光電信息處理

標籤: 暫無標籤

9

更新時間: 2013-09-05

廣告

光電信息處理是一種技術,是基於對函數的數學描述與建模,運用光學元器件完成光學信息的模擬分析和處理或在計算機中完成對信息的各種數字處理和分析。

光電信息處理 -光電信息處理的基礎技術

  近代光電信息處理技術上的飛躍是光通信、光網路、光存儲、光顯示和多媒體技術的出現。其主要關鍵技術是微電子、光電子、光纖、計算機、通信與網路、大規模存儲、大面積高分辨顯示、多媒體等技術。
1.微電子技術

  微電子技術是光電子信息處理技術的前提。目前,以0.25μm COMS工藝技術為主流的微電子技術已進入大生產,0.1~0.025μm COMS器件在實驗室中已製備成功。表1為美國國家半導體協會預測。
2. 光纖與光通信技術

  目前全世界光纖敷設長度正以2000km/h的速度增長。光纖帶寬每6個月翻一番。單根光纖的傳輸容量在今後15年中將增加1000倍。2.5~10b/s光信息傳輸系統已實用化。Tb/s(1012bit/s)的傳輸速度已實驗成功。隨著未來光纖1390nm水吸收峰障礙的消除,將實現1280~1625nm、帶寬達40THz的光通信窗口。長距離大容量單通道通信最高速率為10Gb/s。2005年傳輸速率需達數百Gb/s,2010年傳輸速率應達1Tb/s。
  光通信方面,光學時分復用(OTDM)、光學波分復用(OWDM)、碼分多址(CDMA)、光學高密度波分復用(ODWDM)均已實用化或正在解決實用化問題。1998年,朗迅公司用100通道的光學波分復用和10Gb/s單通道速率實現了400km、1Tb/s的大容量通信。
  當前區域網的交換速率達40Gb/s,2005年達1Tb/s,2010年達5Tb/s。國際上許多著名的計算機公司都或多或少的開展計算機區域網光互連的研究和開發,如IBM、HP、MEC、Sun Microsystems、Micro Optical Devices、Digital Optics Corporation。
3. 微處理器技術

廣告

  計算機微處理器技術是信息處理的基礎。在未來的幾年內,微電子技術將推動微處理器飛速發展,計算機中互連密度和長度成數量級地提高。
4. 大規模信息處理技術基礎

  運算量極大的信息處理工作,如大量圖片、信息的高速處理等,往往採用巨型機。
4.1 海量并行計算機

  利用多個處理器晶元并行工作,可有效提高計算速度。日本總結第五代(并行、智能)計算機失敗的原因是:硬體不困難,關鍵在軟體。美國解決了并行軟體問題,做出了海量并行計算機,1991年已做到6萬個處理器并行工作。1995年做到100萬個處理器并行工作。有人估計2010年將可做到1000億個處理器并行工作。這個數目與人腦神經元的數目大致相同。可認為該種計算機將可模擬人腦高速實時地思維和工作。
  美國能源部作為模擬核實驗工作的一部分,計劃在2004年研製出100Tb/s的超級計算機。IBM公司、MIT、NASA的噴氣動力實驗室以及加拿大McGill大學的代表對互連的需求作了專題討論。IBM公司的A.F.Benner認為在這種計算機中採用光互連的主要優點是簡單密集的封裝和非常高的帶寬距離乘積,MIT的L.Rudolph建議用光纖環路延遲解決高速信號的緩存,NASA的T.Sterling建議用光學TDM和WDM組合增加通道的通信容量,McGill大學的T. Szymanski則提出「智能化的光學網路」,並介紹了他們採用光電子COMS技術實現這種網路的工作。
  Delaware大學提出全光互連用於大規模并行處理,報導了一個靈活的大規模并行處理全光方案,有250通道,信息傳輸能力為250Gb/s。建立了完全可調的發射和接收陣列。其實際上可隨機地達到250×250交叉開關(crossbar switch),在單層次系統上可連接500個處理器。復用和解復用足夠快,能滿足大規模并行處理的要求。這種交叉開關能提供每秒2.5Gb個包連接。一個多層系統可提供數千到數百萬個同時的包連接,控制的複雜性增加了。計算機模擬證明了單層和兩層的開關控制方案。又提出一種「導向器」令牌用作多通道快速匯流排(E-Bus),其可實現包交換。相信該系統用OEIC技術實現是可行的。
4.2 光互連網路與計算機機群系統

