标题：光电信息处理
光电信息处理的基础技术
近代光电信息处理技术上的飞跃是光通信、光网络、光存储、光显示和多媒体技术的出现。其主要关键技术是微电子、光电子、光纤、计算机、通信与网络、大规模存储、大面积高分辨显示、多媒体等技术。1.微电子技术微电子技术是光电子信息处理技术的前提。目前，以0.25μm COMS工艺技术为主流的微电子技术已进入大生产，0.1～0.025μm COMS器件在实验室中已制备成功。表1为美国国家半导体协会预测。2. 光纤与光通信技术目前全世界光纤敷设长度正以2000km/h的速度增长。光纤带宽每6个月翻一番。单根光纤的传输容量在今后15年中将增加1000倍。2.5～10b/s光信息传输系统已实用化。Tb/s(1012bit/s)的传输速度已实验成功。随着未来光纤1390nm水吸收峰障碍的消除，将实现1280～1625nm、带宽达40THz的光通信窗口。长距离大容量单信道通信最高速率为10Gb/s。2005年传输速率需达数百Gb/s，2010年传输速率应达1Tb/s。
光通信方面，光学时分复用(OTDM)、光学波分复用(OWDM)、码分多址(CDMA)、光学高密度波分复用(ODWDM)均已实用化或正在解决实用化问题。1998年，朗迅公司用100信道的光学波分复用和10Gb/s单通道速率实现了400km、1Tb/s的大容量通信。
当前局域网的交换速率达40Gb/s，2005年达1Tb/s，2010年达5Tb/s。国际上许多著名的计算机公司都或多或少的开展计算机局域网光互连的研究和开发，如IBM、HP、MEC、Sun Microsystems、Micro Optical Devices、Digital Optics Corporation。3. 微处理器技术计算机微处理器技术是信息处理的基础。在未来的几年内，微电子技术将推动微处理器飞速发展，计算机中互连密度和长度成数量级地提高。4. 大规模信息处理技术基础运算量极大的信息处理工作，如大量图片、信息的高速处理等，往往采用巨型机。4.1　海量并行计算机利用多个处理器芯片并行工作，可有效提高计算速度。日本总结第五代（并行、智能）计算机失败的原因是：硬件不困难，关键在软件。美国解决了并行软件问题，做出了海量并行计算机，1991年已做到6万个处理器并行工作。1995年做到100万个处理器并行工作。有人估计2010年将可做到1000亿个处理器并行工作。这个数目与人脑神经元的数目大致相同。可认为该种计算机将可模拟人脑高速实时地思维和工作。
美国能源部作为模拟核实验工作的一部分，计划在2004年研制出100Tb/s的超级计算机。IBM公司、MIT、NASA的喷气动力实验室以及加拿大McGill大学的代表对互连的需求作了专题讨论。IBM公司的A.F.Benner认为在这种计算机中采用光互连的主要优点是简单密集的封装和非常高的带宽距离乘积，MIT的L.Rudolph建议用光纤环路延迟解决高速信号的缓存，NASA的T.Sterling建议用光学TDM和WDM组合增加通道的通信容量，McGill大学的T. Szymanski则提出“智能化的光学网络”，并介绍了他们采用光电子COMS技术实现这种网络的工作。
Delaware大学提出全光互连用于大规模并行处理，报导了一个灵活的大规模并行处理全光方案，有250通道，信息传输能力为250Gb/s。建立了完全可调的发射和接收阵列。其实际上可随机地达到250×250交叉开关(crossbar switch)，在单层次系统上可连接500个处理器。复用和解复用足够快，能满足大规模并行处理的要求。这种交叉开关能提供每秒2.5Gb个包连接。一个多层系统可提供数千到数百万个同时的包连接，控制的复杂性增加了。计算机模拟证明了单层和两层的开关控制方案。又提出一种“导向器”令牌用作多通道快速总线(E-Bus)，其可实现包交换。相信该系统用OEIC技术实现是可行的。4.2　光互连网络与计算机机群系统光互连在近几年里取得很大的进展，光互连的应用已由LAN进展到系统之间的互连网络(system area network，简称SAM)。光纤链路在计算机集群(Clusters)系统中的应用，将产生第一代光互连高性能并行计算机系统。
