В современном мире, где объемы вычислительных процессов растут экспоненциально, проблема энергопотребления в сфере обработки данных становится все более острой. С увеличением требований к программному обеспечению и приближением к физическим ограничениям существующих аппаратных решений, человечество сталкивается с необходимостью поиска принципиально новых, энергоэффективных и быстрых методов вычислений. Оптические аналоговые вычисления представляют собой перспективную альтернативу традиционным подходам, предлагая революционный способ обработки информации.
Суть оптических аналоговых вычислений заключается в использовании света для выполнения математических операций непосредственно перед тем, как изображение будет зафиксировано сенсором камеры. Такие оптические устройства являются пассивными, то есть не требуют электрической энергии для своей работы, что обеспечивает минимальное энергопотребление и быстродействие, ограниченное лишь скоростью света. Группа физиков из Института физики Университета Амстердама (UvA), под руководством Йорика ван де Гропа, разработала и представила новый метод обнаружения границ изображений, основанный на принципах оптических аналоговых вычислений.
Новый метод, опубликованный в журнале ACS Photonics в 2024 году (DOI: 10.1021/acsphotonics.4c01667), отличается исключительной энергоэффективностью и высокой скоростью работы. Исследование, проведенное в сотрудничестве с индустриальными партнерами WITec и SCIL Imprint Solutions, было сфокусировано на технике обнаружения границ, которая играет ключевую роль в обработке изображений. Обнаружение границ, или выделение контуров, позволяет идентифицировать резкие изменения яркости в изображении, которые соответствуют границам объектов. Эта задача критически важна для множества приложений, включая системы автономного управления транспортом, компьютерное зрение и медицинскую диагностику.
В основе разработанного физиками метода лежит простая и технологичная структура, представляющая собой стопку тонких пленок. Этот многослойный материал выполняет оптические аналоговые вычисления для выделения границ объектов непосредственно на пути светового потока. Эксперименты показали высокую эффективность предложенного устройства в обнаружении границ, в том числе границ крайне малых объектов, размером до одного микрометра.
Бернардо Диас, первый автор публикации, подчеркивает простоту разработанного устройства в сравнении со сложными оптическими покрытиями, используемыми в традиционных методах. Несмотря на свою простоту, устройство обладает высокой числовой апертурой, что позволяет обнаруживать границы даже очень мелких объектов с высокой точностью. Это свойство особенно ценно для применений, требующих высокого разрешения.
Важной особенностью нового метода является его универсальность. Он совместим с различными источниками света, включая обычные лампы, светодиоды и лазеры, что значительно облегчает его интеграцию в существующие технологии. Разработанная техника представляется особенно перспективной для микроскопии высокого разрешения, где требуется детальное изучение микроструктур.
Устройство способно обнаруживать границы не только непрозрачных, но и прозрачных объектов, таких как биологические клетки. Эта возможность открывает новые горизонты в изучении биологических образцов, поскольку прозрачные объекты часто остаются невидимыми при использовании традиционной микроскопии светлого поля. Новый метод позволяет визуализировать клеточные структуры и другие прозрачные элементы с высокой четкостью.
В дальнейшем исследователи планируют разработку переключаемых устройств на основе оптических аналоговых вычислений. Такие устройства позволят гибко управлять процессом обработки изображений, включая и выключая математические операции, а также переключаясь между различными функциями обработки. Это откроет возможности для создания многофункциональных оптических процессоров для обработки изображений в реальном времени.
Статья "High-NA 2D Image Edge Detection Using Tamm Plasmon Polaritons in Few-Layer Stratified Media" за авторством Бернардо С. Диаса и других ученых, опубликованная в ACS Photonics в 2024 году, демонстрирует значительный шаг вперед в развитии энергоэффективных и высокоскоростных методов обработки изображений. Простота реализации, универсальность и высокая производительность разработанного устройства открывают широкие перспективы для его применения в различных областях науки и техники, от автономного транспорта до биологических исследований. Университет Амстердама предоставил новость об этом исследовании 23 января 2025 года под заголовком "Detecting edges of images at the speed of light".
Изображение носит иллюстративный характер
Суть оптических аналоговых вычислений заключается в использовании света для выполнения математических операций непосредственно перед тем, как изображение будет зафиксировано сенсором камеры. Такие оптические устройства являются пассивными, то есть не требуют электрической энергии для своей работы, что обеспечивает минимальное энергопотребление и быстродействие, ограниченное лишь скоростью света. Группа физиков из Института физики Университета Амстердама (UvA), под руководством Йорика ван де Гропа, разработала и представила новый метод обнаружения границ изображений, основанный на принципах оптических аналоговых вычислений.
Новый метод, опубликованный в журнале ACS Photonics в 2024 году (DOI: 10.1021/acsphotonics.4c01667), отличается исключительной энергоэффективностью и высокой скоростью работы. Исследование, проведенное в сотрудничестве с индустриальными партнерами WITec и SCIL Imprint Solutions, было сфокусировано на технике обнаружения границ, которая играет ключевую роль в обработке изображений. Обнаружение границ, или выделение контуров, позволяет идентифицировать резкие изменения яркости в изображении, которые соответствуют границам объектов. Эта задача критически важна для множества приложений, включая системы автономного управления транспортом, компьютерное зрение и медицинскую диагностику.
В основе разработанного физиками метода лежит простая и технологичная структура, представляющая собой стопку тонких пленок. Этот многослойный материал выполняет оптические аналоговые вычисления для выделения границ объектов непосредственно на пути светового потока. Эксперименты показали высокую эффективность предложенного устройства в обнаружении границ, в том числе границ крайне малых объектов, размером до одного микрометра.
Бернардо Диас, первый автор публикации, подчеркивает простоту разработанного устройства в сравнении со сложными оптическими покрытиями, используемыми в традиционных методах. Несмотря на свою простоту, устройство обладает высокой числовой апертурой, что позволяет обнаруживать границы даже очень мелких объектов с высокой точностью. Это свойство особенно ценно для применений, требующих высокого разрешения.
Важной особенностью нового метода является его универсальность. Он совместим с различными источниками света, включая обычные лампы, светодиоды и лазеры, что значительно облегчает его интеграцию в существующие технологии. Разработанная техника представляется особенно перспективной для микроскопии высокого разрешения, где требуется детальное изучение микроструктур.
Устройство способно обнаруживать границы не только непрозрачных, но и прозрачных объектов, таких как биологические клетки. Эта возможность открывает новые горизонты в изучении биологических образцов, поскольку прозрачные объекты часто остаются невидимыми при использовании традиционной микроскопии светлого поля. Новый метод позволяет визуализировать клеточные структуры и другие прозрачные элементы с высокой четкостью.
В дальнейшем исследователи планируют разработку переключаемых устройств на основе оптических аналоговых вычислений. Такие устройства позволят гибко управлять процессом обработки изображений, включая и выключая математические операции, а также переключаясь между различными функциями обработки. Это откроет возможности для создания многофункциональных оптических процессоров для обработки изображений в реальном времени.
Статья "High-NA 2D Image Edge Detection Using Tamm Plasmon Polaritons in Few-Layer Stratified Media" за авторством Бернардо С. Диаса и других ученых, опубликованная в ACS Photonics в 2024 году, демонстрирует значительный шаг вперед в развитии энергоэффективных и высокоскоростных методов обработки изображений. Простота реализации, универсальность и высокая производительность разработанного устройства открывают широкие перспективы для его применения в различных областях науки и техники, от автономного транспорта до биологических исследований. Университет Амстердама предоставил новость об этом исследовании 23 января 2025 года под заголовком "Detecting edges of images at the speed of light".