廣告

  光互連在近幾年裡取得很大的進展,光互連的應用已由LAN進展到系統之間的互連網路(system area network,簡稱SAM)。光纖鏈路在計算機集群(Clusters)系統中的應用,將產生第一代光互連高性能并行計算機系統。
  計算機集群是採用工作站或微機做計算節點,通過網路連接形成高性能并行計算平台。Clusters或稱為NOW(networks of workstations)和COW(clusters of workstations)。由於採用商品計算機做處理器節點,具有價格便宜、易更新性和可擴展性優勢,有很高商業前景,Clusters已成為并行計算機(MPPI機)一個重要的體系結構,美國IBM公司的SP系列和中國的曙光2000等均採用這種結構。Clusters目前主要採用Ethernet、FDDI等區域網絡。由於LAN技術發展的目的不是支持這種并行處理系統,較大的通信開銷(overheads)和網路延遲(latancy)阻礙了計算機集群系統功能的發揮。雖然Gb/s Ethernet的出現可以改善帶寬,但并行系統更需要的是減少網路延遲。
  在Clusters網路中,主要問題是增加帶寬,減少通信開銷和網路延遲。光互連是實現計算機集群系統網路最理想的技術之一。將WDM技術引入計算機互連中,可以實現全光交換節點。因而,光互連的應用對NOW結構的高性能計算機發展有重要的現實意義。寬波長間隔波分復用(coarse WDM即CWDM)將密集波分復用(DWDM)的0.4~0.8nm波長間隔拓寬到20nm以上,並將通信中的典型波長窗口1530nm~1550nm延伸為1310nm~1560nm整個波段,其主要的應用對象是Gb/s Ethernet網路。CWDM主要用於短距離的LAN的傳輸,採用寬波長間隔,降低了對無源器件製作成本和光電子器件的波長穩定性等要求,可以有效地降低成本,這正適應了計算機網路發展的需求。
4.3 光控飛行

廣告

  (fly-by-light即FBL,亦稱為光飛行)
  光控飛行即在飛行和飛行器中採用光信號控制整個系統,這是光纖技術和光互連技術的新應用。在這方面McDonnell Aerospace提出一個FLASH計劃,即實現一種FLASH型飛行光控制系統。該研究所發表了下述論文:「飛機的光纜隱線:光飛行控制網路的物理層」,「FLASH光飛行飛機控制系統的研製」,「運輸機的FLASH光飛行飛機控制系統的研製」,「FLASH光纖數據匯流排文件學習」,「軍用戰術光飛行飛機控制系統的實驗研究」,「光飛行飛機控制系統的經濟效益集成實驗研究」,「用神經網路處理對光飛行(FBL)飛機控制系統進行故障診斷」,金屬線控制飛行轉換為光飛行的過程和解決方法」等等。此外,美國Berg Electonics研究所、HiRel Connector研究所、Honeywell研究所、Raytheon飛機研究所等也發表了一些成果。
4.4 大面積、高分辨顯示技術

廣告

  與可視化緊密聯繫的顯示技術是信息處理必須的手段。目前的高解析度電視(HDTV)顯示約為1000線,今後會出現超高解析度電視(UDTV)顯示大於1000線甚至可達4000~5000線,顯示質量會大幅度增高,當然要求計算機的速度也會更高。今後計劃的HDTV顯示的情況如表4。在未來的超高解析度顯示中平面顯示和全息顯示將起重要作用。
  表1 計劃的HDTV顯示的情況
  年 份 類 別 解析度 像素數量
  1993年 HDTV 1000線 1150×1920個像素
  2000年 UDTV-0 1000線 1080×1920個像素
  2003年 UDTV-Ⅰ 2000線 2106×3840個像素
  2005年 UDTV-Ⅱ 3000線 3240×5760個像素
  2010年 UDTV-Ⅲ 4000線 4320×7680個像素
4.5 大規模存儲技術

