（光学专业论文）用体全息相关器和多重频谱滤波法做图像识别.pdf

摘要 摘要 因特网和多媒体技术的快速发展，人们迫切需要一种容量更大、访问速度更快 的存储技术。体全息存储器因其存储密度高、存储容量巨大、存取速度极快的独 特优势，可望满足这种需求。基于体全息存储器的相关识别也因此得到广泛的研 究。本论文的研究就是以角度复用的体全息存储器作为相关运算器，来做图象的 相关识别。 本论文首先介绍体全息存储的基本概念和理论，它包括体全息图的记录和再 现，体全息图的衍射效率，体全息图的水平、垂直角度选择性等，并介绍了光学 相关器和图像识别。 本论文利用水平和垂直的角度复用技术，将1 0 2 0 幅汉字全息图，按1 7 行6 0 列的方式，存储到光折变晶体掺铁铌酸锂( f e ：l i n b 0 3 ) 的同一点上。输入背景图， 它与这已记录的1 0 2 0 幅全息图集同时进行相关运算，得到了1 0 2 0 个背景相关点。 本论文提出了新的多重频谱滤波法m s f ( m u l t i p l e - s p e c t m r nf i l t e 抽g ) ，它能有 效地抑制直流分量和噪声，较好地提取出图象的主要特征进行相关，使得相关点 突出，相关峰陡峭，相关效果理想，它极大地提高了相关运算器的识别能力。 本论文的研究发现，由于后记录全息图的写入光束对先存全息图的擦除效应， 如果采用等时曝光法记录几百至上千幅全息图，那么相关点亮度将会变得均匀不 一，后存比先存全息图的相关点总体上要亮，而采用顺序曝光法来记录全息图， 就可以消除由擦除效应带来的相关点亮度不均匀的问题。 本论文还在离线的热固定技术和m s 滤波法的基础上，在目前还没有报道的情 况下，首先研究了热固定的相关识别。通过单批的热固定实验，我们发现，热固 定后的全息图比固定前的全息图总体上要暗，背景相关图的相关点也相应地变暗， 但经m s 滤波后的相关识别，相关结果保持了固定前的特点，也就是相关点突出， 相关峰陡峭、明显，能很好对输入图象进行识别，实现了热固定的相关识别不变 性。 本论文的最后总结了研究工作所取得的成果，并进一步展望与本论文有关的 下一步研究方向。 关键字：体全息，图像识别，多重频谱滤波法，热固定 a bs tr a c t a b s t r a c t 。ih ef a s t d e v e l o p m e n t so f t l ei n t e m e ta n dm u l t i m e d i aa r en o wp l a c i n gn e w d e m a n d so nt 1 1 es t o r a g es y s t e m st h a ta r ec a p a b l eo f h i 曲c 印a c i t ym e m o r i e sw i t hs b o n a c c e s st i m e s o w i n gt om e a d v a i l t a g e si nh i 曲s t o r a g ec 印a c i t y f a s td a _ t at r a n s f e rr a t e ， a n ds h o r ta c c e s st i m e ，v 0 1 u i n eh o l o 弘a p l l i cm e m o r i e s ( v h m ) a r ec o n s i d e r e dt om e e tt h e n e e d s w i t ht h er a p i di m p r o v e m e mo f 龇v h mi nr e c e n ty e a r s ，p a t t e mr e c o g n i t i o nm a t u s e sv h mi sn o w b e i n gr e s e a r c h e d 晰d e l y t h i sp 印e ri sa i m i n ga ti m a g er e c o g n i t i o n b a s e do n a n g i e m u n i p i e x e dv o i u m eh o i o g r a p h i cc o r r e i a t o l t h ep r i n c i p l e so ft h cv 0 1 姗eh o l o g r a p h i c s t o r a g e a r ef i r s t l yi n t r o d u c e di nt h i s p 印e rt h e y a r et h e r e c o r d i n g ，r e c o n s t n 王c t i o n ，d i f 酗c t i o ne 茄c i e n c y a 1 1 d a n g u l a r s e l e c t i v 时o fv o l u m eh o l o 铲啪s a l s om e0 p t i c a lc o r r e l a t o ra n dp a t t e mr e c o g n i t i o na f e d i s c