Переваги паралельної обробки при використанні оптико-електронної елементної бази

До початку 90-х років внаслідок успіхів, насамперед, самої електроніки і технології електронних систем, для ведучих світових замовників і розроблювачів обчислювальної техніки стало очевидно, що подальший розвиток цифрових комп’ютерів, у тому числі багатопроцесорних (CRAY-1,-Х-МР,-Y,-MP,-2-3; connection Machine т.п.) для багатьох важливих обчислювальних задач не має перспективи.

Коли процесори були великими і дорогими, алгоритми рішення задач будували так, щоб максимально завантажити один такий процесор.

Внаслідок успіхів технології таких систем, процесори стали мініатюрними і відносно дешевими, алгоритм рішення задач стали розпаралелювати, намагаючись розділити рішення задачі між максимальним числом паралельно працюючих процесорів (комп’ютери типу SIMD, МІМD). Однак, при цьому з’ясувалося, що з лінійним ростом числа процесорів продуктивність зростає не лінійно: чим більше процесорів в обчислювальній системі, тим менше зростає її продуктивність, тим вище вартість обчислень. Це відбувається через експоненціальне зростання часу, що витрачається на обміни даними між процесорами, а також між процесорами і пам’яті. Ефективна організація обміну даними і командами в багатопроцесорних суперкомп’ютерах сама по собі стає складною науковою задачею. Таким чином, не стільки вирішуються старі проблеми, скільки створюються нові .

Вихід із цієї ситуації полягає в тому, що самі обчислювальні задачі підвищеної складності, для рішення яких і створюються спеціалізовані комп’ютери, потрібно вирішувати по-іншому, використовуючи інші алгоритми, іншу технологію обробки інформації. Такою альтернативною технологією є обробка інформації в нейронних мережах (НМ).

Якщо використовується НМ, то немає необхідності зберігати повну інформацію про об’єкти, досить зберігати інформацію про кусково-лінійну апроксимацію поверхні, що розділяє гіперобласті їхніх класів. Це приводить до різкого зменшення об’єму використовуваної пам’яті при будь-якому типі фізичної апаратної реалізації нейрокомп’ютера.

До того ж, це особливо важливо, не потрібно давати повне визнання об’єктів, визначати критерії “подібності” і т.п. Схожим об’єктам будуть відповідати близькі точки в багатомірному гіперпросторі, що автоматично потраплять в одну і ту ж гіперобласть. Саме завдяки цьому НМ здатні вирішувати неструктуровані задачі, тобто задачі, для яких неможливо написати традиційний алгоритм, побудований на пепевірці поточних умов і ретельного виконання інструкцій, що відповідають кожному заздалегідь передбаченому випадку. Вагові коефіцієнти визначають кути нахилу гіперплощин, які потрібні тільки для апроксимації поверхні, що розділяє, і повинна тільки відокремлювати одну гіперобласть від інших. Зрозуміло, що може існувати безкінечна множина варіантів проведення такої кусково-лінійної поверхні, що розділяє. Тобто потрібно тільки вибрати будь-який із цих варіантів, за тієї умови, що годиться будь-який варіант. Це значить, що можна висувати дуже низькі вимоги до точності представлення вагових коефіцієнтів. Невелика помилка в точності представлення вагових коефіцієнтів буде приводити до невеликих коливань кута нахилу гіперплощин до відповідної координатної осі в багатомірному гіперпросторі.

Низькі вимоги до точності представлення аналогових (речовинних) вагових коефіцієнтів дозволять використовувати для апаратної реалізації НМ елементну базу, якість якої не дозволяє використовувати її для апаратної реалізації традиційних цифрових обчислювачів. Перехід від бульової до нейронної логіки дозволить різко розширити коло технологій виготовлення обчислювачів.

Викладене вище дозволяє визначити, що НМ принципово є гранично розпаралеленим обчислювачем. Однак занадто громіздка елементна база 40-50 років (електромеханічні реле або радіолампи) не дозволяла створювати конкурентноспроможні багатопроцесорні комп’ютери, тим більше, що необхідно було реалізовувати відразу декілька десятків або сотень примітивних процесорів-нейронів. Перші нейрокомп’ютери на 40 років уперед програли конкурентну боротьбу однопроцесорним Фон-Нейманським комп’ютерам.У 90-ті роки інтегральна технологія електронних ЗВІС дозволяє еалізувати декілька процесорів усередині одного кристала .Це допомогло відродити нейронномережевий напрямок розвитку обчислювальної техніки, технології, і логічний базис представлення інформації.

