Media-security

ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

С.Б.Гуревич, В.К.Соколов

Рассмотрены возможности использования оптических методов обработки информации в вычислительной технике и принципы реализации операций спектрального и корреляционного анализа, а также пространственной фильтрации над двумерными функциями. Приведены примеры использования этих операций для решения широкого круга задач, дана оценка перспектив развития и использования оптических методов обработки информации в создании гибридных оптико-электронных вычислительных машин.

В в е д е н и е

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 в происходящей научно-технической революции. Несмотря на достигнутые успехи, прогресс цифровой вычислительной техники в значительной мере отстает от возрастающих требований. Уже в настоящее время имеется много задач, которые ЭЦВМ не способны решать с требуемой скоростью. Можно указать, например, на многопараметрические задачи управления производством и технологическими процессами. Дальнейшее совершенствование производства и технология в еще большей степени увеличили требования к скорости, эффективности и своевременности обработки больших массивов информации. В связи с этим специалисты изыскивают новые методы и средства обработки информации, с помощью которых можно успешио преодолеть возник-

шие 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 /1,2/. 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.

Так, например, 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.).

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.

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 двухлиизовой схеме пространственной фильтрации с помощью дифракционных решеток со сбоем /3/.

Ниже в лекции будут рассмотрены кратко принципы работы оптических процессоров, указанных в п.п.1-3, и круг решаемых с их помощью задач.

В будущем просматривается создание универсальных оптических вычислительных устройств, как аналоговых, так и цифровых, пригодных для решения широкого класса задач. Универсальные оптические вычислители будут гибридными оптико-электронными системами. На рис.1 приведена принятая нами классификация когерентных оптических устройств обработки информации, исходя из функционального принципа. Помимо рассмотренных выше оптических процессоров, в схему введены голографические запоминающие устройства и устройства ввода и вывода информации, которые являются необходимыми практически в любом оптическом процессоре.

Перейдем теперь я рассмотрению структурной схемы специализированного аналогового оптического вычислительного устройства (рис.2)

Она включает в себя: источник когерентного света - ОКГ, расширитель пучка, устройство ввода информации, собственно аналоговым

оптический вычислитель (процессор), устройство вывода информации и запоминающее устройство.

Рис.1. Классификация когерентных оптических устройств обработки информации.

Рис.2. Обобщенная структурная схема специализированного

аналогового оптического вычислительного устройства.

Устройство 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, а точнее - поля. 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 /4,5/.

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.

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

Для преобразования оптических сигналов в электрические обычно используют пространственно распределенные фотоприемники (нап-

ример, 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 устройствах.

Когерентные аналоговые оптические вычислительные устройства обладают следующими основными достоинствами:

1) обеспечивают возможность параллельной обработки больших массивов информации благодаря своей двумерности и чрезвычайно высокой информационной емкости светового поля и используемого носителя;

2) обеспечивает высокую скорость выполнения операций, не зависящую от степени их сложности, которая практически ограничивается скоростью ввода-вывода информации, а не скоростью собственно обработки, определяемой временем прохождения света от входа до выхода системы.

Хотя в целом аналоговые оптические вычислители уступают ЦВМ по точности вычисления, однако, благодаря быстроте вычислений, простоте аппаратуры и ее обслуживания, отсутствию необходимости программирования они оказываются более эффективными при решении ряда практических задач. Чаще всего эти задачи связаны с необходимостью выполнения операций двумерного спектрального и корреляционного анализа над двумерными комплексными функциями или многоканального анализа электрических сигналов. Решение подобных задач на ЭЦВМ сопряжено со значительными затратами машинного времени и поэтому не всегда эффективно и экономически оправдано.

В некоторых частных случаях оптические методы обработки не уступают по точности электронным и даже превосходят их /6/.