u s s e d w i 血t h ch o r i z o n t a la i l dv e n i c a la n g u l a rm u l t i p l e x i n gt e c h n i q u c ，1 0 2 0c h i n e s e i m a g e s ，d i v i d e di 1 1 t o 1 7l 证e sa n d6 0r o w s ，a r es t o r e do n t ot h es 锄ep o i n to f p h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l f e ：l i n b 0 3 o n et l l o u s a l l da n dt w e n t yc o r r e l a t i o ns p o t sa r e o b t a i n e db yi l i u m i n a t i n gt l ec r y s t a i 、i 血t h eb a c k 静o u n di m a g e i nm i s p a p e r ，a n o v e lm u l t i p l e s p c c t n l r n ( m s ) f 1 1 t e 血gi s p r o p o s e d i t c a l l e 施c i e n t l ys u p p r e s st 1 1 ed c t e 肋a i l dn o i s e ，g e ta h i g h e r r e s o l u t i o nd e s c r i p t i o no f 廿1 e i m a g e f o rc o r r e l a t i o n ，m a k et h ec o r r e l a t i o ns p o ts oo b v i o u sa n dl e tm ec o r r e l a t i o np e a k b e c o m e s h a r p i th j g h l yi m p r o v e s t 1 1 ed i s c r i m i n a t i o no f 也ev o l u m eh o l o 群印h j c c o r r e l a t o l o 帅i n g t ot 1 1 ee r a s i n ge 腩c t ，t h ec o 玎e l a t i o ns p o t sh a v en o tt l l es 锄eb r i g h 恤e s si f t h eh o l o g r 锄sw e r ee x p o s e d 、i t ht t l es a m et i n l e sw l l i l er e c o r d i n g t h cc o r r e l a t i o ns p o t t h a tr e l a t c dt ot h el a t er e c o r d e dh o l o g 砌i sb r i g h t e rm a nt h a tr e l a t e dt 0m ep r e v i o u s o n e t h i s p r o b l e mc a n b es o l v e d b y as u b s e q u c n c ee x p o s u r et e c 硒q u e u s i n g i n h 0 1 0 9 r a m sr e c o d i n g n o w a d a y s t h e h 0 1 0 伊锄sm e m “f i x i n gi sw i d e l y r c s e a r c h e d w i 也m em s f i l t e r i n g ，w ef l r s t l y s t u d i e d也ec o r r e l a t i o n o u t p u t a f c e rt h e h o l o g r a m s w e r e t h e m a l f i x e d w ef o u n dt 1 1 a ta f c e r 也e r m a lf i x i n g ，也er e a d o u th o l o 伊a m sa 1 1 dt l l ei m a g e o fb a c k g m 吼dc o r r e l a t i o nb e c a m ed a r k b u t 、i l 也em sf i i t e r i n g ，也e c o r r e l a t i o n o u t p u ts t i i ih a so b v i o u ss p o t s m l d t h ec o r r e l a t i o np e a ki ss h a r pt o o i nt h el a s t p a no ft h ep a p e r ，、他s u m m a r i z e d o u rr e s e a r c h 、v o r k sa f l db r i e n y d i s c u s s e dt 1 1 ef u t u r es t u d y k e y - w o r d ：v o l m eh o l o 掣a p h y i i i l a g er e c o g 血i o n ，m u h i p l e - s p e c t m mf i l t e r i n g ， n l e n i l “f i x 协g - i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题的研究内容及意义 市场的需求推动和刺激了科学技术的向前发展。