Статьи журнала - Компьютерная оптика
Все статьи: 2382
Статья научная
Рассматривается задача непараметрического восстановления многомерных плотностей распределения вероятностей в системах машинного обучения для классификации и аугментации данных. Предлагается метод получения смешанной ядерной непараметрической оценки плотности распределения как свертки ядерной оценки неизвестной плотности распределения вектора информативных признаков и известной или независимо оцениваемой плотности распределения вектора помеховой составляющей, сопровождающей процесс измерений. Анализируются свойства получаемых таким образом смешанных оценок. Приводятся результаты их сравнения с традиционной ядерной оценкой Парзена, применяемой непосредственно к общей выборке обучающих данных. Теоретически и экспериментально показывается, что использование смешанной оценки эквивалентно реализации процедуры аугментации - искусственного размножения обучающих данных в соответствии с известной или оцененной статистической моделью помеховой составляющей. Рассматриваются возможности применения смешанных оценок для обучения алгоритмов классификации биологических объектов (элементов зерновых смесей) на основе обработки измерений спектров пропускания в видимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн.
Бесплатно
Смещённые эллиптические гауссовы пучки с внутренним орбитальным угловым моментом
Статья научная
Рассмотрены параксиальные световые пучки, составленные из Гауссовых пучков, смещённых с оптической оси, фаза которых подобрана специальным образом, чтобы суперпозиция была инвариантной к распространению в пространстве, то есть без изменения формы поперечного сечения. Путём решения системы пяти нелинейных уравнений составлена суперпозиция в виде инвариантного внеосевого эллиптического Гауссова пучка. Получено выражение для орбитального углового момента такого пучка. Показано, что он складывается из двух составляющих. Первая из них равна моменту относительно центра пучка и возрастает с его эллиптичностью. Вторая квадратично зависит от расстояния от центра масс до оптической оси (аналог теоремы Штейнера). Показано, что ориентация эллипса в поперечной плоскости не влияет на нормированный орбитальный угловой момент.
Бесплатно
Снижение влияния шумов на интерпретацию спектров в Фурье-спектроскопии
Статья научная
По многим причинам в Фурье-спектроскопии приходится иметь дело со скоррелированными шумами. Предлагается простой метод определения концентрации известного вещества по спектру поглощения при наличии такого шума. Оценка концентрации по данному методу соответствует оценке с минимальной дисперсией. В частности, для разобранного примера определения концентрации СО, точность возрастает в 5 раз по сравнению с методом наименьших квадратов.
Бесплатно
Статья научная
Последние исследования в области глубокого обучения показали, что метод градиентного спуска при условии почти идеальной разделимости обучающей выборки сходится к оптимальному решению, обеспечивающему максимальный зазор между классами. Даже без введения явной регуляризации положение разделяющей гиперплоскости продолжает изменяться, несмотря на то, что ошибка классификации на обучении стремится к нулю. Данное свойство так называемой «неявной» регуляризации позволяет использовать градиентный метод с более агрессивным шагом обучения, что гарантирует более низкие вычислительные затраты. Однако, хотя метод градиентного спуска обеспечивает хорошую обобщающую способность при стремлении к оптимальному решению, скорость сходимости к данному решению в условиях почти идеальной линейной разделимости значительно ниже, чем скорость сходимости, определяемая самой функцей потерь с заданным шагом обучения. В данной работе предлагается расширенная логарифмическая функция потерь, оптимизация параметров которой повышает скорость сходимости, обеспечивая границу погрешности, эквивалентную границе метода градиентного спуска. Результаты вычислительных экспериментов при классификации изображений на эталонных наборах MNIST и Fashion MNIST подтвердили эффективность предложенного подхода к снижению вычислительных затрат в условиях почти идеальной линейной разделимости обучающей выборки и обозначили направления дальнейших исследований.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрено совместное воздействие поляризационно-модовой дисперсии, нелинейностей керровского типа и хроматической дисперсии на качество приёма WDM-сигнала в волоконно-оптической линии. Проведено численное моделирование передачи сигнала в многопролётной линии с оптическим усилением сигнала и компенсацией хроматической дисперсии, рассмотрены случаи линейного кодирования с возвратом и без возврата к нулю. Показано, что в ряде случаев может наблюдаться повышение качества сигналов в случае взаимодействия ПМД и нелинейностей по сравнению со случаем присутствия только нелинейностей в связи с компрессией импульсов. Показано, что проявление указанного эффекта определяется характером зависимости линии передачи поляризационно-модовой дисперсии от частоты.
Бесплатно
Снижение размерности векторов признаков по критериям мультиколлинеарности
Статья научная
В работе рассматривается возможность снижения размерности векторов признаков для задачи распознавания образов. Снижение размерности производится за счет отбрасывания менее информативных признаков. В качестве такого критерия информативности предлагается показатель диагонально преобладания. Обсуждается эффективность данного показателя по сравнению с другими мерами мультиколлинеарности с вычислительной точки зрения. Предлагаются алгоритмы, реализующие предложенную идею при решении задачи распознавания изображений.