Для того, щоб нова технологія реалізації апаратної частини мала успіх і проявила свої сильні сторони, необхідно використовувати технологію обробки інформації з таким логічним базисом, що був би найбільше адекватний сильним сторонам нової технології реалізації апаратної частини, і ігнорував би її слабкі сторони.

У 90-ті роки технологічно можливо, навіть у межах одного кристала ЗВІС, апаратно реалізувати досить багато паралельно працюючих примітивних процесорів-нейронів, однак дуже важко в двовимірній площині кристала ЗВІС апаратно зв’язати кожний вхід НМ із кожним нейроном першого шару мережі, і кожний нейрон першого шару мережі з кожним нейроном другого шару, і т.д. Нейронномережева технологія обробки інформації неадекватна плоскій двовимірній електронній елементній базі. Для ефективної апаратної реалізації адаптивних зв’язків необхідний ще один, третій, просторовий вимір, якого в інтегральній електроніці просто немає.

Ця обставина об’єктивно веде до переходу на новий носій інфор- мації і нового оброблювального середовища з новими можливостями. Для апаратної реалізації НМ необхідний новий носій інформації.  Таким новим носієм інформації може бути світло.

Перевага оптики для апаратної реалізації граничної логіки і нейрокомп’ютерів

Якщо носієм інформації в нейрокомп’ютері є світло, то можна різко, на два-три і більш порядків, підвищити продуктивність обчислень за рахунок таких чинників.

1. Світло дозволяє фізично організувати оброблювану інформацію (рис. 1) у вигляді двовимірних просторових кадрів великої розмірності (128х128, 256х256, 512х512, 1024х1024 пікселів), на відміну від електроніки, що дозволяє фізично організувати оброблювану інформацію у вигляді одновимірних тимчасових послідовностей імпульсів напруги.

2. Промені світла перетинаються в тривимірному просторі без взаємодії один з одним, тому в тривимірному просторі можна цілком паралельно множити двовимірний вхідний сигнал на чотиривимірну матрицю вагових коефіцієнтів і одержувати двовимірну матрицю зважених сум (рис.2).

3. Оптична елементна база (LCLD) дозволяє цілком паралельно виконувати над двовимірними кадрами арифметичні операції додавання, віднімання і нелінійного перетворення, тому можливе цілком оптичне паралельне обчислення двовимірного вихідного сигналу або двовимірного навчального сигналу помилки.

Рис 1. Принцип обробки 2-D зображень

Рис 2. Двовимірна матриця зважених сум

4. Оптична елементна база (LCV,LCTV,FLC SLM,MO SLM, фоторефрактивні кристали, матриці нелінійних еталонів і т.п.) дозволяє працювати не тільки з бінарними (0;1) двовимірними сигналами, але і з аналоговими двовимірними сигналами, апаратно можна реалізувати до восьми градацій яскравості на одному пікселі, а об’єднуючи в один макропіксел групу з декількох простих пікселів – і того більше.

5. В оптичних нейрокомп’ютерах можна використовувати пряме оптичне введення двовимірного вхідного сигналу – двовимірного зображення, минаючи телекамеру та інші електронні допоміжні системи.

6. Низька точність представлення даних і обчислень в оптиці, яка була недоліком при оптичній реалізації традиційних алгоритмів цифрових обчислювачів, компенсувалася толерантністю, адаптивною сталістю НМ до помилок. Така сильна сторона електроніки, як висока точність представлення даних, дуже важлива для цифрових обчислювачів, при апаратній реалізації НМ має набагато менше значення, чим така сильна сторона оптики, як можливість організувати в обмеженому об’ємі величезне число незалежних паралельно діючих каналів зв’язку, тобто низька точність представлення даних в оптиці вже не страшна і не є критичним фактором.

7. Інформація, подана у вигляді двовимірного оптичного сигналу,поширюється усередині оптичного нейрокомп’ютера з граничне можливою швидкістю, близькою до швидкості світла.

8. Оптичний сигнал можна модулювати не тільки по амплітуді, як електронний, але і по фазі, і по поляризації, і навіть по кольору – по довжині хвилі, наприклад, записувати тривимірні голограми променем з довжиною хвилі А , а виконувати зчитування, що не руйнує, променем з А. Це розширює можливості розроблювачів нейрокомп’ютеров.