廣告

  光存儲是當前存儲技術最有生命力的技術,而且在不斷發展中。光碟技術中採用燒孔(burnning hole)技術,可使目前存儲量增加上千倍。美國Xerox研究中心預計2020年可實現一個原子存儲一位計算機信息。存儲技術與當前出現的納米技術是相關的,它是建立在分子電子學基礎之上的。
  此外,有光全息存儲,DARPA在5年內開發出容量為1萬億位數據,存儲速率1000Mb/s。現在已達到160000幀在LiNbO3晶體中,密度為40~100Gb/in2,適於直接存取圖像。近場光存儲用 Co/Pt多層磁光膜,其線寬10~50nm、密度1000Gb/in2。光學雙光子雙穩態三維數字記錄能達到Tb/cm2的體密度、40Mb/s傳輸率, San Diego達100層的記錄方法。
光電信息處理 -應用

廣告

  貝爾實驗室的三大發明是電話、半導體收音機和激光。並曾計劃推出光學計算機,作為該實驗室的第四大發明,此計劃被擱淺。但是,Hierott Watt大學等單位還在進行著研究,而且有明顯進展。光電信號處理,即模擬-數字混合計算還是很有發展前景的。
1 自主導引與識別

  例如無人駕駛車輛的自主導引,新加坡Gintic製造研究所的Andrew A. Malcolmd等報告了無人駕駛車輛的立體視覺在非結構地帶的自主導引。目的是裝備無人駕駛車輛,使之具有可靠的被動應變系統,把所在地帶信息自主地提供給航行系統以作路徑計劃的決定。要求車輛能夠運行在非結構的、離路地帶,以超過10km/s的速度運行幾公里。立體視覺可在視場中提取深度景物信息。可以由多個固定位置的相機在同一瞬間獲取圖像,或由單個移動的相機相繼拍攝多幀圖像。可分為由體視判斷結構(structure form stereo)(雙目的)和運動判斷結構(單目的)(structure form motion)。該系統綜合了體視判斷結構和運動判斷結構兩種演算法。在操作中,由運動判斷結構演算法作為信息的主要供給者,車輛移動的各幀圖像之間要符合預定的極限速度。對車輛處於靜態或者車輛移動不適於運動判別結構的演算法時,增加了人工或自動演算法之間切換功能。這個系統的實現採用了200MHz Pentium單板機,裝在車輛底盤上的RGB攝像機。兩個遙測的8mm、F1.3手調鏡頭單色攝像機,裝在車輛上面3m處,基線為600mm,兩攝像機平行並向下傾斜33°。攝像的像為256×256像素以便作后處理。這個聯合系統在許多離路位置進行了現場實驗,攝像(數據)速率為2幀/s,並證明在由運動判斷結構和由體視判斷結構之間的轉換。
2 複雜三維目標的復現

  美國Portland大學的Yuan-Lu-Hsu等報告了複雜三維目標的積分量程像。用計算機視覺實現3D面模型,通常包含三步:首先是用結構光檢測法獲取面型的深度數據,即為量程數據。因為在一個視場角內只能看到目標的一部分,從不同的視場對目標的多次觀測。用計算機控制的旋轉平台可獲取目標的多量程圖像數據。第二是記錄這些多量程圖像數據。每個量程圖像均由已知的旋轉角得到,機械旋轉精度限制了數字像的空間解析度。第三步積分多重量程像,使之成為一個完整的、非冗餘的3D表面和生成3D物體模型。此法對多種解析度的任意尺度的複雜目標可提供靈活和有效的積分能力。
3 多媒體技術

