Аннотация результатов, полученных в 2019 году
При реализации проекта в 2019 году проводились следующие работы: 1. Разработка методики синтеза кодирующих дифракционных элементов, обеспечивающих пониженный уровень шумов. 2. Численный синтез дифракционных элементов с числом отсчетов до 4094x2464, используемых для формирования кодирующего отклика оптико-цифровых систем кодирования. 3. Измерение отклика, фазовых флуктуаций и попиксельной стабильности фазового сдвига амплитудных и фазовых пространственно-временных модуляторов света современных типов (с размером пикселей до 4х4 мкм2). 4. Калибровка измеренных модуляторов для их использования в экспериментальном макете. 5. Экспериментальная реализация дифракционных элементов с числом отсчетов до 4094x2464, используемых для формирования кодирующего отклика оптико-цифровых систем кодирования. 6. Проведение компьютерного моделирования системы асимметричного кодирования цифровой информации в двух модификациях (обе операции кодирования реализованы оптически, первая – оптически, вторая – численно), анализ полученных результатов, выбор оптимальной модификации. 7. Выработка требований к контейнеру цифровых данных, сопоставление с распространенными контейнерами (QR-код, ECMA-378 и пр.). 8. Предварительные эксперименты по оптическому кодированию с использованием синтезированных фокусирующих ДОЭ. 9. Предварительных экспериментов по оптическому кодированию в схеме на базе двух микрозеркальных ПВМС. 10. Подготовка публикаций. По результатам проведённых работ получены следующие основные результаты: 1. Методика синтеза кодирующих дифракционных элементов, обеспечивающая снижение уровня шумов до 3 раз по сравнению с распространенными методами синтеза (Герчберга-Сэкстона, адаптивно-аддитивным, Фиенапа). 2. Синтезированные дифракционные элементы с числом отсчетов до 4094x2464. 3. Результаты измерения отклика, фазовых флуктуаций (с точностью 0,006 пи) и попиксельной стабильности фазового сдвига амплитудных и фазовых пространственно-временных модуляторов света современных типов (с размером пикселей до 4х4 мкм2). 4. Результаты калибровки измеренных модуляторов. 5. Результаты оптической реконструкции дифракционных элементов с числом отсчетов до 4094x2464, используемых для формирования кодирующего отклика оптико-цифровых систем кодирования. 6. Результаты компьютерного моделирования системы асимметричного кодирования цифровой информации в двух модификациях (обе операции кодирования реализованы оптически, первая – оптически, вторая – численно), анализа полученных результатов, выбора оптимальной модификации. 7. Выработанные требования к контейнеру цифровых данных, сопоставление с распространенными контейнерами (QR-код, ECMA-378 и пр.). 8. Результаты предварительные экспериментов по оптическому кодированию с использованием синтезированных фокусирующих ДОЭ. Ошибка декодирования в проведенных экспериментах не превышала значения 0,23. 9. Результаты предварительные экспериментов по оптическому кодированию в схеме на базе двух микрозеркальных ПВМС. Ошибка декодирования в проведенных экспериментах не превышала значения 0,18. 10. По итогам проведенных исследований опубликовано 5 работ в 2019 г.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Разработан и реализован экспериментальный макет системы асимметричного кодирования цифровой информации на базе жидкокристаллических модуляторов света. Рабочая длина волны излучения — 532 нм. Объем информации, кодируемый за 1 такт работы системы, определялся разрешением модулятора и числом используемых градаций яркости. В качестве модулятора света для ввода информации был использован жидкокристаллический амплитудный модулятор света HoloEye LC2012 c разрешением 1024х768 пикселей и 256 градациями яркости. При использовании 8 градаций яркости (3 бита информации на пиксель), объем информации в одной отображаемой сцене составлял 2,3 Мбит. Максимальная тактовая частота кодирования определялась использованной камерой Flare 48MP и составляла 30 Гц при полном разрешении 7920х6004 пикселей. Длина эквивалентного двоичного ключа определялась количеством элементов и градаций яркости в ключе. Для использованных в экспериментах ключах размером 256×256 отсчетов при 8 градациях яркости длина эквивалентного двоичного