当前，互联网和多媒体技术 的迅猛发展，对数据存储和数据检索提出了更高的要求。光盘存储以其存储容量 大、保存时间长、抗干扰能力强等优点而发展迅速，从科技信息的存储到娱乐音 像的记录播放，都广为流行。但由于其是一位一位的串行读出方式，传输速度不 理想，因而它在气象、地质、司法和军事等数据传输速率要求很高的领域的应用 受到了限制。而体全息存储是基于“页面”的并行读出方式，访问速度极快，而 且存储量巨大。存储密度为1 0 2 b i t s 姗2 ，1 0 唧3 的铌酸锂晶体可存储l 万幅以上图 象，传输速率可达1 gb y t e s s ，对于几个g b y t e s 容量的存储器访问时间仅为几 毫秒。正由于体全息存储以其存储密度高、存储容量巨大、访问速度极快的独特 优势而受到了越来越多人的关注和研究，并得到了市场的青睐。一旦体全息存储 的实用化技术得到重大突破，它将成为互联网和多媒体主要的数据存储方式。 但是由于高性能的体全息存储器对光学系统和元器件要求较高，技术上相对 复杂，因此，体全息存储技术曾一度发展缓慢，从实验走向实用化举步为难。近 1 0 年来，这一情况得到了很大的变化。光电子技术的发展为体全息存储提供了可 行的高性能半导体激光光源、液晶空间光调制器、c c d 探测器阵列等核心元器件； 全息存储的理论、方法和材料的迅速发展使这项技术日趋成熟。随着网络、多媒 体技术的快速发展等对存储器件提出的更高要求，全息存储器的应用领域也日益 展宽。目前，该技术的应用领域有数字数据的存储、多灰度级模拟图象存储、模 式识别与光学相关器、关联存储器等。这些领域的应用将会加速体全息存储技术 的发展和实用化进程。 本论文就是研究以体全息存储器作为光学相关器的图象识别。 图象识别的基本结构是光学相关器。传统的光学相关器有联合变换相关器 ( j t c ，i o i n tf o 埘e rn 锄s f o n nc o i t l a t o r ) 和匹配滤波相关器( 也称d e rl u g t 相关 器1 。联合变换相关器是在1 9 6 6 年由w e a v e r 和g o o d m a n ，以及r a u 提出，而匹配 滤波器是1 9 6 4 年由v a n d e rl u g t 首次提出。传统的光学相关器，一次只能进行参 考图像与待识别图像的相关识别。这种串行的工作方式，相关识别速度较慢，满 足不了诸如现代军事、大型数据检索等要求识别或检索速度较快领域的需求。以 体全息存储器作为相关器，那么一幅输入图像就可以同时与所有存储的图像进行 相关运算，这样，它把串行的相关变成了并行的相关，大大地提高了识别或检索 的速度，最大地满足了实际的应用需求。 由于以体全息存储器为基础的相关器具有并行、快速的相关运算能力，因此， 北京工业大学理学硕士学位论文 近1 0 年来，基于体全息存储系统的光学相关识别技术得到了广泛的研究。 1 9 9 3 年，m o k 在2 c m l - 5 c m l c m f e ：l i n b o 。晶体中建立起来的模式识别系统， 可以存储并识别了5 0 0 0 幅具有3 2 0 2 2 0 个象素的全息图州；1 9 9 5 年，p ua l l e n 等人采用全息存储器记录下一栋大楼内走廊和房间内的图景，利用这种全息方式 存储的地图，取代电子地图，完成了对小车进行地形匹配制导实验。1 。1 9 9 8 年， l i u 等人对高速超大容量体全息存储和模式识别技术进行了研究，建立了多通道级 联的高速全息随机存储和识别器 9 】：日本滨松公司利用h o l o p l e x 公司的全息存储 器技术开发出世界上第一个商业化指纹识别系统，可以对】o o o 个指纹进行识别 1 0 】。 在国内方面，北京工业大学周雁等人通过使用相关系数识别法，分别对采用 角度复用技术和分块全息存储技术建立起来的有1 0 0 幅体全息图像库完成了识别， 识别率达到1 0 0 ，在此基础上，还建立了对体全息图像库进行联想识别的识别系 统【3 】；清华大学冯文毅等人利用基于子波匹配相关理论和光折变晶体的体全息关联 存储特性，提出并实现了有3 0 幅人脸全息图的关联记忆的相关器【1 目；刘海松等人 采用基于多元鉴别分析的分类识别方法，增强了基于体全息存储技术的光学图像 识别系统的畸变不变性识别能力，他们通过实验，把4 0 幅的人脸图像存储到掺铁 铌酸锂晶体上，在他们所描述的畸变范围内，系统对“合法用户”均能认出，而 对“陌生人”均能拒绝，实现了“电子门卫”的基本功能【2 卯。 