  由於信息技術上的飛躍,有了光纖通信技術,進一步產生了多媒體技術。媒體是指傳遞信息的載體,多種信息的傳遞要用到多種載體,或稱多媒體。嚴格地講目前的多媒體是指數字多媒體。即有計算機參與處理的多媒體。多媒體計算機能使人類按最自然的方式和最習慣的方式接受和處理信息,使得人們能方便地使用計算機。
  人類通過五官(耳、目、口、鼻、舌)及皮膚,由外界感受聽覺信息、視覺信息、嗅覺信息、味覺信息和觸覺信息,可認為人是一種多媒體信息處理系統。目前,計算機多媒體系統只包括聽覺和視覺信息(聲音、圖像、圖形和文字等),很少或未包括其他信息(如觸覺、嗅覺和味覺信息)。今後,隨著各種感覺機理的深入研究和技術的進步,會有更完善的多媒體系統的出現。多媒體的關鍵技術為:壓縮與編碼(compression and coding)、通信(communication)、同步(synchronization)和網路(network)。
4 智能化光纖感測器技術

  分散式光纖感測器是一種感測器網路,它可以從整體上對被測對象的有關物理量變化的時間、位置進行監控。若使分散式光纖感測器、執行結構、信號處理系統、傳輸系統與控制系統等相結合,便形成智能結構。智能結構分為本徵型與集成型兩類。本徵型是結構內部具有感測、執行及信號處理功能的材料製成的結構。然而集成型,即結構內部埋入感測器、執行器及處理功能的結構,亦稱為智能材料。智能材料與結構從軍事應用擴展到各民用領域,便建立了智能建築、智能機器人結構等概念。
  結構損傷與估計,是集成型光纖感測器網路的重要應用,已發展了若干方法。對於結構狀態檢測及振動主動控制最重要的檢測參量是結構應變。近年已發展了應用多種原理的應變感測器。例如:高雙射的保偏光纖,當受縱向擾動時,兩個正交偏振模相對相位延遲的變化正比於應變的關係測量應變,其應變測量靈敏度0.06°/(με-cm);Michelson干涉式光纖感測器,應變測量靈敏度6.5°/(με-cm);Fabry-Perot干涉感測器,用普通石英光纖能在溫度達1000℃左右測量位移,如用藍寶石光纖,可在更高溫度下工作,類似的石英光纖Fabry-Perot感測器陣列,已經用於F-15殲擊機在飛行模擬條件下的應變測量和測量在液氮溫度條件下材料的應變。另一些干涉儀也用在測量蒙皮表面上流體產生的摩擦力以及外部聲頻壓力。雙橫橢芯光纖感測器可以作成局域型式的,因此,可以有效地抑制探頭以外的環境振動引起的干擾。最近,已研製出一種沿光纖長度有加權靈敏度的感測光纖,可以用簡化的控制演算法在結構振動控制中。
  在機敏結構中,要求獲得多個離散點的信息或場的分佈信息,因此,在感測信息處理技術中,發展了多點感測器復用技術及分散式感測技術。光時域反射計(OTDR)是最常用的技術,由於OTDR空間解析度太低,近年發展了光子計數的高解析度的光時域反射計。
5 虛擬現實技術