Бесплатно
Собственные волны планарного кирального волновода
Статья научная
Найдены явные выражения для плоских волн в киральных средах. Показано, что в киральной среде между волнами TE- и TM-типа происходит обмен энергией в процессе распространения, а также при отражении от границ киральной среды с диэлектриками. Между волнами правой и левой круговой поляризаций также происходит взаимодействие в киральной среде. Показано, что волны, распространяющиеся в киральной среде без взаимодействия, следует искать, выбрав соответствующие базисные поляризации. С помощью преобразования координат получен базис из двух волн эллиптической поляризации. Эти волны в планарном киральном волноводе являются независимыми. Получены матрицы отражения для базисных волн на границе «киральная среда-диэлектрик». Выполнен расчёт дисперсионных кривых для собственных независимых волн эллиптической поляризации кирального планарного волновода.
Бесплатно
Статья научная
В статье сравниваются два алгоритма малоракурсной томографии: итерационный алгоритм минимизации функционала Поттса и алгебраический алгоритм реконструкции с TV-регуляризацией и адаптивной сегментацией. Оба алгоритма ориентированы на восстановление кусочно-постоянных структур, используют теорию опознавания со сжатием и совмещают процедуры реконструкции и сегментации изображений. На уровне численного эксперимента показано, что каждый из алгоритмов способен точно восстанавливать фантом Шеппа-Логана всего по 7 ракурсам. Когда же речь идет о восстановлении объекта, имеющего сложную высокочастотную структуру (QR-кода), минимальное число ракурсов, необходимое для точной реконструкции, возрастает до 17-21 в случае алгоритма реконструкции с TV-регуляризацией и адаптивной сегментацией и до 32-34 в случае итерационного алгоритма минимизации функционала Поттса. Показано, что разработанный авторами статьи алгоритм реконструкции с TV-регуляризацией и адаптивной сегментацией имеет некоторое преимущество над итерационным алгоритмом минимизации функционала Поттса по таким критериям, как точность и скорость реконструкции, а также устойчивость к шуму проекционных данных. Отмечено, что алгоритм реконструкции с TV-регуляризацией и адаптивной сегментацией имеет хороший потенциал для дальнейшего совершенствования.
Бесплатно
Совместное использование структурного анализа и метрики Хаусдорфа при сравнении объекта и эталона
Статья
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены подходы к построению макета системы фокусировки лазерного излучения на удаленные объекты с использованием как элементов адаптивной оптики, так и методов нелинейно-оптического обращения волнового фронта, обеспечивающих компенсацию турбулентных искажений. Предварительно выполнены численные расчеты, в которых в качестве численного метода решения скалярного волнового уравнения в частных производных 2-го порядка для комплексной амплитуды волнового поля лазерного пучка использовался метод расщепления (split-step method). Этот метод в сочетании с методами спектрально-фазовых Фурье-преобразований и статистических испытаний является самым эффективным на сегодняшний день способом получения надёжных количественных результатов при решении инженерных задач волновой оптики атмосферы. Получены количественные данные по влиянию турбулентных искажений на атмосферных трассах на основные параметры когерентных пучков излучения - фокусировку, эффективный средний радиус и относительную долю энергии пучка в его дифракционном пятне. Получены предварительные результаты работы макета, подтверждающие выводы теории.
Бесплатно
Совместное разностное решение уравнений Даламбера и Максвелла. Двумерный случай
Статья научная
Предложена методика отыскания совместного разностного решения волнового уравнения и системы уравнений Максвелла, позволяющая использовать достоинства и избежать недостатков обоих упомянутых численных методов нанофотоники (сократить затраты памяти и применить известные методики задания падающей волны и наложения поглощающих слоёв). В двумерном случае на тестовых примерах продемонстрированы сходимость такого решения, возможность наложения PML-слоёв и задания падающей волны по технологии TF/SF.
Бесплатно
Совместное разностное решение уравнений Даламбера и Максвелла. Одномерный случай
Статья научная
Предложена методика отыскания совместного разностного решения волнового уравнения и системы уравнений Максвелла, позволяющая совместить достоинства и избежать недостатков обоих упомянутых численных методов нанофотоники. В одномерном случае на тестовых примерах продемонстрированы сходимость такого решения, возможность наложения PML-слоёв и задания падающей волны по технологии TF/SF.
Бесплатно
Совместное решение уравнения Клейна–Гордона и системы уравнений Максвелла
Статья научная
Статья посвящена описанию взаимодействия электромагнитного поля с квантово-механической системой, представляющей заряженную бесспиновую частицу, двигающуюся в некотором потенциале, создаваемом другими заряженными частицами. Примером такой системы служит атом, молекула, квантовая точка, находящаяся во внешнем электромагнитном поле. Впервые получена система связанных уравнений, в которую в качестве неизвестных функций входят волновая функция заряженной частицы и компоненты электромагнитных полей. Работа будет полезна для специалистов, занимающихся решением задач взаимодействия электромагнитного поля со структурами пониженной размерности – квантовыми точками, квантовыми ямами. Полученная система уравнений может быть использована для описания взаимодействия структур пониженной размерности, находящихся в нанорезонаторе.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается задача валидации радиологических медицинских протоколов и изображений компьютерной томографии для автоматизированного анализа состояния головного мозга. Предлагается два метода решения задачи: метод на основе мультимодальной модели ruCLIP и метод, основанный на совместном использовании двух отдельных классификаторов - для текстового отчета и для изображения КТ головного мозга. Обсуждаются способы оценки полученных результатов. Предложенные подходы позволяют верно классифицировать на 15 возможных диагнозов 99,6 % радиологических отчётов из контрольной выборки.