计算机集群是采用工作站或微机做计算节点，通过网络连接形成高性能并行计算平台。Clusters或称为NOW(networks of workstations)和COW(clusters of workstations)。由于采用商品计算机做处理器节点，具有价格便宜、易更新性和可扩展性优势，有很高商业前景，Clusters已成为并行计算机(MPPI机)一个重要的体系结构，美国IBM公司的SP系列和中国的曙光2000等均采用这种结构。Clusters目前主要采用Ethernet、FDDI等局域网络。由于LAN技术发展的目的不是支持这种并行处理系统，较大的通信开销(overheads)和网络延迟(latancy)阻碍了计算机集群系统功能的发挥。虽然Gb/s Ethernet的出现可以改善带宽，但并行系统更需要的是减少网络延迟。
在Clusters网络中，主要问题是增加带宽，减少通信开销和网络延迟。光互连是实现计算机集群系统网络最理想的技术之一。将WDM技术引入计算机互连中，可以实现全光交换节点。因而，光互连的应用对NOW结构的高性能计算机发展有重要的现实意义。宽波长间隔波分复用(coarse WDM即CWDM)将密集波分复用(DWDM)的0.4～0.8nm波长间隔拓宽到20nm以上，并将通信中的典型波长窗口1530nm～1550nm延伸为1310nm～1560nm整个波段，其主要的应用对象是Gb/s Ethernet网络。CWDM主要用于短距离的LAN的传输，采用宽波长间隔，降低了对无源器件制作成本和光电子器件的波长稳定性等要求，可以有效地降低成本，这正适应了计算机网络发展的需求。4.3　光控飞行(fly-by-light即FBL，亦称为光飞行)
光控飞行即在飞行和飞行器中采用光信号控制整个系统，这是光纤技术和光互连技术的新应用。在这方面McDonnell Aerospace提出一个FLASH计划，即实现一种FLASH型飞行光控制系统。该研究所发表了下述论文：“飞机的光缆隐线：光飞行控制网络的物理层”，“FLASH光飞行飞机控制系统的研制”，“运输机的FLASH光飞行飞机控制系统的研制”，“FLASH光纤数据总线文件学习”，“军用战术光飞行飞机控制系统的实验研究”，“光飞行飞机控制系统的经济效益集成实验研究”，“用神经网络处理对光飞行(FBL)飞机控制系统进行故障诊断”，金属线控制飞行转换为光飞行的过程和解决方法”等等。此外，美国Berg Electonics研究所、HiRel Connector研究所、Honeywell研究所、Raytheon飞机研究所等也发表了一些成果。4.4　大面积、高分辨显示技术与可视化紧密联系的显示技术是信息处理必须的手段。目前的高分辨率电视(HDTV)显示约为1000线，今后会出现超高分辨率电视(UDTV)显示大于1000线甚至可达4000～5000线，显示质量会大幅度增高，当然要求计算机的速度也会更高。今后计划的HDTV显示的情况如表4。在未来的超高分辨率显示中平面显示和全息显示将起重要作用。
表1 计划的HDTV显示的情况 
年 份 类 别 分辨率 像素数量 
1993年 HDTV 1000线 1150×1920个像素 
2000年 UDTV-0 1000线 1080×1920个像素 
2003年 UDTV-Ⅰ 2000线 2106×3840个像素 
2005年 UDTV-Ⅱ 3000线 3240×5760个像素 
2010年 UDTV-Ⅲ 4000线 4320×7680个像素4.5 大规模存储技术光存储是当前存储技术最有生命力的技术，而且在不断发展中。光盘技术中采用烧孔(burnning hole)技术，可使目前存储量增加上千倍。美国Xerox研究中心预计2020年可实现一个原子存储一位计算机信息。存储技术与当前出现的纳米技术是相关的，它是建立在分子电子学基础之上的。
此外，有光全息存储，DARPA在5年内开发出容量为1万亿位数据，存储速率1000Mb/s。现在已达到160000帧在LiNbO3晶体中，密度为40～100Gb/in2，适于直接存取图像。近场光存储用 Co/Pt多层磁光膜，其线宽10～50nm、密度1000Gb/in2。光学双光子双稳态三维数字记录能达到Tb/cm2的体密度、40Mb/s传输率， San Diego达100层的记录方法。
应用
贝尔实验室的三大发明是电话、半导体收音机和激光。并曾计划推出光学计算机，作为该实验室的第四大发明，此计划被搁浅。但是，Hierott Watt大学等单位还在进行着研究，而且有明显进展。光电信号处理，即模拟-数字混合计算还是很有发展前景的。1　自主导引与识别例如无人驾驶车辆的自主导引，新加坡Gintic制造研究所的Andrew A. Malcolmd等报告了无人驾驶车辆的立体视觉在非结构地带的自主导引。目的是装备无人驾驶车辆，使之具有可靠的被动应变系统，把所在地带信息自主地提供给航行系统以作路径计划的决定。要求车辆能够运行在非结构的、离路地带，以超过10km/s的速度运行几公里。