Введение к работе
Актуальность темы. Традиционные оптические корреляторы изображений построены на основе двумерного оптического преобразования Фурье (ОПФ). Соответственно, оптические корреляторы обладают инвариантностью к параллельному сдвигу распознаваемого образа, что следует из свойств преобразования Фурье. С другой стороны, они имеют два существенных недостатка. Это, во-первых, высокая чувствительность к изменению размеров и угловой ориентации распознаваемого образа по отношению к его эталонному изображению. В зависимости от сложности распознаваемого образа допустимые значения изменений составляет 2 - 3 ' по углу и 5 - 10 % по масштабу. Во-вторых, высокое быстродействие оптических корреляторов принципиально ограничивается быстродействием устройств ввода - вывода, а также параметрами используемой динамической голографической среды.
Известен ряд методов для уменьшения чувствительности оптических корреляторов к рассматриваемым декоррелирующим факторам. Это методы, основанные на параллельно -последовательном поиске и масштабных координатных преобразованиях, например, преобразование Меллина. Недостатком данных методов является необходимость предварительной оптоэлектронной обработки анализируемого изображения, их техническая сложность, а также ухудшение отношения сигнал - шум в обмен на инвариантность к размеру и угловой ориентации.
В последние годы в мире появился большой интерес к использованию аппарата вейвлет анализа для решения различных задач: спектрального анализа, обработки изображений, сжатия информации. В большинстве случаев эти задачи решаются цифровыми методами. В диссертационной работе для устранения первого недостатка нами было решено строить динамический коррелятор на основе оптического вейвлет преобразования.
В качестве динамической голографической среды (ДГС) для записи топографических пространственных фильтров в оптических корреляторах, как правило, используют фоторефрактивиые кристаллы (ФРК). К сожалению, приемлемая чувствительность ФРК достигается за счет приложения к нему высокого напряжения и необходимости осуществления принудительного стирания с помощью света. Таким образом, поиск и применение новых ДГС также имеет несомненный научный и практический интерес.
В настоящей работе для создания динамического вейвлет коррелятора изображений использован новый класс ДГС - кристаллы фторида кадмия с бистабильными примесными центрами. Эти кристаллы впервые были синтезированы в ГОИ в лаборатории спектроскопии кристаллов. По совокупности свойств, синтезированные кристаллы весьма перспективны для создания оптических устройств распознавания образов работающих в реальном времени.
Целью работы. Теоретическое и экспериментальное исследование возможності создания нового типа когерентных динамических корреляторов изображений дл> интеллектуальных систем технического зрения на основе использования оптического вейвлез преобразования и новых динамических голографических сред, которые, по сравнению существующими корреляторами, обеспечивали бы распознавание образов в реальном времсш при больших допустимых значениях изменения размеров и угловой ориентацш распознаваемого образа по отношению к эталонному. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
Произвести выбор и обоснование схемы когерентного вейвлет коррелятора изображен!» на основе сравнительного анализа характеристик корреляторов Вандер Люгта (КВЛ) і коррелятора совместного преобразования (КСП).
Произвести выбор вейвлет образующей функции для решения задачи распознавани образов.
Разработать математическую модель исследуемого когерентного вейвлет коррелятор изображений, провести исследования по оценке влияния рассматриваемы декоррелирующих факторов на работу коррелятора.
Создать и исследовать лабораторный макет оптического вейвлет коррелятор изображений.
Произвести выбор динамической голографической среды для записи голографически пространственных фильтров, на основе анализа характеристик известных к настоящем времени динамических голографических сред.
Создать и исследовать лабораторный макет динамического КСП на основе выбранно! динамической голографической среды.
7. Разработать архитектуру когерентного динамического вейвлет коррелятора.
Научная новизна работы.
Произведено теоретическое и экспериментальное исследование чувствительности когерентного вейвлет коррелятора изображений на основе КСП и вейвлетов МНАТ изменению размеров и угловой ориентации распознаваемого образа по отношению эталону.