ключа составляет 196 608 бит. 2. Разработан матричный контейнер цифровой информации для её графического представления в оптических системах, аналогичный широко используемым QR-кодам, но специализированный для задач систем оптического кодирования. Контейнер представляет собой бинарное либо мноградационное изображение с контуром неправильной формы, информация в котором упакована с использованием кодов с коррекцией ошибок из класса БЧХ-кодов (Боуза-Чоудхури-Хоквингема). Информация, упакованная в контейнер, устойчива к ошибкам, возникающим в ходе процессов кодирования и декодирования, степень устойчивости определяется параметрами выбранных БЧХ-кодов. Выработаны требования к параметрам контейнера цифровой информации, в том числе к размеру, плотности упаковки и степени коррекции ошибок. Разработано программное обеспечение для упаковки цифровой информации произвольного формата в контейнер и её последующего извлечения. 3. Проведены численные и оптические эксперименты по кодированию и декодированию цифровой информации, упакованной в разработанные контейнеры. Определено, что минимальная ширина контура произвольной формы, обеспечивающая достаточную степень затруднения при распознавании границ изображения при его кодировании, составляет 10% от ширины информативной составляющей контейнера. Получена зависимость скорости расчёта БЧХ-кода от длины входного блока. Оптимальной является длина входного блока в 511 бит. Она обеспечивает достаточное быстродействие процессов упаковки и извлечения информации, при этом доступно 30 значений процента коррекции ошибок в диапазоне от 0,98% до 24,85% с соответствующей плотностью заполнения контейнера от 0,91 до 0,02. Установлено, что для реализованной системы реальное значение процента коррекции ошибок составляет 53% от номинального, при этом для QR-кодов данный показатель составляет всего 16%. Оптимальное значение процента коррекции ошибок составляет 5-10%. Для увеличения плотности отображения информации была осуществлена разработка многоградационных контейнеров цифровой информации. Проведено оптическое кодирование и численное декодирования цифровой информации, упакованной в разработанные контейнеры. Контейнеры синтезировались с размером от 120х120 до 1024х768 пикселей. Число градаций в контейнерах варьировалось от 2 (бинарные) до 8 (3 бита на пиксель). В зависимости от плотности кодирующих ключей, размера контейнеров и использованного числа градаций, процент ошибочно декодированных бит варьировался от 0,002% до 40%. 4. Разработаны методы аутентификации отправителей и получателей кодированных сообщений с использованием открытых ключей кодирования, в роли которых выступают хэш-суммы, рассчитанные на основе фрагментов спектров кодированных изображений. Для расчёта хэш-суммы был выбран популярный алгоритм SHA-256. Исходя из требований защищённости используемого алгоритма и быстродействия системы, разработаны два метода расчёта открытого ключа: на основе квадратного фрагмента спектра кодированного изображения и на основе строки из данного спектра. 5. Проведена апробация разработанных методов аутентификации. Проведены численные эксперименты для оценки временных затрат, необходимых для расчёта открытого ключа, в зависимости от размеров выбранного фрагмента спектра. При использовании 10% фрагмента спектра с его последующим сжатием до размера 32х32 отсчёта, время расчёта хэш-суммы составляет порядка 65 мс, что не превышает 45% от времени численной реализации операции кодирования (порядка 150 мс). Для уменьшения временных затрат разработан второй метод, в котором хэш-сумма рассчитывается от строки спектра длиной 32 отсчёта, проходящей через нулевую пространственную частоту. В данном случае расчёт хэш-суммы при этом занимает порядка 2 мс., что составляет не более 1,3% от времени численного расчёта кодированного сообщения. Получены оценки чувствительности метода к подмене фрагмента спектра. Для этого строку спектра длиной в 32 отсчёта, проходящую через нулевую пространственную частоту, заменили на набор произвольных чисел схожего типа. Доля ошибок относительно не искажённого декодированного сообщения составила 32%. 