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Image processing with Optical matrix vector multipliers implemented for encoding and decoding tasks
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作者 Minjoo Kim Yelim Kim Won Il Park 《Light: Science & Applications》 2025年第9期2628-2641,共14页
This study introduces an optical neural network(ONN)-based autoencoder for efficient image processing,utilizing specialized optical matrix-vector multipliers for both encoding and decoding tasks.To address the challen... This study introduces an optical neural network(ONN)-based autoencoder for efficient image processing,utilizing specialized optical matrix-vector multipliers for both encoding and decoding tasks.To address the challenges in efficient decoding,we propose a method that optimizes output processing through scalar multiplications,enhancing performance in generating higher-dimensional outputs.By employing on-system iterative tuning,we mitigate hardware imperfections and noise,progressively improving image reconstruction accuracy to near-digital quality.Furthermore,our approach supports noise reduction and optical image generation,enabling models such as denoising autoencoders,variational autoencoders,and generative adversarial networks.Our results demonstrate that ONN-based systems have the potential to surpass the energy efficiency of traditional electronic systems,enabling real-time,low-power image processing in applications such as medical imaging,autonomous vehicles,and edge computing. 展开更多
关键词 image reconstru scalar multiplicationsenhancing optical neural network decoding image processingutilizing image processing optical matrix vector multipliers optimizes output processing
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SUANPAN:scalable photonic linear vector machine
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作者 Ziyue Yang Chen Li +12 位作者 Yuqia Ran Yongzhuo Li Xue Feng Kaiyu Cui Fang Liu Hao Sun Wei Zhang Yu Ye Fei Qiao Jiaxing Wang Cun-Zheng Ning Connie JChang-Hasnain Yidong Huang 《Light: Science & Applications》 2026年第1期140-150,共11页
Photonics is promising to handle extensive vector multiplications in artificial intelligence(AI)techniques due to natural bosonic parallelism and high-speed information transmission.However,the dimensionality of curre... Photonics is promising to handle extensive vector multiplications in artificial intelligence(AI)techniques due to natural bosonic parallelism and high-speed information transmission.However,the dimensionality of current photonic linear operation is limited and tough to improve due to the complex beam interaction for implementing optical matrix operation and digital-analog conversions.Here,we propose a programmable and reconfigurable photonic linear vector machine with extreme scalability formed by a series of emitter-detector pairs as the independent basic computing units.The elemental values of two high-dimensional vectors are prepared on emitter-detector pairs by bit encoding and analog detecting method without requiring large-scale analog-to-digital converter