9. Нижні межі для геометричних розмірів активних і пасивних елементів оптичної елементної бази нейрокомп’ютерів визначаються тільки довжиною хвилі, що несе інформацію випромінювання, тобто знаходяться в інтервалі від декількох одиниць мікрометрів, до декількох десятків мікрометрів (1…100 мкм). Ці розміри порівняні з характерними розмірами активних і пасивних елементів у плоскій двовимірній інтегральній електроніці. Оскільки в оптиці обробка інформації ведеться в тривимірному просторі, то очевидно, що об’єм використовується набагато ефективніше, чим в електроніці. У тому самому об’ємі, за той самий відрізок часу, оптика потенційно дозволяє обробляти набагато більше інформації, ніж електроніка. Цей факт приводить до того, що оптичні нейрокомп’ютери можуть бути набагато компактнішими за своїх електронних аналогів.

10. Елементна база для оптичних нейрокомп’ютерів на початок 90-х років в основному створена, властивості цього устаткування вже довго досліджувалися, експлуатаційні якості оптимізовані.

11. Вартість оптичної елементної бази порівняна з вартістю електронної елементної бази (ЗВІС), у той же час, продуктивність оптичних нейрокомп’ютерів при рішенні спеціальних задач перевищує продуктивність електронних нейрокомп’ютерів не менше, ніж на 5-10 порядків.

12. У складних системах обробки і передачі інформації військового і комерційного призначення дуже важлива така характеристика,як спроможність інформаційної системи протистояти несанкціонованому доступу (НСД) до збереженої, оброблюваної або переданої інформації. Електронні комп’ютери фізично погано пристосовані до захисту від НСД, скоріше навпаки: вони просто створені для безпроблемного гарантованого забезпечення НСД. Якщо носієм інформації в комп’ютері є електричний струм, то він випромінює цю інформацію на сотні метрів навколо себе. Це відбувається тому, що електричний струм є упорядкованим потоком заряджених часток – електронів і дірок у напівпровіднику ЗВІС, електронів у металевих проводах. Як відомо з курсу електродинаміки (рівняння Максвелла), заряджені частки при прискореному русі випромінюють електромагнітні хвилі.Струми, що течуть у платах і ЗВІС комп’ютерів, між процесором і памяттю, між процесором і екраном, дисководами, принтером, клавіатурою, сканерами й іншими периферійними пристроями промодельовані оброблюваною інформацією. Тому і паразитне електромагнітне випромінювання промодульовано цією же інформацією, що, до того ж, дуже зручно закодована у вигляді стандартних, завадосталих бітових послідовностей.

Кожен чіп, кожен провід є передавальною антеною, що поширює паразитне радіовипромінювання. Паразитне радіовипромінювання можна перехопити і розшифрувати. За оцінками Агентства Національної Безпеки США (радіоелектронної розвідки США) саме таким чином, тобто радіоперехопленням і розшифровкою паразитних радіовипромінювань від обчислювальних систем, мереж зв’язку і промислових об’єктів, добувалося близько 75% розвідувальної інформації в XX ст. Для запобігання НСД шляхом радіоперехоплення паразитне радіовипромінювання треба глушити спеціальним шумовим сигналом. Зрозуміло, що потужність шумового сигналу повинна перевершувати потужність паразитного, причому в усіх напрямках у просторі. Апаратура для генерації такого маскувального сигналу, сама по собі складна, громіздка і може перевершувати по вартості комп’ютер, який має захищати, до того ж екологічно сумнівна і небезпечна. До того ж, 100% захисту все одно не гарантує.

Стійкість захисту від НСД – це питання чутливості приймаючих антен, тобто зрештою, вартості апаратури супротивника чи конкурента. Якщо ціна інформації вище вартості її радіоперехоплення і розшифровки, вона буде викрадена. Так само, як у медицині необхідно лікувати хворого, а не хворобу, кращим виходом було б не зменшити паразитне радіовипромінювання з ризиком для здоров’я і сумнівним результатом, а усунути саме джерело появи цього випромінювання.

Якщо носієм інформації в комп’ютері є світло, то ніякого паразитного випромінювання фізично немає. Фотони мають нульовий заряд. Видиме і ближнє випромінювання, що використовується в оптичних комп’ютерах, просто і надійно локалізується і ізолюється в межах обчислювальної системи, тому ніякому радіоперехопленню на фізичному рівні не піддається.

