КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 14-19-01751

НазваниеРазработка физических и алгоритмических принципов построения перспективных оптико-цифровых систем обработки, криптозащиты и хранения информации

РуководительСтариков Ростислав Сергеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2014 г. - 2016 г.

Конкурс№1 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые словацифровая оптика, оптическая обработка информации, цифровая регистрация изображений, распознавание изображений, идентификация данных, защита цифровых данных, компьютерный синтез голограмм, цифровая голография

Код ГРНТИ28.23.15

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на создание и разработку специализированных оптико-цифровых средств обработки и хранения информации, обладающих высокими характеристиками по скорости и информационной ёмкости функционирования. Проект предполагает одновременное решение следующих взаимосвязанных задач: цифровая обработка входной и выходной информации оптической системы, специфическое представление входной информации оптико-цифровой системы, цифровая регистрация световых распределений, цифровой синтез голограмм и дифракционных элементов. Проект предполагает проработку этих аспектов при решении проблем построения перспективных оптико-цифровых систем различного назначения и, соответственно, их применение в следующих конкретных случаях: 1) формирование изображений с использованием средств компьютерного синтеза голограмм и дифракционных элементов, 2) криптозащита цифровой информации (с постраничной организацией массивов двоичных данных непосредственно в оптической системе), 3) инвариантное корреляционное распознавание изображений (в оптико-цифровых системах, базирующихся как на электронных, так и на оптических корреляторах), 4) применение компенсации шумового портрета матричного фотоприемника для увеличения отношения сигнал/шум при регистрации изображений в оптико-цифровых системах различного назначения, 5) повышение качества численного и/или оптического восстановления трёхмерных изображений с использованием цифровой голографии.

Ожидаемые результаты
Должны быть получены следующие результаты: 1) методы цифрового синтеза дифракционных оптических элементов (голограмм и киноформов) с заданными свойствами для применения в оптико-цифровых системах оптической криптозащиты информации 2) методы оптического кодирования потоков цифровой информации с постраничным представлением данных, 3) метод компьютерного синтеза голограмм для формирования страниц данных в системах голографической памяти, обеспечивающий возможность повышения плотности записи информации, 4) методы представления данных в оптико-цифровых корреляционных системах инвариантного распознавания изображений, 5) методы увеличения отношения сигнал/шум при регистрации изображений в оптико-цифровых системах за счёт компенсации шумового портрета матричных фотодетекторов. Разработанные методы должны быть опробованы в условиях конкретных постановок соответствующих задач обработки. Значимость планируемых результатов состоит в том, что они обеспечат повышение характеристик существующих оптико-цифровых систем, а также смогут быть использованы при создании новых типов таких систем, в том числе с новыми техническими и пользовательскими возможностями. По результатам, полученным при выполнении проекта, сотрудники коллектива предполагают опубликовать не менее пяти печатных работ, из них не менее трёх в изданиях, индексируемых в базе данных «Сеть науки» (Web of Science).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2014 году
При реализации проекта в 2014 году поводились следующие работы: 1) Разработка алгоритмов синтеза дифракционных элементов, обеспечивающих корректное представление кодирующего ключа в оптической системе 2) Исследование возможности формирования голограмм, допускающего увеличение плотности записи за счёт использования возможностей пространственного разделения откликов голограмм, записанных в одной области голографического носителя в системах голографической памяти 3) Подготовительный этап экспериментальных работ 4) Измерение портретов пространственных различных образцов цифровых камер При проведении указанных работ получены следующие основные результаты: 1) Разработан новый итерационный метод генерации кодирующих киноформов - метод прямого поиска со случайной траекторией. Осуществлен синтез серии кодирующих киноформов на основе специально рассчитанных кодирующих ключей 2) Исследована возможность применения компьютерно-синтезированных одномерных голограмм Фурье для записи страниц двоичных данных в системах голографической памяти, использующих мультиплексную проекционную запись. 3) Создана экспериментальная установка для измерения портретов световых и темновых пространственных шумов фотосенсоров цифровых камер. Найдены портреты пространственных шумов фотосенсоров нескольких камер различного типа