6. Проведена серия экспериментов на макете 1. Всего было использовано 26 различных контейнеров. Размер контейнеров варьировался от 120х120 до 1024х768 отсчётов, число градаций в контейнерах — от 2 (бинарные) до 8 (3 бита на пиксель), степень коррекции ошибок — от 10 до 25%. Использовались ключи кодирования размером от 128х128 до 256х256 отсчётов, нормированная средняя энергия ключей (НСЭ) (средняя яркость по изображению, нормированная на максимальную) варьировалась от 0,0001 до 0,05. Нормированное среднеквадратическое отклонение (НСКО) декодированных изображений от оригинальных лежало в диапазоне 0,15-0,25. Процент ошибок, в зависимости от параметров, варьировался от 0,002% до 40%. 7. По результатам проведенной серии экспериментов экспериментально определены параметры макета 1. Отношение сигнал/шум (ОСШ) системы зависело от плотности использованных ключей кодирования и варьировалось в диапазоне 4-7. Для оптимального (по отношению качество/криптостойкость) размера ключей в 256х256 отсчетов и НСЭ 0,001-0,002, ОСШ составило 5,6. По результатам экспериментов рабочее разрешение экспериментального макета определяется разрешением входного амплитудного модулятора света — 1024х768 отсчетов. Границы пикселей декодированного изображения уверенно разрешаются, различимы также межпиксельные промежутки, что указывает на то, что в макете может быть использован модулятор более высокого разрешения с пикселями меньшего размера. Пропускная способность макета системы кодирования при использовании полного разрешения модулятора (1024х768), 8 градаций яркости (3 бита на пиксель) и максимальной кадровой частоты камеры (30 к/с) составляет: 1024*768*3*30 = 71*10^6 бит/с = 68 Мбит/с. 8. Разработана безлинзовая схема оптического кодирования изображений, работающая со светодиодным освещением. В качестве источника излучения использовалась матрица светодиодов (МС) с центральной длиной волны излучения 655 нм и шириной спектра 20 нм. Использование матрицы светодиодов вместо лазера в качестве источника пространственно-некогерентного освещения позволяет отказаться от элементов, служащих для формирования расходящегося пучка и разрушения пространственной когерентности, что делает схему более компактной и простой в реализации. НСКО декодированного изображения от исходного составило 0,20. 9. Разработан метод синтеза самофокусирующихся амплитудных дифракционных оптических элементов (ДОЭ) без несущей пространственной частоты для работы в расходящихся пучках и формирующих единственный сфокусированный порядок дифракции, который может занимать все поле реконструкции ДОЭ ввиду отсутствия необходимости пространственного разделения порядков как в случае голограмм. Для бинарного амплитудного ДОЭ удалось достичь значений ошибки синтеза в 7% и дифракционной эффективности 8%. Осуществлена оптическая реконструкция изображений с ДОЭ с использованием микрозеркального модулятора света. Разработанный метод планируется использовать для создания безлинзовой системы кодирования на базе микрозеркальных модуляторов света в рамках 3-го года реализации проекта. 10. По итогам проведенных исследований опубликовано 7 работ в 2020 г.: Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту: 1) «Скрытная камера: у разведчиков появится голографический фотоаппарат» (Известия): https://iz.ru/965620/aleksandr-bulanov/skrytnaia-kamera-u-razvedchikov-poiavitsia-golograficheskii-fotoapparat Многие издания ссылаются на новость: например, https://news.ru/technology/razvedchiki-poluchat-sverhsekretnyj-golograficheskij-fotoapparat/ https://rusplt.ru/news/rossiyskie-razvedchiki-poluchat-689915.html https://ren.tv/news/v-rossii/661836-golograficheskie-fotoapparaty-dlia-sekretnykh-snimkov-poiaviatsia-u-razvedki https://dni24.com/exclusive/258908-golograficheskij-fotoapparat-razrabotajut-dlja-rossijskih-razvedchikov.html 2) «Терабиты в секунду. Физики рассказали о создании техники будущего» (РИА Новости): https://ria.ru/20201201/mifi-1586987987.html Многие издания ссылаются на новость: например, https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/128827-fiziki-rasskazali-o-tekhnike-budushchego-kotoraya-pozvolit-peredavat-i-obrabatyvat-terabity-v-sekundu

