Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. Осуществлено компьютерное моделирование процесса оптического кодирования видеопотоков при использовании пространственно-временных модуляторов света новейших типов (с размером пикселей до 4х4 мкм2), получены оценки достижимых характеристик систем (длина кодирующего ключа, быстродействие, отношение сигнал/шум), реализуемых на базе таких модуляторов Осуществлен расчет схемы оптического кодирования видеопотоков при использовании пространственно-временных модуляторов света новейших типов. Наибольшим разрешением среди серийно выпускаемых пространственно-временных модуляторов света (ПВМС) обладает в настоящее время ЖК ПВМС HoloEye GAEA-2 - 4160×2464 пикселей размером 3,74×3,74 мкм, размер матрицы – 15,56×9,22 мм, частота смены кадров – 60 Гц. Его применение в схеме должно обеспечить разрешение кодируемого видеопотока формата 4К. Определены параметры схемы. Определено предельное разрешение кодирующего ключа - 421×558. Была произведена оценка размерности пространства кодирующих ключей 8,2∙10^(565738), что соответствует длине двоичного ключа 1,9 Мбит. С использованием рассчитанных значений параметров макета, создана программа в среде MATLAB, осуществляющая моделирование процесса кодирования и последующее декодирование. В программе осуществлен учет шумов фотосенсора, шумов синтеза ДОЭ, оптические аберрации и фоновая засветка, формируемая рассеянным нулевым порядком дифракции и отражениями от оптических поверхностей. Установлено, что приемлемый уровень искажений в среднем в 20% достигается при значениях НСЭ ключей кодирования не более 0,005. При использовании выбранной элементной базы скорость работы системы будет ограничена быстродействием камеры – 30 Гц. Соответственно, при кодировании монохромного видеоряда предельная кадровая частота кодирования составит 30 Гц. Для цветного видеоряда при последовательном кодировании трех цветовых каналов, предельная частота смены кадров будет ограничена 10 Гц. При необходимости получения большей кадровой частоты, можно использовать компоновку всех цветовых каналов в один кадр, выводимый на ПВМС, но максимальное разрешение видеоряда упадет в этом случае в 3 раза. Среднее значение величины отношения сигнал/шум (ОСШ) по результатам численных экспериментов с использованием выбранной элементной базы варьируется в диапазоне 3,4÷5,6 в зависимости от плотности кодирующих ключей. Экспериментально определено что при значениях ОСШ 5 и выше, визуальное качество декодированного видеоряда находится на достаточно высоком уровне. 2. Численный синтез и экспериментальная реализация дифракционных элементов, используемых для формирования кодирующего отклика оптико-цифровых систем кодирования видеопотоков в режиме реального времени Осуществлен синтез видеопоследовательностей кодирующих дифракционных элементов и их оптическая реконструкция. Для синтеза фазовых дифракционных оптических элементов была использована связка итерационных методов Герчбега-Сэкстона с локализацией шума и прямого поиска со случайной траекторией реализованные в среде программирования MATLAB. Размер синтезируемых ДОЭ определялся разрешением матриц ПВМС и варьировался от 1920×1080 до 4160×2464 отсчетов. Количество градаций фазового сдвига соответствовало характеристикам ПВМС и составляло 256. По результатам первой фазы синтеза, НСКО восстанавливаемых с ДОЭ распределений от расчётных находится в диапазоне 0,01÷0,04, дифракционная эффективность – 0,85÷0,87. При применении метода ППСТ весовой коэффициент, определяющий баланс между точностью реконструкции и дифракционной эффективностью был положен равным 0,5. В результате было получено повышение дифракционной эффективности до 0,92÷0,93 при сходных значениях НСКО. Это обеспечивает снижение энергии шумов синтеза, обеспечивая падение НСКО декодированных изображений на 8% по результатам численных экспериментов. Для синтеза ДОЭ использовались ключи кодирования размером 421×558 отсчетов с 256 градациями яркости и НСЭ в диапазоне 0,0002÷0,005. Расстояние фокусировки ДОЭ составляло 18,6 см. Оптическая реконструкция откликов синтезированных ДОЭ осуществлялась с использованием волоконного лазера IPG Photonics VLM-561-5 с длиной волны 561 нм, модуляторов света HoloEye PLUTO-2-VIS-016 и GAEA-2-VIS-036. 