还有其它一些单位和部门在大规模体全息存储和相关识别技术方面不断探研 并取得进展l j j j 五”j 。 在本论文中，主要是采用角度的复用技术将多幅图象存储到晶体上，并以此 构造相关运算器，实现1 0 0 0 幅以上全息图的相关识别。并在现有的基于体全息存 储相关识别技术的基础上作进一步的研究，以提高系统的识别能力和效率，并将 研究成果逐渐推向市场应用，这在一定程度上加速了体全息存储技术从实验走向 实际应用的进程。 体全息存储技术走向实用化进程还有许多研究工作要做，其中实现信息的长 久保存是其中之一，目前最主要的方法是对全息图进行热固定，并且是针对记录 材料f e ：l i n b o 。晶体的。热固定技术首先是有a m o d e i 和s t a e b e r 在f e ：l i n b 0 3 晶 体的存储实验中实现的。我们实验室对热固定的研究处于国内领先水平，发明了 一套离线的分批热固定技术和拥有齐全的热固定设备，实现了1 0 0 0 幅图象的分批 热固定。 目前，对热固定后的相关识别研究还没有报道，本论文将首开先河，在本实 验室现有的分批热固定技术和设备的基础上，利用本论文提出的多重频谱滤波法， 研究热固定后的相关识别。 2 第1 章绪论 1 2 本课题来源 国家重点基础研究与发展计划( 9 7 3 ) 资助项目( g 1 9 9 9 0 3 3 0 ) 和北京市科技新 星计划“采用体全息存储的图像识别系统研究”。 1 3 论文的结构安排 本论文分为5 章，除这章的绪论外，它还包括以下几个部分： 第2 章介绍全息存储的理论和概念，它包括体全息图的记录和再现，体全息 图的衍射效率，体全息图的水平、垂直角度选择性，以及记录多幅全息图时的曝 光时序问题。同时介绍了能为体全息图做长久保存的热固定技术。 第3 章在介绍光学相关器的基础上，重点介绍角度复用的体全息相关运算器。 第4 章在介绍大容量的体全息相关识别系统的体系结构的基础上，提出m s 滤波法，并对m s 滤波法进行了讨论。依据实验，分析了等时曝光和顺序曝光对 相关识别的影响以及垂直方向上全息图的串扰和重叠对相关识别的影响。 第5 章用m s 滤波和顺序曝光法研究热固定后的相关识别。对热固定前和热 固定后的读出图象、背景相关、m s 滤波相关进行了比较，并做进一步的分析。 最后是总结本论文研究所取得的成果，并提出今后的研究方向。 - 3 北京工业大学理学硕士学位论文 第2 章体全息存储技术 体全息存储是通过物光和参考光在较厚介质内的相互干涉而把信息记录起 来的。已记录了的信息通过参考光的照射而重新获得，这叫做再现。我们可以用 图2 1 来表示体全息的记录和再现过程。 物鼬光h ( a ) 记录过程( b ) 再现过程 图2 1 体全息的记录与再现过程 在这一章里，我们将介绍体全息存储的基本概念，包括体全息图的记录和再 现，体全息图的衍射效率、水平和垂直的角度选择性，记录多幅全息图的曝光时 序问题。而后我们介绍可以对已记录的全息图进行长久保存的、基于光折变晶体 的热固定技术。 2 1 体全息图的记录与再现 体全息图的形成是通过物光( 0 ) 和参考光( r ) 在记录介质的内部的相互干涉。为 方便起见，假设物光和参考光都是平面波的情形。根据光的干涉原理，物光和参 考光的相互干涉，在记录介质内部形成等间距的平面族结构，它称为体光栅。如 图2 1 1 所示。图中口，和口。分别是参考光和物光在介质内的入射角。条纹面应处 于r 和o 两光的夹角上，它与两束光的夹角目应满足关系式 占= ( b 一岛) 2 ( 2 1 1 ) 体光栅常数a 应满足关系式 2 人s i n 口= 旯 ( 2 1 2 ) 式中入为光波在介质内传播的波长。 体全息图对光的衍射作用与布拉格对晶体x 射线现象所作的解释十分相似，因 而常借用t r 布拉格定律来讨论体全息图的波前再现，并把式( 2 1 2 ) 称为“布 4 第2 章体全息存储技术 格条件”，把角度e 称为”布拉格角”。只有当再现光完全满足该布拉格条件时才 能得到最强的衍射光。图2 1 1 ( b ) 是其再现示意图。 琶 l 口涉 镞少 y x 艺 。 l 莎 t 钟尸 y ( a ) 记录( b ) 再现 图2 1 1 体全息图记录与再现的光路图 具体来说，若把条纹面看作反射镜面，则只有当相邻条纹面反射光的光程差均 等于一个波长的整数倍时，才能使衍射光达到极强。因此，仅当照明光束的入射角 满足布拉格条件，其波长与记录波长相同时，上述条件才能够得以满足。若波长和 角度稍有偏离，那么衍射光强将急速下降，因而体全息图具有高度的角度和波长敏 感性。 一体全息图对角度和波长如此苛刻的选择性，使在记录介质上存储大量的全息图 旅 o 。 2 4 记录多幅体全息图时的曝光时序 为获得读出图象均匀的衍射效率，在采用角度复用技术记录多幅全息图时， 需要考虑每幅全息图的记录时间，我们称之为全息图的曝光时序。 光全息存储器的设计需要解决涉及衍射效率的两个问题：一是，为了充分利 用材料的潜力，应该使所复用的全息图达到最大的衍射效率，或者说对于给定的 衍射效率使复用全息图的数目最大：二是，使重构的每个全息图的衍射效率均相 等。