Следует отметить, что развитие оптических средств обработки информации не только сравнительно универсальных, но и узко специализированных, в настоящее время сильно сдерживается из-за отсутствия необходимой элементной базы и прежде всего из-за отсутствия высокоразрешавших реверсивных фоточувствительных материалов, обладающих высокой дифракционной эффективностью; пространственных мо-

дуляторов света с высоким фаз решением, быстродействием и ресурсом работы; фотоприемных матриц с высокой чувствительностью, пространственным разрешением и большим числом элементов; эффективных, надежных и быстродействующих дефлекторов света и целого ряда других устройств. Для преодоления этих трудностей во многих странах проводятся интенсивные исследования как по совершенствованию известных носителей таких, как фотохромные материалы, термо- и фотопластики, халькогенидные стеклообразные пленки, жидкие кристаллы, сегнетоэлектрические керамики, электрооптическив кристаллы и др., так и по поиску новых оптически активных сред и разработке устройств на их основе. Достигнутые к настоящему времени успехи позволяют надеяться на создание в недалеком будущем материалов и устройств с требуемыми характеристиками. Это дает возможность намного расширить спектр решаемых задач и области приложения оптических методов обработки информации.

Уже в настоящее время оптические методы обработки информации находят достаточно широкое применение в различных областях науки и техники, таких как вычислительная техника, кибернетика, радиотехника, радиолокация, связь, эксперииентальная физика, астрономия, метеорология, геофизика, машиностроение и приборостроение, криминалистика, микроэлектроника, медицина, биология и биофизика и др.

Современное состояние аналоговой оптической вычислительной техники на примере разработок, выполненных в США, подробно рассмотрено в обзоре Престона /7/. Там же дано сравнение аналоговой и цифровой вычислительной техники по стоимостному критерию, выражаемому в битах в секунду на доллар затрат.

Созданные к настоящему времени специализированные аналоговые вычислительные устройства превосходят ЦВМ по этому критерию, по крайней мере, на два порядка (~10⁴ бит/сек, долл у ЦВМ и 10⁶ - 10⁷бит/сек.долл у оптических процессоров).

Разработанный в США прецизионный оптический процессор, предназначенный для обработки радиолокационных сигналов в РЛС с синтезируемой апертурой, представляет собой многоканальный коррелятор, имеет наивысшую на сегодня скорость обработки информации, равную 10¹² бит/сек, и стоит 250000 долларов. По данным Престона

верхняя граница стоимостного параметра для оптических вычислительных устройств ориентировочно лежит на уровне 10⁹ ÷ 10¹² бит/сек.долл. Следовательно, специализированные оптические аналоговые вычислительные машины будут успешно конкурировать со специализированными ЦВМ, по крайней мере, в течение еще одного десятилетия, а с универсальными ЦВМ, по-видимому, до конца столетия.

Перейдем теперь к рассмотрению принципов выполнения операций спектрального и корреляционного анализа., а также пространственной фильтрации оптическими методами и круга задач, решаемых в настоящее время с помощью оптических методов обработки информации.

Спектральный анализ

Операция преобразования Фурье над двумерными комплексными функциями является элементарной в когерентной оптике и осуществляется с помощью обычной сферической линзы (рис.3).

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 пло-

Рис.3. Схема двумерного оптического анализатора спектра пространственных частот.

ской 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 /8/, т.е.

(1)

или в символической записи

Здесь и - пространственные частоты; ξ, η - κоординаты в задней фокальной плоскости; f - фокусное расстояние линзы; λ - длина волны используемого света; f [ ] - оператор Фурье-преобразования.

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 Δ≤0,02λ /9/.

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 акусто-оптических 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, предложенную в работе /10/. 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)

т.е. представляет собой одномерное Фурье-преобразование анализируемой функции. Сканируя полученное световое распределение точечным фотоприемником, получаем спектр функции.

Спектральный анализ, осуществляемый с помощью когерентных оптических анализаторов, может оказаться весьма полезный для решения разнообразных задач: измерение и контроль диаметра сверхтонкой проволоки; анализ микроструктур в биологии /11,13/ количественная обработка интерферограмм в фурье-спектроскопии /13/; формирование признаков в устройствах распознавания образов /14/; интерпретация геологического материала; многоканальный спектральный анализ сигналов электрической и иной природы /15/ и др.

Рассмотрим задачу обработки интерферограмм в фурье-спектроскопии, как наиболее интересную. На рис.4а приведена фурье-интерферограмма инфракрасного поглощения Сsbr. Обработка ее состоит в определении спектра поглощения, т.е. в спектральном анализе. Обычно этот анализ осуществляется на ЭЦВМ. Однако такой способ обработки дорог и требует много времени. Поэтому заманчивым является использование оптических анализаторов. Обрабатываемую интерферограмму представляют в силуэтной форме (рис.4б) и полученный транспарант обрабатывают на оптическом анализаторе (рис.5).