Впервые создан и экспериментально исследован динамический КСП с записью голографических пространственных фильтров на новой ДГС - кристаллах фторида кадмия CdF2:Ga с бистабильными примесными центрами. Реализованы схемы со встречным и продольным считыванием.
Впервые показано, что использование оптического вейвлет преобразования и новой ДГС CdF2:Ga, для записи голографических пространственных фильтров, позволяет построить
быстродействующий оптический вейвлет коррелятор изображений обладающий большим допустимым диапазоном изменений размеров и углового рассогласования распознаваемого образа по отношению к эталонному. Научная и практическая значимость работы. Проведенное в работе теоретическое и экспериментальное исследование оптического вейвлет коррелятора изображений показало, что полученные в работе результаты могут быть использованы при создании нового поколения интеллектуальных систем технического зрения, работающих в реальном времени, а также при выполнении научных исследований, направленных на создание быстродействующих гибридных оптико-электронных процессоров для распознавания образов в реальном времени. В целом, полученные результаты позволяют существенно расширить возможности методов оптической обработки изображений и найти новые области их применения. Положения, выносимые на защиту:
Результаты машинного моделирования исследуемого вейвлет коррелятора. Показано, что исследуемый вейвлет коррелятор, по сравнению с известным КСП обладает инвариантностью к угловому рассогласованию (для КСП допустимый диапазон не более 12'), а также большим диапазоном изменения размеров распознаваемого образа - до 28% (для коррелятора совместного преобразования - до 12-13%).
Результаты экспериментального исследования вейвлет коррелятора изображений. Получено хорошее соответствие с результатами машинного моделирования. Вейвлет коррелятор оказался инвариантен к изменению размеров распознаваемого образа во всем рассматриваемом диапазоне (до 16%).
Результаты экспериментального исследования лабораторного макета динамического КСП с записью топографических пространственных фильтров на кристаллах CdF^rGa с двумя режимами работы - со встречным и с продольным считыванием. Показано, что при распознавании китайских иероглифов в динамическом режиме с быстродействием ~ 2 Гц (при комнатной температуре) интенсивность корреляционного пика в 8 - 10 раз выше интенсивности окружающего фона. При нагревании кристаллов быстродействие может быть увеличено до 1 кГц.
Архитектура предложенного когерентного динамического коррелятора изображений на основе оптического вейвлет преобразования с записью голографических пространственных фильтров в кристаллах CdFj.'Ga.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались и докладывались на следующих конференциях: «Лазеры, измерения, информация» (С.-Петербург 2006); IV Международный оптический конгресс «Оптика - XXI век» (С.-Петербург 2006); «Лазеры, измерения, информация» (С.-Петербург 2007); 15-ая международная конференция «Высокие технологии в
медицине, биологии и геоэкологии» (Абрау - Дюрсо 2007); V Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика - 2007» (С.-Петербург 2007); Российские технологии для индустрии. 11-й международный семинар - ярмарка. Нанотехнологии в электронике, энергетике, экологии и медицине. (С.-Петербург 2007); XXII Научно-техническая конференция «Космические информационно - управляющие системы наблюдения» (Москва 2008); «Лазеры, измерения, информация» (С.-Петербург 2008); V Международный оптический конгресс «Оптика - XXI век» (С.-Петербург 2008); «Научная сессия МИФИ - 2009» (Москва); Публикации. Основные результаты представленной к защите работы изложены в 9 отечественных и зарубежных изданиях и журналах. Из них 2 в рецензируемых научных изданиях. Список публикаций приводится в конце автореферата.
Личный вклад автора. Все вошедшие в диссертацию результаты расчетов и экспериментов получены самим автором или при его непосредственном участии. Участие автора заключается в проведении научных исследований по теме диссертации, выполнении машинного моделирования исследуемого вейвлет коррелятора изображений, подготовке тестового материала, создании и экспериментальном исследовании лабораторного макета оптического вейвлет коррелятора и динамического коррелятора совместного преобразования, создании цифровой телевизионной камеры для системы регистрации результатов корреляционного анализа.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 104 страницы, в том числе 52 рисунка и 9 таблиц. Список литературы включает 110 наименований.