对于空间复用的平面全息图阵列，值得关心的只是单个全息图的衍射效率， 因此只需保证记录每个全息图的条件相同即可。而对于体全息存储，由于上述两 个方面相互牵制，情况变得较为复杂了。下面将以角度复用为例，讨论在光折变 晶体同一体积内复用多幅全息图的等衍射效率记录方法。 为了获得具有均匀衍射效率的光折变全息图，目前已发展了两种曝光方案： 顺序曝光和增量曝光2 8 0 9 1 。这两种曝光方案都基于写入和擦除过程中，折射率 调制度随时间变化的指数特性： 一生 胛( f w ) = 行。a t ( 1 一e7 ”)( 写入过程)( 2 4 1 ) 一堕 玎( 名) = 以o p r e ( 擦除过程)( 2 4 2 ) 式中f 。和吒分别为写入擦除时间常数，。和毛分别为写入擦除过程的曝光时间， 幽。是饱和折射率调制度，血。是擦除过程折射率调制度的初始值。 采用顺序曝光记录方案，每一幅全息图均一次曝光完成，并且各全息图的曝 光时间随其曝光顺序的增加而减少，即第一幅全息图的曝光时间最长，后续各全 息图的曝光时间依次减少。在过去的二十年间，顺序曝光记录方法受到充分研究， 人们通过使用不同的方法导出顺序曝光时间，用来补偿记录过程的擦除效应的影 晌【17 1 。 曝光时间由记录材料的响应时间和可达到的最大折射率调制度进行计算。若 已知全息图的饱和折射率调制度n 。，及写入时间常数f 、和擦除时间常数吒，则 第个全息图的折射率调制度为： 9 北京工业大学理学硕士学位论文 f一盟1 一鱼 ，2 ( f ) = ，? s a t i 1 一p 7 “l p r e ( 2 4 3 ) i 其中f 。为第幅全息图的曝光时间，巧为后续所有全息记录对第幅全息图的总 擦除时间 m 丁= f f f 2 4 4 ) f = + 1 其中，m 是全息图总的复用数。 若要求所记录m 个全息图具有相等的衍射效率，则必须满足所有全息图的折 射率调制度都相等这一条件： 血l 川= 血2 肛孙= 觚艄= = 峨( 2 将( 3 1 6 ) 式代入( 3 1 5 ) 式，由等式( 3 1 7 ) 中的第项和第v + ，项可以得出递 推关系式： 1 一e x p 卜立) 】e x p ( _ 三i 丛) ： 1 一e x p ( 一! i 丝) 】 ( 2 4 6 ) f wr ef w 曝光时间的正确计算需要精确确定晶体的写入擦除时间常数。晶体的时间常数依 赖于材料特性和曝光条件，它涉及写入光束比和总的记录光强。实际应用中，写 入擦除时间常数通常由实验确定。 顺序曝光技术存在的主要问题是：( 1 ) 材料特征参量中小的起伏( 即非均匀性 或材料特征的改变) 能够形成很不均匀的衍射效率。( 2 ) 前几个全息图长时间曝光 会引起光折变扇形效应及记录光束之间的光耦合，以及显著的布喇格偏移，这会 限制所达到的折射率调制血低于理论值并引起较强的噪音。而用一系列短曝光记 录全息图便可避免这些问题。 增量曝光法不必精确知道记录和擦除时间常数，因而对于使用不同的存储介 质进行体全息存储很方便。但是由于要多次重复记录同一个全息图，需要物光束 和参考光束精确的复位，对实验设备定位精度和稳定性的要求较高。 本论文中，分别采用等时曝光法和顺序曝光法来记录多幅全息图。等时曝光， 就是记录每幅全息图的时间都是一样，它没有考虑到等衍射效率问题。用这两种 方法来记录全息图，它们对相关识别有什么影响呢? 在第4 章，我们将以实验为 依据，对其进行讨论。 1 0 第2 章体全息存储技术 2 5 体全息图的热固定 为体全息图存储实际应用的需要，需对体全息图进行固定，以使信息能长久 的保存。 在光折变晶体中存储信息是通过写入位相型全息图，形成电子光栅来实现的。 然而，电子光栅在室温下暗存储时间较短；而且电子对光非常敏感，在多次读出 后，已记录的全息图会受到光擦除，这样会导致信息的丢失。为了得到信息长期 永久的保存，需要采取相应的措施，这是光折变全息存储的关键技术之一。目前 最主要的方法可以分为3 大类：第一类是利用长寿命的补偿光栅，其中包括热固 定技术和电固定技术：第2 类是双色技术，包括双光子吸收和双波长存储；第3 类是存储器的持续刷新及弱光读出技术。大量的研究工作集中在热固定技术上， 并且是针对f e ：l i n b 0 3 晶体。 下面对热固定方法进行介绍。 热固定技术首先是由a m o d e i 和s t a e b e r 在f e ：l i n b 0 3 晶体的存储实验中实现 的，也是最早的全息图的固定方法。 2 5 1 热固定技术的基本原理 普遍认为：由空间电荷场引起的离子运动是光折变晶体中全息图热固定的基本 运行机制。热固定的离子运动模型如下：在一定光图样的写入过程中，光激发的 电子经过不同的输运机制运动，然后在暗区北陷阱俘获，产生陷获电荷图样( 即 电子光栅) 和与此相联系的空间电荷场。这些被陷获的电子在低于2 0 0 温度范围 内是稳定的。另一方面，晶体中存在的h + 离子通常在很低的温度下( 例如在l i n b 0 3 中超过6 0 ) 就是运动的，而且能被空间电荷场驱动运动。因此，在1 0 0 1 8 0 之间，离子运动形成另一个光栅去中和电子光栅，即形成与电子光栅互补的有着 相同光栅周期的离子光栅。