or digital-to-analog converter arrays.Since there is no interaction among light beams inside,extreme scalability could be achieved by simply multiplicating the independent emitter-detector pair.The proposed architecture is inspired by the traditional Chinese Suanpan or abacus,and thus is denoted as photonic SUANPAN.Experimentally,the computing fidelities for vector inner products could achieve>98%in our implementation with an 8×8 vertical cavity surface emission laser(VCSEL)array and an 8×8 MoTe_(2)two-dimensional material photodetector array.Furthermore,such implementation is applied on two typical AI tasks as 1024-dimensional optimization problem is successfully solved and competitive classification accuracy of 88%is achieved for handwritten digit dataset.We believe that the photonic SUANPAN could serve as a fundamental linear vector machine and enhance various future AI applications. 展开更多
关键词 optical matrix operation vector multiplications scalable photonic computing natural bosonic parallelism artificial intelligence ai techniques photonic linear vector machine suanpan photonic linear operation
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全交叉光互连网络的路由选择与控制 被引量:3
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作者 杨俊波 杨建坤 +3 位作者 李修建 刘菊 苏显渝 徐平 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第6期1249-1257,共9页
为了解决全交叉光互连网络中光信号路由的选择和控制问题,提出和设计了基于矩阵运算的路由算法。首先,根据全交叉网络的链路函数和连接规则,得到光信号变换矩阵,将光互连网络对信号的传输与处理等效为对输入信号阵列的矩阵运算,建立输入... 为了解决全交叉光互连网络中光信号路由的选择和控制问题,提出和设计了基于矩阵运算的路由算法。首先,根据全交叉网络的链路函数和连接规则,得到光信号变换矩阵,将光互连网络对信号的传输与处理等效为对输入信号阵列的矩阵运算,建立输入/输出信号间的关系;接着,根据输入输出信号阵列确定各级节点的开关状态;最终,完成信号光的路由判断和控制。分析和讨论表明:该算法不仅解决了8×8全交叉网络的路由控制问题,而且对全混洗、榕树网等规则互连网络也具有良好的移植性和兼容性,且稳定性高、操作性强、易扩容,能够满足16×16、32×32、64×64等大端口光互连网络的路由确定和控制。 展开更多
关键词 光通信 光互连网络 矩阵运算 全交叉网 榕树网
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光学向量矩阵乘法器的进展 被引量:2
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作者 张锐 杨建坤 +2 位作者 李修建 胡文华 叶瑞泉 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第z1期960-962,共3页
经过对目前国际上研究前沿的光计算技术中处于核心地位的光学向量矩阵乘法器(OVMM)进行深入的调研,本文主要介绍了某些类型的光学向量-矩阵乘法器的结构和原理,以及国内外最新的研究进展和应用前景。并根据国内外同行在此领域已经获得... 经过对目前国际上研究前沿的光计算技术中处于核心地位的光学向量矩阵乘法器(OVMM)进行深入的调研,本文主要介绍了某些类型的光学向量-矩阵乘法器的结构和原理,以及国内外最新的研究进展和应用前景。并根据国内外同行在此领域已经获得的研究成果,经过综合分析,拟提出对将来光计算技术的进一步发展具建设性意义的看法。 展开更多
关键词 光计算 光学向量矩阵乘法器 光互联
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一套二进制向量-矩阵乘法运算的光计算系统 被引量:3
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作者 张锐 郭威 +1 位作者 李淼 杨建坤 《计算机技术与发展》 2007年第10期141-143,共3页
对计算机前沿领域的光计算进行了讨论研究,介绍了光计算的核心运算器——光学向量-矩阵乘法器的工作原理,从实验角度出发,设计出了一套性能稳定的可实现二进制向量-矩阵乘法运算的光计算系统,并分析了此套系统的光学原理和性能特点。此... 对计算机前沿领域的光计算进行了讨论研究,介绍了光计算的核心运算器——光学向量-矩阵乘法器的工作原理,从实验角度出发,设计出了一套性能稳定的可实现二进制向量-矩阵乘法运算的光计算系统,并分析了此套系统的光学原理和性能特点。此系统具有矩阵乘法运算、数码显示、电压输出等功能,是一套实用性很强的教学科研演示产品,对光学乘法器以及光计算的研究具有一定的指导意义。 展开更多
关键词 计算机 光计算 光学向量-矩阵乘法器
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神经元网络的光学实现
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作者 孟令奎 金先级 周剑光 《半导体光电》 CAS CSCD 北大核心 1992年第4期342-346,共5页
本文介绍 Hopfield 神经网络的基本原理及光学实现方法。
关键词 神经网络 光学神经网络 乘法器
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光学向量-矩阵乘法器教学演示实验
