白光信息處理

白光信息處理

光計(jì)算

1白光信息處理--調(diào)制

對(duì)圖像的不同區(qū)域分別用取向不同（角不同）的光柵進(jìn)行調(diào)制，用白光照射，并在譜面上加以適當(dāng)?shù)臑V波器，可在輸出面上得到所需的彩色圖像。光學(xué)系統(tǒng)采用4f系統(tǒng)如下圖若要使花、葉、背底三個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)三種不同的顏色，可在同一張膠片上曝三次光，每次只曝其中一個(gè)區(qū)域，并在其上覆蓋某一取向的朗奇光柵，三次分別取三個(gè)不同的取向，如圖中線條所示。將這樣的調(diào)制片輸入4f系統(tǒng)，用白色平行光照明2調(diào)制的濾波與成像物被不同取向的光柵所調(diào)制，在頻譜面上得到的將是取向不同的帶狀譜用白光照明，所以各級(jí)頻譜呈現(xiàn)出的是色散的彩帶，由中心向外按波長(zhǎng)從小到大的順序排列帶通濾波器實(shí)際上是一個(gè)被打了孔的光屏。在代表花、葉、背底信息的譜帶上分別在紅色、綠色、黃色位置打孔為避免因色區(qū)形狀與孔的形狀不匹配而引起“混頻”現(xiàn)象，可在孔上放置相應(yīng)的濾色片，以提高色純度在像平面上可得到彩色圖像：紅花、綠葉、黃背景。若改變?yōu)V波器上孔的位置，可變換出各種不同的顏色搭配

3調(diào)制實(shí)驗(yàn)的彩照

4用黑白膠片保存彩色像

彩色膠片使用的化學(xué)染料不能耐久而存在褪色問題，人們只能不厭其煩地連年復(fù)制，這對(duì)于大量彩色圖片的長(zhǎng)期保存造成極大的困難在遠(yuǎn)距離彩色攝影中，色彩鮮艷程度會(huì)隨目標(biāo)距離的增大而降低，呈現(xiàn)“褪色”現(xiàn)象對(duì)于超過15公里以上的目標(biāo)，即使在晴朗天氣，也無法拍攝出色保真度很高的照片，這對(duì)于衛(wèi)星運(yùn)載的信息采集、軍事目標(biāo)的遠(yuǎn)距離跟蹤以及其它目的的遠(yuǎn)距離攝影都造成了困難黑白膠片具有長(zhǎng)期保存的能力，將彩色的圖像信息用黑白膠片保存，使用時(shí)通過光學(xué)手段將彩色信息加以恢復(fù)，不僅有科學(xué)意義，還會(huì)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益早在20世紀(jì)70年代末，就提出了黑白膠片保存彩色膠片的調(diào)制方法5彩色圖像的編碼和存儲(chǔ)

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)在同一塊材料上制作“三色光柵”

，等價(jià)于將三套取向不同且顏色分別為三原色的一維朗奇光柵重合在一起制成的復(fù)合光柵。將這種“三色光柵”直接復(fù)蓋在黑白膠片上無需另加濾色片和編碼光柵，只需曝光一次，就可完成彩色編碼和存儲(chǔ)操作

6彩色圖像的恢復(fù)——解碼

解碼操作白光處理系統(tǒng)是一個(gè)白光照明的4f

系統(tǒng)。圖中S為白光光源，經(jīng)L1準(zhǔn)直照明置于物面上的黑白膠片，空間濾波器置于頻譜面上，在像平面得到彩色圖像輸出由于黑白膠片被三套取向不同的光柵所調(diào)制，因而，譜面上三個(gè)不同取向的頻譜分別載有紅、綠、藍(lán)三種顏色的信息7黑白膠片保存彩色像的應(yīng)用前景

1）彩色膠片的存儲(chǔ)：大量的彩色電影膠片、彩色圖片資料利用這種編碼方法，可翻制成黑白編碼片長(zhǎng)期保存，信息不會(huì)丟失2）褪色圖像的恢復(fù)：目標(biāo)圖像由于距離太遠(yuǎn)而會(huì)呈現(xiàn)“褪色”現(xiàn)象，使用這種白光信息處理技術(shù)可以使呈現(xiàn)“褪色”色彩的恢復(fù)。如可以不再用黑白膠片作為載體，在許多領(lǐng)域?qū)@得更實(shí)時(shí)更靈活的應(yīng)用8黑白圖像的白光密度假彩色編碼

人眼對(duì)黑白圖像的灰度只能分辨出15~20個(gè)等級(jí)，，人眼對(duì)顏色的分辨能力卻大得驚人，將灰度等級(jí)轉(zhuǎn)換為顏色等級(jí)，可大大提高人們對(duì)圖像的識(shí)別能力所謂“白光密度”指與“灰度”相應(yīng)，所謂“假彩色編碼”是指輸出片的色彩僅由輸入片的“白光密度”確定，并非真實(shí)色彩假彩色編碼的方法有很多，這里僅舉一例。具體編碼方法如下圖