  統計表明,普通人從外部世界獲取信息的80%來自視覺,如何實時地生成大規模複雜虛擬環境的立體畫面仍然是當前虛擬現實(virtual reality,簡稱VR)研究中亟待解決的問題。虛擬現實的三項指標:實時性(real time)、沉浸性(immersion)和交互性(interactivity)。所謂實時性是指虛擬現實系統能按用戶當前的視點位置和視線方向,實時地改變呈現在用戶眼前的虛擬環境畫面,並在用戶耳邊和手上實時產生符合當前情景的聽視和觸覺/力覺響應。所謂沉浸性是指用戶所感知的虛擬環境是三維的、立體的,其感知的信息是多通道的。所謂交互性是指用戶可採取現實生活中習以為常的方式來操縱擬場景中的物體,並改變其方位、屬性或當前的運動狀態。
  現有的虛擬現實系統按硬體組成可分成三類:頭盔式顯示器是最早的VR顯示器,它利用頭盔將人的對外界的視覺、聽覺封閉起來,引導用戶產生一種身在虛擬環境中的感覺。目前的頭盔式顯示器的解析度已達到1024×768,可為用戶提供清晰的虛擬場景畫面。桌面型VR系統由立體顯示屏幕、三維滑鼠、立體眼鏡等組成,但用戶的沉浸略差。最具沉浸感的VR系統是由多個投景屏幕組成的CAVE環境。現在國際上至少有30~40個由多屏幕組成的CAVE環境。
  把跟蹤技術用於產品化的技術培訓和維修方面:義大利的Consoraio Pisa Riceche研究所的Olivia Catoni等報告了「基於遙控操作的維修系統」。從市場調查可知,複雜的機器持續地依賴於生產者的培訓和產品的維修。其中培訓和維修與生產者和用戶間的地理距離成比例,佔總費用的一定的百分比。由於歐洲的小、中企業(SME)常不能為用戶提供維修和培訓服務費用(人們需要如旅行、通信、運輸等),在MAESTRO計劃中考慮了該問題,以兩個廠商試點,即CARBench International S.P.A和Betex A/S,分別生產複雜的汽車底盤(car bench)和液體處理設備。這二者輸出產品最多,MAESTRO實驗了用遙控的方式培訓和維修產品。MAESTRO計劃分為實際部分,即設置一個演示室,由設備和機器人檢查系統組成,以及虛擬部分,包括設備模型和支持運行的軟體系統。把演示室和綜合業務服務(ISDN/ARM)網路相連接。用戶可以實時地診察設備圖像,它具有6個自由度的操縱桿。可實時提供設備的虛擬模型的電視圖像,用CCD攝像機遠程攝取所指定的內容,把訓練和維修操作可以推廣到現實環境中。虛擬模型與包括技術信息的多媒體資料庫相連接。例如操作指令,或者是描述功能上正確與錯誤條件的數據,語言判別用來輸入口述命令,這有助於用戶都可了解設備詳情和自由改變模擬環境。Shinsuke Saito等報告了基於知識合成的虛擬空間的生成。
光電信息處理 -光電信息處理技術發展趨勢

1、不斷提高信息處理技術質量

  高解析度、高顯示質量;高速度、短處理時間;多維化:三維、四維或更多維;智能化,提高信息識別能力;標準化,便於信息交換、資源共享。
2、要與仿生學密切結合

  21世紀又是生物世紀和海洋世紀。研究模仿陸地和海洋生物的特異功能,造福人類。
3、重要應用

  ? 工業:產品質量檢驗、工業自動化、智能機器人。商業:防偽系統、收款系統。辦公:辦公室自動化、可視電話與電視會議、電子通信、電子查詢與諮詢系統、手寫體和印刷體文字識別。文化教育和宣傳:電子教學、機器翻譯、電子出版、電子娛樂、電子玩具、電子動畫和廣告。科技:科學儀器的自動化、全球定位系統(golbal position system,簡稱GPS)、航天電子系統。醫學:醫療會診、病歷保存。軍事:軍事電子模擬訓練、電子對抗、光電子對抗。安全與公安:家庭、交通、銀行、海關、飛行安全系統以及偵破、監控、指紋識別、證據鑒別等手段。家庭:家務自動化、現代化和安全化、柔性辦公系統等。
4、將對「無紙社會」的形成起促進作用

  由於光電子信息處理技術推動信息傳輸、處理、存儲和顯示技術的進步,用紙上文字來傳遞、存儲和顯示信息的功能將大為減弱,而且加快了傳遞、存儲、檢索、複製和顯示信息的速度。對文化、教育、科技、醫學和宣傳等有重要意義。
5、將對「明日世界」有深遠影響

  近年來,在國際上出現了四個研究熱點:科學可視化(scientific visualization);虛擬現實或稱靈境、人工現實;動畫(animation)和多媒體(multimedia)。當前又出現了兩個新觀點:計算機文化(machine culture)和明日現實(tomorrow's reality)。明日現實比虛擬現實更進一步,它可以預見未來,亦即估計來日會出現的事物。這兩個熱門話題意義深長。這些新生長點都和光電子信息處理技術密切相關。
  「愛是一道光如此美妙」 -- 歐若拉

廣告

廣告