Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Аналоговые оптические вычисления и процессоры




 

Звук, свет, электрическая волна, обычно изменяется непрерывно. Способ представления числового значения в виде непрерывно изменяющейся величины называется аналоговым представлением. В отличие от этого способа, в современных компьютерах инфор­мация представляется в виде ограниченного числа цифр, напри­мер 1 или 0. Такой способ представления информации называет­ся цифровым.

Термин «аналоговый» означает непрерывную величину, харак­теризующую каждую точку в окружающем пространстве. Другими словами, какую бы точку в про­странстве мы ни взяли, интенсивность света в этой точке из­меняется непрерывно.

 

 

Рис.23. Основные аналоговые оптические операции: а — сложение; б — сложение с помощью линзы; в — умножение на основе эффекта пропускания света; г — умножение на основе эффекта отражения света. Величина коэффициента отражения R и коэффициента пропускания T ограничена 1: 0 ≤ T,R ≤ 1

 


 

 

Обсудим основные методы аналоговых вычислений, производимых с использованием основных законов оптики. Прежде всего, обратимся к рис. 23, поясняющему, как с помощью светового луча можно выполнять хорошо знакомые всем нам операции сложения и умножения.

На рис. 23 а, б показано, как несколько световых лучей собираются в одной точке. В данном случае собираются три луча: А, В и С, и если измерить интенсивность света в этой точке, то легко догадаться, что полученное значение представляет собой сумму интенсивностей лучей А, В и С. Если воспользоваться линзой, то можно облегчить фокусировку лучей, т.е. еще более упростить выполнение операции сложения.

 

 

Теперь рассмотрим операцию умножения. Такая операция возможна с использованием оптических элементов с управляемой прозрачностью Т, либо с управляемым коэффициентом отражения R. В этом случае, так же как и при сложении, при использовании лазерного луча умножаются амплитуды, а не интенсивности.

 

Основными операциями аналогового оптического компьютера являются только две операции - сложение и умножение. Благодаря способности света равномерно распространяться во всех направлениях, появляется возможность одновременной обработки больших объемов информации. Необходимо воспользоваться другими свойствами света, такими как преломление и дифракция, лежащими в основе работы линз и дифракционных элементов.


 

 

Рис.24. Операция инвертирования и масштабирования, выполняемая линзой при построении изображения

 

Рассмотрим свойства линз, которые играют центральную роль в аналоговых оптических компьютерах. Тонкая линза представляет собой прос­тейший оптический прибор с двумя сферическими поверхностями. Как показано на рис.24, если перед линзой, поместить некоторый предмет, то с противоположной стороны мы получим перевернутое и уменьшенное изображение того же пред­мета. Аналоговая операция инвертирования и масштабирования произведена со скоростью света. Попробуйте провести такую же операцию с данным оптическим изображением, имеющем размер 6х12 см, обладающем 60тыс.х120тыс. элементами разрешения, что соответствует минимально 7,2 Гб используя программу, например Adobe Photoshop.


 

 

 

Рис. 25. Оптическая система, осуществляющая двумерное фурье-преобразование

 

 


 

 

Рассмотрим простейшую оптическую систему, осуществляющую двумерное преобразование транспаранта, содержащего изображения полос A B C D с различным периодом и ориентацией (рис.25).

Отметим следующие свойства устройства:

• каждой пространственной частоте в плоскости изображений соответствует две точки (действительная и мнимая). Например для А это точки а и а(вертикальные полосы – точки по горизонтали) или для B это точки b и b’ (полосы под углом 45° - точки по диагонали, перпендикулярной направлению полос);

• чем меньше расстояние между полосами, тем на большем расстоянии от центра располагаются точки (сравни A и C).

 

Рис. 26. Оптическая система обработки информации методами пространственной фильтрации

 

Оптическая система обработки информации (рис. 26) состоит из следующих компонент: источника света S, двух последовательно расположенных простейших систем преобразования, устройства ввода информации, фильтра и детектора выходных сигналов. Устройство ввода информации располагается во входной (x1,y1) плоскости, операционный фильтр – в спектральной (xн,yн) и детектор выходных сигналов - в выходной (xD,yD) плоскостях системы. Плоскости имеют одинаковые масштабы.

Поскольку образы двумерных оптических сигналов реализуются в виде физических сигналов, над ними можно производить различные математические операции. Линза Л2 осуществляет преобразование сигнала, созданного транспарантом. Отфильтрованный сигнал подвергается повторному преобразованию с помощью линзы Л3. Направления координатных осей в выходной плоскости системы выбраны противоположно направлениям осей координат во входной плоскости для того, чтобы учесть переворот изображения, который получается в результате двух последовательных преобразований. Таким образом, оптическая система, представленная на рис. 26, способна выполнять линейные преобразования. В частном случае, система создает изображение входного сигнала.

 

 

 

Рис. 27. Когерентный аналоговый астигматический процессор, реализующий произвольное матричное преобразование входного вектора-строки в выходной вектор-столбец


 

Оптическая система аналогового процессора, способного одновременно обрабатывать множество одномерных сигналов, представлена на рис. 27. Здесь LED - линейка светоизлучающих диодов. Они расположены в фокусе цилиндрической линзы L1. T - оптический транспарант с записанной на нем матрицей пропускания. Строки матрицы параллельны образующей первой линзы. L2 - цилиндрическая линза, образующая которой параллельна столбцам матрицы транспаранта. Она собирает лучи, прошедшие через элементы одной строки, на одном пикселе многоэлементного линейного фотоприемника D. Нетрудно видеть, что входной X и выходной Y вектора связаны линейным преобразованием
Y=TX.

Рис. 28. Принцип действия оптического операционного устройства, выполняющего умножение вектора на матрицу

 

 

В качестве другого примера практического использования ана­логовых оптических компьютеров рассмотрим операционные уст­ройства, выполняющие операции со множеством числовых данных. Объектом операций, или данными, будем считать вектор, со­стоящий из п чисел, и двумерную матрицу размерностью п х п.

 

На рис. 28 показан пример структуры оптического арифметического устройства, выполняющего умножение вектора и матрицы при п = 3. Слева показаны три источника света, рас­положенные горизонтально. В центре расположена маска, имею­щая форму решетки размером 3x3, а справа — вертикально три оптических датчика. Кроме того, создадим оптическую систему таким образом, чтобы свет, из­лучаемый одним из источников, например х1 распространялся веерообразно по вертикали, как показано на рисунке, и падал только на часть маски а11, а12, а13. Свет от соседнего с х1 источника х2 распространяется также вертикально веерооб­разно и падает на соседние участки маски а21, а22, а23 и до других участков не доходит. Интенсивность света, прошедшего через маску, определяется произведением интенсивности входного луча хi на коэффициент пропускания аij данной маски.

 

Далее, свет, прошедший через маску, фокусируется с помощью другой оптической системы, но только по горизонтали. Световые лучи, прошедшие через элементы а11, а21, а31 в верхней части маски, достигают только самого верхнего оп­тического датчика у1. Аналогично световые лучи, прошедшие через второй ряд ячеек маски а12, а22, а32 достигают только датчика у2. В конечном итоге интенсивность света в i -м оптическом датчике будет опреде­ляться суммой трех произведений aij, и xi (см. формулу, при­веденную на рис. 28), которая по оп­ределению представляет собой произведение вектора х на мат­рицу а.


 

 




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-06; Просмотров: 1671; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.013 сек.