立体视觉可在视场中提取深度景物信息。可以由多个固定位置的相机在同一瞬间获取图像，或由单个移动的相机相继拍摄多帧图像。可分为由体视判断结构(structure form stereo)(双目的)和运动判断结构(单目的)(structure form motion)。该系统综合了体视判断结构和运动判断结构两种算法。在操作中，由运动判断结构算法作为信息的主要供给者，车辆移动的各帧图像之间要符合预定的极限速度。对车辆处于静态或者车辆移动不适于运动判别结构的算法时，增加了人工或自动算法之间切换功能。这个系统的实现采用了200MHz Pentium单板机，装在车辆底盘上的RGB摄像机。两个遥测的8mm、F1.3手调镜头单色摄像机，装在车辆上面3m处，基线为600mm，两摄像机平行并向下倾斜33°。摄像的像为256×256像素以便作后处理。这个联合系统在许多离路位置进行了现场实验，摄像(数据)速率为2帧/s，并证明在由运动判断结构和由体视判断结构之间的转换。2　复杂三维目标的复现美国Portland大学的Yuan-Lu-Hsu等报告了复杂三维目标的积分量程像。用计算机视觉实现3D面模型，通常包含三步：首先是用结构光检测法获取面型的深度数据，即为量程数据。因为在一个视场角内只能看到目标的一部分，从不同的视场对目标的多次观测。用计算机控制的旋转平台可获取目标的多量程图像数据。第二是记录这些多量程图像数据。每个量程图像均由已知的旋转角得到，机械旋转精度限制了数字像的空间分辨率。第三步积分多重量程像，使之成为一个完整的、非冗余的3D表面和生成3D物体模型。此法对多种分辨率的任意尺度的复杂目标可提供灵活和有效的积分能力。3　多媒体技术由于信息技术上的飞跃，有了光纤通信技术，进一步产生了多媒体技术。媒体是指传递信息的载体，多种信息的传递要用到多种载体，或称多媒体。严格地讲目前的多媒体是指数字多媒体。即有计算机参与处理的多媒体。多媒体计算机能使人类按最自然的方式和最习惯的方式接受和处理信息，使得人们能方便地使用计算机。
人类通过五官(耳、目、口、鼻、舌)及皮肤，由外界感受听觉信息、视觉信息、嗅觉信息、味觉信息和触觉信息，可认为人是一种多媒体信息处理系统。目前，计算机多媒体系统只包括听觉和视觉信息(声音、图像、图形和文字等)，很少或未包括其他信息(如触觉、嗅觉和味觉信息)。今后，随着各种感觉机理的深入研究和技术的进步，会有更完善的多媒体系统的出现。多媒体的关键技术为：压缩与编码(compression and coding)、通信(communication)、同步(synchronization)和网络(network)。4　智能化光纤传感器技术分布式光纤传感器是一种传感器网络，它可以从整体上对被测对象的有关物理量变化的时间、位置进行监控。若使分布式光纤传感器、执行结构、信号处理系统、传输系统与控制系统等相结合，便形成智能结构。智能结构分为本征型与集成型两类。本征型是结构内部具有传感、执行及信号处理功能的材料制成的结构。然而集成型，即结构内部埋入传感器、执行器及处理功能的结构，亦称为智能材料。智能材料与结构从军事应用扩展到各民用领域，便建立了智能建筑、智能机器人结构等概念。
结构损伤与估计，是集成型光纤传感器网络的重要应用，已发展了若干方法。对于结构状态检测及振动主动控制最重要的检测参量是结构应变。近年已发展了应用多种原理的应变传感器。例如：高双射的保偏光纤，当受纵向扰动时，两个正交偏振模相对相位延迟的变化正比于应变的关系测量应变，其应变测量灵敏度0.06°/(με-cm)；Michelson干涉式光纤传感器，应变测量灵敏度6.5°/(με-cm)；Fabry-Perot干涉传感器，用普通石英光纤能在温度达1000℃左右测量位移，如用蓝宝石光纤，可在更高温度下工作，类似的石英光纤Fabry-Perot传感器阵列，已经用于F-15歼击机在飞行仿真条件下的应变测量和测量在液氮温度条件下材料的应变。另一些干涉仪也用在测量蒙皮表面上流体产生的摩擦力以及外部声频压力。双横椭芯光纤传感器可以作成局域型式的，因此，可以有效地抑制探头以外的环境振动引起的干扰。最近，已研制出一种沿光纤长度有加权灵敏度的传感光纤，可以用简化的控制算法在结构振动控制中。
