Компьютерная оптика

В работе представлен новый метод измерения вырожденных спектров оптических вихрей и орбитального углового момента сингулярных пучков. Метод основан на измерении моментов интенсивности высших порядков пучка, содержащих вихри как с положительными, так и отрицательными топологическими зарядами. Соответствующий выбор амплитуд вихревых мод комбинированного пучка формирует в спектре орбитального углового момента аномальные зоны в виде резонансных провалов и всплесков. Поскольку моменты интенсивности для вихрей с положительными и отрицательными топологическими зарядами одинаковы для осесимметричного пучка, то симметрию пучка потребовалось нарушить, так что измерения проводились в плоскости двойного фокуса цилиндрической линзы. Калибровочные измерения показали, что погрешность эксперимента не выше 4,5 %. При измерении вырожденных спектров вихрей комбинированного сингулярного пучка было обнаружено, что провалы и всплески в спектре орбитального углового момента вызваны лавиной вихрей, индуцированной слабыми возмущениями голографической решётки, ответственной за формирование пучка. Возникновение провалов или всплесков орбитального углового момента регулируется соотношением между потоками энергии в лавине вихрей с положительными или отрицательными топологическими зарядами.

Ключевые слова

Рассчитана трёхуровневая спиральная металинза в плёнке аморфного кремния, рельеф которой состоит из двух субволновых решёток с периодом 220 нм (для длины волны 633 нм) и глубиной 90 нм и 170 нм, которая при освещении светом с линейной поляризацией формирует оптический вихрь с топологическим зарядом 2 и левой круговой поляризацией. Распределение интенсивности в фокусе на расстоянии 633 нм от поверхности металинзы имеет вид круглого субволнового кольца, а продольная проекция вектора Пойнтинга на оптической оси отрицательная (обратный поток энергии). Две субволновые решётки с разной глубиной работают как четвертьволновые пластинки и преобразуют линейную поляризацию в круговую, но с задержкой по фазе на половину длины волны. Такая металинза выполняет функции трёх оптических элементов: четвертьволновой пластинки, спиральной фазовой пластинки и дифракционной микролинзы с высокой числовой апертурой (близкой к единице).

Ключевые слова

В статье предложена теория и техника адресных волоконных брэгговских структур и нового класса радиофотонных сенсорных систем на их основе, отличающаяся от существующих тем, что в волоконной брэгговской структуре формируется две сверхузкополосные частотные составляющие, разнесённые на уникальную разностную адресную частоту. Определение смещения центральных частот брэгговских структур осуществляется по результатам обработки сигнала биений адресных частот на фотоприёмнике, по параметрам которого судят о приложенных физических полях. Поставлена и решена задача однозначного определения сдвига центральных (брэгговских) частот адресных волоконных брэгговских структур с уникальными адресными частотами и одинаковой брэгговской частотой, объединённых в единую многосенсорную систему с приёмом мультиплексированного отклика на одном фотодетекторе.

Ключевые слова

На основе представленных результатов исследования остаточного хроматизма двухлинзовых компонентов, выполненных из технологичных и коммерчески доступных оптических материалов, прозрачных в среднем ИК-диапазоне, показано, что такие компоненты являются эффективным инструментом коррекции хроматизма вариообъективов данного спектрального диапазона.

Ключевые слова

Представлены методики построения конструкций интерференционных систем, которые обеспечивают малое расхождение между спектральными характеристиками энергетического коэффициента отражения (пропускания) для s- и р-поляризаций. Разработанные на основании этих методик системы состоят из слоёв, толщины которых кратны четверти длины волны. В зависимости от используемой методики построения количество пленкообразующих материалов, используемых для формирования входящих в состав интерференционных систем слоёв, может колебаться от двух до четырёх. Анализ спектральных характеристик полученных конструкций показал, что в рассматриваемом диапазоне спектра расхождение между интегральными характеристиками для s- и р-поляризаций меньше 2 %.

Ключевые слова

Рассмотрен круглый в поперечном сечении регулярный слабопроводящий волоконный световод с двойной оболочкой. Для одномодового режима такого волновода получено выражение для оценки части мощности поля моды, проникающей во внешнюю сплошную оболочку, в стандартном подходе и в Гауссовой модели. Показано, что в Гауссовой модели получается более простой и прозрачный результат, которым можно воспользоваться на практике, в частности, при конструировании такого типа волноводов с минимальной частью мощности, проникающей во внешнюю оболочку.

