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用於下一代全息成像的高性能並行計算

發布時間:2022-04-06 13:59:10 瀏覽量:3073 作者:LY.Young 光學前沿

摘要

視頻全息術(電子全息術)於(yu) 1990 年首次證實。隨著該領域的發展,可以清晰的意識到電子全息術的主要限製是缺乏高清顯示設備和需要高速計算。在此期間,顯示設備可實現的分辨率增加了10倍,從(cong) 大約10μm到接近1μm,現在正接近使常規国产成人在线观看免费网站變得實用的水平。然而,隨著全息顯示精度的提高,計算量也隨之增加。例如,像素間距為(wei) 1μm的1m × 1m全息圖需要10^12像素,而典型的二維顯示器約10^6像素(增加了 10^6 倍)。當考慮將三維圖像轉換為(wei) 全息圖的成本時,需要增加 10^6 的計算能力。開發實用的全息三維圖像係統的研究主要集中在加快處理時間上。

正文


用於(yu) 下一代全息成像的高性能並行計算


技術背

視頻全息術(電子全息術)於 1990 年首次證實。隨著該領域的發展,可以清晰的意識到電子全息術的主要限製是缺乏高清顯示設備和需要高速計算。在此期間,顯示設備可實現的分辨率增加了10倍,從大約10μm到接近1μm,現在正接近使常規国产成人在线观看免费网站變得實用的水平。然而,隨著全息顯示精度的提高,計算量也隨之增加。例如,像素間距為1μm的1m × 1m全息圖需要10^12像素,而典型的二維顯示器約10^6像素(增加了 10^6 倍)。當考慮將三維圖像轉換為全息圖的成本時,需要增加 10^6 的計算能力。開發實用的全息三維圖像係統的研究主要集中在加快處理時間上。

當前已經提出了基於(yu) 查找表或差分法等技術的各種計算機全息算法,並取得了重大進展 。然而,僅(jin) 僅(jin) 通過提高軟件的運行速度很難開發出實用的技術。對於(yu) 實時處理要麵對的大量信息,需要大規模並行和分布式計算係統。自2000年初以來,GPU計算一直是各個(ge) 領域積極研究的主題。全息計算非常適合GPU加速,並且使用多塊GPU板的GPU係統已被研究用於(yu) 電子全息的實時重建。然而,雖然多GPU係統可以加速全息計算,但有人提出很難依據GPU的數量來加速計算。


技術要點:
基於此,日本千葉大學的Takashige Sugie(一作)和Tomoyoshi Ito(通訊)等人開發了一種全息計算板專用硬件HORN-8,其運行頻率為0.25GHz,有效速度相當於0.5petaflops(每秒10^15次浮點運算)。當使用HORN-8集群係統計算由7877個點組成的三維圖像時,可以視頻速率(10fps)更新一億個像素的全息圖。
(1)它將8塊大規模(large scale)FPGA芯片組裝在一個標準的PCI-Express板上,7塊FPGA芯片(Xilinx Virtex5-XC5VLX 110)用來計算,一塊FPGA芯片(Xilinx Virtex5-XC5VLX30T)用來通訊;
(2)由於2018年時沒有可容納4個以上大型FPGA的商用電路板,因此開發了一塊定製板,以支持大規模並行和分布式處理;

(3)三維圖像由點雲(yun) 模型表示,全息圖為(wei) 振幅型。

實驗結果:

視頻1、 8塊HORN-8組成集群係統的電子全息實時光學重建。該圖像是從(cong) 具有 6.5微米像素間距的200萬(wan) 像素全息圖重建的。


視頻2、從(cong) 8塊HORN-8組成集群係統模擬寬視場電子全息術。該圖像是從(cong) 具有1微米像素間距的1億(yi) 像素全息圖計算重建的。全息圖的視角約為(wei) 30°。


視頻3、8塊HORN-8組成集群係統獲得的大規模電子全息圖像。從(cong) 1000萬(wan) 個(ge) 點的物體(ti) 生成1億(yi) 像素的全息圖,並通過模擬重建。物體(ti) 數據被劃分為(wei) 160個(ge) 塊,並為(wei) 每個(ge) 塊準備了單獨的全息圖。然後通過時分方法重建這些圖像以獲得單個(ge) 靜止圖像(當物體(ti) 的點雲(yun) 數很大時,將其分為(wei) 多個(ge) 子塊來計算,隻要刷新率足夠快,就可以看作一個(ge) 物體(ti) )。


附錄:
從10000個點的三維圖像生成1920x1080像素的全息圖時,HORN-8板、CPU、GPU性能比較。
參考文獻:Sugie, T., Akamatsu, T., Nishitsuji, T. et al. High-performance parallel computing for next-generation holographic imaging. Nat Electron 1, 254–259 (2018).
DOI:https://doi.org/10.1038/s41928-018-0057-5


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