傅立叶光学-相干光学信息处理.ppt

第九章 相干光学信息处理 CoherentOpticalInformationProcessing 光学信息处理 相干光 非相干光 白光 部分相干光 9 1光学图像相减 光学图像相减 一般用于检测比较两幅图像之间的差异 例如 工业检测 如 比较加工工件与标准工件 生物医学图像处理 如 病理图片 卫星 飞机遥感图像处理 如 检测海洋面积变化 陆地板快移动 军事上 地面建筑物 军事设施的增减等 实现图像相减的方法很多 仅介绍两种 1 空域光栅编码 频域解码 2 频域光栅滤波 9 1 1空域光栅编码频域解码相减方法 分两步实现 第一步 编码 成像记录 非相干光 y Ronchi光栅 胶片 Ronchi光栅 a d 2 y曝光 第1次曝光 F fA x y t x x 两次曝光之 第2次曝光 E fB x y t x x 间光栅移动半个周期 显定影处理 得到光栅编码图片 编码后图片 A和B相同部分没有光栅条纹 相异部分被光栅调制 1 1 第二步 解码 频谱滤波 相干光 L1 L2 f f f f 光栅编码图片 高通或带通滤波器 fA fB 的频谱 fA fB fA fB 的频谱 解码过程的数学描述 得到的光栅编码图片的振幅透过率g x y 正比于底片的曝光量 其频谱为 只要图像中的最高频率低于光栅的频率 就不会出现频谱交叠 就可以用高通或带通滤波的方法只让相异部分的频谱通过 从而在输出面上得到两图像相异部分 两图像相减 若采用带通滤波器 只让 1级谱通过 则滤波后的频谱为 最后得到的相减图像的振幅为 最后得到的相减图像的强度为 IA IB 2 E F E若采用高通滤波器 只挡掉0级谱 则同样可得到两图像相减 前面讲过 对矩形光栅 当a d 2时 若只挡掉0级谱 最后的输 出强度为均匀分布 此时 相当于 IA IB 2滤乘以一个常数 滤波器是适当宽度的不透光屏 挡掉0级 其余通过 T u T u H u T u H u aLd sinc Lu T u T u u u 1 L t x3 x3 当a d 1 2 L a dt x3 直流成分 1 2 像面振幅分布 周期仍为d 矩形 有负值 L 1 2 a d x3 像面强度分布 均匀分布 1 4 1 4 t x3 2 x3 衬比度为0 11 fof0 9 1 2采用正余弦光栅滤波器实现相减的方法 y1 L1 y2 v L2 相干光 f x1 y1 f f H u v f f y3g x3 y3 y1 f x1 y1 fA x1 b y1 fB x1 b y1 fB fA x1 H u v cos 2 0 x2 0 22 b b b Institute InformationOptics ISE SDU 输出面上的光场分布为 4 2 1 4 2bb b 2b 当 0 2 即光栅沿x轴偏离1 4周期时 exp j2 0 1 上式中 第1项表明 在输出面中心实现了图像相减 fB b y1b fAfA x1fA b f 0fA fBfB 0 01 0fB y2 0 2 x2 上面是采用典型的空间滤波的方法进行分析 也可以采用空域卷积的方法 见p229下到p230上 采用复合光栅滤波器实现相减的方法 9 2 1用4 f系统实现图像卷积和相关运算 两个图像分别用s x y 和f x y 表示 卷积运算 s x y f x y gsf x y 相关运算 s x y f x y rsf x y 二者之间的关系 s x y f x y s x y f x y 卷积运算具有交换性 相关运算一般不具有交换性 二者均为线性运算 且均具有平移不变性 当s x y f x y 时 是自相关 rff x y f x y f x y f x y f x y 自相关函数具有厄米对称性 即 rff x y r ff x y 当f x y 为实函数时 自相关函数是偶函数 即 rff x y rff x y 且满足 rff x y rff 0 0 具有中心对称 峰值分布 设FT s x y S u v FT f x y F u v 在频域中 卷积和相关运算为 s x y f x y S u v F u v s x y f x y S u v F u v 光学上 卷积和相关运算在空域实现较为困难 但在频域通过 空间滤波方法易于实现 InstituteofInformationOptics ISE SDU Optics 相干光 y1 Informationy2 vL1 L2 f f f f y3 f x y S u v S u v s x y f x y s x y f x y 光学相关运算在图像识别 特征识别 模式识别 等领域具 有重要应用 在具体实现上 主要有两种基本结构或方法 VanderLugt匹配滤波相关器 