Ключевые слова

В работе исследуется динамика кубита во внешнем лазерном поле в случае немарковского окружения, описываемого процессом Орнштейна–Уленбека. Для квантовой системы построено нелинейное немарковское стохастическое уравнение Шрёдингера, для которого гарантируется положительная определенность и сохранение нормировки матрицы плотности. Путём численного решения уравнения изучаются вероятности обнаружить систему в возбуждённом состоянии и влияние параметров немарковского шума на эту вероятность.

Ключевые слова

Выполнено сравнительное численное исследование сохранения свойств отдельных пучков Лагерра–Гаусса и их суперпозиций в случайной среде. Моделирование основано на расширенном принципе Гюйгенса–Френеля. Исследования показали, что увеличение числа колец мод Лагерра–Гаусса при сохранении порядка оптического вихря позволяет увеличить отношение энергии минимального информативного коэффициента к энергии максимального паразитного коэффициента, что важно при детектировании закодированной в коэффициентах информации. Кроме того, увеличение числа колец несколько нивелирует более сильное воздействие случайных флуктуаций на пучки с высокими топологическими зарядами. Этот эффект можно объяснить структурной избыточностью многокольцевых распределений (в каждом кольце вихревая фазовая структура пучка повторяется). Аналогичный результат был получен для пучков, соответствующих двухмодовой суперпозиции. Лучший результат по сохранению информации получен для суперпозиции с дублированием информации в комплексно-сопряжённых коэффициентах, а лучшее отношение информативной энергии к паразитной было получено для пучков с наибольшей площадью поперечного распределения.

Ключевые слова

Предложена полностью симметричная схема формирователя цилиндрических векторных пучков, в которой два дифракционных аксикона и помещённый между ними интерференционный поляризатор образуют сэндвич-структуру минимально возможной толщины. Проведён расчёт и экспериментальное исследование интерференционного поляризатора для формирования радиально-поляризованного излучения на длине волны 1530 нм. Изготовлена пара амплитудных дифракционных аксиконов с периодом 3,62 мкм, соответствующим требуемому углу дифракции 24,5° для формирования радиальной поляризации. Экспериментально продемонстрировано преобразование пучка с круговой поляризацией в радиально-поляризованный вихревой пучок.

Ключевые слова

Рассматривается реконструкция волнового фронта, содержащего случайные фазовые искажения светового поля. Реконструкция выполняется методом Гартмана на основе аппроксимации волновой функции полиномами Цернике по оценкам локальных наклонов. Значения наклонов зависят от алгоритмов, посредством которых они определяются. Число наклонов пропорционально количеству фокальных пятен, зарегистрированных в плоскости приёмного устройства, которое варьируется не только из-за размерности растра, но и в зависимости от параметров турбулентности, особенностей конструкции приёмных устройств, а также в результате ограничения, обусловленного условием ортогональности полиномов Цернике. Приводятся результаты численных экспериментов, которые будут учтены при создании систем адаптивной оптики для коррекции сильных турбулентных искажений оптического излучения.

Ключевые слова

В работе рассматриваются слоистые сенсорные структуры, поддерживающие возбуждение мод поверхностных плазмон-поляритонов в задачах детекции изменений в средах таких растворителей, как вода, этанол, изопропанол. В рассматриваемых структурах моды плазмон-поляритонов распространяются вдоль границ раздела сред металл / растворитель. Анализ характеристик резонансного отклика мод плазмон-поляритонов проводится на основе аппроксимации Фано в рамках теории связанных мод в видимом и инфракрасном диапазонах. В случае использования этанола и изопропанола как детектируемых сред выявлены области достижения максимальной чувствительности и усиления поля в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, что открывает возможности применения плазмонных структур в сенсорике вне областей поглощения воды.

Ключевые слова

The article describes methods and algorithms related to the analysis of dynamically changing discrete random fields. Time-optimal strategies for the localization of pulsed-point sources having a random spatial distribution and indicating themselves by generating instant delta pulses at random times are proposed. An optimal strategy is a procedure that has a minimum (statistically) average localization time. The search is performed in accordance with the requirements for localization accuracy and is carried out by a system with one or several receiving devices. Along with the predetermined accuracy of localization of a random pulsed-point source, a significant complicating factor of the formulated problem is that the choice of the optimal search procedure is not limited to one-step algorithms that end at the moment of first pulse generation. Moreover, the article shows that even with relatively low requirements for localization accuracy, the time-optimal procedure consists of several steps, and the transition from one step to another occurs at the time of registration of the next pulse by the receiving system. In this case, the situation is acceptable when during the process of optimal search some of the generated pulses are not fixed by the receiving system. The parameters of the optimal search depending on the number of receiving devices and the required accuracy of localization are calculated and described in the paper.