9假彩色顯示

將編碼片輸入白光處理系統(tǒng)，頻譜面上放置濾波器，只允許+1級(jí)通過（濾波器的選取不是唯一的，也可以僅允許零級(jí)通過）編碼片是位相型的，光波位相被輸入片的乳膠厚度所調(diào)制輸出面的空間光強(qiáng)分布一方面與位相調(diào)制的程度有關(guān)，另一方面與照明光波波長(zhǎng)有關(guān)。當(dāng)用白光照明時(shí)，透過編碼片的光束經(jīng)位相調(diào)制后的振幅分布是波長(zhǎng)的函數(shù)不同波長(zhǎng)到達(dá)輸出面具有各自不同的強(qiáng)度分布，對(duì)應(yīng)各波長(zhǎng)的暗區(qū)都不會(huì)重疊在空間同一位置，因此，輸出面便呈現(xiàn)一幅彩色圖像輸出圖像上的色彩便直接反應(yīng)了黑白底片的白光密度，而位相每改變一個(gè)微小量，輸出圖像就會(huì)在顏色上呈現(xiàn)一個(gè)較明顯的變化。因

而，用這一方法得到的假彩色顯示對(duì)灰度等級(jí)是十分靈敏的。10假彩色編碼應(yīng)用舉例

假彩色編碼技術(shù)在醫(yī)學(xué)上可用于對(duì)人體器官病變的早期診斷，例如用于早期肺癌診斷，用假彩色編碼技術(shù)對(duì)肺部X光透視片（黑白）進(jìn)行處理，把醫(yī)生用眼睛無法辨別的灰度差別變換成明顯的顏色差別顯現(xiàn)出來假彩色編碼用于衛(wèi)星遙感圖像分析：用于對(duì)廣大牧區(qū)草場(chǎng)情況的監(jiān)測(cè)，可敏感地發(fā)現(xiàn)牧區(qū)草場(chǎng)退化的災(zāi)情和發(fā)生的位置地形地貌衛(wèi)片的分析，可以敏感地監(jiān)測(cè)洪水災(zāi)害、森林火災(zāi)的情況，或大陸架的變遷11多重像的產(chǎn)生

用相干光信息處理產(chǎn)生多重像由于相干噪聲的干擾存在噪聲而影響了它的應(yīng)用用白光處理系統(tǒng)可以有效地消除這類噪聲，獲得比較“干凈”的多重像，處理手段成本低廉采用白光照明的4f系統(tǒng)，在輸入面上放置物透明片f（x，y），其上覆蓋一維正弦光柵g0（x，y），用于調(diào)制物函數(shù)。到達(dá)頻譜面時(shí)是兩者頻譜的卷積

u2=F（fx，fy）*G0（fx，fy）由于白光的作用，譜面上除零級(jí)譜為白色外。其余均呈現(xiàn)為彩虹色帶濾波器選取一組頻率不同的一維正弦光柵gi（i=r、g、b）用于對(duì)正一級(jí)頻譜彩帶中不同波長(zhǎng)的頻譜進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生三組衍射像的零級(jí)像重合在坐標(biāo)中央，形成白色像，而三組的正、負(fù)一級(jí)像以不同的間隔分布在兩側(cè)12白光信息處理輸出多重像示意圖13光計(jì)算

光計(jì)算以光子代替電子作為載體進(jìn)行信息采集、傳輸、存儲(chǔ)和處理。光子比電子傳輸速度快，而且抗干擾能力強(qiáng)最突出的一點(diǎn)是它的巨大的并行處理能力一般情況下，不同波長(zhǎng)、不同偏振態(tài)、不同波型的光即使相遇、交叉、同路都各自獨(dú)立、互不干擾，因而它具有高度的并行能力光子可在自由空間傳播，甚至可在真空中傳播，不象電子那樣只能被束縛在導(dǎo)線中，況且光子在傳播中能量損耗很小由于光子不帶電荷，因而它不受電磁場(chǎng)的干擾，傳播速度與光速等量級(jí)14光學(xué)矩陣運(yùn)算

光學(xué)矩陣運(yùn)算是指用光學(xué)方法直接進(jìn)行數(shù)學(xué)矩陣運(yùn)算。計(jì)算機(jī)求解線性方程組、線性微分方程，以及解卷積運(yùn)算和線性變換等，最終都可化為矩陣運(yùn)算，因而矩陣運(yùn)算可看作計(jì)算問題中最有用也是最基本的運(yùn)算問題之一對(duì)于兩個(gè)N×