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. Проведены измерения рельефов поверхности матриц микрозеркальных модуляторов света Texas Instruments 0.7 XGA DLP7000 с разрешением 1024×768 пикселей размером 10,8×10,8 мкм и Texas Instruments Discovery DLP9500BFLN с разрешением 1920×1080 пикселей размером 10,8×10,8 мкм. Для измерений использовался метод Герчберга-Сэкстона. Коллимированный световой пучок лазерного излучения длиной волны 561 нм падает на поверхность матрицы микрозеркального модулятора света (МЗМ), далее отражается в обратном направлении, при помощи светоделительного куба излучение направляется на фазовый жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света (ЖК ПВМС) HoloEye GAEA-2 с разрешением 4160×2464 пикселей размером 3,74×3,74 мкм. На ЖК ПВМС выводится серия случайных фазовых распределений. Далее излучение при помощи второго светоделительного куба направляется на фотосенсор камеры, осуществляющей регистрацию получившихся световых распределений. Для реконструкции волновых фронтов осуществлялось по 30 итераций. 2. Разработан метод учета и компенсации искажений волнового фронта на этапе синтеза ДОЭ. Суть метода заключается в формировании комплексно-значного ДОЭ у которого амплитуда задается выводимым на МЗМ распределением, а фаза определяется формой поверхности матрицы МЗМ. Метод был успешно интегрирован в алгоритмы Герчберга-Сэкстона и прямого поиска со случайной траекторией и реализован в виде программ в среде MATLAB. 3. По результатам экспериментального исследования установлено что разработанные на втором году выполнения проекта бинарные амплитудные ДОЭ без несущей пространственной частоты, формирующие единственный сфокусированный порядок дифракции в расходящемся пучке, успешно формируют кодирующий отклик системы, однако создают крайне большие аберрации, что сильно снижает качество формируемых системой изображений. В связи с этим было принято решение для отображения на МЗМ использовать в качестве кодирующих ДОЭ бинарные амплитудные фурье-голограммы. 4. Разработана многофакторная модель процесса оптического кодирования с пространственно-некогерентным освещением, учитывающая специфику микрозеркальных модуляторов света, а именно их бинарную амплитудную модуляцию и низкую дифракционную эффективность. Разработанная модель учитывает следующие факторы, негативно влияющие на качество декодированного изображения: • преобразование растров отклика кодирующего ДОЭ и кодируемого изображения при регистрации фотосенсором; • шум синтеза кодирующего ДОЭ; • оптические аберрации; • фоновую засветку, в том числе зависящую от дифракционной эффективности использовавшегося микрозеркального модулятора света. Показано, что результаты, предсказанные моделью, в пределах погрешности совпадают с результатами, полученными в оптическом эксперименте. 5. Проведены численные эксперименты по кодированию и декодированию цифровой информации, упакованной в разработанные матричные контейнеры цифровых данных. Выбраны оптимальные параметры контейнеров. Оптимальное значение размера информационного блока составило 511 отсчётов. Экспериментальное значение степени коррекции ошибок составило 7,3%. Размер и плотность кодирующих ДОЭ – соответствующие значению НСЭ до 0,01. 6. Осуществлена разработка и реализация экспериментального макета системы асимметричного кодирования цифровой информации на базе микрозеркальных модуляторов света. В основе макета лежит классическая схема 4F Фурье процессора. В качестве источника излучения использовался лазер VLM-561-5 с длиной волны 561 нм и максимальной мощностью излучения 6 Вт. Комбинация двух линз и микродиафрагмы формирует фильтрованный коллимированный световой пучок. Вращающийся матовый рассеиватель разрушает пространственную когерентность во входной плоскости. Первая линза выполняет прямое преобразование Фурье. В ее задней фокальной плоскости установлен второй МЗМ, использовавшийся для отображения кодирующего ДОЭ. Вторая линза выполняет обратное преобразование Фурье и формирует свертку изображения во входной плоскости с откликом голограммы выведенной на второй МЗМ. Для регистрации кодированных изображений применялась камера Flare 48MP с разрешением 7920 × 6004 пикселей размером 4,6×4,6 мкм2. Использовались модели МЗМ Texas Instruments 0.7 XGA DLP7000 с разрешением 1024×768 пикселей размером 10,8×10,8 мкм и Texas Instruments Discovery DLP9500BFLN с разрешением 1920×1080 пикселей размером 10,8×10,8 мкм. 7. Проведена серия