VanderLugtMatchFilteringCorrelator VLC 联合变换相关器 JointTransformCorrelator JTC InstituteofInformationOptics ISE SDU 2 2 9 2 2VanderLugt匹配滤波相关器 一 匹配滤波的概念 匹配滤波的概念来自信号检测理论 通过匹配滤波操作可实现信号的相关检测 判定输入中是否存在所需要的信号 设输入为f x y 其中含有待测信号s x y 和加性噪声n x y 即 f x y s x y n x y 设滤波器函数为h x y 滤波操作就是实现下述卷积运算 f x y h x y s x y h x y n x y h x y 若取h x y s x y 则 f x y h x y s x y s x y n x y s x y s x y s x y n x y s x y 自相关此时 输出信噪比最大 SNR s x y s x y n x y s x y 具有h x y s x y 形式的滤波器 称为匹配滤波器 这一过程称为匹配滤波 在频域中 匹配滤波器为 S u v 2 二 VanderLugt匹配滤波图像相关识别的原理 是美国Michigan大学雷达实验室的A B VanderLugt于1963年首先提出并实现的 分两步 1 用FT全息方法制作匹配空间滤波器 其基本原理和制作过程就是制作一张FT全息图 参考图像 R x2 y2 Aexp jksin y2 样本图像 标准图像 y1 v y2 s x y 平面 R H 波 f f f f y3 tH u v tb S u v AS u v exp j2 fsin v AS u v exp j2 fsin v 式中第3项包含了S u v 是与s x y 相应的匹配滤波器 1 2 实现图像相关识别 将制作好的匹配滤波器精确复位 关闭参考光 在输入面上输入待识别的图像 经频谱面滤波 在输出面上适当位置得到相关信号 待识别图像 目标图 y1 v y2 g x3 y3 像 f x y 平 tH u v 面 波 f f f f y3 11 f s Wf Ws fsin x3fsin WfWf 2Ws f y3 y3 f s Wf Ws 在输出面上 各项之间不交叠的条件是 此时 相关信号的探测不受其它信号干扰 制作匹配滤波器时 参考光的倾角应满足上述条件 讨论 1 输入图像与参考图像相同 都位于 0 0 即f x y s x y 时 输出面上的相关项 第3项 是自相关信号 As x3 y3 s x3 y3 x3 y3 fsin 是中心对称 具有峰值分布的一个亮点 位于 0 fsin 2 输入图像与参考图像相同 位于 x0 y0 即f x y s x x0 y y0 时 输出面上的相关项 第3项 也是自相关信号 是中心对称 具有峰值分布的一个亮点 位于 x0 y0 fsin 可见 相关点的位置坐标随着输入图像位置的变化而变化 可根据相关点位置的变化确定输入图像的位置 可用于目标跟踪 3 输入图像f x y s x y n x y 时 n x y 是背景或噪声 输出面上的相关项 第3项 为 自相关 峰值 亮点 3 x3 0 y3 2 Af x3 y3 s x3 yInformationxOptics y0 fsin As x3 y3 s x3 y3 x3 y3 fsin An x3 y3 s x3 y3 x3 y3 fsin 互相关 无峰值 弥散 可见 根据是否出现自相关点 来判定输入中是否有待识别图像 目标图像 根据相关点的位置确定待识别图像 目标图像 的位置 可用于目标识别与跟踪 4 在进行相关信号探测时 为了避免引起误判 一般采取归一 化和取阈值的处理办法 其中之一就是 用自相关信号的峰值对输出进行归一化并设定阈值 x y f x y s x y s x y s x y x 0y 0 f s x S u v dudv 自相关时等于1 互相关时小于1 实际中 需取一个适当的阈值 匹配滤波相关识别过程的直观解释 从相位补偿角度解释 L1 P1 L2 P2 L3 P3 S S u v f x y s x y f x y s x y S u v S u v S u v 2等相位面是平面 平面波F u v S u v 等相位面不是平 经透镜会聚成一个亮点经透镜不能会聚成一个亮点 不到原参考光波 从全息记录 再现角度解释 L1 P1 L2 P2 L3 P3 S s x y R tH u v L1 P1 L2 P2 L3 P3 StH u v f x y s x y f x y s x y 是用原物光波再现 得到原参考光波 平面波不是用原物光波再现 得 经透镜会聚成一个亮点经透镜不会会聚成一个亮点 三 VanderLugt匹配滤波相关器 