Устройство оптической нейронной сети

 

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в нейронных компьютерах. Техническим результатом является увеличение объема параллельно обрабатываемых массивов информации. В изобретении фотоприемное устройство, управляемый фильтр и формирователь входного изображения выполнены оптическими и каждый из них выполнен в виде сплошного прозрачного слоя фотохромного материала. 1 ил.

Изобретение относится к области вычислительной техники и промышленно применимо в оптических нейронных компьютерах.

Известно оптическое вычислительное нейроподобное устройство [1], содержащее оптически связанные и последовательно установленные вдоль оптической оси источник излучения, формирователь входного изображения в виде линейки светодиодов и цилиндрической линзы, управляемый фильтр в виде матричного электрически управляемого пространственно-временного модулятора света (ПВМС), еще цилиндрическую линзу и многоэлементное фотоприемное устройство, которое электрически связано с электронной вычислительной машиной (ЭВМ), к которой подключено логическое решающее устройство, а также обратную связь этого устройства с формирователем входного изображения и/или управляемым фильтром.

В устройстве [1] входная информация записывается на линейку светодиодов, свет от которых расширяется цилиндрической линзой и фильтруется ПВМС, затем сводится также цилиндрической линзой на линейку фотодиодов, сигнал с которой обрабатывается ЭВМ, после чего поступает на логическое решающее устройство и в обратную связь, осуществляющую коррекцию входного изображения и/или эталонного изображения, записанного в плоскости фильтра.

Недостатком этого технического решения является малая емкость массива, записываемого на линейку (В=100), малое число межсоединений (BхB= 100х100), что ограничивает производительность процесса (10⁴ операций за цикл).

Известна система [2] , моделирующая нейронную сеть, содержащая слой из материала, воспринимающего свет и обладающего фотовольтаическим эффектом, матрицу усилителей электрического сигнала, матрицу переменных сопротивлений, осветительную панель и жидкокристаллическую панель, оптическое пропускание которой регулируется элементами предшествующих слоя и матриц.

Недостатком этого решения является наличие устройств промежуточного преобразования света в электрический сигнал для последующего управления элементами устройства, чтобы на выходе снова получить световой сигнал.

Наиболее близким к заявляемому является оптическое нейроподобное вычислительное устройство [3], представляющее устройство оптической нейронной сети, содержащее оптически связанные и последовательно установленные вдоль оптической оси источник излучения, сферическую линзу, формирователь входного изображения в виде электрически управляемой двумерной матрицы ПВМС, вторую линзу, оптический фильтр также в виде электрически управляемой матрицы ПВМС, третью линзу, матрицу фотоприемников, которые образуют оптическую нейроподобную сеть, при этом матрица фотоприемников электрически связана с ЭВМ, к которой подключено логическое решающее устройство, а также обратную связь последнего с формирователем входного изображения и/или управляемым фильтром.

Недостатком прототипа [3] является ограниченное число параллельных операций за цикл, что является результатом применения в оптической нейроподобной сети матричных электрически управляемых элементов, линейные размеры которых заведомо больше длины волны света. Кроме того, недостатком является наличие устройств промежуточного преобразования светового воздействия в электрический ток, используемый для последующего управления элементами матрицы ПВМС.

Заявляемое устройство направлено на повышение объема параллельно обрабатываемых массивов информации за счет увеличения самого массива и числа межсоединений и упрощения конструкции за счет исключения устройств промежуточного преобразования светового воздействия в электрический ток и обратно.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве оптической нейронной сети, содержащем оптически связанные и установленные последовательно вдоль оптической оси источник излучения, линзу, формирователь входного изображения, вторую линзу, управляемый фильтр, третью линзу и фотоприемное устройство, согласно изобретению фотоприемное устройство, управляемый фильтр и формирователь входного изображения выполнены оптически управляемыми в виде сплошного прозрачного слоя фотохромного материала, при этом фотохромный материал каждого из упомянутых элементов может обладать индивидуальными оптико-физическими характеристиками (энергетической и спектральной чувствительностью, начальной и конечной оптической плотностью, временем срабатывания и запоминания и пр.), правильный выбор которых и обеспечивает эффективное оптическое управление.

Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что в сплошном (то-есть, не разбитом на конструктивные матричные элементы) прозрачном (без оптического рассеяния) слое фотохромного материала изображение в виде участков с различной оптической плотностью формируется оптическим способом - активирующим светом, оптическое разрешение фотохромных материалов ограничено только длиной волны активирующего света, а кривая зависимости пропускания фотохромного материала от энергии активирующего света подобна используемой в нейроподобных сетях сигмоидальной активационной функции.

