Когерентные оптико-электронные системы обработки информации с дискретными каналами данных

• Автор: Стариков, Ростислав Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 207 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

1. Оптико-цифровые методы обработки массивов данных: современные возможности

§1.1 Вычислительные возможности оптических систем

§ 1.2 Основные новейшие направления исследований в мире

§ 1.3 Элементная база оптоэлектронных систем обработки информации

§1.4 Оптический процессор в вычислительной системе

§1.5 Оптико-электронные Фурье процессоры и корреляторы изображений

§1.6 Оптоэлектронные матричные и сигнальные процессоры, голографические реконфигурируемые процессоры
§1.7 Средства поддержки цифровых вычислительных систем - схемы оптических межсоединений

§ 1.8 Обсуждение

Выводы главы 1
2. Методы построения оптоэлектронных матричных процессоров 50 §2.1 Архитектуры, алгоритмы работы и вычислительные параметры
оптоэлектронных всктор-матричных перемножителей
§2.2 Схемотехнические ограничения оптоэлектронных вектор-матричных перемножителей
§2.3 Методы реализации оптоэлектронных процессоров в виде гибридных микросхем и микромодулей
§2.4 Математическое моделирование и экспериментальное макетирование оптоэлектронных матричных процессоров
§2.5 Обсуждение
Выводы главы 2
3. Методы реализации инвариантных преобразований средствами Фурье оптики
§3.1 Инвариантные преобразования в оптике
§3.2 Общие принципы построения оптических систем для вычисления инвариантных признаков изображений
§3.3 Гибридная иерархическая система распознавания изображений на базе нейронной сети и оптоэлектронного блока выделения инвариантных признаков
§3.4 Схемы измерения кольцевых и секторных элементов пространственного
спектра интенсивности изображений на базе массивов фотодстекторов специальной топологии

§3.5 Экспериментальное моделирование лазерной схемы прецизионного измерения кольцевых и секторных элементов пространственного спектра интенсивности изображений на базе массива фотодетекторов специальной топологии
Выводы главы 3
4. Методы синтеза и применения инвариантных корреляционных фильтров для оптико-электронных систем корреляционного распознавания изображений
§4.1 Фильтры на основе гармонических разложений
§4.2 Составные фильтры с синтезированной дискриминационной функцией
§4.3 Инвариантные корреляционные фильтры с оптимизацией параметров
§4.4. Составные корреляционные фильтры с линейным фазовым коэффициентом 129 §4.5 Компьютерное моделирование распознавания изображений с использованием инвариантных корреляционных фильтров
Выводы главы 4
5. Разработка методов применения инвариантных фильтров с линейным фазовым коэффициентом в системах корреляционного распознавания изображений
§5.1 Варианты применения инвариантных корреляционных фильтров в системах корреляционного распознавания изображений
§5.2 Необходимые краткие замечания об особенностях реализации и применения инвариантных корреляционных фильтров
§5.3 Применение инвариантных корреляционных фильтров с линейным фазовым коэффициентом для распознавания полутоновых сцен, полученных с помощью аэрофотосъёмки
§5.4 Экспериментальная реализация инвариантных корреляционных фильтров с линейным фазовым коэффициентом в схеме коррелятора Вандер Люгта
Выводы главы 5
Заключение
Список цитируемой литературы

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 оптических 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 свеча и детекторов изображений и т.д. Одновременно, рост возможностей цифровой электроники по 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 отмстить во первых радиооптические и другие средства аналоговой и аналого-цифровой обработки сигналов, во вторых специализированные

Земли; автоматическая географическая привязка аэрокосмических снимков, поступающих с камеры (для тематического сжатия) и др.
Начиная с 2008г фирма Cambridge Correlators Ltd. (Великобритания) [22] предлагает варианты 1 f-корреляторов для обработки полутоновых и бинарных чёрно-белых изображений. Размер входного изображения варьируется для разных моделей от 1216х1216пикс до 1920х1200пикс, частота смены кадра- - от 60Гц для полутоновых входных изображений до 200Гц для бинарных. Поставляемое в комплекте программное обеспечение содержит интерфейсы приёма внешнего входного изображения, генерации/импорта изображения, двух- и трёхмерного графического анализа выходного корреляционного сигнала, модули сопряжения со средой MatLab, а также позволяет в реальном времени осуществлять пороговый контроль и удержание «региона интереса» выходного сигнала. Системы имеют относительно малый форм-фактор (не более 1000см3) и предназначены для использования в качестве устройства расширения персонального компьютера стандартной архитектуры, использующего интерфейс USB 2.0.
В настоящее время в исследовательском центре Jet Propulsion Laboratory (США) совместно с фирмой Boudler Nonlinear Systems Inc. (США) ведётся разработка систем распознавания на базе миниатюрного инвариантного коррелятора полутоновых изображений [20,21,99-104]. При разработке используется 4f схема. На начало 20 Юг реализован образец устройства, обладающий рекордными характеристиками по быстродействию и адаптивности обработки. Размеры обрабатываемого изображения и фильтра 1024x1024 полутоновых отсчётов. Скорость смены кадра в системе до 1000 кадров в секунду. С учётом этого, эквивалентная скорость вычислений составляет 5х1012~1013 операций в секунду. Система обеспечивает инвариантность корреляционного распознавания к изменению освещённости объекта и к его пространственной ориентации за счёт применения в качестве эталонов инвариантных корреляционных фильтров (используются оптимальные компромиссные фильтры с максимальной высотой корреляционного пика, см. также главу IV настоящей диссертации). Поскольку скорость работы коррелятора высока, а применение инвариантных фильтров не всегда обеспечивает характеристики корреляционного сигнала, достаточные для распознавания с использованием стандартных корреляционных метрик, для селекции «региона интереса» используется нейросетевой алгоритм, аппаратно поддерживаемый электронной микросхемой переключаемых логических элементов, работающей параллельно с коррелятором. Работа системы экспериментально продемонстрирована в условиях различных постановок задачи корреляционного распознавания. Предполагается использование коррелятора при создании следующего поколения систем посадки космических аппаратов, а также для ряда военных применений.