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作者 李修建 杨建坤 +2 位作者 张锐 杨俊才 胡文华 《大学物理》 北大核心 2008年第8期38-41,共4页
为了在光计算教学中提供让学生更易于形象理解光的并行计算能力和实现方式的教学环境,基于向量-矩阵乘法的基本原理,采用LED阵列、光敏管阵列、柱面透镜、薄透镜等简易的基础光学元件搭建了4×4的光学向量-矩阵乘法器教学演示实验.... 为了在光计算教学中提供让学生更易于形象理解光的并行计算能力和实现方式的教学环境,基于向量-矩阵乘法的基本原理,采用LED阵列、光敏管阵列、柱面透镜、薄透镜等简易的基础光学元件搭建了4×4的光学向量-矩阵乘法器教学演示实验.该演示实验展示了并行光计算系统的基本功能实现和构成要素,有助于学生对光计算有初步的形象认识和了解,认知本课程的目的和意义,有利于激发学生对课程学习的兴趣. 展开更多
关键词 并行光计算 光计算硬件 教学演示实验 光学向量-矩阵乘法器
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光学向量矩阵乘法研究
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作者 李梅 《计算机技术与发展》 2012年第2期198-201,205,共5页
向量矩阵乘法运算是数值计算中基本的运算,广泛应用于线性方程组求解、图像处理、数字信号处理、人工智能等多个领域。目前向量矩阵乘法的实现方法有很多种,其中用光学方式实现向量矩阵乘法的方法因其所特有的并行性和乘法性质,在解决... 向量矩阵乘法运算是数值计算中基本的运算,广泛应用于线性方程组求解、图像处理、数字信号处理、人工智能等多个领域。目前向量矩阵乘法的实现方法有很多种,其中用光学方式实现向量矩阵乘法的方法因其所特有的并行性和乘法性质,在解决这类二维信息处理问题时独具优势而受到研究者们的青睐。对光学向量矩阵乘法的研究进行了深入的分析和总结,综述国内外各种光学矩阵乘法实现的理论和方法,并阐述作者研究的基于三值光学逻辑处理器的实现方法,该方法具有结构简单、易于微型化、计算精度高等优点。 展开更多
关键词 光学向量矩阵乘法 向量矩阵乘法 三值光计算机 三值逻辑光学处理器
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基于改进YOLOv8和多元特征的对虾发病检测方法 被引量:1
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作者 许瑞峰 王瑶华 +3 位作者 丁文勇 於俊琦 闫茂仓 陈琛 《智慧农业(中英文)》 CSCD 2024年第2期62-71,共10页
[目的/意义]对虾病害严重危害对虾养殖业。针对对虾病害发病快、死亡率高等特点,高密度的工厂化养殖等模式需要一种高效率对虾发病检测方法替代传统人工检查方法,实现对虾发病的及时预警。[方法]提出一种基于改进YOLOv8(You Only Look O... [目的/意义]对虾病害严重危害对虾养殖业。针对对虾病害发病快、死亡率高等特点,高密度的工厂化养殖等模式需要一种高效率对虾发病检测方法替代传统人工检查方法,实现对虾发病的及时预警。[方法]提出一种基于改进YOLOv8(You Only Look Once)和多元特征的对虾发病检测方法。首先利用改进YOLOv8网络从对虾夜间水面红外图像中进行前景提取,再利用Farneback光流法和灰度共生矩阵(Gray Level Co-occurrence Matrix,GLCM)提取对虾视频片段的运动特征与图像纹理特征,利用提取到的特征参数构建训练数据集,训练支持向量机(Support Vector Machine,SVM)作为分类器用于检测对虾视频片段,实现对正常与发病的对虾视频片段的检测分类。[结果和讨论]训练好的SVM分类器在300个测试样本上的表现为检测准确率平均值为83%,检测效果达到设计要求。检测误差主要是将发病片段错误地检测为正常片段。该误差主要受水面对虾数量和视频影响。[结论]本研究实现了对对虾发病的检测,提供了一种基于计算机视觉的检测方法。但受条件限制,仅在工厂化养殖环境下进行了实验,尚不能适用于多种养殖环境,仍有改进空间。 展开更多
关键词 对虾病害 计算机视觉 YOLOv8 Farneback光流法 灰度共生矩阵 支持向量机
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用于光学向量矩阵乘法器的光源阵列系统
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作者 卢洋洋 周平 +2 位作者 朱巍巍 张磊 杨林 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2014年第1期133-139,共7页
对用于光学向量矩阵乘法器的16路阵列光源和驱动电路进行了系统的研究。提出了采用商用分布式反馈激光器(DFB)和16路光纤阵列耦合的方式构造阵列光源模块,并且在驱动电路中设计了功率反馈自校正调节算法,解决了由于当前激光器制造工艺... 对用于光学向量矩阵乘法器的16路阵列光源和驱动电路进行了系统的研究。提出了采用商用分布式反馈激光器(DFB)和16路光纤阵列耦合的方式构造阵列光源模块,并且在驱动电路中设计了功率反馈自校正调节算法,解决了由于当前激光器制造工艺条件的限制而造成的各路激光器之间的阈值电流和P-I转换效率等参数差异问题。实现了光源系统各个通道间的输入向量数据和输出光强之间的一致性映射。实验结果证明,所研究开发的光源阵列不仅成本低,而且数据源信号的高频响应性能良好,保证了光学向量矩阵乘法器运算性能的稳定性和准确性。 展开更多
关键词 光学向量矩阵乘法器(OVMM) 分布式反馈激光器(DFB) 光纤阵列 驱动电路 自校正
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数字微镜器件在光学矢量矩阵乘法器中的特性及应用分析
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作者 聂永名 胡文华 +1 位作者 李修建 杨建坤 《光学与光电技术》 2009年第1期12-16,共5页
为了分析数字微镜器件在矢量矩阵乘法器中作为空间光调制器的可行性,根据数字微镜器件(DMD)以及光学矢量矩阵乘法器的基本结构原理,设计了应用2块DMD的光学矢量矩阵乘法器,此系统中由两片数字微镜器件分别完成光学矢量和矩阵的输入。从... 为了分析数字微镜器件在矢量矩阵乘法器中作为空间光调制器的可行性,根据数字微镜器件(DMD)以及光学矢量矩阵乘法器的基本结构原理,设计了应用2块DMD的光学矢量矩阵乘法器,此系统中由两片数字微镜器件分别完成光学矢量和矩阵的输入。从理论分析及实验两方面对DMD的光学特性表现以及它对乘法器的计算性能影响进行了研究,得到的结果与预期相符合。实验结果表明通过矩阵编码、选择级次等方法可有效降低干涉衍射对矢量矩阵乘法器影响。这对光学矢量矩阵乘法器的结构优化设计、编码规则研究具有一定的参考价值,有利于促进光学乘法器的关键应用技术研究,对光学矢量矩阵乘法器的设计具有一定的指导意义。 展开更多