экспериментов на реализованном экспериментальном макете. Для упаковки данных использовались разработанные ранее матричные контейнеры цифровых данных (МКЦД) размером от 78×78 до 1920×1080 пикселей. Степень коррекции ошибок варьировалась в диапазоне 5-22%. Всего было осуществлено кодирование 10 контейнеров с использованием 4 различных кодирующих голограмм. Ключи кодирования имели размер 64×64 и 128×128 отсчетов и среднюю нормированную энергию в диапазоне 0,005-0,03. Декодирование проводилось методом инверсной фильтрации с регуляризацией по Тихонову, после чего декодированные изображения приводились к растру исходных и бинаризовались. Коэффициенты преобразования растров находились с использованием итерационного алгоритма с использованием кросс-корреляции. Доля ошибочно декодированных пикселей в зависимости от размеров контейнеров, размеров и плотности ключей кодирования, варьировалась в диапазоне 5-23%, что на два порядка превышает аналогичные значения для макета на базе ЖК модуляторов. Данный факт обусловлен рядом причин: худшее оптическое качество поверхности матриц МЗМ, амплитудная модуляция вместо фазовой и большие размеры пикселей. Тем не менее, благодаря встроенному в МКЦД коду коррекции ошибок, во всех случаях, когда количество ошибок не превышало 70% от расчетного значения, информацию удавалось извлечь без потерь. 8. Определены параметры экспериментального макета системы асимметричного кодирования цифровой информации на базе микрозеркальных модуляторов света. Отношение сигнал/шум составило 4,5. Частота возникновения ошибок в зависимости от размеров контейнеров, размеров и плотности ключей кодирования, варьировалась в диапазоне 5-23%. Рабочее разрешение определяется максимальным разрешением МЗМ и составляет 1920×1080 отсчетов. При использовании максимального разрешения МЗМ, требуется максимальная степень коррекции ошибок МКЦД ввиду недостаточно высокого оптического качества поверхности и сопутствующих аберраций. При максимальной степени коррекции в 22% ошибок, плотность упаковки данных составляет 8%. Соответственно, объем полезной информации в одном МКЦД составляет 162 Кбит. Учитывая то что максимальная кадровая частота МЗМ составляет 23 кГц, пропускная способность будет определяться регистрирующей камерой. В случае использовавшейся в макете камеры Flare 48MP, максимальная кадровая частота при полном разрешении составляет 31Гц. Соответственно максимальная пропускная способность реализованного макета составляет 4,9 Мбит/с. 9. По результатам проведенных экспериментальных исследований были определены предельные возможности исследуемых систем кодирования. С учетом низкого, по сравнению с ЖК ПВМС, оптического качества МЗМ, для формирования кодирующего отклика системы предпочтительнее использовать именно ЖК ПВМС. В настоящее время выпускаются модели ЖК ПВМС, имеющие быстродействие на уровне 4,5 кГц при разрешении в 2048×1536 пикселей, например, модель M150 Forth Dimension Displays. Для ввода информации же целесообразно использовать МЗМ, обладающие максимальным быстродействием, так как в случае входной плоскости, освещаемой пространственно-некогерентным освещением, оптическое качество поверхности не так существенно. В настоящее время наибольшим разрешением в 2716 x 1600 пикселей обладает модель МЗМ DLP670S, кадровая частота 9523 Гц. Максимальным быстродействием среди камер высокого разрешения обладает камера Phantom v2640 – 6600 Гц при разрешении в 2048х1920 пикселей. Таким образом, быстродействие ограничивается ЖК ПВМС 4,5 кГц, максимальный размер МКЦД не должен более чем на порядок превышать размер ключа кодирования, и, в соответствии с теоремой Котельникова, на один отсчет кодированного изображения должно приходится не менее двух пикселей сенсора камеры. Соответственно, максимальный размер МКЦД составит 930×872 отсчетов. Исходя из данных, полученных на макете 1, можно предположить, что уровня коррекции ошибок в 5% будет достаточно для такой системы. Это соответствует плотности упаковки информации в 61%, соответственно объем информации в одном МКЦД составит 483 Кбит. При быстродействии в 4,5 кГц, пропускная способность составит 2,1 Гбит/с. 10. По итогам проведенных исследований опубликовано 8 работ в 2021 г., сделано 3 доклада на Международных конференциях.