（光学专业论文）白光彩色图象多通道联合变换相关识别的研究.pdf

摘要 摘 要 冰文 提 出 了 白 光 彩 色 图 象 的 多 通 道 联 合 变 换 相 关 识 另 。及 其 不 同 的 光 学 实 现 方 法。它的基本思路是利用三色光栅对彩色图象进行实时调制编码，将得到的非相 彩色编码图象由光寻址的空间光调制器转换成相 几 的单色编码图象，对该单色编码 图象进行傅里叶变换，在傅氏透镜的焦平面上得到的空间 l 分资 _ 的联合功率谱，形 成了 多个 级通道和个零级通道。对爆个通道卜 的联合功率谱分别进行逆傅里叶 变换则可得到该通道 卜 的相关结果。综合每个通道 仁 的相关结果就能对彩色图象进 行判断识别首先本文针对彩色图象的多通道相关识别，提出了 相应的相关到断函 数 、 利 用 它 ，1 以 对 彩 色 图 象 进 行 自 动 识 别 随 后 少 本 文 分 别 建、 一 了 用l c d , c c d 火电1 g 件和应用 b s o晶体的自光彩色图象多通道联合变换相关识别系统，系统的 级通道可以实现彩色图象的相关识别，而零级通道可以实现输入图象的仅形状相关 识别最后本文对白光彩色图象多通道联合变换相关识别的两个小同实现方法进行 了分析和比较，对影响相关识别的一些因素进行了讨论。 关键词:联合变换相关，彩色图象识别，多通道，二色光栅，光折变效应 一 一 一一 一一一一一 一一 一一n o ab s t r a c t i n t h i s p a p e r , t h e p r i n c i p l e a n d t h e o p t i c a l i m p l e m e n t a t io n s o f m u lt i - c h a n n e l j o i n t t r a n s f o r m c o r r e l a t o r ( j t c ) f o r t h e r e c o g n i t i o n o f w h i t e l i g h t c h r o m a t i c p a t t e r n a r e p r e s e n t e d . i n t h e e x p e r i m e n t , a t r i c o l o r g r a t i n g i s u s e d t o e n c o d e t h e c h r o m a t i c p a t t e rn i n r e a l - t i m e , a n d a n i n t e n s i t y - d e p e n d a n t o p t i c a l a d d r e s s e d s p a t i a l l i g h t m o d u l a t o r ( o a s l m) i s u s e d t o t r a n s f o r m t h e e n c o d e d c h r o m a t i c p a tt e rn i n t o a c o h e r e n t m o n o c h r o m a t i c p a t t e r n f o r f u r t h e r f o u r i e r t r a n s f o r m . f i r s t - o r d e r s s e p a r a t e d i n d i ff e r e n t o r i e n t a t i o n s a n d z e r o - o r d e r o f th e j o i n t p o w e r s p e c t r a a r e o b t a i n e d o n t h e f o c u s p l a n e o f t h e f i r s t f o u r i e r l e n s . w h i c h f o r m m u l t i p l e c h a n n e l s f o r j t c . o n e a c h c h a n n e l , t h e c o r r e l a t i o n r e s u l t c a n b e o b t a i n e d f r o m t h e i n v e r s e f o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n o f t h e p o w e r s p e c t r u m. b a s e d o n t h e c o r r e l a t i o n r e s u l t s o n t h e c h a n n e l s , c h r o m a t i c p a t t e r n c a n b e d i s c r i m i n a t e d . i n t h i s d i s s e r t a t i o n . a d i s c r i m i