Рис.4. Фурье-интерферограмма инфракрасного спектра поглощения (а) и соответствующая ей силуэтная маска (б).

Рис.5. Схема устройства для оптического спектрального анализа фурье-интерферограмм.

Для преобразования результата анализа в электрический сигнал используют ФЭУ с диафрагмой 20 мкм. Сигнал с выхода ФЭУ подается на усилитель, где одновременно с усилением осуществляется операг.ля извлечения квадратного корня для получения амплитудного спектра, а затем поступает на регистрирующее устройство. На рис.6 представлены спектры поглощения СsВr, вычисленные на ЭЦВМ (с точностью 1%) и полученные с помощью оптического анализатора спектра. Кривые демонстрируют хорошее совпадение. Отклонения положения пиков в спектрах не превышает 2 см^-1.

Контроль диаметра сверхтонкой проволоки удобно производить оптическими методами, например, 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 легко осуществить бесконтактный автоматический контроль проволоки непосредственно в процессе ее изготовления.

Рис.6. Спектры поглощения csВr:

а) вычисленный на ЭЦВМ;

б) полученный с помощью оптического анализатора.

Пространственная фильтрация

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

На рис.7 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 расстоя-

Рис.7. Схема устройства пространственной фильтрации изображений.

нии, равном сумме их фокусных расстояний. 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 гчспределение амплитуд света, описываемое выражением:

где h (u,v) = f^-1h(p,q) - импульсная реакция схекы 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) = δ(u,v) и на выходе мы будем иметь перевернутое изображение функции g(х,у). В простейших случаях достаточно использовать амплитудные фильтры (бинарные в виде диафрагм, колец, целей и полутоновые с произвольный законом изменения пропускания). Обычно такие фильтры изготавливают на фотоматериалах путем регистрации требуемого распределения света, формируемого в специальных оптических схемах, илл синтезирувт на ЭЦВМ. 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.

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

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

улучшение качества изображений путем их апостериорной обработки;

повышение контраста, устранение дефокусировки и смаза, подавление аддитивных помех /16-18/;

осуществление над изображением операций типа дифференцирования, преобразования Гильберта и др;

обработка сигналов фазированных антенных решеток;

обработка сигналов РЛС бокового обзора с синтезированной

апертурой /19/;

многоканальная фильтрация электрических сигналов /15/;

машинная обработка геофизических данных;

обработка снимков треков пузырьковых камер и ряд других.

В качестве примера рассмотрим две задачи, связанные с апостериорной обработкой 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 ε - 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 случав требуемая характеристика обратного фильтра должна быть комплексной, возникли известные трудности при синтезе таких фильтров на фотоматериале. Дж.Строук предложил оригинальный способ синтеза требуемого фильтра /18/ путем наложения двух транспарантов, на одном из которых голографическим способом синтезирован фильтр с передаточной функцией, комплексно-сопряженной требуемой, т.е. Н₁=Т^*, а на другом - фильтр с амплитудный коэффициентом пропускания Н²=1/|t|². Тогда результирующая передаточная характеристика будет

(5)

С помоздыо такого фильтра Строуку удалось существенно повысить разрешение электронных микроскопов, что позволило получить изображение двойной спирали ДНК /20/.

Задача устранения дефокусировки изображения является задачей устранения влияния аппаратной функции изображающей системы.

Применение оптических методов обработки информации для апостериорной обработки спектрограмм, рентгенограмм, изображений с электронных микроскопов и т.п. с целью устранения влияния аппаратных функций спектральных приборов, рентгеновских установок, электронных микроскопов на качество формируемых ими изображений может явиться эффективным средством существенного увелкчэния разрешающей способности этих приборов (до нескольких раз) без каких-либо конструктивных усовершенствований самих приборов. Практическая реализация преимуществ, обеспечиваемых оптическими методами обработки информации при решении данных задач, сопряжена с преодолением определенных трудностей, связанных с изготовлением корректирующих фильтров с высокой точностью воспроизведения требуемого закона изменения пропускания (до единиц процентов) при болызом динамическом диапазоне (до 1000:1).