Бесплатно
Современные Фурье-спектрометры - новая ветвь компьютеризированной оптической техники
Статья научная
Рассмотрены основные принципы Фурье-спектроскопии, быстроразвивающейся области современной спектроскопии, охватывающей субмиллиметровый, инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый диапазоны спектра. Показаны преимущества Фурье-спектрометров перед классическими (дисперсионными) и лазерными спектрометрами. Основная особенность Фурье-спектрометров - непосредственная связь измерительного блока интерферометра с ЭВМ, которая выполняет Фурье-преобразование интерферограммы (или альтернативную операцию по оценке спектра), а также управляет всеми измерительными и вспомогательными операциями и представлением данных в нужной форме. Рассмотрены задачи, решаемые ЭВМ в Фурье-спектрометре. Описаны основные типы Фурье-спектрометров (высокого и среднего разрешения, временного разрешения, специализированные), направления и тенденции их развития.
Бесплатно
Современные подходы к проектированию многослойных оптических систем
Статья научная
Рассматриваются современные подходы к решению задач синтеза многослойных оптических покрытий с заданными спектральными характеристиками. Обсуждается постановка различных задач и проблема выбора наиболее рациональных методов их решения. Рассмотренная в статье совокупность методов представляет, по мнению авторов, наиболее эффективный в настоящее время инструмент решения всего многообразия задач синтеза оптических покрытий. На конкретных примерах даются рекомендации по численному решению задач синтеза на ЭВМ.
Бесплатно
Современные технологии автоматического распознавания средств общения на основе визуальных данных
Статья научная
Общение представляет собой широкий спектр различных действий, связанных с приёмом и передачей информации. Процесс общения складывается из вербальных, паравербальных и невербальных компонентов, содержащих информационную часть передаваемого сообщения и его эмоциональную окраску соответственно. Комплексный анализ всех компонентов общения позволяет оценить не только содержательную составляющую, но и ситуативный контекст сказанного, а также выявлять дополнительные факторы, относящиеся к психическому и соматическому состоянию говорящего. Существует несколько методов передачи вербального сообщения, среди которых устная и жестовая речь. Речевые и околоречевые компоненты общения могут содержаться в различных каналах данных, таких как аудио- или видеоканалы. В данном обзоре рассматриваются системы анализа видеоданных ввиду того, что аудиоканал не способен передать ряд околоречевых компонентов общения, вносящих в передаваемое сообщение дополнительную информацию. Проводится анализ существующих баз данных статических и динамических образов и систем, разрабатываемых для распознавания вербальной составляющей в устной и жестовой речи, а также систем, оценивающих паравербальные и невербальные компоненты общения. Обозначены сложности, с которыми сталкиваются разработчики подобных баз данных и систем. Также сформулированы перспективные направления разработок, связанные в том числе с комплексным анализом всех компонентов общения с целью наиболее полной оценки передаваемого сообщения.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе рассмотрено распространение монохроматических световых пучков в среде с малыми неоднородностями показателя преломления, в частности в среде с параболическим профилем показателя преломления. Проведено обоснование метода моделирования распространения светового пучка в параболическом волокне, основанного на его распространении в однородной среде через периодическую последовательность тонких линз. С помощью предельного перехода к бесконечному числу линз, находящихся на бесконечно малых расстояниях друг от друга, получен интегральный оператор распространения в параболической среде в параксиальном приближении, проведен анализ его свойств. Проведено исследование действия параксиального интегрального оператора на моды Гаусса - Лагерра.
Бесплатно
Согласованные полиномиальные признаки для анализа полутоновых биомедицинских изображений
Статья научная
В работе в общем виде вводятся полиномиальные признаки, представляющие собой многочлены на множестве отсчётов изображения. Показывается, что при наложении естественных ограничений предложенные полиномиальные признаки обращаются в линейные комбинации отсчётов автокорреляционной функции изображения. Предлагается ряд подходов к согласованию этих признаков с текстурными свойствами изображений из обучающей выборки. С помощью вычислительных экспериментов на трёх наборах реальных диагностических изображений демонстрируется эффективность рассмотренных признаков, выражающаяся в снижении вероятности ошибочного распознавания рентгеновских изображений костной ткани с 0,10 до 0,06 по сравнению с ранее изученными методами.
Бесплатно
Соединение опорных линий с использованием поля направлений
Статья научная
В данной статье рассматривается задача восстановления связности опорных линий на квазипериодических изображениях. При этом выполняется условие сохранения формы кривой. Описываются три метода: модифицированное протягивание линии вдоль поля направлений и два варианта решения вариационной задачи - конечно-разностный метод и использование уравнения Эйлера-Лагранжа.
Бесплатно