n a t i o n f u n c t i o n i s i n t r o d u c e d f o r m u l t i - c h a n n e l c o r r e l a t i o n r e c o g n i t i o n o f c h r o m a t i c p a t t e r n s . i w o m u i t i - c h a n n e l .i t c s y s t e m s w it h l c d , c c d a n d w i t h b s o c r y s t a l f o r w h i t e l i g h t c h r o m a t i c p a t t e r n r e c o g n i t i o n a r e in t r o d u c e d , r e s p e c t i v e l y . i n t h e t w o s y s t e m s , t h e z e r o - o r d e r c h a n n e l i s v e ry u s e f u l f o r t h e s h a p e - o n ly c o r r e l a t i o n . a t l a s t p a r t o f t h i s t h e s i s , t h e d i ff e r e n c e b e t w e e n t w o r e c o g n i t i o n s y s t e m s a n d s o m e f a c t o r s , w h i c h a f f e c t t h e c o r r e l a t i o n r e s u l t s , a r e d i s c u s s e d k e y w o r d s : jo i n t t r a n s f o r m c o r r e l a t i o n ( j t c ) , c h r o m a t i c p a t t e r n r e c o g n it i o n . m u t i - c h a n n e l , t r i c o l o r g r a t in g , p h o t o r e fr a c t i v e e ff e c t 第一章 络论 第一章绪论 1 . 1 彩色图象的相关识别 人类社会的进步离不开科学技术的不断发展而科学技术的发展很大一部分是 在人们改造自 然和征服自 然的过程中制造各种上具来模仿和超越各种生物的功能的 结果。人乃万灵之首，随着现代科学技术的发展，人类也一直追求用机器代替人的 一此功能甚l i 全部功能，梦想能造出与人一模 一 样的工具即机器人人类具有强大 的记忆、判断和识别能力，模式识别的日的是使人们制造的上具的识别判断能力达 到并超过人类在这方面的能力。由于 人类进行记忆、判断和识别的绝大部分信h . 来 自 眼睛，所以光学模式识别的研究对制造具有人的功能的土具起着重要作用在现 代社会中，光学模式识别己被应用于 社会生产的各个领域，但它的适应性和准确度 还需很大的提高，以满足苛刻条件下的识别。人们在灰度图象识别的研究日趋成熟 同时，自 然想到了彩色图象的识别，对彩色图象识别的研究也发展成当今模式识别 中的一个重要部分。 光学相关识别是光学模式识别中的一种重要技术，主要包括匹配滤波相关器 ( m f c ) 和联合 变换相关 器( j t c ) a 1 9 6 3 年， v a n d e r l u g t 提出了 复空间滤波的 概念 i u 并将其应用于光学信息处理中，产生了匹配滤波相关器。由于匹配滤波器有制作复 杂、要求精确复位等缺点，使之在实现实时模式识别时具有 一 定的困难1 9 6 6年， w e a v e :和g o o d m a n提出了联合变换相关器2 1 ，它克服了mf c的一些缺点，具有简 单、易实现、实时及适应能力强等优点但由于当时光电及电光转换器件发展缓慢， j t c的实现及应用都受到 一 定的限制。随着光电技术的发展，各种实时光电器件的 产生使j t c的研究及应用得到迅猛发展各种j t c及其相关技术被提出 如非线性 月c ,惆啾编码 j t c .预处理j t c和边缘增强j t c等13 .2 3 1 。山于j 丁 c技术的发展和提 高，为了 更接近自 然和实际应用，人们也在开始进行彩色图象识别的研究。s h i n ,首 先提出利用匹配滤波器来实现彩色图象的识别，f . 丁 . s . y u 2 s y 提出了彩色图象的 j t c ，此后，基于mf c和 j t c的彩色图象识别系统多次被提出12 6 4 0 1 。但这些系统的 适应性都不是很强，它们基本上需要两至止种波长的激光来照明，大大降低了向实 用性转换的可行性。所以研究一种白光照明的 j t c米进行彩色图象的识别将对彩色 模式识别的发展起到一定的推动作用。 ; 1 . 