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. Поскольку метод согласованной пространственной фильтрации неоднократно рассматривался на школах по голографии /21-23/, то мы не будем на нем останавливаться подробно. Отметим только основные свойства и особенности схемы согласованной пространственной фильтрации. Схема 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 чувствительных 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 зависисимости 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.

Применение согласованной пространственной фильтрации связано как с формированием меры близости в виде функции взаимной корреляции при решении задач, в той или иной пере связанных с необходимостью выполнения операций обнаружения или идентификации изображений, так и с необходимостью измерения интенсивности функции взаимной корреляции при решении задач измерения или контроля.

С помощью согласованной пространственной фильтрации могут быть решены следующие задачи:

- обнаружение объектов на некотором сложной фоне /24/;

- навигационная привязка летательных аппаратов по наземным ориентирам /23/;

- исследование скорости движения облаков по фотоснимкам, получаемых с метеорологических спутников /26/;

- автоматический дактилоскопический поиск (опознавание полных отпечатков пальцев) /27/;

- автоматическая идентификация ИК спектров веществ /28/;

- ввод буквенно-цифровой информации в ЦВМ;

- интегральный контроль качества печатных плат и интегральных схем /29,30/;

- интегральный контроль предела усталости лопаток турбин /31/;

- идентификация и распознавание электрических сигналов;

- оптимальная фильтрация электрических сигналов /32/;

- многоканальный корреляционный анализ электрических сигналов и др.

Принципы решения перечисленных задач с помощью согласованной пространственной фильтрации рассмотрены на примере исследования скорости движения облаков и интегрального контроля 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, нетрудно найти скорости и направления перемещения облаков,т.е. составить поле ветра.

В рассмотренном примере использования согласованной пространственной фильтрации в решении задач опознавания образов она служила для формирования меры близости в виде функции корреляции входного и эталонного изображения. Дальнейшую алгоритмическую обработку по принятию решения или по обучению долина осуществлять специализированная ЭЦВМ. Следует отметить, что в оптике могут быть реализованы не только корреляционные методы распознавания /33/. Весьма вероятно, что распознающий автомат будущего будет гибридной оптико-электронной системой, в которой операции по анализу изображений будут осуществляться оптическими методами, а алгоритмическая обработка - цифровыми.

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 зави-

симости 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 рис.8 представлена схема получения ГСФ непосредственно с поверхности платы, т.е. в отраженном свете, а не в проходящем, как это обычно делается, и схема обработки.

Зависимость интенсивности корреляционного пятна от величины деформации иллюстрирует рис.9. Аналогичным образом можно обнаруживать начинающиеся усталостные разрушения в механических деталях (например, в лопатках турбин /31/ ).

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.

3 а к л ю ч е н и е

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 кауки и техники, а также по пути создания дополнительных оптических устройств к существующим ЭЦВМ с целью

Рис.8. Схема устройства согласованной пространственной фильтрации для контроля печатных плат:

а) в режиме записи ГСФ; б) в режиме измерений.

Смещение печатных проводников (10^-3 дюйма)

Рис.9. Зависимость интенсивности корреляционного пятна от величины деформации печатных проводников.

увеличения их производительности: голографичеоких 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.

Специализированные аналоговые оптические вычислительные устройства и машины в недалеком будущем смогут заполнить тот "вакуум", который образовался между универсальными вычислительными машинами с одной стороны и приборами, работающий но элементарным

программам, с другой.

Следует, однако, отметить, что 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) ЭЦВМ, 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 управляшцих и логических функций возможно на ЦВМ, 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.

Л и т е р а т у р а

1. Л.М.Сороко. Основы голографии и когерентной оптики, "Наука", М., 1971.

2. Дж.Де Велис, Дж.Рейнольдс. Голография (теория и приложения), Воениздат МО СССР, М., 1970.

3. Л.М.Сороке, В.А.Суетин. Дифракционная решетка со сбоем как новый оптический элемент, Препринт ОИЯИ, p13-6565, Дубна, 1971.

4. Ассулин, Харенг, Лейба. Преобразователь изображения на жидком кристалле и фоторезисторе. ТИИЭР, т.59, №9, 86-88, 1971.

5. m.grenot, j.pergsal, j.donjon, j.mari. appl.phys.lett., 21, 3, 83, 1972.