VLC 的基本光路结构 S1Laser BSL1 S2 M2 H M1 SF L2 L3 M2 L4 BS BeamSplitter M Mirror SF Spatialfilter L1 BeamExpander BE L2 CollimatingLensL3 L4 FourierTransformLens S Shutter S1Laser BSL1 S2 M2 H L4 M1 SF L2 L3 M2 目标图像的输入方式采用图像透过率片 透明片 输入简单 成本低 但不实用 采用实时空间光调制器 SpatialLightModulator SLM e SLMFTLs1 Computer Monitor电寻址透射式 e SLM PBS FTLs1 Computer Monitor电寻址反射式 Figure4 1 Photographofthetwisted nematicliquidcrystal spatiallightmodulatorremovedfromtheKodakLC500video projector Thescalealongthebottomisincentimeters ImageSystemo SLM FTLs1 PBSComputer Monitor光寻址反射式匹配滤波器的制作 输入方式制作 采用光学全息 计算全息等 1 全息干板 缺点 需要显定影处理 需精确复位 不能重复使用 需要对每一个待识别的图像制作MSF 虽然可在同一个干板上制作复合MSF 但数目有限 受记录介质动态范围限制 难度较大 灵活性差 非实时 2 采用实时全息记录材料 如 光折变晶体 光折变有机聚 合物等 体全息 优点 不需化学显定影处理 不需精确复位 可擦除 可重复使用 可利用角度复用 空间复用等技术 制作多个MSF 易实现多目标 畸变 不变图像识别 光折变晶体 如 SBN KNSBN BaTiO3 LiNbO3 BSO BGO等 3 实时SLM 纯相位型 Phase only 复值型 Complex 等 性能指标 调制方式 分辨率 调制范围 调制度等 特别适合由CGH制作的MSF 相关信号的探测记录方式 白纸 毛玻璃 全息干板 照相胶片 原理实验 无法存储处理 CCD或其它光电探测器 可于微机相连 以存储 处理 四 匹配滤波相关识别的其它问题 多目标识别问题同一个目标 但同时有多个 Detectionoftheword RADAR fromapageoftextDetectionoftheletter e 同时识别多个不同的目标 一般采用两种方法 顺序输入 顺序识别 制作复合匹配滤波器 多次曝光 复用技术 CGH 等 畸变 不变目标图像识别 遮挡识别 等问题 大小比例变化 旋转 姿态变化 部分遮挡 等 复合MSF 对数 极坐标变换 梅林变换 联想存储记忆 光学神经网络 等 应用 如 字符识别 信件分拣 签名判别 指纹判别 虹膜判别 面形识别 工件分类 等 军事上 建筑物 飞行物 舰船 车辆 等 光学寻的器 85年左右 原理实验 90年代初期 小型化 试验 装在飞机上 导弹头部 31 23 15cm 全固化紧凑型VLC 平板型VLC等 有待继续研究解决的问题 畸变 不变目标图像 遮挡识别等问题 材料 器件 用于图像及MSF的输入 存储及显示 提高SNR 抗干扰 提高识别率 降低误判率 等 小型化 微型化 9 2 3联合变换相关器 JointTransformCorrelator JTC 是由C S Weaver和J W Goodman于1966年提出的 自上世纪80年代末期 有关JTC的研究日趋活跃 不需要预先制作匹配滤波器 易于实现实时识别 一 基本原理 Coherent y1 P1 x1 P2SquareLawRecordingMaterialorDevice PlaneWave fInputImages f y2 fx2 f P3 x3 y3 实现过程 在输入面P1上 待识别目标图像f x y 和参考图像h x y 同时输入 并用相干平面波垂直照射 经FT在P2面上得联合FT谱 在频谱面P2上 用平方律记录介质或器件记录二者的联合FT谱的强度分布 联合变换功率谱 JointTransformPowerSpectrum JTPS 再用相干平面波垂直照射JTPS FT在输出面P3上经得到相关信号 设待识别目标图像f x y 的中心位于输入面上 b 0 处 参考图像 h x y 的中心位于输入面上 b 0 处 则整个输入函数可表示为 g x1 y1 f x1 b y1 h x1 b y1 f x1 y1 x1 b y1 h x1 y1 x1 b y1 22 2 经FT后在P2面上得到的联合FT谱为 G u v F u v exp j2 bu H u v exp