N的矩陣相乘問題，共需進(jìn)行n3次乘法和n3次加法，用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，2n3次計(jì)算操作才能完成利用具有高度并行能力的光計(jì)算去完成，只需n次計(jì)算操作甚至只需一次操作即可完成,速度上極具優(yōu)勢(shì)光學(xué)矩陣運(yùn)算可分為內(nèi)乘法和外乘法兩類；從輸入輸出方式及使用的調(diào)制器件的不同，又可分為許多類，如掩模調(diào)制系統(tǒng)、聲光調(diào)制系統(tǒng)和電光調(diào)制系統(tǒng)等

15一維矩陣和二維矩陣的乘法

一維和二維矩陣相乘運(yùn)算由下式確

C=AB

a11

a12

┅a1N

其中：A=a21

a22┅a2N┆┆┆

aM1

aM2┅

aMN

B=[b1b2┅bN]TT為轉(zhuǎn)置符號(hào)

積矩陣C的元素由下式確定：

Ci=ai1

b1+ai2

b2+┅+aiN

bN

16矩陣運(yùn)算的掩模光學(xué)系統(tǒng)

LED是有N

個(gè)發(fā)光管組成的陣列，每一個(gè)元素發(fā)射的光束bj

經(jīng)豎直均勻擴(kuò)散，到達(dá)掩模M上（其上有M×N個(gè)子單元）與之對(duì)應(yīng)的列元素aij，掩模后得到對(duì)應(yīng)元素的乘積aij·bj，經(jīng)光學(xué)元件在水平方向上會(huì)聚到接收器陣列D的相應(yīng)單元上，實(shí)現(xiàn)了水平方向上所有乘積的相加運(yùn)算17聲光調(diào)制矩陣運(yùn)算系統(tǒng)

利用聲光調(diào)制器依次輸入單個(gè)矩陣元素，用于調(diào)制由LED或另一聲光調(diào)制器以特定脈動(dòng)模式輸入的另一矩陣光脈沖，達(dá)到各元素依次相乘的目的，再利用可移動(dòng)CCD實(shí)現(xiàn)相應(yīng)項(xiàng)的相加，達(dá)到矩陣與矩陣相乘的運(yùn)算結(jié)果。這種方法的弱點(diǎn)是并行性較差，優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)可變性好

18光學(xué)互連

互連是指計(jì)算機(jī)內(nèi)部芯片上邏輯門之間、芯片和芯片之間、處理器和處理器之間的相互連接，也稱互連通信電子計(jì)算機(jī)芯片的尺寸越做越小,每個(gè)芯片上的邏輯門數(shù)量越做越多，計(jì)算機(jī)性能的限制已不再來源于晶體管和邏輯門器件的速度，而主要在于互連對(duì)于這種大得驚人的互連數(shù)的要求，電子學(xué)手段已顯得力不從心光具有高度并行性，具有極強(qiáng)的抗電磁干擾能力，傳播速度極快，它的功耗極低，帶寬很寬，還能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)互連光學(xué)互連技術(shù)的研究和發(fā)展主要應(yīng)解決兩方面問題，一是光學(xué)互連模式，二是光學(xué)互連器件

19光學(xué)互連的分類

光學(xué)互連分類的方法一般分為純光型和光電混合型兩類光電混合型互連同時(shí)把光學(xué)元件和光電子學(xué)元件連接在互連系統(tǒng)中共同完成互連通信的任務(wù)。純光型光學(xué)互連全部利用光學(xué)元件構(gòu)成互連系統(tǒng)，又可分為自由空間互連、光纖互連和集成光波導(dǎo)互連三類20光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的高速度和高精度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人的生理極限，但是傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)由于只能按規(guī)定的算法和固定的程序進(jìn)行運(yùn)算，因而在完成諸如學(xué)習(xí)、推理、識(shí)別、聯(lián)想等智能化運(yùn)算問題時(shí)便遇到了很大障礙生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一部極理想的“計(jì)算機(jī)”，其存儲(chǔ)信息的容量之大、綜合信息的速度之快、處理信息的精度之高、修正誤差的能力之強(qiáng)是電子計(jì)算機(jī)所無法相比的二十世紀(jì)40年代，人們開始了對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的研究，提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，直至70年代末相繼提出了50多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，80年代中期，隨著光計(jì)算研究的興起，光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也被提上了研究日程，光學(xué)因其高速度和高度并行的特性而倍受人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的青睞21神經(jīng)元