在机敏结构中，要求获得多个离散点的信息或场的分布信息，因此，在传感信息处理技术中，发展了多点传感器复用技术及分布式传感技术。光时域反射计(OTDR)是最常用的技术，由于OTDR空间分辨率太低，近年发展了光子计数的高分辨率的光时域反射计。5　虚拟现实技术统计表明，普通人从外部世界获取信息的80%来自视觉，如何实时地生成大规模复杂虚拟环境的立体画面仍然是当前虚拟现实(virtual reality，简称VR)研究中亟待解决的问题。虚拟现实的三项指标：实时性(real time)、沉浸性(immersion)和交互性(interactivity)。所谓实时性是指虚拟现实系统能按用户当前的视点位置和视线方向，实时地改变呈现在用户眼前的虚拟环境画面，并在用户耳边和手上实时产生符合当前情景的听视和触觉/力觉响应。所谓沉浸性是指用户所感知的虚拟环境是三维的、立体的，其感知的信息是多通道的。所谓交互性是指用户可采取现实生活中习以为常的方式来操纵拟场景中的物体，并改变其方位、属性或当前的运动状态。
现有的虚拟现实系统按硬件组成可分成三类：头盔式显示器是最早的VR显示器，它利用头盔将人的对外界的视觉、听觉封闭起来，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。目前的头盔式显示器的分辨率已达到1024×768，可为用户提供清晰的虚拟场景画面。桌面型VR系统由立体显示屏幕、三维鼠标、立体眼镜等组成，但用户的沉浸略差。最具沉浸感的VR系统是由多个投景屏幕组成的CAVE环境。现在国际上至少有30～40个由多屏幕组成的CAVE环境。
把跟踪技术用于产品化的技术培训和维修方面：意大利的Consoraio Pisa Riceche研究所的Olivia Catoni等报告了“基于遥控操作的维修系统”。从市场调查可知，复杂的机器持续地依赖于生产者的培训和产品的维修。其中培训和维修与生产者和用户间的地理距离成比例，占总费用的一定的百分比。由于欧洲的小、中企业(SME)常不能为用户提供维修和培训服务费用(人们需要如旅行、通信、运输等)，在MAESTRO计划中考虑了该问题，以两个厂商试点，即CARBench International S.P.A和Betex A/S，分别生产复杂的汽车底盘(car bench)和液体处理设备。这二者输出产品最多，MAESTRO实验了用遥控的方式培训和维修产品。MAESTRO计划分为实际部分，即设置一个演示室，由设备和机器人检查系统组成，以及虚拟部分，包括设备模型和支持运行的软件系统。把演示室和综合业务服务(ISDN/ARM)网络相连接。用户可以实时地诊察设备图像，它具有6个自由度的操纵杆。可实时提供设备的虚拟模型的电视图像，用CCD摄像机远程摄取所指定的内容，把训练和维修操作可以推广到现实环境中。虚拟模型与包括技术信息的多媒体数据库相连接。例如操作指令，或者是描述功能上正确与错误条件的数据，语言判别用来输入口述命令，这有助于用户都可了解设备详情和自由改变模拟环境。Shinsuke Saito等报告了基于知识合成的虚拟空间的生成。
光电信息处理技术发展趋势
1、不断提高信息处理技术质量高分辨率、高显示质量；高速度、短处理时间；多维化：三维、四维或更多维；智能化，提高信息识别能力；标准化，便于信息交换、资源共享。2、要与仿生学密切结合21世纪又是生物世纪和海洋世纪。研究模仿陆地和海洋生物的特异功能，造福人类。3、重要应用?　　工业：产品质量检验、工业自动化、智能机器人。商业：防伪系统、收款系统。办公：办公室自动化、可视电话与电视会议、电子通信、电子查询与咨询系统、手写体和印刷体文字识别。文化教育和宣传：电子教学、机器翻译、电子出版、电子娱乐、电子玩具、电子动画和广告。科技：科学仪器的自动化、全球定位系统(golbal position system，简称GPS)、航天电子系统。医学：医疗会诊、病历保存。军事：军事电子模拟训练、电子对抗、光电子对抗。安全与公安：家庭、交通、银行、海关、飞行安全系统以及侦破、监控、指纹识别、证据鉴别等手段。家庭：家务自动化、现代化和安全化、柔性办公系统等。4、将对“无纸社会”的形成起促进作用由于光电子信息处理技术推动信息传输、处理、存储和显示技术的进步，用纸上文字来传递、存储和显示信息的功能将大为减弱，而且加快了传递、存储、检索、复制和显示信息的速度。对文化、教育、科技、医学和宣传等有重要意义。5、将对“明日世界”有深远影响近年来，在国际上出现了四个研究热点：科学可视化(scientific visualization)；虚拟现实或称灵境、人工现实；动画(animation)和多媒体(multimedia)。当前又出现了两个新观点：计算机文化(machine culture)和明日现实(tomorrow's reality)。明日现实比虚拟现实更进一步，它可以预见未来，亦即估计来日会出现的事物。这两个热门话题意义深长。这些新生长点都和光电子信息处理技术密切相关。
“爱是一道光如此美妙” -- 欧若拉