. Каждый ряд матрицы проектируется на один детектор в векторе результата (вывод). Enlight выполняет математические операции с помощью 256 лазеров малых размеров, лучи от которых проходя

через "модуль программируемой оптики", создают интерференционную картину, которая считывается 256 светочувствительными элементами.

детальніше про принципи дії ядра:

Понятно, что гибридный характер вычислителя требует двух процедур преобразования - - "цифры в значение" и "значения в цифру". Оконечный элемент цепей трансформации 8- битного числа в интенсивность светового потока в Enlight -- лазерный диод специального исполнения, так называемый VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser -- лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором). Этот полупроводниковый прибор оригинален сам по себе: в отличие от "обычных" лазерных диодов, излучающих "с торца" кристалла, VCSEL обладает рядом достоинств -- он одновременно технологичнее и дешевле стандартных лазерных диодов (хотя подробности изготовления VCSEL впечатляют -- чего стоят только "распределенные рефлекторы Брэгга" -- состоящие из десятков слоев полупроводниковые структуры, формирующие "зеркало" с отражательной способностью свыше 99,99%) и излучает более "качественный" луч (в сечении -- практически идеальный круг). Но что главное в случае с Enlight -- множество VCSEL можно легко разместить на одном кристалле. Именно такая линейка из 256 лазерных излучателей и является одним из "регистров" оптического АЛУ (арифметико-логического устройства) процессора Enlight. Второй "регистр" фактически играет роль одновременно и регистра, и АЛУ. Название у этого функционального вычислителя "страшное" -- пространственный оптический модулятор на основе многоквантовой ямы (MQWSLM -- MultiQuantum Well Spatial Light Modulator). В реальном исполнении это также однокристальная микросхема, содержащая матрицу однопиксельных модуляторов. В Enlight256 MQWSLM представляет собой пиксельную матрицу 256 x 256, работающую "на отражение". Она позволяет электрически управлять интенсивностью проходящего через каждый пиксел света (в более общем случае пространственные модуляторы могут изменять разные параметры проходящей волны, а не только интенсивность). Главная отличительная черта матрицымодулятора Enlight -- низкая инерционность, допускающая изменение "элементов матрицы" управляющими напряжениями с частотой порядка нескольких мегагерцев. И наконец, последний элемент -- естественно, светочувствительный, обеспечивающий возврат от чуждых цифровой электронике световых потоков к электрическим напряжениям и токам. Он так же, как и "входной преобразователь", выполнен в виде линейки, содержащей 256 фотодиодов.

Излучение каждого из 256 лазерных диодов линейки "входного преобразователя" проецируется на соответствующий "столбец" пикселов матрицы MQWSLM, а прошедшее через матрицу излучение попадает на линейку фотодиодов уже по-другому -- каждый фотодиод принимает излучение от соответствующей строки матрицы. Результирующая энергия, полученная фотодиодами, как раз и является результатом "выполнения процедуры" умножения вектора на матрицу.

В остальном Enlight не сильно отличается от обычных цифровых процессоров -- у него есть высокоскоростные формирователи внешних шин, встроенный "кэш" для быстрой загрузки векторов и прочие сугубо "цифровые артефакты". Очевидное узкое место в такой архитектуре -- естественно, внешние шины. К счастью, существует множество задач, специфика решения которых предъявляет исключительно высокие требования именно к производительности процессора, при этом потоки обрабатываемой информации могут быть весьма "скромными" (в кавычках, потому что все-таки полоса пропускания у внешних шин

Enlight -- 32 Gbps).

застосування процесору: військова промисловість і обробка відео в реальному часі. Оптический модуль, выполняющий все вычисления, получил название Ablaze. По информации компании Lenslet, Ablaze может использоваться и как отдельное устройство для

обработки информации. Среди возможных применений компания выделяет устройства большой емкости для хранения информации и широкополосные каналы ввода/вывода. Lenslet занимается внедрением модуля Ablaze как средства для кодирования видеосигнала для HDTV каналов. Процессор в силу своих характеристик прекрасно подходит как для оборонной сферы (распознавание образов в радио- и гидролокации, быстрое управление антеннами с синтезируемой апертурой), так и для решения "мирных" задач -- от повышения эффективности работы сетей GSM за счет применения тех же "умных" антенных систем до многопотокового кодирования мультимедийной информации.

(217) Оптичні комп'ютери. Покоління оптичних процесорів

09 (06) Оптичні процесори (36 слайдів).pptx http://www.dkws.org.ua/index.php?page=show&file=a/etc/optical/cpu

В 1964 году Прохоров, Басов и Таунс получили Нобелевскую премию за свою работу (мазер), которая произвела настоящую революцию в квантовой электроники. После этой работы стало возможным создание квантовых генераторов и усилителей, основанных на лазерном принципе. А в 1971 году Д. Габор получил премию за изобретение голографического метода. Сейчас голография применяется картографии, медицине, при диагностике сбое в различных устройствах, а также в других отраслях. Лазер А теперь вернемся к тем 80-м, с которых все и началось. Исследователи по оптической электронике начали работать над созданием оптического процессора нового поколения. 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. (це є перше покоління оптичних компів)

А в 2003 году компания Lenslet (www.lenslet.com) создала первый в мире оптический процессор, причем это была не демонстрационная модель, как в 1990-ом году, а коммерческий продукт, который можно было купить. Процессор назывался EnLight256, его производительность составляет 8 тераоп (триллионов арифметических операций в секунду)!

Первые оптические компьютеры Как уже отмечалось, в 1990 году компания “Bell” (Bell Labs) создала макет первого оптического компьютера. В основе процессора лежали двухмерные матрицы бистабильных полупроводниковых элементов со множествами квантовых ям. Эти элементы обладали электрооптическими свойствами (в аглоязычной литературе ты можешь встретить аббревиатуру SEED – self-electro-optic-effect devices – это из этой оперы). Освещение элементов производилось полупроводниковым лазером через голографическую решетку Даммена. Мощность излучения лазера составила 10 мВт, длина волны 850 нм. Как это все работало? Свет проходил через один диод, в цепи возникал ток, что, в свою очередь, приводило к падению напряжения на структуре решетки и к повышению пропускания света через вторую структуру. Вот так возникала обратная связь и совокупность элементов образовывала логические ячейки ИЛИ-И, ИЛИ-НЕ и т.д. Первый оптический компьютер занимал всего 1 метр квадратный. Состоял он из четырех каскадов. На выходе каждого каскада определялось пространственное распределение излучения по состоянию входящей в состав каскада жидко-кристаллической маски. Маска управлялась обычным компьютером. Во втором поколении оптических компьютеров использовалась векторноматричная логика. Второе поколение было представлено компьютером DOC-II (digital optical computer). Оптический компьютер DOC-II Поток данных в компьютере DOC-II излучали 64 модулируемых лазерных диода, длина волны каждого составляла 837 нм. Свет от каждого диода отображался на одну строчку матричного пространственного модулятора, общий размер которого составляет 64 128 элементов. Отдельный элемент матрицы – это ни что иное,