13. Пасивні елементи оптики, такі як двовимірні і тривимірні голограми і дифракційні Грати, за допомогою яких можуть виконуватися трудомісткі операції множення двовимірного оптичного вхідного сигналу на чотиривимірну матрицю вагових коефіцієнтів, узагалі не вимагають енергії. Двовимірний оптичний сигнал, який несе інформацію, просто перерозподіляється відповідно до кроку сформованих у фоторефрактивному кристалі тривимірних чи на склі двовимірних дифракційних ґрат. У цьому сенсі, голограми працюють як дзеркала, адже дзеркала не витрачають ніякої енергії для того, щоб відбивати промені світла. В інтегральній електроніці щось подібне неможливо.

При перемножуванні масивів даних у ЗВІС всі елементи активні, неодмінно повинні працювати безліч суматорів, множників, елементів пам’яті, кожний з яких споживає і розсіює енергію. Це приводить до того, що для обробки однакового (великого) обсягу інформації оптичний нейрокомп’ютер, швидше за все, витратить набагато менше енергії, ніж електронний аналог.

14 Оптична елементна база менш чутлива до дефектів матеріалів, з яких вона виготовлена, до радіаційних дефектів тощо.

Оптичні корелятори. В залежності від освітлення, яке використовується. оптичні корелятори поділяються на когерентні і некогерентні. Найбільш розповсюдженими архітектурами когерентних оптичних кореляторів є класичний корелятор з частотною плоскістю (корелятор Вандер – Люгта) і корелятор зі спільним перетворенням вхідного і еталонного зображень.

В кореляторі з частотною плоскістю операція кореляції здійснюється перемноженням Фур’є-образу вхідного зображення і комплексно-спряженого Фур’є-образу Н і еталонного зображення. При цьому кореляція досягає максимуму у місці погоджування вхідногозображення з еталонним. Таким чином, положення кореляційного максимуму вказує місце погоджування, а інтенсивність характеризує ступінь погоджування вхідного і еталонного зображень. Оскільки оптичний корелятор є лінійним, то наявність багатьох еталонних об’єктів у вхідному зображенні призводить до появи того ж числа кореляційних піків у відповідних частинах вхідної площини корелятора.

Це найзручніше для локалізації об’єктів у вхідному зображенні. У більшості практичних задач розпізнавання образів об’єкт може спостерігатися із спотвореннями – в умовах зміни освітлення, вільного положення, масштабу, кута спостереження і при різноманітних орієнтаціях. Однак, оптичні корелятори з частотною площиною дуже чутливі до таких спотворень об’єкта, що обмежує їх практичне використання. У зв’язку з цим пропонується багато методів, які дозволяють повністю чи частково вирішити цю проблему.

Повну інваріантність корелятора до спотворень об’єкта можна досягти використанням матриці просторово-розділених СПФ, записаних з різними масштабами і орієнтаціями еталонного об’єкта. Для паралельного опитування всіх СПФ матриці потрібно перетворення Фур’є-образу вхідного об’єкту. Це можливо за допомогою синтезованої на ЕОМ мультифокусної голографічної лінзи чи точкової голограми.

На відміну від кореляторів з частотною площиною, корелятори зі спільним перетворенням вхідного і еталонного зображень не потребують управління параметрами фільтра, оскільки формується дуже контрастна інтерференційна картина.

Поряд з когерентними, в наш час отримали розвиток і некогерентні оптичні корелятори. В одному з них випромінювання напівпровідникового лазера модулюється вхідним відеосигналом і після колимування за допомогою лінзи освітлює транспарант з опорним зображенням. Акустооптичний дефлектор, який встановлений в площині перетворення Фур’є опорного зображення і який управляється лінійним частотно-модульованим сигналом, забезпечує за допомогою зафарбованих циліндричних лінз горизонтальне сканування еталонного зображення. Це зображення фокусується сферичною лінзою на

ПЗЗ-матрицю, в якій обчислення кореляційного інтеграла по вертикальній осі забезпечується за рахунок вертикального зсуву і накопичування зображення.