2光学相关识别中的器件 光学信息处理的发展离不开光电和电光器件的发展，随着电 r 技术和机械技术 第一令 绊论 - 一 一 一 一 衬 一 j 一一 一 一 一 . - . 一 一， 一-一一 一， . - 一一 一一 一 一 一 一， -一 _ 的发gle .各种可应用于光学信息处理的新型光学5件诞/4了 。各种空间光调制器件 和光电探测器件相继被应用于光学相关识别中。空问光调制器4 1 从材料和结构 卜 区 别牡 要 有: 液f r 电 视 ( l c t v ) 一 ， 、 液晶 显 示 器 ( l c d ) x4 6 , 4 7 、 磁光 器 % - ( m o d ) i. . 4 e 及液品光阀 0 ,c 1 ,v ) i l l等( . l c t v , l c d和m o d主要用于n象的显示，l c l v用 i ii i l l i i l w l 相一 ) 七 或相 r 光1i 7 fi rs - f 光的转换。从性能上区分，空ii a 光调制器主要 仃光泞 址与电寻址两种，光寻 址的空问光调 制器 ( o a s l m)的基本原理是利用写入 光的信 9 、 对读出光进行调制，主要用于非相干光信息向相干信息以及波 长的相 卜 光信息向另一波长的相干光信息的转换;电寻址的空间光调制器 ( e a s l m)是利用 输入器件的电信号对读出光进行调制，它主要用于图象的显示。 l i ii, 探测器件主要 是电荷祸合器件 ( c c d ) ， 它可探测微弱的光信号，r生视频信号。八 ! 年代开始， 这些光学器件在光学模式相关识别中的应用，推动了各种实时光学相关器的发展， 许多光学相关器被用于工业生产、军事侦察、目 标跟踪等。 由于光折变晶体具有存储容量大、分辨率高、实时性、可循环使用等特点，自 1 9 6 6 年贝尔实验室发现铁电晶体具有光折变效应以来，人们对晶体研究的不断深入， 晶体的非线性效应也得到了广泛的应用。除被用十激光器的制作、般的光电调制 器件外，也被应用在实时光学信息处理中，如光放大、光学记忆、图象复原、空问 a调制器、光学时间微分器、光偏转器等。山于具有体积小、分辨率高等特点，品 体在光学相关器中的应用有助于实现光学相关器的小型化、提高它的适应性及稳定 性由于晶体在双波祸合及四波混频中的性质，在联合变换相关器中利用它对联合 功率谱进行写入和读出，随后对读出的功率谱进行逆付里叶变换可得到输入图象的 相关结果。也可以简单地将晶体看作 一 种体全q , 记录介质，利用它来记录联合功率 谱，则在晶体中形成与功率谱相对应的体相位光栅，用不同波长的光进行读出，读 出光经逆傅里叶变换后便得到输入图象的相关结果应用光折变晶体实现光学模式 的相关识别，人们已提出许多方案和系统x5 4 -6 0 ，本文首次把光折变晶体应用于白光彩 色图象多通道联合变换相关器，从而使相关结果有所改善。 1 .3本论文的研究内容 本论文的研究s作包括如下内容: 、提出了自光彩色图象的多通道联合变换相关识别，并首次给出了相应的识别 刊断函数_ 2 、利川草 c c d的自光多通道联介变换相关 器实现了彩色图象的相关 第一章 绪 i 4 识别。 3 、首次利用基于b s o晶体的白光多通道联合变换相关器实现了彩色图象的相 关识别。 4 、对应用 l c d . c c d光电元件和应用b s o 晶体的白光彩色图象多 通道联合变 换相关器进行了分析和比较。 第_ _ 帝 自 乞 衫色图象多通道联合变换相关识y .; 第二章 白光彩色图象多通道联合变换相关识别 本章提出了利用三色光栅对彩色图象进行实时编码，来实现白光彩色图象的多 通道联合变换相关识别，并提出了多通道相关识别的判断函数。 夸 2 . 1联合变换相关的原理 传统的联合变换相关器是一个4 f系统，它的原理光路图如图2 . 1 . 1 . 相干读出光 相干写入光 一厂 厂 布 傅里叶变换傅里叶变换 卡 办 输入图象 功率谱相关输出 图2 . 1联合变换相关的原理图 当参考图象: ( x 、 一 x o , y , ) 和待识别图象s ( x ， 十 x o , y l ) 同时被输入到相关器的输入平面 p 、 时，输入场景可表示为: f ( - y) 二 r ( x一 x 0 , y i ) + s ( x , + x o , y , ) ( 2 . 1 . 1 ) 经过傅里叶透镜f il , 进行傅里叶变换: 第_章 自光 彩色图象多通道联合 变换刁 比 咬 识别 f (x , ,y , )= r (午 .令 ) e x p (- 哭 孕 ) 十 s (架 ，y z ) e x p x ,x 式) 刃少考 / .v 少/i .v ( 2 . 1 .2 ) 其 中，r( x 2 / 狱 s ( x , + 二 ( 、 y , ) 的傅 , . 方律探测器位 , y 2 / 衫 s ( x , / 衫， .