室温下，通过均匀照明可以清除部分陷获电子，并使 得离子图样部分地消补偿，这样离子图样就被显影出来了。信息通过这种方法就 固定在晶体内，读出时进一步的照明不会擦除经过定影和显影后的离子图样。要 完全擦除必须将晶体加热到2 0 0 以上，恢复离子和电子均匀分布。 2 5 2 热固定中的定影和显影 完整的热固定过程包括以下两个步骤： 1 定影过程：在全息图记录进行之中或者记录完成之后，将晶体加热到1 0 0 1 8 0 ，在此温度下，晶体中的离子被热激活而运动，形成离子光栅，该离子 】- 北京工业大学理学硕士学位论文 中和了电全息图子光栅。 定影过程分为两种：一种称为后定影，在室温下写入光栅，在黑暗中高温 加热，再冷却到室温；另一种同时显影，就是高温写入，随着写入过程的进行， 离子就屏蔽了电子光栅，一旦形成离子光栅，将材料冷却到室温。 2 显影过程：室温下对全息图用连续均匀光束照明，对光敏感的电子光栅被部分 清除，留下一个部分消补偿的离子光栅，离子光栅就被显现出来，即实现了显 影。 对于大容量的全息存储应用，多重复用存储全息图的热固定效果具有更加重要 的意义。 1 2 - 第3 章光学相关器和图像识别 i i i i i ；i ；i i i i i ；i 宣；i i i ；i ；i ；i i i i ；i i ；i i ；i i i 一 第3 章光学相关器和图像识别 体全息存储器的重要应用之一，就是把它作为相关器进行图像识别。 我们知道，全息存储不同于一般的照相过程，它不是记录像的强度分布，而是 直接记录投射到记录平面上的完整波前( 包括强度和位相信息) ，因此，已记录好的 全息图，我们用可以用参考光去照射晶体，以再现带有图像信息的物光，相反的过 程，也可以用带有图像信息的物光去照射晶体，以再现参考光。以角度复用技术把 多幅图像存于晶体同一点上，如果用带有图像信息的物光照射晶体，那么会相应地 再现一系列不同方向的参考光，这些参考光的强度分别代表了输入图像与已存储图 像的相似程度。因此我们可以利用全息存储器来作为相关运算器，以对图像进行识 别。 在这章里，我们介绍图像识别和光学相关器、匹配滤波相关器。最后介绍本论 文要用到的角度复用的体全息相关器。 3 1 图像识别和光学相关器 很久以来，人们一直在研究能够识别物体的机器，这种机器可以代替人们枯燥乏 味的重复性劳动及危险性的工作。例如字符识别机能代替邮递员分拣邮件；自动签 名或指纹识别机能代替工作人员检验签字或指纹。识别机比人更加可靠，因为它不 会疲劳，而工作人员却会因为长期的工作而造成错判或漏检。在医学上，图像识别 技术用于识别某一类特定的细胞，然后进行计数【5 】。 自动图像识别的基本结构时光学相关器。两个实函数讹砂和g 阢圳的相关在数 学上定义为： c ( 口，) = f f ，( x ，y ) g ( x 一口，y 一卢) 出砂 ( 3 1 1 ) ； 当口= o ，芦= 0 时，相关函数变成内积： c ( o ，o ) = f ，( 并，y ) g ( x ，j ，) 吐锄少 ( 3 1 2 ) ； 如果胞纠和g 似纠是两个光学模板或透明片，( 3 1 2 ) 式表示两个透明物体是互 相交叠的，光束依次通过这两个物体，并用透镜聚焦到探测器上进行积分，如图3 1 1 所示。显然，仅当胞和g 仁矽全同时，光强的积分c 以缈才达到极大值。 - 1 3 北京工业大学理学硕士学位论文 耻y )g ( x y ) 图3 1 1 光学图象识别器示意图 探测器 这样一来，只要测出光强的积分，就可以判定图形的相似性。但我们看到，这 一识别过程是把复杂的二维图形简化为一个点，如果是g 阢纠参考信号，则输入信 号胞与参考信号的相似性的度量化为一个点的强度测量。 常用的光学相关器是联合变换相关器( j t c j o i n t f o l l r i e rt r a l l s f o h nc o r r i a t o r ) 和 匹配滤波相关器( 也称v 锄d e rl u 昏相关器) 。联合变换相关器是在1 9 6 6 年由w e a v e r 和g o o d m a n ，以及r a u 提出，而匹配滤波器技术是在1 9 6 4 年由v a n d e rl u g t 首次提 出。 联合变换相关器不必像匹配滤波相关器那样必须预先制备匹配滤波器，且光学 系统调整简单，实现起来比较容易。然而，联合变换相关器需要将待识别的图像与 已存储在图像数据库中的图像同时输入物平面，逐一进行相关运算。这种串行相关 的工作模式不利于发挥光学处理所具有的大规模高速、并行相关运算的能力。匹配 滤波相关器虽然要预先制备匹配滤波器，但是它可以进行并行相关运算，保证了系 统相关识别的速度。 在本论文中，使用体全息存储器来构造全息匹配滤波器。下面我们来对匹配滤 波相关器进行介绍。 3 2 匹配滤波相关器 匹配滤波器的典型结构是一个4 f 系统，它应用了透镜的傅立叶变换的性质，为 了实现式( 3 1 1 ) 的相关运算，它再次对讯砂和g “砂进行傅立叶逆变换，这里 f 和g 是厂和g 的傅立叶变换。 进行匹配滤波识别一般包括两个步骤：复数匹配滤波器的制作和相关识别。 