关键词 信息光学 数字微镜器件 闪耀光栅 矢量矩阵乘法器
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准单色光在光学矢量-矩阵乘法器中的传播与光场分布
12
作者 周晓霞 张竹娴 杨丞 《长沙大学学报》 2016年第2期26-30,共5页
研究了光学矢量-矩阵乘法器中光波面的调制特性,从柯林斯公式出发,分析了准单色光在乘法器的空间光调制器平面上的光场分布.结果表明,只使用单个光束会引起空间光调制器上单像素可探测的能量较小,容易出现误差,且焦距比较短,工艺设计困... 研究了光学矢量-矩阵乘法器中光波面的调制特性,从柯林斯公式出发,分析了准单色光在乘法器的空间光调制器平面上的光场分布.结果表明,只使用单个光束会引起空间光调制器上单像素可探测的能量较小,容易出现误差,且焦距比较短,工艺设计困难;采用多光束并束不但可以改善均匀性,使得每个像素可探测的能量显著增加,而且可放宽对所需的焦距限制,从而可降低工艺设计的难度. 展开更多
关键词 准单色光 柯林斯公式 光学矢量-矩阵乘法器
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The challenges of modern computing and new opportunities for optics 被引量:12
13
作者 Chong Li Xiang Zhang +2 位作者 Jingwei Li Tao Fang Xiaowen Dong 《PhotoniX》 SCIE EI 2021年第1期74-104,共31页
In recent years,the explosive development of artificial intelligence implementing by artificial neural networks(ANNs)creates inconceivable demands for computing hardware.However,conventional computing hardware based o... In recent years,the explosive development of artificial intelligence implementing by artificial neural networks(ANNs)creates inconceivable demands for computing hardware.However,conventional computing hardware based on electronic transistor and von Neumann architecture cannot satisfy such an inconceivable demand due to the unsustainability of Moore’s Law and the failure of Dennard’s scaling rules.Fortunately,analog optical computing offers an alternative way to release unprecedented computational capability to accelerate varies computing drained tasks.In this article,the challenges of the modern computing technologies and potential solutions are briefly explained in Chapter 1.In Chapter 2,the latest research progresses of analog optical computing are separated into three directions:vector/matrix manipulation,reservoir computing and photonic Ising machine.Each direction has been explicitly summarized and discussed.The last chapter explains the prospects and the new challenges of analog optical computing. 展开更多
关键词 optical computing vector matrix multiplier Artificial neural network Reservoir computing Photonic Ising machine Hybrid optical-electrical system
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Silicon-based optoelectronics for general-purpose matrix computation:a review 被引量:5
14
作者 Pengfei Xu Zhiping Zhou 《Advanced Photonics》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第4期1-13,共13页
Conventional electronic processors,which are the mainstream and almost invincible hardware for computation,are approaching their limits in both computational power and energy efficiency,especially in large-scale matri... Conventional electronic processors,which are the mainstream and almost invincible hardware for computation,are approaching their limits in both computational power and energy efficiency,especially in large-scale matrix computation.By combining electronic,photonic,and optoelectronic devices and circuits together,silicon-based optoelectronic matrix computation has been demonstrating great capabilities and feasibilities.Matrix computation