3. Методики и программы, обеспечивающие совместное применение методов регистрации, обработки и декодирования: быстрая (с частотой цифровой камеры) регистрация световых распределений, высокоточная компенсация неоднородностей откликов пикселей сенсора и дробовых шумов (снижение отношения сигнал/(временной шум) и сигнал/(пространственный шум) не менее чем в 5 раз), цифровая пост-обработка и декодирование кодированных видеопотоков Осуществлена разработка методик и программ, обеспечивающих совместное применение методов регистрации, обработки и декодирования. Разработаны методики и программы, обеспечивающие совместное применение методов регистрации, обработки и декодирования. На языке Python создана программа, осуществляющая съемку кадра по сигнальному импульсу с ПВМС для работы на максимальной кадровой частоте 30 Гц (ограничено камерой), коррекцию световых пространственных шумов сенсора камеры по предварительно измеренному портрету шумов (PRNU), подавление временных шумов (дробовой шум и неоднородность фоточувствительности) методом многократной экспозиции с пропорциональным снижением кадровой частоты кодирования. Разработана методика, реализованная в виде программы в среде MATLAB, осуществляющая итерационный подбор оптимальных параметров декодирования, отвечающих конкретной реализации системы кодирования: уровень пороговой фильтрации кодированного изображения, параметр регуляризации, коэффициенты преобразования растра ключей кодирования. В результате коррекции световых пространственных шумов сенсора камеры получено снижение шумов регистрации на 15%. При многократной экспозиции величина шума регистрации снижается на 36% при 2 экспозициях, на 47% при 3, и более 5 раз при числе экспозиций более 100. 4. Исследования эффективности различных методов бинаризации для амплитудных ДОЭ без несущей пространственной частоты. По результатам численного и оптического восстановления изображений и дальнейшего расчета показателей эффективности выбраны лучшие методы бинаризации для данных ДОЭ. Проведённые численные и оптические эксперименты позволили определить лидирующие методы по значениям параметров эффективности, таких как НСКО и дифракционная эффективность. Один из лучших результатов показал метод Ли. Для полутоновых изображений значение параметра Ssim в среднем равно 0,140, что на 4 % лучше, чем для остальных методов. В сравнении с параметром Ssim для метода Оцу, метод Ли показывает результат на 1% лучше. Для бинарного изображения значение параметра Ssim составляет 0,053, что сравнимо со значениями параметров остальных методов, кроме метода Оцу. Для бинарного изображения метод Оцу показал лучшие результаты (параметр Ssim равен 0,072, что в среднем на 26% лучше, чем для остальных методов). 5. Исследования динамических характеристик фазовых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света HoloEye PLUTO-2 VIS-016 и HoloEye GAEA-2 VIS-036. Получена зависимость интенсивности первого порядка дифракции от времени для ЖК ПВМС HoloEye PLUTO-2 VIS-016. В результате проведённых измерений времен между уровнями значений интенсивности 10 % и 90 % от максимальной величины, получены значения длительностей передних и задних фронтов отклика ЖК ПВМС, которые составили 147,4 ± 1,1 и 96,9 ± 0,3 мс соответственно. При этом в документации к ПВМС указываются длительности фронтов 56 и 65 мс, соответствующие глубине модуляции 2π на длине волны 633 нм. Этот метод измерения временных характеристик был использован и для HoloEye GAEA-2, на котором были зарегистрированы субкадровые скачки фазового сдвига.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Осуществлена разработка и экспериментальная реализация макета оптико-цифровой системы кодирования видеопотоков в режиме реального времени с цифровым вводом видеопотока (макет 1) в соответствии с результатами расчетов и компьютерного моделирования, осуществленных в первой год реализации проекта. В качестве модулятора для ввода видеопотока был использован ЖК ПВМС HoloEye GAEA-2 с 4160×2464 пикселей размером 3,74×3,74 мкм. Его применение в схеме обеспечило разрешение кодируемого видеопотока формата 4К. В качестве ПВМС для отображения видеопоследовательности кодирующих фазовых дифракционных оптических элементов (ДОЭ) использовался HoloEye PLUTO-2.1-VIS-016 c 1920×1080 пикселей размером 8×8 мкм. В качестве регистрирующей камеры – КМОП Flare 48MP c 7920×6004 пикселей размером 4,6×4,6 мкм. Для создания монохроматического освещения входной сцены был использован волоконный лазер IPG Photonics VLM-561-5 с длиной волны 561 нм и максимальной мощностью излучения 5 Вт. Предельная длина эквивалентного двоичного ключа кодирования составила 1,05 Мбит. Установка позволяет осуществлять кодирование цветного видеопотока разрешением до 4160×2464 отсчетов со скоростью до 10 кадров в секунду, либо монохромного того же разрешения, но со скоростью 30 кадров в секунду. 2. Проведены эксперименты по оптическому кодированию видеопотоков в реальном времени и их численному декодированию на макете 1. Среднее значение нормированного среднеквадратического отклонения (НСКО) составило 0,19, среднеквадратическое отклонение значений НСКО между кадрами и цветовыми каналами – 0,08. Это соответствует значению ОСШ в 5,3, что соответствует значениям, полученным на этапе компьютерного моделирования. Установлено что в процессе кодирования-декодирования потери разрешения не происходит. 