На чертеже схематично представлено устройство оптической нейронной сети. Устройство содержит источник 1 излучения, линзу 2, формирователь 3 входного изображения, выполненный в виде сплошного прозрачного слоя фотохромного материала, имеющего распределение коэффициента пропускания в соответствии с определенным записанным изображением, линзу 4, управляемый фильтр 5, выполненный в виде сплошного прозрачного слоя фотохромного материала, тоже имеющего распределение коэффициента пропускания в соответствии с определенным записанным изображением, линзу 6, фотоприемное устройство 7. Фотоприемное устройство 7 также выполнено в виде сплошного прозрачного слоя фотохромного материала, но пока неактивированного, то-есть, не подвергавшегося действию активирующего света, а потому имеющего постоянный коэффициент пропускания вдоль слоя. Изображение на фотоприемном устройстве 7 в форме определенного распределения коэффициента пропускания по слою фотохромного материала возникнет в результате работы всего устройства оптической нейронной сети. В качестве материала для изготовления сплошного прозрачного слоя формирователя 3 изображения, управляемого фильтра 5 и фотоприемного устройства 7 могут быть использованы любые известные подходящие по своим свойствам (оптической плотности, чувствительности, спектральным и временным характеристикам и т.д. ) фотохромы, например, галогенидосеребряные стекла или спиропираны. Изготовление слоя фотохромного материала осуществляется известными способами, например полировкой или нанесением в виде пленки на стеклянную подложку.

Устройство оптической нейронной сети работает следующим образом.

Источник 1 излучения посылает вдоль оптической оси за время t порцию световой энергии E, которая линзой 2 в виде плоского светового фронта постоянной интенсивности распределяется по поверхности сплошного прозрачного слоя фотохромного материала формирователя 3 изображения. Проходя формирователь 3 изображения, свет модулируется по интенсивности в соответствии со значениями распределения коэффициента пропускания его слоя фотохромного материала. Далее через линзу 4, осуществляющую оптическое преобразование Фурье, свет попадает на управляемый фильтр 5 и снова модулируется в соответствии со значениями распределения коэффициента пропускания сплошного прозрачного слоя фотохромного материала управляемого фильтра 5. Затем свет проходит через линзу 6, осуществляющую обратное преобразование Фурье, и распределяется по поверхности неактивированного сплошного прозрачного слоя фотохромного материала фотоприемного устройства 7.

Порция энергии E_xy, попадающая на малую единичную площадку xy сплошного прозрачного слоя фотохромного материала фотоприемного устройства 7, определяется суммарным результатом поглощения-пропускания света, прошедшего формирователь 3 изображения и управляемый фильтр 5, и вызовет на этом участке фотоиндуцированное изменение состояния фотохрома в соответствии с формулой: C_xy = kE_xy, где C_xy - концентрация молекул фотохрома в измененном фотоиндуцированном спектральном состоянии в точке (x,y); k - коэффициент пропорциональности, зависящий от материала фотохромной среды (концентрации C_исх молекул фотохрома в исходном состоянии, сечения взаимодействия на данной длине волны света, квантового выхода переходов молекул фотохрома исходной формы в фотоиндуцированную и пр.) Количество молекул с измененными спектральными свойствами определяет значение изменения пропускания W_xyданной точки фотохромного слоя фотоприемного устройства 7: W_xy = e^{-d(Сисх-Сxy)}, где - коэффициент экстинции фотохромного материала, d - толщина фотохромного слоя.

Фактически кривая зависимости пропускания фотохромного слоя от энергии активирующего света имеет участок с начальным значением пропускания (не равным нулю), участок почти линейного прирастания и участок насыщения. В целом характер кривой соответствует сигмоидальной функции активации, предложенной Гроссбергом для реализации нейронных сетей, и отвечает необходимым требованиям для реализации алгоритма обратного распространения при обучении нейронной сети [Ф. Уоссермен. Нейрокомпьютерная техника. М.: Мир, 1992, с. 23-24].

Формирование выходного сигнала по результату возникшего под действием порции световой энергии E распределения фотоиндуцированного коэффициента пропускания в сплошном прозрачном слое фотохромного материала фотоприемного устройства 7 может быть осуществлено известными способами, например, световым фронтом 8 от дополнительного источника под некоторым углом к оптической оси или через полупрозрачное зеркало (на чертеже не показаны), точно так же, стирание изображения (деактивация фотохромного материала), коррекция и перезапись изображения на сплошные прозрачные слои фотохромного материала управляемого фильтра 5 и формирователя 3 изображения могут быть осуществлены теми же известными способами с использованием элементов устройства моделирования оптической нейроподобной сети в соответствии с методами активации и деактивации конкретного используемого фотохромного материала. Таким образом осуществляется исключительно оптическое, без промежуточного преобразования оптического сигнала в электрический и обратно, управление формирователем 3 входного изображения, управляемым фильтром 5 и фотоприемным устройством 7, что упрощает конструкцию. Отсутствие конструктивных матричных элементов в сплошном слое фотохромного материала и его прозрачность, исключающая возможность рассеяния и искажения проходящего света, решают задачу значительного увеличения параллельно обрабатываемого массива информации.