、 : / 汀) 分 别是 参 考图 象)( : ， 一 : , y i ) 和i; ! y il 图象 i( t. n 变换函数，义是所用光波的波长 i f 11 ， 的焦平面p , ，则接收到的i 71 率潜i ( 二. 1 , ) 为: i(一 )一x2 _y2hl af )一 1s (a,f 一 ) (2l3) r (x 2 , y- )s (x , y ,.)ex p(- 2 ( x x 0 )a f 1f f 2 1 a f r 馨 ，芬 ，“ 分 ，分 ) ex p(2 i汾) 其中r * ，犷分别是r，s 的复数共轨。 联合功率谱i ( x 2 , y _ ) 可以 被相于 光 读出， 经 f t l , 进行逆傅ii i, 叶变换f r , p _ 得到相关结果: 8 ( x - y = ) = f t i ( x , , y _ ) 二r ( x , 小 ) .r ( x y) + s ( x. ， ) .s ( x 3 . y) + r ( x， 少 ， : ) 5 ( x y , ) * s ( x ， 一 2 x , ) + r ( x， 少 , ) 05 ( x一 j 认 ) * m、十 2 .; ) ，在输出 f 11 1 ( 2 . 1 . 4 ) “ ”表示相关运算， “ * ”表示卷积 十 式中第一项和第二项分别是参考图象和识别图象的自 相关项，第 浪 顶和第四项是 参考图象和识别图象的气 相关项。参考图象和识别图象的相似程度u j 山相关峰的强 侧给 护 y ;1 111 i . iiu 识别图象 : 参考图象的位若关系曰 介 闭i 关峰c对岑级岭的位苦来确 产 上 。 圣 2 . 2三色光栅对彩色图象进行编码的原理 洛j 训1) f 牡 1 8 5 4勺首次提出了 混色定律,0 u , l 比 定律的 卜 要内容包括: l .人眼的视觉只能分辨颜色的二种变化:亮度，即相应颜色光的辐射功率:色 调，即相应颜色光的光a l 特性:饱和度，即相应颜色光中白光含量的多少c 2 .褥 一 种颇色都有个相应的补色，某颜色与其补色以适当的比 例混合， i j 以户生不同灰度的黑白色。仟问两种作相互补色进行混合，f 更 产生中间色 其亮度是两种颜色光亮度的总和，色调决定十两颜色的相刘数l !. 饱和度取 决于 一 者在色调 顺序上的远近 3 .仟何 一 种颜色光都可以由线性无关的 二 种原色以适当的比例相加混合而行 到线性无关的_ 种原色是指这 二 种原色彼此独立，任何种都不能山另外 两种颜色的混合来得到。 第_章 自光彩 色图象多通道联合变换川人识别 线性无关的_ _ 原色的选择其有定随意性， 般选取红、绿、4 .: 种颜色4 ir . 为 原色，这样任何颜色均可以由下列数学表达式表小: c =r ( r ) + g ( g ) + b ( h 少( 2 . 2 . 1 ) 其中，c为任意一颜色，r , g, b分别是红、绿、监三原色所山的权币 即任何种颜色可山红、绿、蓝=种原色混合得到，( t 何一种颜色也叫分解为红、 绿、蓝二种原色的线性相加。 色光 栅对彩色图象的编码利用了混色定律，:训穷 彩色图象的. j .绿、涪个 原色图象用_个取in 不同的光栅进行调制编码几 色光栅川是由空间须率不同的红 甲l1问、绿黑相问和袱黑相问的 r o c h i光棚相叠加而成的，其中$ 1 4 .; 光6 1 9 i 绿1长 光 棚币k 1 . .蓝黑光棚” 。 亡 们两者 一成4 5 ,亡 的纪构如图2 .2! 所 : 叼叼/v/团 冈叼 / 川/v冈 冈冈川区v比团 冈川冈冈口 /团 口v比/vv一区 口/匕777团 v 川才口/冈团 皿 。 昌 g 翻 b 图2 . 2三色光栅的结构示意图 r :红色g:绿色s :蓝色 它的振幅透过率的表达式是: :( 、 .y ) 一 艺、= g , w+ s , ( y ) + g n ( x , y ) ( 2 . 2 .2 ) 户: gb ， 分别代表红、绿、蓝三种原色 ( l f 卜 : g , ( x ) = r e e l 尤 ) * c o m b ( g , ( y ) g , ( x , ) ) r e e l (y/ )a = r e e l ( ( x + c o mb ( ) * c o m b ( ( x + ( 2 2 .3 ) ( 2 . 2 . 1 ) 火。 (2 .2 .5) 脚火 叮 匕 面式子中 “ ， ”表示卷积， 第 一 章 白光彩色图琢多通道联合 变换相又 识别 其中 rect (x1 ，一 一 % x 、 % 其它 ( 2 .2 . 6 ) co m b (叼 )一 竺 。 杯 - i)， 为 整 数 , t 为 光 栅 周 期(2 .2 .7 ) 下 色光栅编码的光路如图2 .3 彩色图象成象透镜 编码图象 图2 . 3三色光栅编码原理图 输入的彩色图象川 表小为: f n ( x , 力= 一色光栅紧密贴在输出面的前面。 艺f ( x , y ) i - r. g . 。 彩色图象经成象透镜成象， 并经过 ( 2 .2 . 