3. Осуществлена разработка и экспериментальная реализация макета оптико-цифровой системы регистрации и кодирования видеопотоков в режиме реального времени (макет 2). Макет 2 аналогичен макету 1, с той разницей что вместо кодирования видеопотока, отображаемого входным модулятором света, осуществлялось кодирование монохромного видеопотока в процессе его записи, то есть запись реальной сцены, освещавшейся монохроматическим рассеянным излучением лазера IPG Photonics VLM-561-5. Для формирования кодирующих ДОЭ также использовался фазовый ЖК ПВМС HoloEye GAEA-2, а для регистрации кодированного видеоряда КМОП камера Flare 48MP. Предельное расстояние от макета до объекта съемки ограничивалось мощностью излучения лазера, длительностью экспозиции камеры и коэффициентом отражения объекта, и составляло 100 см. Предельная длина эквивалентного двоичного ключа кодирования зависит от геометрических параметров сцены, и в случае осуществленного эксперимента составляла также 1,05 Мбит. Установка позволяет осуществлять кодирование монохромного видеопотока разрешением до 6300×4800 отсчетов со скоростью до 31 кадров в секунду. 4. Проведены эксперименты по оптическому кодированию серии видеопотоков в реальном времени и их численному декодированию на макете 2 с использованием различных движущихся тестовых объектов. Разрешение кодированных видеопотоков 7920×6004 отсчетов, кадровая частота – до 31 Гц. Среднее значение НСКО составило 0,18, среднеквадратическое отклонение НСКО между кадрами – 0,02. Это соответствует значению ОСШ в 5,6. Анализ декодированных кадров и зарегистрированных без кодирования показывает что разрешение в обоих случаях сопоставимо: переходы от черного к белому имеют минимальную ширину в 20 пикселей или 90 мкм, что соотносится с дифракционным пределом геометрии установки - 69мкм. Несмотря на хорошую передачу мелких деталей и высокое разрешение, качество декодированных изображений, как и в случае с макетом 1, находится на удовлетворительном уровне из-за искажений яркости по полю изображения, обусловленных вероятно паразитной засветкой кодированных изображений. Для дальнейшего улучшения качества декодируемого видеопотока целесообразно провести оптимизацию геометрии схемы и установку каналов, блокирующих попадание света на фотосенсор камеры вне оптического тракта системы. 5. Осуществлены эксперименты по оптическому распознаванию объектов с использованием голограмм Хартли и микрозеркальных модуляторов (МЗМ). Исследована применимость амплитудных голограмм, синтезированных с использованием преобразования Хартли, в качестве фильтров в некогерентных оптических корреляторах. Выполнен сравнительный анализ голограмм, синтезированных с использованием преобразований Фурье и Хартли. Получено, что голограммы Хартли не уступают по дифракционной эффективности и качеству восстановления. Для оптического восстановления изображений использовался гелий-неоновый лазер и МЗМ DLP9500BFLN. Получено экспериментальное подтверждение применимости голограмм, синтезированных с использованием преобразования Хартли, при распознавании объектов в оптических корреляторах. 6. Осуществлен анализ криптостойкости кодированного видеопотока. В связи с тем, что размерность кодируемых изображений многократно превышала таковую для ключей кодирования, визуальная скрытность крупных деталей кадров видеоряда недостаточно высока. Тем не менее, мелкие детали, сопоставимые с размером ключа и более мелкие, успешно скрыты. Для увеличения визуальной скрытности кодированных изображений целесообразно использовать кодирующие ключи больших размерностей в сочетании с регистрирующими сенсорами больших размерностей. В процессе кодирования каждый кадр видеоряда претерпевает существенные трансформации. После кодирования гистограмма кадра приближается к гистограмме случайного распределения, что затрудняет задачу взлома кодированного кадра злоумышленником. Проведен анализ пространства ключей кодирования. Полное число комбинаций составляет 10^315650, что соответствует одномерному ключу длиной 1,05x10^6 бит. Такие ключи находятся далеко за рамками возможностей взлома методом прямого перебора, поскольку в настоящее время ключи длиннее 100 бит считаются неуязвимыми для этого наиболее распространенного метода атаки. 7. По результатам исследований опубликовано 6 работ, сделано 2 доклада на Международных конференциях, получено 4 ссылки на популярный информационный ресурс и множество ссылок на менее значимые информационные ресурсы.