6. В.А.Зверев, Е.Ф.Орлов. Оптические анализаторы. "Сов.Радио", М., 1971.

7. Престон. Сравнение аналоговых и цифрових методов распознавания образов. ТИИЭР, т.60, №10, 141-160, 1972.

8. Дж.Гудмен. Введение в фурье-оптику, "Мир", М. 1971.

9. k.preston. coherent optical computers, n.y., mс graw-hill, 1972.

10. Н.С.Гибин, А.Г.Козачок, Е.С.yежевенко, Ю.Н.Солодкин, П.Е.Твердохлеб, Ю.В.Чугуй. Анализ спектров одномерных сигналов оптическими методами, "Автометрия", №1, 64-70, 1971.

11. К.М.Богданов. Ю.Г.Козлов, К.А.Яновский. Исследование двумерных спектров объектов и их изображений. Тезисы докладов Второю Всесоюзной школы-семинара "Статистические свойства микроструктур",

М., 32-33, 1971.

12. p.e.norgran. high speed automatic laser beam detection of chromosome spreads. ann.n.y.acad.sci., 157, 514, 1969.

13. f.lanzl, h.mager, w.waidelioh. coherent optical analog computer for the evaluation of interferograms. josa, 61, 10, 1355, 1971.

14. Лендэрис и Стенли. Метод дискретизации дифракциднных картин для автоматического распознавания образов, ТИИЭР, т.58, №2, 22-40, 1970.

15. Катрона и др. О применении когерентных оптических методов обработки сигналов в радиолокационных устройствах о синтезируемой апертурой. ТИИЭР, т.54, №8, 1119, 1966.

16. a.marechal. p.croce. a. filter of spatial frequencies for the improvement of the contrast of optical images. c.r.acad.sci., paris, 237, 12, 607, 1953.

17. e.l.o'neil. space filtering in optics. ire trans.inform.theory, it-2, 56, 1956.

18. g.w.stroke, u.haliona. a new holographic Image debluring method. phys.lett., 33a, 1, 3, 1970.

19. Катрона и др. Оптическая обработка данных и системы фильтращи:. Зарубежная радиоэлектроника, №10, 3-30, 1962.

20. g.w.stroke et al. resolution enhancement in electron microscopy by "a posteriori" holographic Image debluring. 29th ann.proc.electron microscopy soc.amer., boston, mass., 1971.

21. Г.А.Соболев. Оптическая обработка информации. Согласованная фильтрация изображений. Материалы первой Всесоюзной школы по голограрии. Ленинград, 322-341, 1971.

22. Г.А.Соболев. Оптическая согласованная фильтрация (методика эксперимента и приложения). материалы второй Всесоюзной школы по голографии, Ленинград, 200-208, 1971.

23. В.К.Соколов. Согласованная пространственная фильтрация. Материалы третьей Всесоюзной школы по голографии, 106-126, Л-д, 1972.

24. a.vander lugt. signal detection by complex spatial filtering. ieee trans. on it, it-10, 2, 159, 1964.

25. j.m.holeman. space navigation by spatial filtering of landmark. aeronautics, 6, 104, 1967.

26. a.vander lugt. optical processing in processing development in holography spie seminar proceedings, 25, 117, 1971.

27. v.harvath, t.holeman, c.lenunond. laser focus, march, 18, 1967.

28. Г.А.Воскобойник, И.С.Гибин, Е.С.Нежевенко, П.Е.Твердохлеб. Применение когерентных оптических вычислительных устройств для решения задач информационного поиска, "Автометрия", №1, 77-81, 1971.

29. r.v.jenkins, m.c.mc ilwain. holographic analysis of printed circuit boards, mater eval, 29, 9, 199, 1971.

30. p.m.will, k.s.pennington. filtering of defects in integrated circuits with orientation independence. appl.opt., 10, 9, 2097, 1971.

31.e.Маrоm, r.k.mucller. optical correlation for impending fatique failure detection. intern.j.nondestruct.test, 3, 2, 171, 1971.

32.g.rооmе, a.v.bunker, p.j.de faye. high process gain optoelectronic matched filters for communications applications. opto-electronics, 3, 77, 1971.

33.Е.С.Нежевенко. Определение близости функций в когерентных оптических вычислительных устройствах, "Автометрия", №6, 81-86, 1971.