8 ) q 光栅编码 f 更 得到编码后的图象，色 可简单表示为: f , 阮y ) 一 f ,. ( x 力( x ) + f b ( x ,y ) - g , ( ti ) + f , ( x , y ) - g e (x , 3 ) ( 2 .2 .9 ) ，训， ，八x , y ) 为 f , ( x , 力所 成 的 象 利川 一 色光栅可以达到利用黑白胶片进行彩色摄影的目的16l, in 在本论文中是 刊川色光栅对彩色图象进行实时编码来实现彩色图象多通道联合变换相关识别 第_ q 白光彩色n 象多 通邀联合 变4 k - l 4 关wy? 1 一一 - 一-. . .一 -们 一-. 一- . .-一-.-. 一份一 2 . 3白光彩色图象多通道联合变换相关相关识别的原理 自光彩色图象多通道联合变换相关识别是利用二色光 栅对彩色图象进行实时编 码，将彩色图象转换成由不同“ 【了 间频率ia制的彩色图象，经过只对光强有反应的光 刃 址空fh j 光调制器 ( o a s l m) n s 以把非相千的彩色编码图象转换成相应光强分t ii 的 相十单色编码图象对相干的单色编码图象进行傅里叶变换，可得到写 、 间 卜 分i ) 的 功率l 1 形成多个 一 级通道及个零级通道利用各个通道 卜 的功率i进行逆傅里 汗 变换则可以得到对应通道 _ 的相关结果。通过 一 级通道 上的相关u j 以实现对彩 a 图象的识别，而零级通道可用来进( j 一 仅形状相关 利用_色光栅对彩色图象进行实时编码实现多通道联合变换相关识别的光路如 图 2 a: 成象透镜 5 . i n ) 光偏振分 博氏 自光光源 调制器透镜 步 页a输 图 2 . 4白 光彩色图象多通道联合相关 识别光路图 白 光照明彩色图象f , ( x , y ) 二 三 色光栅紧贴于 彩色图象后，经成象透镜成象卜 光李 址的空i, i1 光调制器 ( o a s l m)的写入面l ，从而在o a s l m的写入i(ii f 得到经过编 码的图象。 彩 色图 象f ,; ( x , y ) 可表不 为: f ( x , y ) 一 艺f ( x , y ) : 一 : : ， h ( 2 .3 . 1 ) 山f: 色光栅的透过率为: c , ( y , ”一 艺tf ,、 . ( x ) 、 0 . ( y ) a- g .- ( x . y )( : ; 2 ) 彩色图象经 _ 色光棚f -; 为 i ll ( x , y ) = f , ( x , y ) - g . ( x ) + 儿 ( x , y ) - g 8 ( y ) 十 a l ( x , y ) - g a ( x , y ) ( 2 .3 .3 ) 竺 - t白 光 彩色 图 象 多 通 w a s s 变 m c h 关 识 别 f ,n ( x , 夕 ) 被成象于 .f ( x , y , ) = _ o a s l m的写入而_ l ，从而得到编码的彩色图象人( 二， 1 关( x , y ) g , ( x ) 式( x ， 、 ) g , ( y ) + f b ( x 一 少 ) g b ( x ， : ( 2 . 3 .4 ) * ， ，为 液 品光 阀e-. 的 坐 标，式、g分 别 是了 ， 、9 1 在o a s l m写 入 i tl i 曰 自 象 9; ( r , 编码图象汽 ( x ,力= f if 以 被o a s l m转换 成相干 的单 色 图 象几 c f ( x , y ) g , ( x ) c f , ( x ,y ) . g , 沙) 十 c 1 f b (x ,y ,) - g b (x ,y ) ( 2 . 3 . 5 ) 典 队 ， 、 、 ( 一 。 分 别 是o a s l m对 红、 绿 蓝三 种 原色 的 读 出 系 数 编码的单色相干图象经傅氏透镜进行傅里叶变换后为: 凡( , 7 7 ) 二 c只( , 1 7 ) * g , ( ) 十 c g 叮 ( , 77 ) * g q ( 77) + c b 动 , i7 ) * g , ( , q ) ( 2 . 3 . 6 ) 其中: - n是频谱空间坐标。 只取频谱的一级衍射和零级，闰 一 得到分开的四个通道的空间频a f . f ,. ( , 77 ) 二 c o f ( , , q ) . ,f * ( , q ) -i- c , (i f , (; 一 ; i ll)一 + if ,1( + . ,n )一 + c , i f g (; ， 。 一 : ; )， + 一f , ( j + ,7, )12 飞 + c 一f b ( 、 一 y 1 ,: 一 。 )一 + 一* ; (; + 、 。 ，: 、 。 。 )一2 ( 2 37 ) 其中 ， 是 常系 数。 根据2 .3 .7 式的 数学表 示， 它 们的空lu l 分h如图2 . 5 所不 然f i 对每个通道上 的功率谱用傅氏 透镜进行逆傅眼叶变换，在傅氏透镜的焦平而 卜 可$ 到对应通道上的相关结果， 。