От фотоники до лазерных технологий: чем занимаются в лаборатории оптической обработки информации?

Лаборатория оптической обработки информации Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ работает на стыке нескольких направлений. В лаборатории изучают физические процессы в области оптики и фотоники, занимаются цифровой голографией, оптическим кодированием информации, машинным обучением и исследуют различные возможности так называемых computational optics и computational imaging — технологий получения изображений объектов за счёт применения математического аппарата и нестандартной регистрации излучения.

Недавно сотрудникам лаборатории удалось разработать новый метод компрессии, позволяющий сжимать цифровые голограммы на порядок больше обычного — почти в 400 раз. Их работа была опубликована в высокорейтинговом международном журнале Scientific Reports (входит в первый квартиль по базам данных Web of Science и Scopus), выпускаемом издательством Nature.

Цифровая голография — это группа методов, позволяющих регистрировать и впоследствии воссоздавать изображения двумерных (2D) и трёхмерных (3D) объектов. В её основе лежат принципы классической голографии, только регистрация интерференционной картины, формируемой опорным и исходящим от объекта пучками света, производится на цифровую камеру. Полученный таким образом снимок представляет собой цифровую голограмму.

В настоящее время быстро растут требования к увеличению объёма памяти для хранения данных и скорости их передачи, к качеству отображения 3D-информации. Поэтому сжатие данных, в том числе зарегистрированных голографически, становится всё более актуальной задачей.

С помощью существующих методов сжатия изображений размеры файлов изображений можно уменьшить в десятки раз. Учёные НИЯУ МИФИ разработали новый метод, с помощью которого можно сжать, к примеру, голографическое видео объёмом 1 Тб всего до 3 Гб. Для этого после записи голограммы проводится анализ фурье-спектра, выделяется информативная часть и производится вейвлет-обработка. Метод включает в себя анализ особенностей отдельных голограмм, что обеспечивает высокое качество восстановления изображений.

Для создания новой методики учёные объединили набор методов из областей голографии, анализа снимков, адаптивных систем. Часть из них никогда ранее не применялась для компрессии данных в цифровой голографии. Они проанализировали несколько тысяч возможных комбинаций разных параметров и в результате нашли оптимальное соотношение для сжатия голограмм. Сейчас в лаборатории продолжают улучшать технологию и считают, что таким образом можно добиться компрессии файлов до тысячи раз.

Другим направлением работы лаборатории является оптическое кодирование информации. Это востребованное направление, так как, используя современные цифровые методы криптографии, становится все сложнее обеспечить адекватную степень защиты информации для широкого круга задач. Цифровые методы кодирования информации используют в качестве ключей последовательность символов, обычно несколько десятков или сотен в длину. Оптические методы, благодаря свойству параллелизма оптического излучения, позволяют использовать двумерные ключи кодирования, то есть матрицы чисел. Длина ключей в этом случае оказывается выше, по меньшей мере, в тысячу раз.

Сотрудниками лаборатории была успешно впервые реализована система оптического кодирования, использующая пространственно-некогерентное освещение входной плоскости. Это позволило обеспечить недостижимое для подобных систем ранее отношение сигнал/шум. Так, в результате оптических экспериментов удалось достичь значения вероятности появления ошибки при кодировании цифровой информации в 0,01%.

В настоящее время в лаборатории ведутся работы по созданию системы кодирования на базе микрозеркальных модуляторов света. Такие модуляторы обладают быстродействием в 30 000 бинарных изображений в секунду. Используя пару таких модуляторов и скоростную камеру, можно создать систему оптического кодирования, способную кодировать информацию с беспрецедентной скоростью до 8 гигабит в секунду!

В решение задач лаборатории огромный вклад вносят студенты и аспиранты НИЯУ МИФИ. Их дипломные работы и диссертации в значительной степени опираются на разработки, сделанные в лаборатории.

Как отмечает один из авторов исследования, к.ф.-м.н., доцент Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Павел Черёмхин, МИФИ — это серьёзная физическая школа, где также сильны математика и информационные технологии. Это позволяет решать сложные междисциплинарные задачи в области фотоники и оптоинформатики, а также лазерных технологий.