Для введення еталонних зображень, які змінюються в реальному масштабі часу замість транспаранта може використовуватись магнітооптичний ПМВС. Цей корелятор інваріантний до зсуву вхідного зображення. Інваріантність зміни масштабу вхідного зображення досягається адаптивним управлінням корінної смуги ЛЧМ-сигналу, а інваріантність до повороту – встановленням призми Дове, що обертається, позаду еталонного зображення.

В іншому некогерентному кореляторі зображення вхідного об’єкта, отримане за допомогою телевізійної камери, виводиться на рідиннокристалічний телевізійний (РКТВ) модулятор.

Враховуючи, що фазова неоднорідність РКТВ – модуляторів недозволяє досягти просторової інваріантності, то використання дифузора, що обертається, забезпечує випадкову модуляцію фази.

Тому зчитане когерентним світлом з РКТВ-модулятора вхідне зображення на дифузорі, що обертається, є некогерентним.Якщо це зображення ідентичне масці, яка встановлена на деякій відстані від нього, то маска сформує паралельний пучок світла, ухил якого до оптичної осі відповідає просторовому положенню вхідного об’єкта. Паралельний пучок фокусується відеокамерою в яскраву пляму, яка після кліпування виводиться на відеомонітор. Заміною чорно-білого РКТВ-модулятора кольоровим можна здійснити кореляцію кольорових зображень без використання мультиплексних СПФ. Більше цього, керований мікрокомп’ютером, РКТВ-модулятор можна використовувати в якості маски, що програмується. Переваги корелятора: можливість обробки в реальному масштабі часу, просторова інваріантність, високий контраст отриманої кореляційної картини, стійкість до когерентного шуму і простота конструкції.Основним досягненням в галузі апаратурного забезпечення оптичного розпізнавання образів є створення ряду компактних кореляторів. Одним з них є портативний корелятор Упатнієкса. Його розміри складають 12х23х31 см. В цьому кореляторі зображення, що спостерігається, проектується об’єктивом зі змінною фокусною відстанню на РК ПВМС зі зчитуванням у відображеному світлі. Отримане на ПВМС зображення зчитується через поляризуючий світлоподілювач колімірованим пучком світла одного з чотирьох напівпровідникових лазерів, що використуються. Часткове колімірування кожного пучка, що зчитує, здійснюється відповідною мікролінзою, а кінцеве – Фур’є-лінзою. Ця ж лінза виконує перетворення Фур’є зчитаного з ПВМС когерентного зображення. Отриманий фур’є-спектр зображення освітлює один з чотирьох СПФ, які є безлінзовими голограмами Фур’є, записаними з опорними пучками, що сходяться. Безлінзові голограми Фур’є одночасно виконують функції СПФ і лінзи, яка здійснює зворотне перетворення Фур’є. Результати кореляцій фіксуються ПЗЗ-матрицею.

ПРАКТИЧНА РАЛІЗАЦІЯ ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННИХ ЗАСОБІВ ДЛЯ ОБРОБКИ БІОМЕДИЧНИХ ЗОБРАЖЕНЬ.

Оптико-електронна інформаційна система аналізу мікроциркуляції кон’юнктиви ока

В зв’язку з тим, що сфера застосування оптико-електронних приладів для дослідження мікроциркуляції (МЦ) очного дна розширюється завдяки використанню їх, крім офтальмології, в терапії, нейрохірургії і т.ін., стає актуальним задача створення нових приладів з новими функціональними можливостями та застосуванням перспективних медичних методик.

Вдосконалюються й самі оптичні прилади, де використані нові схемні та конструктивні рішення, а саме: лазерні джерела випромінювання, голографія, волоконна оптика, джерела світла з великою інтенсивністю тощо. З появою цифрових фундус-камер, а також лазерних скануючих офтальмоскопів зображення очного дна, завдяки кон’ютеризованим методам обробки результатів діагностики, можна проаналізувати стан МЦ за лічені секунди. Цифрова обробка дозволяє також об’єктивувати дані за змінами кровотоку в судинах очного дна та кон’юнктиви .

На відміну від ультразвукової діагностики, яка дозволяє за допомогою використання трьохмірної ехографії локалізувати множинні інородні тіла, визначати об’єми новоутворень, проводити діагностику відшарування сітківки, перевага оптико-електронних приладів полягає в більш точній діагностиці стану судин (рівня мікроциркуляції, конфігурації, оцінки рівня патологій і т. ін.) при забезпеченні високої роздільної здатності.