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
При реализации проекта в 2015 году проводились следующие работы: 1) Разработка формы представления двоичных данных в виде бинарных страниц в оптической системе 2) Разработка алгоритмов декодирования для системы оптической криптозащиты двоичных данных 3) Измерение портретов пространственных различных образцов цифровых камер 4) Разработка способа формирования голограмм, допускающего увеличение плотности записи за счёт использования возможностей пространственного разделения откликов голограмм, записанных в одной области голографического носителя в системах голографической памяти 5) Исследование возможностей учёта специфических особенностей конкретной оптико-цифровой системы при синтезе инвариантного фильтра как математического объекта или при его реализации в виде дифракционного элемента 6) Разработка методов и программного обеспечения для увеличения отношения сигнал/шум при регистрации изображений в оптико-цифровых системах за счёт компенсации шумового портрета матричных фотодетекторов 7) Подготовка макетов оптико-цифровых систем При проведении указанных работ получены следующие основные результаты: 1) Разработан и экспериментально опробован алгоритм декодирования для системы оптической криптозащиты двоичных данных 2) Проведено измерение портретов пространственных различных образцов цифровых камер, предполагаемых к дальнейшему использованию при выполнении данного проекта 3) Разработаны оптимизированные алгоритмы синтеза голограмм для систем голографической памяти 4) Проведено моделирование синтеза инвариантных фильтров, генерируемых с использованием трёхмерных векторных моделей «объектов интереса», а также моделирование распознавания с использованием таких фильтров, в том числе реализуемых в виде дифракционных элементов в оптико-цифровых корреляционных системах распознавания изображений 5) Разработаны методы и программное обеспечение для увеличения отношения сигнал/шум при регистрации изображений в оптико-цифровых системах за счёт компенсации шумового портрета матричных фотодетекторов

Публикации

1. Alyona P. Bondareva, Pavel A. Cheremkhin, Vitaly V. Krasnov, Vladislav G. Rodin, Rostislav S. Starikov, Sergey N. Starikov Modeling of digital information optical encryption system with spatially incoherent illumination Proceedings of SPIE, Proceedings of SPIE Vol. 9648, 96480S (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1117/12.2195072

2. Dmitry V. Shaulskiy, Maxim V. Konstantinov, Rostislav S. Starikov Object recognition via MINACE filter trained on synthetic 3D model Proceedings of SPIE, Vol. 9598, 959810 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1117/12.2190826

3. Pavel A. Cheremkhin, Nikolay N. Evtikhiev, Vitaly V. Krasnov, Vladislav G. Rodin, Rostislav S. Starikov, Sergey N. Starikov Fast measurement of temporal noise of digital camera’s photosensors Proceedings of SPIE, Vol. 9648, 96480R (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1117/12.2194979

4. Евтихиев Н.Н., Злоказов Е.Ю., Стариков Р.С., Стариков С.Н., Бобринев В.И., Одиноков С.Б. Specificities of Data Page Representation in Projection Type Optical Holographic Memory System Optical Memory & Neural Networks (Information Optics), Volume 24, Issue 4, Pages 272-278 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.3103/S1060992X15040098

5. Закареева А.Р., Черемхин П.А., Краснов В.В., Стариков Р.С., Стариков С.Н. Method of Shots Modeling using Noises and Radiometric Parameters of Registering Cameras Physics Procedia, Vol. 73, 274–280 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.09.170

6. Злоказов Е.Ю., Стариков Р.С., Одиноков С.Б., Цыганов И.К, Талалаев В.Е., Колючкин В.В. Specificity of Correlation Pattern Recognition Methods Application in Security Holograms Identity Control Apparatus Physics Procedia, Vol. 73, 308-312 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.09.143

7. Краснов В.В., Черемхин П.А., Эрькин И.Ю., Евтихиев Н.Н., Стариков Р.С., Стариков С.Н. Modified Method of Increasing of Reconstruction Quality of Diffractive Optical Elements Displayed with LC SLM Physics Procedia, Vol. 73, 287–294 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.09.138

8. Стариков С.Н., Черемхин П.А., Краснов В.В., Курбатова Е.А., Стариков Р.С. Method of Improvement of Signal-to-noise Ratio of Registered Shots using Dark and Light Spatial Noise Portraits of Camera's Photosensor Physics Procedia, Vol. 73, 2015, 264–268 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.09.168