0 c 0 图 2 .5白光多通道联合相关识别 的功率谱分布图 第_章 白光彩色图 象多通道联合变换相关识别 假设 参考图 象r ( x 一 x , 力和待 识别图 象s ( x + x b , 力都 包括有 某一 原 色， 则 此原 色通 道 上的功率谱为: f f ( , 1l ) = c ,f ( : 77 ) f (刃 ) 一 c id f ( ,rl + 一f ,( , 7i z + f ( , r l ) 叮( 古 川e x p (- 2 i4 , ) 十 f ,; (7 一 77 , 对功率谱进行逆傅里叶变换，则可得到红色通道 卜 的相关结果: g , ( x y) = r , ( x y ) . r , ( x y , ) 十 s , ( x y , ) .s , ( xy , ) + r , ( x , , y , ) 0s , ( x , , y ) * s ( x一 2 x a ) , ( 2 . 3 . 9 ) + r , ( x , , y , ) .s , ( x , , y , ) * 8 ( x+ 2 x a ) 其中x， )是 相关输出 面上的 坐标， 第一、一 项为 参考图 象和待识别图 象的自 相关项， 第三、四项为它们的行 _ 相关项。 从上面数学分析可见，利用三色光栅对彩色图象进行调制编码，可以 把彩色图 象转变成受二色光栅调制的彩色编码图象，再经过 o a s l m 可 将非相+的编码图象 转变为单色的相干编码图象，在其傅里叶变换的输出面上形成多个级通道及一个 零级通巡。在每个一级通道 卜 都可以对相应的原色图象进行相关识别，根据每个通 道 卜 的相关结果就可对彩色图象进行综合判断识别。 为能系统分析相关结果，以适应自 动识别的趋势，提出了适合多通道相关识别 的相关判断函数d: r , g , b( 2 . 3 . 1 0 ) 其中， i n t ( ) 为 取整函 数，s表 示各 个 通道上 接收 功率 谱的 情况， 若 通道上 接收到了 功率谱 则s = l ， 无功率谱 则s .= o o c . 表示各个一 级通道上的 相关结果， 若相关 峰 高 于 im j 值， 则c .= 1 , 相 关 峰 低于 ia 值， 则c = o 待识 别 图 象 是 否 与 参 考图 象 相 关 可由d 的 值得到，d = l 时 ， 表 示待识 别 图 象与 参 考图 象 相 关，d = o 时， 表t 待 识别图象与参考图象不相关。例如，对于待识别图象与参考图象为相同的自色字母 e ” 时， 它 在每 个 通道 上 都 有 功 率 谱， 则s ,.= s f = s , = 1 ， 在褥 个 级 通 道上 都 能 得 到 高 于闭 值的 相 关 峰 ， 则c , = c x = c b = 1 ， 得 到d = 1 ， 表 示 待 识 别 图 象 与 参 考 lj 象相关。而对于待识别图象为绿色字母 “ e ”和参考图象为黄色字母 e ”时， s , = s : 一 1 ， s 。 一 。 ， c = c = 1 ， 得 到d = o , 则 表 示 参 考图 象 和 识 别 图 象 小 相 第_章 白 光彩色图 象多 通道联合变换相关识别 关。 若想使零级通进的相关结果也能在相关判断函数中得到表现，可以对以上 勺 相 关判断函数进布 j 改进。最终的相关判断函数可表示为: d= i n t ( ) 斗 c、( 2 3. 1 1 ) 艺监。艺 c 。 表示零级通道上相关结果， 待识别图 象与 参考图 象在零级通道土相关 则c , = 1 ， 不 相关则c o = o 。 所以， 最终d 可以 为。 、1 , 2 . d = 0 表 示待识 别图 象177 参 考c 7 象 在形状和颜色上都不相关，例如参考图象为黄色字母 “ e，待识别图象为绿色字母 f ” 时候，s , = 凡 = 1 ，s h = o ，c , = c b = c= c o 二 。 ， 则 得到d = o d - 1 表示识 别图象10 , 参考图象在仪形状上相关，而在颜色上不相关，例如待识别图象为绿色字 母 f ; ， 参 考 图 象为 黄 色 字母 e ” 时， s , = s a = 1 s b = o 。 c = 叭 二 。 ， 伙= c0司， 则得到d = i o d = 2 表示待识别图象和参考图象在形状和颜色 上 都相关，例如待识 别图 象 和参 考图 象 都 为白 色字母 e ” 时， s , = s a = s b = 1 , c .= c , = c h = c , -= 1 , 则 得到d -= 2 。 小结:本章 提出了 自 光彩 色图象的多 通道联合变换相关识别 并 针对多 通道相关识 别提出了用十自 动识别的相关判断函数 一 一. - 一递三竺卫逻型丝些巫壑丝至丝鲜望1)工 鱼 塞 塑 第三章 白光彩色图象多通道联合变换相关识别的实现 本章建立了分别应用 l c d . c c d光电元件和应用 b s o晶体的白 光彩色图象多 通道联合变换相关器，并利用它们对彩色图象进行了相关识别实验。 3 . 1应用光电元件的实现 应用光电元件的白光彩色图象多通道联合变换相关器是利用三色光栅对彩色图 象进行实时编码，把彩色图象转变成受取向不同光栅调制的图象，由光寻址的空间 光调制器把非相干的彩色编码图象转换成相干的单色编码图象，对相千编码图象进 行傅里叶变换在每个通道上得到的功率谱由 c c d接收并传输给 l c d ，然后对显示 在 l c d上的功率谱进行逆傅里叶变换便得到此通道上的相关结果。 