用于下一代全息成像的高性能并行计算

正文

用于下一代全息成像的高性能并行计算

技术背景：

视频全息术(电子全息术)于 1990 年首次证实。随着该领域的发展，可以清晰的意识到电子全息术的主要限制是缺乏高清显示设备和需要高速计算。在此期间，显示设备可实现的分辨率增加了10倍，从大约10μm到接近1μm，现在正接近使常规应用变得实用的水平。然而，随着全息显示精度的提高，计算量也随之增加。例如，像素间距为1μm的1m × 1m全息图需要10^12像素，而典型的二维显示器约10^6像素(增加了 10^6 倍)。当考虑将三维图像转换为全息图的成本时，需要增加 10^6 的计算能力。开发实用的全息三维图像系统的研究主要集中在加快处理时间上。

当前已经提出了基于查找表或差分法等技术的各种计算机全息算法，并取得了重大进展 。然而，仅仅通过提高软件的运行速度很难开发出实用的技术。对于实时处理要面对的大量信息，需要大规模并行和分布式计算系统。自2000年初以来，GPU计算一直是各个领域积极研究的主题。全息计算非常适合GPU加速，并且使用多块GPU板的GPU系统已被研究用于电子全息的实时重建。然而，虽然多GPU系统可以加速全息计算，但有人提出很难依据GPU的数量来加速计算。

技术要点：

基于此，日本千叶大学的Takashige Sugie(一作)和Tomoyoshi Ito(通讯)等人开发了一种全息计算板专用硬件HORN-8，其运行频率为0.25GHz,有效速度相当于0.5petaflops(每秒10^15次浮点运算)。当使用HORN-8集群系统计算由7877个点组成的三维图像时，可以视频速率(10fps)更新一亿个像素的全息图。

(1)它将8块大规模(large scale)FPGA芯片组装在一个标准的PCI-Express板上,7块FPGA芯片(Xilinx Virtex5-XC5VLX 110)用来计算，一块FPGA芯片(Xilinx Virtex5-XC5VLX30T)用来通讯；

(2)由于2018年时没有可容纳4个以上大型FPGA的商用电路板，因此开发了一块定制板，以支持大规模并行和分布式处理；

(3)三维图像由点云模型表示，全息图为振幅型。

实验结果：

视频1、 8块HORN-8组成集群系统的电子全息实时光学重建。该图像是从具有 6.5微米像素间距的200万像素全息图重建的。

视频2、从8块HORN-8组成集群系统模拟宽视场电子全息术。该图像是从具有1微米像素间距的1亿像素全息图计算重建的。全息图的视角约为 30°。

视频3、8块HORN-8组成集群系统获得的大规模电子全息图像。从1000万个点的物体生成1亿像素的全息图，并通过模拟重建。物体数据被划分为160个块，并为每个块准备了单独的全息图。然后通过时分方法重建这些图像以获得单个静止图像(当物体的点云数很大时，将其分为多个子块来计算，只要刷新率足够快，就可以看作一个物体)。

附录：

从10000个点的三维图像生成1920x1080像素的全息图时，HORN-8板、CPU、GPU性能比较。

参考文献：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

关于昊量光电：

上海昊量光电设备有限公司是国内知名光电产品专业代理商，代理品牌均处于相关领域的发展前沿；产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，涉及应用领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及更细分的前沿市场如量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务。

 

您可以通过昊量光电的官方网站www.auniontech.com了解更多的产品信息，或直接来电咨询4006-888-532。

 

本文章经光学前沿授权转载,商业转载请联系获得授权。