3 2 1 复数匹配滤波器的制作 制作复数匹配滤波器一般是用全息方法来记录全息图。参见图( 3 2 1 ) ，将参考 图形g 似纠置于透镜的输入平面，在透镜的后焦面即频谱面上出现它的频谱g 似一，全 息记录片放在频谱面上，再添加一个离轴的参考光目饥w 共同照射全息记录片。 1 4 第3 章光学相关器和图像识别 i ；i ；暑；i ；i i i i i ；i i i i 昌i i ；宣；i i 昌；i ；i i 皇 图3 2 1 复数滤波器的记录 在线性记录条件下，全息图的复振幅透过率丁仉砂正比于曝光光强，即 丁( “，v ) o c ig ( “，v ) + 尺( “，v ) 1 2 ( 3 2 1 1 ) 式中r 似一是一个单位的光强的倾斜入射的平行光，数学上可表示为 r ( “，v ) = e x p f ( 口“+ 6 v ) ( 3 2 1 2 ) 并有 a _ 2 s i n ( e ) ；b = 2 s i n ( m ) ( 3 2 1 _ 3 ) e 是参考光r 与y z 平面的交角，：中则是r 与x z 平面的夹角，我们分别称为口 和函为水平角和垂直角，入为波长。将式( 3 2 1 2 ) 代入( 3 2 1 1 ) ，得到 丁( “，v ) 。c ( i g ( “，v ) 1 2 + 1 ) + g ( “，v ) e x p 卜f ( 口“+ 6 v ) 】+ g ( “，v ) e x p 【f ( 口“+ 6 v ) 】 ( 3 2 1 4 ) ，池就称作复数匹配滤波器。 3 2 2 相关识别 相关识别过程如图( 3 2 2 ) 所示。 此时把复数匹配滤波器丁“v ) 放在傅立叶变换平面中，再将待识别函数讹圳 置于相关输入平面，再傅立叶变换平面上将产生f 的频谱f “砂，经过丁似砂的滤波， 紧贴z 仉纠后面的场为 矸巩聊，训= ( i g 似砂1 2 + 1 ) 讯砂 十陬一g 化砂e x p 一f f 施+ 6 砂】 + 即砂g ，v ) e x p ，f 向“+ 6 叫( 3 2 2 1 ) 北京工业大学理学硕士学位论文 相关输入平面 傅立叶变换平面 觏蒸磊 - ，?透镜2 硼天!触出。 秒纛臆霸。 祥掣 够 箩 攀；落 箩 i 。1 r n 图3 2 2 匹配滤波相关器的识别过程示意图 面 第2 个透镜的作用则是在相关输出平面rf ，训上形成确砂吼砂的傅立叶逆 变换。则在相关输出平面上的场分布为： c ( f ，刁) = ( 孝，叩) + 占( 孝，7 ) 圆g ( 善，7 ) + ，( 善，7 ) + ，( 孝，7 7 ) + g ( 孝，叩) + 万g + 厂s i n 口，7 7 + 厂s i n ) + 厂( 孝，叮) 固g ( 孝，叩) 万皓一厂s i n 曰，叩一，s i n 痧) ( 3 2 2 2 ) 其中第一项是输入信号；第二项对称于像面坐标原点分布；第三项是以点 ( 一厂s i n p ，一，s i n ) 为中心分布的卷积函数；第四项是以点( ，s i n p ，厂s i n 庐) 为 中心分布的相关函数，它是待识别函数f ，y ) 和已记录函数g ( x ，y ) 的相关，f ( x ，y ) 和 g ( x ，y ) 的越相似，该值就越大，显然，只有当f ( x ，y ) 和g ( x ，y ) 完全相同时，该相关 值才到达最大。我们用探测器来测出该相关值，并依据该值来判断待识别函数f ( x ，y ) 和g ( x ，y ) 的相似性。 3 3 角度复用的体全息相关器 传统的全息匹配滤波技术采用平面全息图作为匹配滤波器，一幅待识别图像逐 一地与已记录图像进行相关识别，这样串行的工作方式难以有效地发挥光学的高度 并行性。而采用角度复用技术将多幅图像存储到晶体的同一点上，在相关输入平面 上输入待识别图像，那么该图像就会与晶体上的多幅图像同时相关，在相关输出平 面上会输出一系列不同方向的“参考光”，各光的强度大小代表了相应存储图像与输 1 6 第3 章光学相关器和图像识别 ；i i i i i ；昌i ；i i i ；i i i i i i ；i i i i i i ；i i i i ；i i i 入图像的相似程度。这样，就极大地提到了图像的识别速度，充分发挥出光学并行 运算的优越性。 下面来分析以角度复用技术存储多幅图像的体全息相关器。 对于以不同的角度存储的n m 幅图像，即在水平方向上存储m 列，在垂直 方向上存储n 行，我们来考察第i 行，第j 列记录的全息图。 我们设在第j 行第j 列，该参考光r 与y z 平面的交角为口，我们叫它为水平 角，r 与x z 平面的夹角为谚，它为垂直角。在该角度位置记录的全息图为昏。 j ，) 。 那么该全息图的复振幅透过率瓦，似w 由式( 3 2 1 - 4 ) 得 乃 v ) o c ( i q “v ) 1 2 + 1 ) + g ； v ) 吒 谚+ 口 诎j v ) o c 口 v ) 足， 功 ( 3 3 1 ) 那么这n m 幅全息图的复振幅透过率： ， s ( “，v ) g + u ( “，v ) r w ( 甜，v ) ( 3 3 2 ) j = l j t l 在相关识别阶段，输入一幅待识别图像讹圳，那么在相关输出平面上，由式 ( 3 2 2 2 ) ，我们得到 nm c ( 孝，叩) o c 厂( 善，叩) o 轧( 孝，叩) + 万( 孝一厂s i l l q ，叩一厂s 访谚) ( 3 3 3 ) j = i = 1 这样，我们会相关输出平面上得到n m 个相关点，分别代表输入函数f ( x ，” 和各全息图的相关值，值的大小代表了舷纠和个各全息图g u y ) 的相似程度。 