Предложен новый метод топологического анализа данных, позволяющий получить информацию о гомотопическом типе анализируемого объекта. В отличие от наиболее хорошо разработанных и широко применяемых методов, использующих понятие персистентных гомологий, данный метод основан на анализе дифференциальных инвариантов аппроксимирующего отображения. Таким образом, в противоположность комбинаторно- топологическому подходу, используются методы дифференциальной топологии и прямая аналогия с основным результатом теории Морса. При этом аппроксимирующее графический объект гладкое отображение может быть построено с использованием общедоступного инструментария, например, нейронной сети. Доказано, в частности, что метод позволяет полностью распознать гомотопический тип объекта на плоскости: топологическая степень некоторого вспомогательного отображения и количество окружностей в гомотопически эквивалентном представлении объекта в виде букета связаны соотношением. Работа алгоритма продемонстрирована на примере символов из базы данных MNIST и их трансформаций. Рассмотрены обобщения и открытые вопросы, возникающие в случае более высоких размерностей.

Ключевые слова

Modern biometric systems based on face recognition demonstrate high recognition quality, but they are vulnerable to face presentation attacks, such as photo or replay attack. Existing face anti-spoofing methods are mostly based on texture analysis and due to lack of training data either use hand-crafted features or fine-tuned pretrained deep models. In this paper we present a novel CNN- based approach for face anti-spoofing, based on joint analysis of the presence of a spoofing medium and eye blinking. For training our classifiers we propose the procedure of synthetic data generation which allows us to train powerful deep models from scratch. Experimental analysis on the challenging datasets (CASIA-FASD, NUUA Imposter) shows that our method can obtain state-of- the-art results.

Ключевые слова

Предложена архитектура искусственной нейронной сети, решающей задачу построения интерполяционных формул для удвоения размера изображений. Обученная модель получает в качестве аргумента матрицу размера 4×4, а результатом работы является интерполяционная формула, представленная в виде весового вектора для 4 точек. Произведено сравнение основных оценок качества предложенного метода с некоторыми известными адаптивными подходами. Сравнительный анализ показал, что предложенный подход имеет лучшее качество интерполяции по сравнению с методами New Edge-Directed Interpolation и Directional Cubic Convolution Interpolation.

Ключевые слова

Edge detection is very important technique to reveal significant areas in the digital image, which could aids the feature extraction techniques. In fact it is possible to remove un-necessary parts from image, using edge detection. A lot of edge detection techniques has been made already, but we propose a robust evolutionary based system to extract the vital parts of the image. System is based on a lot of pre and post-processing techniques such as filters and morphological operations, and applying modified Ant Colony Optimization edge detection method to the image. The main goal is to test the system on different color spaces, and calculate the system’s performance. Another novel aspect of the research is using depth images along with color ones, which depth data is acquired by Kinect V.2 in validation part, to understand edge detection concept better in depth data. System is going to be tested with 10 benchmark test images for color and 5 images for depth format, and validate using 7 Image Quality Assessment factors such as Peak Signal-to-Noise Ratio, Mean Squared Error, Structural Similarity and more (mostly related to edges) for prove, in different color spaces and compared with other famous edge detection methods in same condition. Also for evaluating the robustness of the system, some types of noises such as Gaussian, Salt and pepper, Poisson and Speckle are added to images, to shows proposed system power in any condition. The goal is reaching to best edges possible and to do this, more computation is needed, which increases run time computation just a bit more. But with today’s systems this time is decreased to minimum, which is worth it to make such a system. Acquired results are so promising and satisfactory in compare with other methods available in validation section of the paper.

Ключевые слова

Road traffic analysis is an important task in many applications and it can be used in video surveillance systems to prevent many undesirable events. In this paper, we propose a new method based on integral optical flow to analyze cars movement in video and detect flow extreme situations in real-world videos. Firstly, integral optical flow is calculated for video sequences based on optical flow, thus random background motion is eliminated; secondly, pixel-level motion maps which describe cars movement from different perspectives are created based on integral optical flow; thirdly, region-level indicators are defined and calculated; finally, threshold segmentation is used to identify different cars movements. We also define and calculate several parameters of moving car flow including direction, speed, density, and intensity without detecting and counting cars. Experimental results show that our method can identify cars directional movement, cars divergence and cars accumulation effectively.

