Російські вчені розробили нейронну мережу для розрахунку голограм.

Зазвичай для розрахунку (синтезу) дифракційних і голограмних оптичних елементів, здатних оптично сформувати 3D-сцену, використовуються обчислювально ресурсоємні ітераційні методи. Вчені МІФІ запропонували нейросетевий метод, названий 3D-CGH-Net, який забезпечує швидкий розрахунок оптичних елементів. При цьому експериментально продемонстровано, що якість оптично відновлених 3D-сцен з таких елементів може бути вищою, ніж для синтезованих елементів класичними, більш ресурсоємними алгоритмами.

«Швидкість розрахунку якісних голограм «звичайними» методами низька», – розповідає співробітник лабораторії Дмитро Римов. – Ми розробили метод, що використовує нейронну мережу оригінальної архітектури та розгалужену структуру для врахування великого набору перетинів тривимірної сцени в розрахованій голограмі. Мережа навчається на вибірках, що налічують від десятків тисяч до сотень тисяч прикладів. Метод був успішно застосований в експериментах при оптичному формуванні тривимірних сцен, при реалізації голограм з використанням високороздільних швидкісних просторово-часових модуляторів світла новітніх типів».

Як розповів керівник лабораторії, професор Ростислав Стариков, комп'ютерний синтез голограм полягає в розрахунку голограм, які потім можуть бути реалізовані тим чи іншим способом, наприклад, з якогось матеріалу, друком або за допомогою просторово-часових модуляторів світла (по суті це мікродисплеї); застосування комп'ютерно-синтезованих голограм дозволяє точно і оперативно формувати задані світлові розподіли (навіть такі, яких у природі не існує).

«Застосування комп'ютерно-синтезованих голограм є перспективним при створенні засобів тривимірної візуалізації, для лазерного управління мікрочастинками, при фотостимуляції біологічних нейронів, для 3D-друку, при перетворенні і фокусуванні світлових пучків, при побудові систем голографічної пам'яті та багато іншого», – пояснив Ростислав Стариков.

Техніка комп'ютерного синтезу голограм розвивається з кінця 1960-х років і на сьогоднішній день є досить вдосконаленою. Для розрахунку комп'ютерно-синтезованих голограм необхідно вирішити зворотну задачу (обчислити форму дифракційного елемента, виходячи з формованого ним необхідного розподілу амплітуди і фази світла); існує ряд «класичних» методів, які, як правило, ітеративні та обчислювально-емкі, розрахунок голограми може займати години, а це в сучасній практиці часто виявляється неприйнятним. «Застосування нейронних мереж дозволяє розраховувати або, точніше, генерувати голограму, якщо мережа попередньо успішно навчена. Для навчання потрібно час і великі навчальні вибірки, але навчена мережа генерує голограму дуже швидко», – стверджує керівник лабораторії.

«Новітні інтелектуальні методи вже зараз дозволяють істотно розширити межі можливостей застосування нейросетей при вирішенні не лише аматорських завдань, але й при їх використанні для вирішення проблем у складних наукових темах», – зазначає доцент кафедри лазерної фізики НИЯУ МІФІ Павло Черемхін. – Так, буквально за пару років ми досягли такого високого якості розрахунків голограм нейросетевими методами, що воно перевищує деякі можливості стандартних методів, які розвивалися десятки років.

Наша лабораторія розробила метод, який синтезує мегапіксельні голограми складних тривимірних сцен всього за частки секунди. При цьому досягнуто і високий рівень якості оптичного відтворення цих 3D-сцен з таких голограм. А застосування для реалізації сучасних просторово-часових модуляторів світла дозволяє формувати тисячі голограм за секунду і, відповідно, змінювати або перетворювати тривимірне світлове розподілення тисячі разів за секунду».

Результати дослідження представлені у високорейтинговому журналі Optics and Lasers in Engineering.