只有当讹和舫伉y j 完全相同时，该值才达到最大。我们用c c d 在相关输出平 面上采集这n m 个点。 这样，一幅输入图像同时地与多幅已记录图像进行相关运算，体现了以体全息存 储器为基础的相关器能并行运算的优越性，它极大地提高了图像的识别速度，这对 于实际应用将有重要的意义。 在实际当中，由于受到直流分量和噪声的干扰，乃圳和各个图像幻6 叫) 之 间的相关值的区别不是很明显，因而直接地用它们的相关点来判断它们的相似程度 有些困难，这就需要采取一定的技术来提高图像的识别率。在本论文中，我们将采 取一种叫做多重频谱滤波法来提高相关运算器的识别能力，具体的介绍我们在第4 章展开。 1 7 北京工业大学理学硕士学位论文 第4 章大容量的体全息相关识别 本论文通过水平和垂直的角度复用技术，将多幅图像存储到晶体上。这些已存 储了图像的晶体，构成了体全息存储器，而它就作为我们的体全息相关运算器。当 在输入平面上输入一幅图像时，这幅图像会同时与这些已存储的图像进行相关运算， 在相关输出平面上会输出一系列不同方向的“参考光”，各光的强度大小代表了相应 存储图像与输入图像的相似程度。以下是角度复用的多幅体全息图的记录和相关过 程的图示。 ( a ) 记录过程 相关输入平而 图4 1 用角度复用技术存储多幅全息图的记录与相关过程 我们把已记录于晶体上的全息图集合称作i n m 。如果某幅图像f ；属于该全息图 集i n m 的，我们标记为：i n m ，称之为集内图像：如果不属于的，则标记为： i n m ，相应地称为集外图像。 一幅集内图像与全息图集做相关运算，采集到的相关图，如果它的相关点明显、 突出，相关峰陡峭，我们就说它的相关效果好；否则我们就说它的相关效果差。 在这章里，我们介绍大容量的体全息相关识别系统的体系结构，它包括实验装置 和软件部分。之后，我们建立了具有1 0 2 0 幅全息图的相关运算器，在此基础上，对 背景相关、多重频谱滤波法、曝光时序对相关识别的影响做了研究，并在最后讨论 垂直方向上的串扰对相关的影响。 1 8 - 第4 苹大容量的体全息相关识别 4 1 大容量的体全息相关识别系统的体系结构 4 1 1 实验装置 图4 1 1 是大容量的体全息相关识别系统的实验装置。它可分为以下几个模块： 驱动系统、输入系统、水平和垂直角度复用系统、记录介质、采集系统、控制系统。 分 f i g 4 1 1e x p e r i m e n t a ls e t u p 驱动系统：由大功率的5 3 2 m 激光器组成。该激光器的输出功率可以从0 0 1 w 到5 w 连续调节，能调节的最小单位为0 o lw 输入系统：由针孔滤波扩束准直系统1 、空间光调制器( s l m ) 、傅立叶变换透 镜( 透镜1 ，它的焦距f = 1 5 0 o o m m ) 组成。s l m 作为记录和相关时的图像输入器 件，它所在的平面称为输入平面。我们用的s l m 有两种：象素为6 4 0 4 8 0 和8 0 0 6 0 0 。 水平垂直角度复用系统：由针孔滤波扩束准直系统2 、垂直水平平移台、透镜 3 ( 焦距卢9 0 0 0 m m ) 组成。透镜3 和安置在垂直水平平移台上的透镜组成4 f 系统。 通过平台的水平移动，改变参考光的水平角度，从而实现水平的角度复用。垂直的 角度复用类似。平移台的平动精度为0 0 6um 。 记录介质：就是存储图像数据的介质，我们实验中用到的是0 0 0 3 掺铁铌酸 锂( f e ：l i n b 0 3 ) 晶体，大小为l c m 1 c m 1 c m 。它的一些参数如下表所示： - 1 9 北京工业大学理学硕士学位论文 实验用到的f e ：l i n b 0 3 参数 写入时间常数8 0 o 秒 擦除时间常数6 0 0 0 秒 最大折射率调制度 6 3 1 0 由 灵敏度 0 0 2 8c m j 动态范围m 41 6 采集系统：由透镜2 、c c d l 、透镜4 ( 卢1 0 0 0 舢) 、c c d 2 组成。透镜2 与c c d l 实现再现图像的采集：而透镜4 与c c d 2 实现相关时相关点的采集。 控制系统：由计算机，快门1 ，快门2 以及低通滤波片组成。通过计算机，快 门来控制图像的存储、再现与相关。低通滤波片的直径大小为2 5 m m 。在图像存储 的时候，滤波片只让低频分量通过；而在相关识别阶段，则是把o 级挡住，只让水平 方向的+ 1 级或，1 级通过。 该实验装置实现了体全息相关识别系统的3 种功能：图像存储、再现与相关三 种功能，它们的描述列于下表 功能描述 当物光与参考光同时被打开，载着图像信息的物光与参考光在晶体的内部 存储 相互干涉，产生干涉条纹，从而图像的信息被存储到了晶体上 用一定角度的参考光照射晶体，已存储于晶体上