Ключевые слова

Разрабатываются адаптивные интерполяторы многомерного сигнала, учитывающие наличие и направление границ гладких областей сигнала в каждой локальной окрестности за счёт автоматического выбора интерполирующей функции для каждого отсчёта сигнала. Выбор интерполирующей функции производится посредством параметризованного правила, оптимизация которого производится в параметрическом пространстве уменьшенной размерности. Уменьшение размерности выполняется с использованием ранговой фильтрации локальных разностей в окрестности каждого отсчёта сигнала. Интерполирующие функции адаптивных интерполяторов записываются для многомерного, трёхмерного и двумерного случаев. Также рассматривается применение адаптивных интерполяторов в задаче компрессии многомерных сигналов. Приводятся результаты экспериментального исследования адаптивных интерполяторов на реальных многомерных сигналах различных типов.

Ключевые слова

В работе представлены результаты тестирования методов бесконтактной диагностики новообразований кожи, основанные на регистрации снимков, полученных с помощью гиперспектральной камеры с акустооптическим перестраиваемым фильтром. Для идентификации онкологических патологий предложен интегральный спектральный индекс по множеству концентрических областей вокруг источника роста новообразования исследуемой биоткани. Введенный индекс позволяет, наряду с изменением спектральных свойств ткани, косвенно учесть классические дерматоскопические параметры ABCD: асимметрию, неровность границ, цветовое разнообразие, диаметр новообразования. Приведены результаты разделимости обучающей выборки, и показана возможность применения предложенных подходов в клинической практике

Ключевые слова

Работа посвящена исследованию особенностей реализации блочных алгоритмов FDTD-метода на графических процессорах. Обсуждается понятие блочного алгоритма в целом и блочного алгоритма FDTD-метода в частности. Основное внимание уделяется специфике подбора объёма и формы блоков, связанной с использованием языка MATLAB и его дополнения Parallel Computing Toolbox. Демонстрируется практическая эффективность предложенных авторских приемов, раскрываются перспективы их применения.

Ключевые слова

Рассматривается задача непараметрического восстановления многомерных плотностей распределения вероятностей в системах машинного обучения для классификации и аугментации данных. Предлагается метод получения смешанной ядерной непараметрической оценки плотности распределения как свертки ядерной оценки неизвестной плотности распределения вектора информативных признаков и известной или независимо оцениваемой плотности распределения вектора помеховой составляющей, сопровождающей процесс измерений. Анализируются свойства получаемых таким образом смешанных оценок. Приводятся результаты их сравнения с традиционной ядерной оценкой Парзена, применяемой непосредственно к общей выборке обучающих данных. Теоретически и экспериментально показывается, что использование смешанной оценки эквивалентно реализации процедуры аугментации – искусственного размножения обучающих данных в соответствии с известной или оцененной статистической моделью помеховой составляющей. Рассматриваются возможности применения смешанных оценок для обучения алгоритмов классификации биологических объектов (элементов зерновых смесей) на основе обработки измерений спектров пропускания в видимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн.

Ключевые слова

Работа, описанная в статье, посвящена повышению информативности оптических мето- дов измерений параметров дисперсных сред. Проблема заключается в том, что априори за- даваемая аналитическая функция (например, логарифмически нормального) распределения частиц по размерам недостаточно точно описывает дисперсную среду с бимодальным и мультимодальным распределением. В работе рассматривается возможность аппроксимации экспериментальных данных с помощью многопараметрической функции распределения ча- стиц по размерам вместо априори задаваемого логарифмически нормального распределе- ния. Для сравнения результатов аппроксимаций были проведены эксперименты на стан- дартных образцах гранулометрического состава ОГС-01ЛМ и ОГС-08ЛМ отдельно и сов- местно путём их смешивания. Регистрация экспериментальных данных производилась тур- бидиметрическим высокоселективным методом на водных суспензиях данных образцов. Целью работы является представление результатов измерений в виде функции распре- деления, позволяющей более точно определять форму распределения частиц по размерам и соответствующие дисперсные характеристики исследуемой среды в оптических методах измерений параметров дисперсных сред. Основной задачей работы является разработка, реализация и проверка алгоритма поиска функции распределения частиц по размерам в виде многопараметрической функции. Как показано в работе, такое решение данной задачи является более универсальным, так как позволяет исследовать медленные и быстропротекающие процессы в суспензиях и аэро- зольных средах с меньшей погрешностью. Алгоритм может быть применён для задач, осно- ванных на решении уравнения Фредгольма I рода.

Ключевые слова