10.1.6. Параллельная цифровая обработка в системах памяти [10]

В таких непрерывно изменяемых средах для записи голограммы, как электрооптические кристаллы или непроявленная фотопленка, можно осуществить серию экспозиций голограмм в одном положении. В этом случае направления объектного и

опорного пучков по отношению к голограмме сохраняются неизменными. При многократных экспозициях происходит сложение и вычитание комплексных амплитуд голографической записи [8]. Сдвиг фазы опорного пучка на 180° можно использовать для когерентного селективного стирания голограмм в комплекте наложенных трехмерных голограмм, записанных в самопроявляющемся кристалле ниобата лития [17]. Авторы работы [17] обратили внимание на то, что этот процесс эквивалентен операции булевой логики ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Эта операция производится параллельно между каждым битом одной страницы данных и соответствующим битом другой страницы данных. В данном случае на странице имелось приблизительно 10 000 бит и, следовательно, параллельно осуществлялось 10 000 операций. В работе [17] было также показано, что происходит обращение контраста (это эквивалентно логической операции ДОПОЛНЕНИЕ). Позднее к операциям булевой логики, осуществляемым на страницах цифровых данных, записанных голографически, добавилась операция ИЛИ [18].

В булевой алгебре сочетания одной функции подобия (например, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ) и одной функции единственности (например, ИЛИ) достаточно для образования всех других логических операций (И, ДОПОЛНЕНИЕ, НЕ И, НЕ ИЛИ, СОВПАДЕНИЕ). Определения этих операций приводятся в табл. 4.

Таблица 4 (см. скан) Определения операций булевой логики

Наличие таких операций позволяет производить обобщенную обработку (например, сложение и вычитание -битных слов). Если использовать только три основные операции, упомянутые выше (ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ДОПОЛНЕНИЕ и ИЛИ), то при этом в значительной степени усложняется обобщенная логическая обработка. Добавление булевой логической операции И, вообще говоря, существенно упрощает обработку. Для множества страниц входных данных операция И становится возможной, если составители страниц последовательно накладываются друг на друга, образуя сандвич. Положения каждого бита ориентированы относительно положений соответствующих битов других составителей

страниц. Таким образом, если какая-либо страница в месте расположения определенного бита непроницаема для света, то свет в этом адресуемом положении не пройдет через сложный составитель страниц.

Таблица 5 (см. скан) Булевы логические операции, После записи восстановленная страница данных в осуществимые между двумя страницами цифровых данных в один шаг с использованием двухлучевой голографической схемы и фазовой среды для записи голограмм (темные участки соответствуют 0, светлые — 1)

После записи восстановления страница данных в этом месте окажется темной. Восстановленная страница будет светлой только в том адресуемом положении, для которого все отдельные составители страниц прозрачны. Приписывая темным местам нули, а светлым единицы, можно видеть, что при голографической записи сложный составитель страниц осуществляет логическую операцию И. Поскольку такой процесс можно осуществить за один шаг, операция И, а также операции ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ДОПОЛНЕНИЕ и ИЛИ, являются основными доступными операциями при голографической обработке информации. В табл. 5 представлены основные логические операции и их одношаговые исполнения.

Во всех рассмотренных выше случаях предполагалось, что при восстановлении отсутствие света в адресуемом положении соответствует логическому нулю, а присутствие — логической единице. Следовательно, на составителе страниц непрозрачное адресуемое

Таблица 6 (см. скан) Соответствие логических операций при изменении определений логического нуля и логической единицы

положение также соответствует нулю, а прозрачное — единице. Эти определения, однако, являются произвольными. Интерпретация единиц и нулей может быть и обратной. При обратном определении меняются логические операции. В табл. 6 показано соответствие логических операций при обоих определениях. При этом, хотя каждая операция в отдельности изменяется, общая вычислительная способность в обоих случаях остается одной и той же.

Ранее основное внимание уделялось обработке цифровых данных с голографической записью и последующим считыванием в непрерывно изменяемой фоточувствительной среде. Были продемонстрированы также некоторые логические операции между страницами данных без непрерывной голографической записи. Например, операция сравнения ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ может быть осуществлена с использованием предварительно записанной постоянной голограммы на тестовой странице. Если искомая согласованная страница находится в составителе страниц и при этом фаза опорного пучка сдвинута на 180° по отношению к фазе при записи тестовой страницы, а амплитуды равны, то для прошедшей объектной волны можно получить нулевой результат (темный участок, или логический нуль). Этот принцип используется в интегрированном оптическом компараторе Баттелла (см., например, статью Кенана и др. [20]). В этом интегрированном оптическом приборе на основе ниобата лития две управляемые волны интерферируют в фоточувствительной области, легированной железом, в результате чего записывается, а затем фиксируется (из-за процессов миграции ионов) голограмма. Один из управляемых волновых фронтов уже претерпел дифракцию на распределении показателя преломления, созданном последовательностью поверхностных электродов. После того как записана и зафиксирована тестовая голограмма, на последовательность электродов можно наложить другой сигнал. При соответствующей амплитуде опорного пучка и сдвиге его фазы на 180° относительно фазы при записи нуль на выходе получается только при совпадении входного сигнала и сигнала, использованного при исходной записи. Применяя регистратор нуля, на выходе получим сигнал только в случае, когда исследуемые данные согласованы с предварительно записанным сигналом. На рис. 10 показана схема другого прибора такого типа. В этой системе канал двоичных данных непрерывно исследует сегменты -битовых слов, которые путем осуществления операции ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ сравниваются с словами, заранее записаннымк на основной голограмме Фурье. Амплитуду опорного пучка необходимо все время регулировать в соответствии с пропусканием слова по ходу составителя страниц. Если слово на входе системы соответствует любому из записанных ранее слов, то на выходе появляется нуль для любых адресных положений этого слова в

выходной плоскости. Цилиндрическая линза, находящаяся за изображением, полученным после операции ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, фокусирует его на цепочку из детекторов. Нуль на выходе любого детектора указывает на то, что все биты соответствующего слова представляют собой логические нули таким образом, на странице обнаружено соответствующее слово.

Рис. 10. Двоичная система обнаружения слов, использующая операцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

Следовательно, сравнение, или ассоциативный поиск, осуществляется без записи слова на исследуемую страницу. Более того, результаты параллельной логической операции не регистрируются и при дальнейшей обработке. Этот последний случай имеет место, когда требуется осуществление последовательности операций, например арифметических (сложение, вычитание, умножение, деление).

Нами были описаны различные операции голографической обработки с точки зрения цифровой логики и страниц двоичных данных. Те же самые операции могут быть выполнены и на страницах двумерных аналоговых данных (например, изображений). При этом совершаются те же операции, но они уже не двоичные, а линейные (с динамическим диапазоном, равным динамическому диапазону материала). Страницы аналоговых и цифровых данных можно совместно хранить записанными на одном электрооптическом кристалле.

Описанная выше обработка данных является строго параллельной. Вместо использования схем логических затворов, как в электронной логике, все логические операции выполнены внутри памяти (запоминающий кристалл) в одной и той же оптической системе. Логические операции произвольной сложности можно

синтезировать таким же способом, как и в электронном цифровом устройстве (используя метод составления страниц Карно и т. п.). И хотя в принципе выполнимы и общие арифметические операции, однако они все же играют второстепенную роль по сравнению с параллельными ассоциативными операциями, такими, как поиск данных (последовательные и параллельные битовые операции поиска), детектирование изменений, определение наилучшего соответствия деталей, корреляция и распознавание образов.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)