Из набора заявленных устройств оптической нейронной сети может быть сформирована разветвленная цепь оптического нейрокомпьютера.

Устройство оптической нейронной сети работает следующим образом.

Источник 1 излучения посылает вдоль оптической оси за время t, порцию световой энергии E, которая линзой 2 в виде плоского светового фронта постоянной интенсивности распределяется по поверхности сплошного прозрачного слоя фотохромного материала формирователя 3 изображения. Проходя формирователь 3 изображения, свет модулируется по интенсивности в соответствии со значениями распределения коэффициента пропускания его слоя фотохромного материала. Далее через линзу 4, осуществляющую оптическое преобразование Фурье, свет попадает на управляемый фильтр 5 и снова модулируется в соответствии со значениями распределения коэффициента пропускания сплошного прозрачного слоя фотохромного материала управляемого фильтра 5. Затем свет проходит через линзу 6, осуществляющую обратное преобразование Фурье, и распределяется по поверхности неактивированного сплошного прозрачного слоя фотохромного материала фотоприемного устройства 7. В результате последовательных прямого и обратного преобразования Фурье происходит параллельное перемножение интенсивности каждого малого элемента формирования 3 изображения на каждый элемент управляемого фильтра 5 с последующим суммированием в плоскости фотоприемного устройства 7, то-есть, межсоединение каждого малого элемента непрерывного входного сигнала с каждым малым элементом матрицы весовых коэффициентов. Полное число межсоединений равно произведению отношения площади каждого из фотохромных слоев к площади малого единичного элемента слоя. Последняя определяется оптическим разрешением фотохромного материала и имеет порядок квадрата длины волны света. Обучение нейронной сети может осуществляться, например, предъявлением на вход - формирователь 3 изображения - и выход - фотоприемное устройство 7 - устройства оптической нейронной сети обучающего воздействия и требуемого выхода, каждый в виде определенных световых потоков.

Порция энергии E_xy, попадающая на малую единичную площадку xy сплошного прозрачного слоя фотохромного материала фотоприемного устройства 7, определяется суммарным результатом поглощения-пропускания света, прошедшего формирователь 3 изображения и управляемый фильтр 5, и вызовет на этом участке фотоиндуцированное изменение состояния фотохрома в соответствии с формулой: C_xy = kE_xy, где C_xy - концентрация молекул фотохрома в изменяемом фотоиндуцировании спектральном состоянии в точке (x,y); k - коэффициент пропорциональности, зависящий от материала фотохромной среды (концентрации C_исх молекул фотохрома в исходном состоянии, сечения взаимодействия на данной длине волны света, квантового выхода перехода молекул фотохрома исходной формы в фотоиндуцированную и пр.).

Количество молекул с измененными спектральными свойствами определяет значение изменений пропускания W_xy данной точки фотохромного слоя фотоприемного устройства 7: W_xy = dCxyW^ис_xy^х, где - - коэффициент экстинции фотохромного материала, d - толщина фотохромного слоя, W_xy^исх - исходное пропускание в точке (x,y).

Фактически кривая зависимости пропускания фотохромного слоя от энергии активированного света имеет участок с начальным значением пропускания (не равным нулю), участок почти линейного прирастания и участок насыщения. В целом характер кривой соответствует сигмоидальной функции активации, предложенной Гроссбергом для реализации нейронных сетей, и отвечает необходимым требованиям для реализации алгоритма обратного распространения при обучении нейронной сети [Ф.Уоссермен. Нейрокомпьютерная техника. М.: Мир, 1992, с. 23 - 24].

Источники информации
1. JAPAN ELECTRONIC INGENEERING, 1988, v.25, N 256, p.74-77, Disturbance Generator Improves Recognition in Neural Computers.

2. EP 515836 A1, G 06 E 3/00, 23.04.1992.

3. RU 2045092 Cl, G 06 E 1/00, 27.09.1995.

Формула изобретения

Устройство оптической нейронной сети, содержащее оптически связанные и последовательно установленные вдоль оптической оси источник излучения, линзу, формирователь входного изображения, вторую линзу, управляемый фильтр, третью линзу, фотоприемное устройство, отличающееся тем, что формирователь входного изображения выполнен управляемым в виде сплошного прозрачного слоя фотохромного материала с возможностью модуляции действующего света по интенсивности, управляемый фильтр выполнен в виде сплошного прозрачного слоя фотохромного материала с возможностью изменения спектральных свойств фотоприемное устройство выполнено управляемым в виде сплошного прозрачного слоя фотохромного материала с возможностью формирования изображения за счет распределения световой энергии в упомянутом слое.

РИСУНКИ

Рисунок 1