实验光路如图3 . 1 所示。其中用白光光源照射彩色图象，三色光栅紧贴在彩色图 象后面对彩色图象进行调制编码，编码后的图象经成象透镜成象在实验中的空间光 调制器一液晶光阀的输入面上。编码的非相干彩色图象由 h e - n e光读出后，经过偏 转分束器转变成相干的单色编码图 象，再 经傅氏 透镜f t l ， 完成傅里 叶变换。 用平方 律探测器c c d接收功率1 111 ， 功率谱被传送给空j i i 光ia j 制器l c d , ) 显示在l c d上。 用平 行 光 照 射l c d读出 的 功 率 谱经另 一 个 傅氏 透镜f t l : 进 行逆傅里叶 变换后， 可 在它的焦平面上得到相关结果。各个通道上的相关结果由另一个c c d接收并传给计 算机和监视器。计算机对各个通道上的相关结果进行处理和判断，并最后综合各通 道 匕 的结果对待识别图象做出相关判断。 在实验中 用彩色的透明片作为输入图 象，每个图象的尺寸约为3 m m x 5 m m， 参考 图象和识别图象中心间距为5 m m ;傅氏透镜的焦距为5 0 0 m m;三色光栅是本所自己 制作的，空fi ll 频率为2 0 m m ;c c d足台湾敏通公r j 的 m t v - 1 8 8 1 e x ,其象素为 5 1 2 x 5 1 2 ,图象接收面积为7 .9 5 m m x 6 .4 5 m m ; l c d是台湾原太公司的p 1 8 a d 1 ,其 分辨率为l 3 .2 m m - x 8 .5 m m 一 ，l c d的显示面积为3 6 . 5 m m x 2 7 . 5 m m ; l c l v 的分辨 率为4 0 m m - 。实验中使用m5 5 0 图象卡和附带的软件进行图象的采集和处理。 为了验证系统的多通道相关识别，首先输入两个白色的字母 “ e ”进行实验。输 入的参考图象和待识别图象如图3 .2 ，由c c d接收的分通道的功率谱分布如图3 .3 . 可以看出，由于白 色图象可以分解为红、绿、蓝二原色的线性组合，则对它进行傅 里叶变换可以得到三个一级通道和一个零级通道。 进三 全 卫 兰丝退 鱼 鱼 暨 壑 丝 5t- wa ) c 识 别 的 实 现 3 . 2应用b s o晶体的实现 本节在分析了光折变晶体的基本性质及其在联合变换相关器中的应用的基础 上，应用b s o晶体于白光彩色图象多通道联合变换相关器，并运用建立的系统对彩 色图象进行 了 联合变换相关识别。 ; 3 .2 . 1光折变晶体的基本性质 光折变晶体是指在光辐照 卜 ，折射率随光强的空间分布而变化的电光晶体。光 折变晶体具有的光折变效应与通常在强光场作用下 所引 起的非线性折射率变化的机 制不同，后者起因于光致瞬态非线性电极化。而电光晶体的光折变效应是一种复杂 光电过程:电光晶体内的杂质、空位或缺陷充当电荷的施主或受主，在光辐照下， 光激发电荷进入邻近的能带。光激发载流子在带中或因为浓度梯度扩散、或在电场 作用下漂移、或由光生伏打效应而运动。迁移的电荷可以被重新俘获，经过再激发， 再迁移，再俘获，最后离开光照区而定居于暗光区。如此而形成与光强空间分布相 对应的空间电荷分布。这些光致分离的空间电荷产生相应的空间电 荷场。如果晶体 小存在反演对称性，空间电 荷场将将通过泡克耳斯效应在晶体内形成折射率在空间 的调制变化，也即在晶体内写入了相位光栅。并且，光束写入光栅的同时，又受到 自 写入相位光栅的衍射作用进行读出，则光束的读写是同时进行的。记录的相位光 栅是一种动态实时体全息光栅，它对写入光束的自 衍射，将引起光波的振幅、位相、 偏振甚至频率的变化。利用光折变晶体的这些性质，可以用来制作各种非线性光学 器件，如体全息实时存储器、光象放大器和振荡器、相位共祸器、空间调制器等。 人们发现光折变效应是电光晶体的普遍性质，先后在铁电晶体l i n b q、 b a t i o 3 , l i t a o , , k n b o 3 , s r b a ,_ , n b , 0 6 ( s b n ) 等铁电氧化物和顺电相晶体 b i, s i o , , ( b s o ) , b i ,z g e o , , ( b g o ) , b i , t i o 2 u ( b t o ) 等立方 硅族 氧化物观察到光 折 变现象。这些光折变晶体除具有较大的电光系数外，与一般在高功率光场作用 卜 的 非线性光学材料相比有两个显著的特点: 、光折变晶体的光学非线性效应与光强无关，光强仅影响光折变过程的速度。而月 这种光折变效应起因于光强的空间调制，不是绝对光强。 2 、光折变晶体的空间分布非局域响应，即动态光栅在波矢k方向上相对于干涉条 纹有一定的空ih j 相移 ( 0 # 0 ) . 第_ _ r ,. i -一 i 光彩色图d e f % i f i a u l 台变换4 1 1 关识别的 j a i. 3 .2 .2光折变晶体在联合变换相关器中的应用 自贝尔实验室的 a s h k i n 等人于 6 0 年代发现光折变效应之后，人们对光折变效 应的研究非常活跃。