全息單像素成像是計(jì)算密集型技術(shù)，需要緊湊高效的設(shè)備用于特定應(yīng)用，嵌入式計(jì)算機(jī)可能是潛在的解決方案，但由于計(jì)算性能低，它們不適合重建計(jì)算。因此，需要在單個(gè)大規(guī)模集成(LSI)芯片中實(shí)現(xiàn)具有高計(jì)算性能的小型計(jì)算機(jī)。WIMI微美全息利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA，F(xiàn)ield-Programmable Gate Array)開(kāi)發(fā)了用于單像素全息成像的專(zhuān)用系統(tǒng)芯片。

FPGA是一種LSI芯片，可以在現(xiàn)場(chǎng)自由重寫(xiě)邏輯電路。FPGA 可以通過(guò)設(shè)計(jì)特定于應(yīng)用的電路來(lái)執(zhí)行高性能計(jì)算。WIMI微美全息在FPGA實(shí)現(xiàn)迭代計(jì)算方法、哈達(dá)瑪變換和差分鬼影成像(DGI)，從重建計(jì)算到顯示的整個(gè)過(guò)程都是在FPGA上完成，加快圖像重建速度。

據(jù)悉，在這個(gè)研發(fā)項(xiàng)目中，WIMI微美全息開(kāi)發(fā)了一種進(jìn)行實(shí)時(shí)單像素全息成像的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)芯片(SoC，System on a Chip)FPGA。SoC FPGA是一種LSI，其中嵌入式CPU和FPGA在單片系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。它具有比單獨(dú)的嵌入式CPU更高的計(jì)算性能，比單獨(dú)的FPGA具有更大的靈活性，并且可以比計(jì)算機(jī)小得多。此外，選擇應(yīng)作為計(jì)算電路實(shí)現(xiàn)的重建算法對(duì)于設(shè)計(jì)專(zhuān)用于單像素成像的計(jì)算機(jī)非常重要。FPGA雖然計(jì)算性能較高，但硬件資源有限，不擅長(zhǎng)除法和平方根計(jì)算等復(fù)雜計(jì)算。在算法中的優(yōu)化方法和深度學(xué)習(xí)可以在單像素成像中獲得高質(zhì)量的重建，優(yōu)化方法由于迭代方式而存在計(jì)算負(fù)載的問(wèn)題。

微美全息(NASDAQ:WIMI)實(shí)時(shí)單像素全息成像的SoC FPGA試驗(yàn)流程：相機(jī)鏡頭在DMD上形成目標(biāo)物體的圖像。目標(biāo)對(duì)象的圖像通過(guò)編碼DMD上顯示的掩碼圖案進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制后的光由透鏡收集并由單元件檢測(cè)器測(cè)量，隨后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。此外，專(zhuān)用計(jì)算機(jī)根據(jù)光強(qiáng)度重建目標(biāo)物體的圖像。FPGA 部分重建圖像，而WIMI微美全息實(shí)時(shí)單像素全息成像的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)芯片SoC-FPGA上的嵌入式 CPU 在全息顯示器上生成繪圖并進(jìn)行初始化。

物體光由相機(jī)鏡頭在DMD上形成。DMD 上顯示編碼掩碼圖案，對(duì)象光由該圖案調(diào)制。調(diào)制光由透鏡收集，并由單元件檢測(cè)器測(cè)量為光強(qiáng)度。獲得的光強(qiáng)度通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器從模擬強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。切換編碼掩碼模式時(shí)重復(fù)此操作。FPGA 中的接收電路在置位同步信號(hào)時(shí)將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)保存在 FPGA 內(nèi)置存儲(chǔ)器中，同步信號(hào)是在 DMD 切換到新的編碼掩碼模式時(shí)生成的。接收電路保存信號(hào)指定次數(shù)后，重建電路開(kāi)始計(jì)算目標(biāo)對(duì)象全息圖像。然后，SoC FPGA芯片上的嵌入式CPU接收重建結(jié)果并將其顯示在專(zhuān)用顯示面板上，來(lái)實(shí)現(xiàn)在全息專(zhuān)用顯示面板上實(shí)時(shí)觀(guān)察目標(biāo)物體的全息影像。

為提高計(jì)算效率，微美全息在單像素全息成像的SoC-FPGA，采用了一種鬼影成像的相關(guān)算法，適用于FPGA，該算法內(nèi)存使用率低，計(jì)算形式簡(jiǎn)單。該算法引入了編碼掩碼模式優(yōu)化。這種鬼影算法提高了圖像質(zhì)量，但對(duì)內(nèi)存的要求較高。具體而言，鬼影成像算法的實(shí)現(xiàn)需要使用兩個(gè)空間上分離的光束：一個(gè)參考光束和一個(gè)物體光束。是一種基于互相關(guān)或互相關(guān)類(lèi)似技術(shù)的成像方法，它可以通過(guò)使用單光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)圖像重建。該算法的基本原理是，在兩個(gè)空間上分離的光束之間進(jìn)行互相關(guān)測(cè)量，然后使用計(jì)算機(jī)算法來(lái)重建目標(biāo)圖像。例如，參考光束經(jīng)過(guò)一個(gè)隨機(jī)干擾器件，產(chǎn)生隨機(jī)的光強(qiáng)度模式。這些光強(qiáng)度模式被傳輸?shù)轿矬w光束中，它們經(jīng)過(guò)物體后被單光子探測(cè)器探測(cè)。單光子探測(cè)器測(cè)量的光強(qiáng)度值被記錄下來(lái)，并與參考光束的光強(qiáng)度模式進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算。通過(guò)對(duì)多次互相關(guān)測(cè)量進(jìn)行平均，可以獲得目標(biāo)圖像的信息。

鬼影成像算法在成像方面具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)需物鏡的三維全息成像、適用于低光水平的成像、以及適用于透射和反射成像等多種成像模式。

WIMI微美全息的實(shí)時(shí)單像素全息成像的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)芯片SoC-FPGA可以獲得比傳統(tǒng)全息成像技術(shù)更高的圖像質(zhì)量，并通過(guò)SoC-FPGA集成結(jié)構(gòu)優(yōu)化與算法優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)尺寸、圖像質(zhì)量和速度的提升實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全息成像。并且由于是專(zhuān)用實(shí)時(shí)單像素全息成像的SoC-FPGA與典型計(jì)算機(jī)服務(wù)器相比結(jié)構(gòu)非常緊湊，因此可以將單像素成像的應(yīng)用擴(kuò)展到物聯(lián)網(wǎng)和戶(hù)外應(yīng)用。在專(zhuān)用的特定應(yīng)用還包括衛(wèi)星地形測(cè)量的實(shí)施，也可以用于對(duì)象跟蹤，構(gòu)建汽車(chē)導(dǎo)航物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。