is one of the few general-purpose computations that have the potential to exceed the computation performance of digital logic circuits in energy efficiency,computational power,and latency.Moreover,electronic processors also suffer from the tremendous energy consumption of the digital transceiver circuits during high-capacity data interconnections.We review the recent progress in photonic matrix computation,including matrix-vector multiplication,convolution,and multiply–accumulate operations in artificial neural networks,quantum information processing,combinatorial optimization,and compressed sensing,with particular attention paid to energy consumption.We also summarize the advantages of siliconbased optoelectronic matrix computation in data interconnections and photonic-electronic integration over conventional optical computing processors.Looking toward the future of silicon-based optoelectronic matrix computations,we believe that silicon-based optoelectronics is a promising and comprehensive platform for disruptively improving general-purpose matrix computation performance in the post-Moore’s law era. 展开更多
关键词 silicon-based optoelectronics photonic matrix computation optical interconnections photonic-electronic integration
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自由空间可重构光互连网络的光学矩阵运算 被引量:2
15
作者 杨俊波 李修建 +3 位作者 杨建坤 刘菊 苏显渝 徐平 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第7期1762-1771,共10页
根据榕树网络的链路函数和连接规则,得到光信号变换矩阵,将光互连网络对信号的传输与处理,等效为对输入信号阵列的矩阵运算,建立输入/输出信号间的关系;同时,将二维榕树网络矩阵运算拓展和延伸到三维空间,对自由空间三维榕树网络的交换... 根据榕树网络的链路函数和连接规则,得到光信号变换矩阵,将光互连网络对信号的传输与处理,等效为对输入信号阵列的矩阵运算,建立输入/输出信号间的关系;同时,将二维榕树网络矩阵运算拓展和延伸到三维空间,对自由空间三维榕树网络的交换和信号处理进行矩阵运算等效,并最终实现光信号的路由判断和节点开关控制;从理论上解决了利用光互连网络的拓扑结构性质和节点开关状态的调整,实现可控的矩阵运算操作问题;为多端口大容量高速光互连网络的信号传输与交换、运算与处理、路由与控制等提供了一种有效的方法。 展开更多
关键词 光通信 光互连网络 矩阵运算 榕树网 全交叉网络
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基于半导体光放大器的光学向量矩阵乘法器的实现方法 被引量:3
16
作者 谢静雅 李新碗 陈建平 《光电子.激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第4期654-658,共5页
提出了一种基于半导体光放大器(SOA)的光学向量矩阵乘法器(OVMM)的实现方法。与传统的向量矩阵乘法器相比,本文方法采用的是非空间光的实现方案,且SOA的增益补偿作用可对计算所得的光功率进行校正,从而提高计算精度。对提出的方法进行了... 提出了一种基于半导体光放大器(SOA)的光学向量矩阵乘法器(OVMM)的实现方法。与传统的向量矩阵乘法器相比,本文方法采用的是非空间光的实现方案,且SOA的增益补偿作用可对计算所得的光功率进行校正,从而提高计算精度。对提出的方法进行了1×2向量与2×2矩阵乘法运算的实验验证,结果表明可以实现向量矩阵乘法器的运算功能。利用SOA的大范围增益可调特性,可有效提高信号动态范围,利于多路信号间均匀性的改善,且易于集成。 展开更多
关键词 光计算 光学向量矩阵乘法器(OVMM) 半导体光放大器(SOA) 增益补偿
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基于光学向量矩阵乘法器的光学信息处理系统研究 被引量:1
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作者 卢洋洋 周平 +2 位作者 朱巍巍 张磊 杨林 《光电子.激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第9期1656-1661,共6页
光学向量-矩阵乘法器(OVMM)作为一种利用光学方式进行向量-矩阵运算(VMM)的光学系统,由于采用天然具有高带宽、高并行性的光学处理方式,在海量数据处理领域极具潜力。本文实现了一套基于空间OVMM的光电混合数字信号处理系统,采用自主设... 光学向量-矩阵乘法器(OVMM)作为一种利用光学方式进行向量-矩阵运算(VMM)的光学系统,由于采用天然具有高带宽、高并行性的光学处理方式,在海量数据处理领域极具潜力。本文实现了一套基于空间OVMM的光电混合数字信号处理系统,采用自主设计实现的维度为16×16的空间OVMM作为核心运算单元。实验结果显示,系统能够完成76.8G/s乘法累加(MAC)运算,满足实时数据处理对运算速度的需求。系统使用可编程逻辑器件(FPGA)作为电学协处理单元的核心组成部分,因此具有可编程性,可以满足多种不同的应用需求。 展开更多
关键词 光计算 光学向量-矩阵乘法器(OVMM) 向量-矩阵乘法运算(VMM) 可编程
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