生物學(xué)研究指出，人體擁有的神經(jīng)細(xì)胞總數(shù)估計(jì)達(dá)1010~1012量級(jí)，每個(gè)神經(jīng)元的表面有數(shù)千甚至上萬個(gè)稱為“突觸”的小突起，由它們完成神經(jīng)細(xì)胞間傳遞信息的任務(wù)，形成“互連”關(guān)系，億萬個(gè)這樣的互連便構(gòu)成了“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”神經(jīng)細(xì)胞也稱神經(jīng)元，其本身的結(jié)構(gòu)和功能并不復(fù)雜，但它表面的突觸可不受干擾而獨(dú)立工作，因而實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)元之間高密度并行的、三維空間形式的互連每個(gè)神經(jīng)元均具有興奮和抑制兩種狀態(tài)，且它總是受到周圍神經(jīng)元的作用，當(dāng)這種作用的“強(qiáng)度總和”超過其本身的“激勵(lì)閾值”時(shí)，它處于興奮態(tài)，低于該閾值時(shí)則處于抑制態(tài)每個(gè)神經(jīng)元總是在不斷地施加影響于其它神經(jīng)元，同時(shí)又不斷受其它神經(jīng)元的作用而修正自身的狀態(tài)22神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是以一種群體的力量發(fā)揮作用的，大腦的記憶存儲(chǔ)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，與單個(gè)神經(jīng)元無關(guān)，即使由于新陳代謝而每天有大量的神經(jīng)細(xì)胞死亡，也不會(huì)削弱已經(jīng)存儲(chǔ)的記憶，也不會(huì)由于某些神經(jīng)元的功能性故障而影響計(jì)算結(jié)果的正確性

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)里每個(gè)神經(jīng)元不斷相互作用，直到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)定為止當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)受到外部激勵(lì)時(shí)，穩(wěn)定被打破，新的穩(wěn)定重新建立。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的這種運(yùn)動(dòng)特征形成了它具有記憶、識(shí)別等特殊功能

每個(gè)神經(jīng)元的響應(yīng)速度很慢，神經(jīng)元間信息傳遞的速度也十分有限，約為10-2秒量級(jí),比計(jì)算機(jī)的開關(guān)速度(10-6秒量級(jí))慢得多然而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其三維空間密集型的高水平的并行連接彌補(bǔ)了低水平的響應(yīng)速度的不足，使其處理大量信息的能力和速度均達(dá)到驚人的水平

23Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)理模型

Hopfield模型以較簡(jiǎn)單的形式描述了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的行為并具有較好的收斂性，把神經(jīng)元的興奮和抑制狀態(tài)分別用態(tài)函數(shù)Vi

=1和Vi=0表示（i為網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元序號(hào)）；用一個(gè)互連矩陣T表示神經(jīng)元間的互連強(qiáng)度的權(quán)重，矩陣元素Tij表示第j個(gè)神經(jīng)元對(duì)第i個(gè)神經(jīng)元的作用強(qiáng)度權(quán)重值，它由已經(jīng)存儲(chǔ)于網(wǎng)絡(luò)中的記憶所決定，其關(guān)系如下式：

Tij

=0(i=j)式中V

m(m=1,2,…，M)表示第m個(gè)存儲(chǔ)的記憶（用矢量形式表示），Ｍ為存儲(chǔ)記憶的總數(shù)。這表示記憶是以外積矩陣的方式被存儲(chǔ)的。網(wǎng)絡(luò)中第i個(gè)神經(jīng)元的狀態(tài)由其它神經(jīng)元作用總和確定：方括號(hào)及下標(biāo)th表示神經(jīng)元的閾值操作24

Hopfield與光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖左圖是Hopfield設(shè)計(jì)的循環(huán)迭代系統(tǒng)，可以模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算公式，并用非線性元件來模擬神經(jīng)元的閾值運(yùn)算功能，其中Ωi和Σi分別代表神經(jīng)元的輸出端和輸入端，NLRi代表神經(jīng)元,Ui表示第i個(gè)神經(jīng)元所獲得的互連強(qiáng)度總和，右圖是其光學(xué)模擬系統(tǒng)25光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主體是一個(gè)光學(xué)矢量—矩陣乘法器LED是發(fā)光二極管陣列，用于光學(xué)數(shù)據(jù)輸入；掩模的透過率與該網(wǎng)絡(luò)的互連矩陣Tij相應(yīng)；PD是接收器陣列系統(tǒng)可用于聯(lián)想識(shí)別功能的模擬，即用一個(gè)不完整的記憶輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可使其激勵(lì)（聯(lián)想）出某個(gè)預(yù)先已存儲(chǔ)于網(wǎng)絡(luò)中的完善記憶運(yùn)算時(shí)，當(dāng)一個(gè)輸入矢量V*由LED送入網(wǎng)絡(luò)后，PD上接收到矢量與矩陣的乘積，形成第一次迭代的結(jié)果：借助于電子學(xué)器件對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行閾值處理，增益后反饋至輸入端進(jìn)行下一次迭代，多次反復(fù)后輸出將穩(wěn)定于某一個(gè)值V

mo實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用光學(xué)方法可以