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
При реализации проекта в 2016 году проводились следующие работы: 1) Экспериментальное моделирование оптико-цифровой системы криптозащиты двоичных данных, основанной на разрабатываемых методах 2) Эксперименты по численному и оптическому восстановлению динамических изображений с оперативно записываемых цифровых голограмм 3) Эксперименты по повышению отношения сигнал/шум за счёт компенсации шумового портрета 4) Разработка методов инвариантного корреляционного распознавания цветных изображений 5) Анализ и обобщение полученных при выполнении проекта результатов, формулировка конкретных указаний и методик по их применению. При проведении указанных работ получены следующие основные результаты: 1) Разработана и экспериментально апробирована система оптического кодирования цифровой информации в виде QR-кодов с использованием пространственно-некогерентного освещения. 2) Экспериментально апробирована система оптического кодирования с пространственно-некогерентным освещением на базе двух жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света с использованием серии тестовых изображений и набора различных кодирующих ключей. 3) Разработаны методы использования входных амплитудных масок в системах оптического кодирования с пространственно-некогерентным освещением для повышения отношения сигнал/шум в декодированных изображениях, а также для повышения визуальной скрытности кодированных изображений. 4) Экспериментально реализована система динамического отображения регистрируемых изображений в режиме реального времени, базирующаяся на регистрации голограмм, их передачи, выводе на пространственно-временной модулятор света и оптическому восстановлению. 5) Экспериментально апробирован разработанный метод повышения отношения сигнал/шум изображений, используя компенсацию пространственных портретов фотосенсоров. 6) Проведено моделирование использования инвариантных корреляционных фильтров с минимизацией шума и энергии корреляции при распознавании цветных изображений.

Публикации

1. Бондарева А.П., Черемхин П.А., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Молодцов Д.Ю., Налегаев С.С. Optical encryption of series of images using a set of encryption keys using scheme operating with spatially-incoherent illumination based on two LC SLMs Journal of Physics: Conference Series, Volume 737, Issue 1, Article number 012061 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1088/1742-6596/737/1/012061

2. Евтихиев Н.Н., Злоказов Е.Ю, Петрова Е.К., Стариков Р.С., Шаульский Д.В. Investigation of MINACE composite filter capabilities for multicolor images correlation recognition purposes Journal of Physics: Conference Series, Volume 737, Issue 1, Article number 012057 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1088/1742-6596/737/1/012057

3. Краснов В.В., Стариков С.Н., Стариков Р.С., Черёмхин П.А. Optical encryption of arrays of binary digits in spatially incoherent light Russian Physics Journal, Volume 58, Issue 10, pp 1394–1401 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1007/s11182-016-0661-7

4. Черемхин П.А., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Кулаков М.Н., Курбатова Е.А., Молодцов Д.Ю., Родин В.Г. Demonstration of digital hologram recording and 3D-scenes reconstruction in real-time Proceedings of SPIE, Volume 9889, Article number 98891M (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1117/12.2227767

5. Черемхин П.А., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Кулаков М.Н., Стариков Р.С. Accurate measurement of spatial noise portraits of photosensors of digital cameras Journal of Physics: Conference Series, Volume 737, Issue 1, Article number 012066 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1088/1742-6596/737/1/012066

6. Черемхин П.А., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Курбатова Е.А., Стариков Р.С., Стариков С.Н. Integral estimation of number of resolvable signal levels of digital cameras Journal of Physics: Conference Series, Volume 735, Issue 1, Article number 012007 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1088/1742-6596/735/1/012007

7. Черемхин П.А., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Молодцов Д.Ю., Родин В.Г., Шифрина А.В. Application of input amplitude masks in image encryption with spatially incoherent illumination for increase of decrypted images signal-to-noise ratio Proceedings of SPIE, Volume 9889, Article number 98891I (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1117/12.2227596

8. Черемхин П.А., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Родин В.Г., Стариков С.Н. Increasing reconstruction quality of diffractive optical elements displayed with LC SLM Proceedings of SPIE, Volume 9386, Article number 2079011 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1117/12.2079011

9. Черемхин П.А., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Родин В.Г., Стариков С.Н. Modeling of effect of LC SLM phase fluctuations on kinoforms optical reconstruction quality Proceedings of SPIE, Volume 9508, Article number 95080U (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1117/12.2178928

10. Черемхин П.А., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Родин В.Г., Стариков С.Н. Increasing signal-to-noise ratio of reconstructed digital holograms by using light spatial noise portrait of camera ’ s photosensor Proceedings of SPIE, Volume 9406, 2015, Article number 94060O (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1117/12.2079077

11. Черемхин П.А., Краснов В.В., Родин В.Г., Стариков Р.С. QR codes optical encryption using spatially incoherent illumination Laser Physics Letters, - (год публикации - 2016)

12. Черемхин П.А., Краснов В.В., Родин В.Г., Стариков Р.С. Optical encryption of digital data in form of quick response code using spatially incoherent illumination Proceedings of SPIE, - (год публикации - 2016)

13. Шифрина А.В., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В. Application of input amplitude masks in scheme of optical image encryption with spatially-incoherent illumination Journal of Physics: Conference Series, Volume 737, Issue 1, Article number 012063 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1088/1742-6596/737/1/012063

Возможность практического использования результатов
не указано