人们己利用光折变效应制作了自泵浦相位共 t 器、光折变振荡 器等，光折变晶体已被广泛应用于实时光学信息处理例如象放大和象相关、畸变 修下、二维逻辑处理、空间光调制器、光束偏转、光学时间微分以及激光锁模技术 等。应用光折变晶体的联合变换相关器(5 4 -6 0 也已提出了许多，它们主要是利用光折 变晶体实时记录相位体光栅、二波混频以及四波混频的性质，对应的光路基本有 卜 面_ _ 种。 、利用光折变晶体记录联合变换功率谱 利用光折变晶体记录功率谱进行联合变换相关的光路如图 3 . 1 4 。相 几 光照明输 入图象，其经傅氏透镜进行傅里叶变换，晶体位于傅氏透镜的焦平面上，则功率谱 被写入晶体中，由于晶体的光折变效应，在晶体中形成与功率谱对应的相位光栅。 另一束不同波长的平行的相干光在满足布拉格条件下对晶体照射，除透射光外，在 定方向上有衍射光。对输出光进行傅里 叶变换，在傅氏透镜的焦平面上则能得到 零级项和一级项，零级项是透射光的结果，而一级项是衍射光的结果，它代表相关 结果。 利用光折变品体记录联合功率谱进行联合相关识别的数学描述如下: 参 考图 象r ( x 、 一 x 0 , y i ) 和 待识别 图 象s ( x , + x o , y , ) 组 成 输入 场 景: f ( x y , ) 二 r ( x , 一 x 0 , y i ) + s ( x , + x 6 , y i ) ( 3 . 2 . 2 . 1 ) 输 入 傅氏 透镜 半透滤色片 傅氏 透 镜 偏 振片输出 面 i r 。s i, 写入光 读出光 图3 . 1 4光折变晶 体记录功率谱进行联合变换相关 一 一一m - r i r: ll 塑 iu i k o x f d a ; 3;d k 3 o w 一 一一 一 - 一 输入图象经过傅氏 透镜进行傅里叶变换: f 一 y 2，一 “ c af ,会 )ex p (- i涂， + s ( x 2 , yf )ex p (i x 0 ) (3 .2 .2 .2 ) 由于光折变晶体的光折变效应对照射的光强响应，则光折变晶体接收的是功率谱: i(一 ，一 ir ( x2 ， y2av af )一 (会 ，分 )12x2 y2 )1 )f r ( x 2 ， y 2 )s *( -c 2 ， y 2 )exp (- 2 i x 2x u )af ? f af , af a f “ 分 ，分 ，“ (专 ，令 ，ex p (2i涂， ( 3 . 2 . 2 . 3 ) i i i 卜 光折变效应，在品体内形成了与联合功率谱相对应的相位体光栅，折射率相位 光栅的振幅为: 如=介 “ ， ( 3 . 2 . 2 .4 ) 其中， 1 为 功率谱，1 。 为写入光折变晶 体的总光强，d o为 最大 折射率指数。 若用另波长的光作为光折变相位体光栅的读出光，对衍射光进行逆傅里叶变 换，在系统的输出而 仁 能得到相关结果: : ( 3iy 3) 一 、x 3,y 3)0 -(x s,y a) * s (x 3 一 2 x 夸 ，* ) ( 3 .2 . 2 . 5 ) 其 中， “ ” 表示相关， “ * ” 为卷积，a 写入光的 波长，a 为 读出光的波长。 由以上 分析可知，可以利用光折变晶体来记 录联合功率谱，在光折变晶体内形 成了与联合功率谱相对应的休相位光栅，另一波长的光作为相位光栅的读出光，对 读出光进行逆傅里a -卜 变换，可在傅里叶变换透镜的焦面上得到相关结果。由于此光 路利用光折变晶体的光折变效应直接在晶体内写入与 功率谱对应的相位光栅，所以 所有光折变晶体都可以利用这种方法实现联合变换相关识别。它的缺点是相关峰不 仅与 待识别图象和识别图象相似程度有关，还受相位光栅的空间周期、晶体的电光 系数、晶体的外加电场、写入激光的光强等的影响。 1 1 、利用光折变双波祸合 利用光折变晶体的双波藕合进行联合变换相关识 别的光路如图 3 . 1 5 。写入光照 射输入图象，其经傅氏透镜进行傅里叶变换，光折变晶体位于傅氏透镜的焦平面上， 功率谱被写入光折变晶体中。另一波长相同的平行光束斜入射晶体内和写入光在晶 体内进行双波隅合，则功率谱的能量向读出光转移，对有功率谱信息的读出光进行 第 一 章 自光彩色图象多 通道联合变换相关识别的实现 傅里叶变换，则能得到输入图象的相关结果。 光折 变 读出光 写入光 图3 . 1 5利用光折变晶体双波祸合的联合变换相关 对利用光折变晶体双波祸合实现联合变换相关的数学描述如 下 : 先对两束偏振光在光折变晶体内的简并一 波祸合进行分析。由于晶体的各向同 胜,晶体内的合光场可表示为: e = ( s a , + p a a , ) e x p ( 一 k , - r ) + ( s b+ p a b p ) e x p ( - i k , - r ) ( 3 . 2 .2 .6 ) k , , k ， 为 光 束的 波 矢，s 为 垂 直 于 入 射面 的单 位矢量，p a i p 。 为 平 行 入 射面 垂 直 于 光