Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время спектральный анализ изображений является ключевым звеном в системе обработки и распознавания изображений. Одним из центральных вопросов спектрального анализа является вычисление преобразования Фурье от двумерных массивов.
Естественно, что проблема поиска более совершенного алгоритма вычисления двумерного фурье-образа и, главное, разработка процессора, выполняющего преобразование Фурье быстро при большом числе отсчетов в изображении, рассматривается при анализе практически всех систем обработки многомерных сигналов. Традиционно задача вычисления двумерного преобразования Фурье решается одним из двух способов: при помощи цифровых или оптических методов.
Цифровые методы решения задачи спектрального анализа изображений хорошо разработаны и имеют много достоинств, однако, основным их недостатком является то, что, несмотря на большое быстродействие современных компьютеров, процедура вычисления двумерного преобразования Фурье от изображения занимает много времени. К числу недостатков цифровых методов можно отнести и повышенные требования к объему оперативной памяти компьютера.
Методы оптической обработки информации позволяют практически мгновенно выполнять операцию преобразования Фурье функций двух переменных. Однако, в этом случае возникают известные трудности при определении комплексного фурье-образа. В оптических методах регистрируется интенсивность излучения, что приводит к потере информации о фазе сигнала, и эта особенность существенно ограничивает класс спектров обрабатываемых сигналов множеством действительных положительно определенных функций. Существуют различные
приемы считывания комплексного фурье-образа, однако их практичес-кая реализация приводит к существенному увеличению фактического времени, вычисления фурье-образов изображений, что сводит на нет основные преимущества оптических процессоров. Оптические процессоры обладают еще одним существенным недостатком: сами по себе они не могут обеспечить выполнение логических операций и не обладают способностью к адаптации. Поэтому они не приспособлены для решения сложных задач обработки и распознавания изображений, связанных с выявлением логических отношений, определением количественных характеристик и т.д. Кроме того, желательно иметь максимально гибкую, программируемую систему, легко совершающую различные операции над изображением: суммирование, вычитание, умножение на константу или функцию и т.п. Такой системой может,явиться гибридная оптико-цифровая система, позволяющая сочетать в себе высокое быстродействие и производительность оптических методов обработки информации с широкими возможностями ЭВМ по выполнению логических операций.
Цель и основные задачи диссертации.
Цэльщ диссертационной работы является разработка и исследование катодов преобразования изображений, позволяющих создать быстродьсхвуыций гибридный оптико-щфровой процессор для спектрального анализа изображений и применить его для решения конкретных, задач анализа и обработки оптических сигналов.
Резюкип задач обрэботмк к анализа изображений ищутся в разных областях прикладной математики. В последнее время для этой цели' применяются различные интегральные преобразования: Меллина, Уолша-Адамара, Хартли, Хафа и др., однако, все эти преобразования работают с многомерными сигналами, алгоритмы обработки которых предусматривают большой объем вычислений и ограничиваются разме-
ром массива исходных данных.
В диссертационной работе развиваются методы спектрального анализа изображений, позволяющие обойти трудности выполнения вычислений для многомерного случая путем снижения размерности задачи до единицы. В качестве интегрального преобразования, позволяющего перейти от многомерного случая к одномерному, используется преобразование Радона. Такой подход является дальнейшим расширением применения идеи Х.Х.Барретта об обработке изображений в пространстве Радона. Это позволяет использовать хорошо разработанные средства одномерной обработки сигналов и существенно сократить время обработки изображений. Кроме того, преобразование Радона легко реализуется в некогерентном свете, что дает возможность устранить оптичесие шумы, характерные для когерентного света.
Поэтому для достижения названной цели необходимо было решить ряд следующих задач:
разработать принципы спектрального анализа изображений в пространстве Радона;
разработать структурную блок-схему оптико-цифрового радон-фурье-процессора;
исследовать принципы построения оптического радон-процессора, провести геометрический и фотометрический анализ его оптической схемы;
разработать и провести анализ элементов системы спектрального анализа изображений на базе гибридного оптико-цифрового ра-дон-фурье-процессора;
провести математическое моделирование алгоритма вычисления комплексного фурье-спектра изображения с использованием преобразования Радона для реальных изображений;
экспериментально проверить возможность практической реали-
зации гибридной оптико-цифровой системы, основанной на предложен-ных методах;
- применить оптико-цифровой радон-фурье-процессор в конкретных оптических измерительных системах с преобразованием волнового фронта.
Научная новизна.
1. В диссертационной работе впервые использована система
электронного вращения телевизионного изображения для осуществле
ния спектрального анализа изображений, передающихся по телевизи
онному тракту в реальном масштабе времени. Впервые предложена и
экспериментально реализована возможность поворота телевизионного
изображения по любому заданному набору углов в реальном масштабе
времени. Предложенный способ защищен патентом на изобретение (за
явка на изобретение JS 4814175/09 от 16.04.90 г., решение о выдаче
патента от 24.10.91 г.)
2. Впервые предложено использовать преобразование Радона для
расшЕфровки спекл-фотографий - измерения вектора деформации и
сдвига диффузно отражающих объектов в условиях сильного спекл-
яуыа. Вперше создано устройство для обработки спекл-фотографий в
реальном масштабе времени, позволяющее измерять деформацию в ус
ловиях спекл-шума, равного 200Ї от средкьго уровня сигнала, с
раврошащей способностью по углу, равной 1.
Предложенное устройство защищено патентом на изобретениэ (заявка на изобретение JS 4889179/28 от 10.12.90 г., решение о выдаче патента от 13.09.91 г).
3. Впервые предложено использование преобразования Радона в
интегральном алгоритме восстановления фазы волнового фронта из
интерферограмм, полученных в интерферометре, настроенном на поло-
сы конечной ширины, которое позволяет обрабатывать интерферограм-мы большого формата разложения (1024x1024 элементов и более), при этом значительно сокращая время на их обработку.
4. Впервые получены уравнения, связывающие одномерное преобразование Хартли проекции изображения с сечением частотной плоскости двумерного преобразования Хартли анализируемого изобрэге-ния. На основании этого впервые показана возможность создания оптико-цифрового радон-хартли-процессора для спектрального анализа изображений.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Использование системы электронного вращения телевизионного изображения позволяет производить спектральный анализ изображений, передающихся по телевизионному тракту, в реальном масштабе времени.
-
Использование оптической реализации преобразования Радона позволяет производить расшифровку спекл-фотографий - измерять вектор деформации и сдвига днффузно отражащих объектов в условиях шума, равного 200 % от среднего уровня сигнала, с разрешащей способностью по углу, равной 1.
-
Использование преобразования Радона в интегральном алгоритме восстановления фазы волнового фронта из интерфэрограмм, полученных в интерферометре, настроенном на полосы конечной пирины, позволяет обрабатывать интерферогракді большого формата разложения (1024x1024 элементов и более), при этом значительно сокращая время на их обработку.
-
Одномерное преобразование Хартли проекции изображения, полученной под некоторым углом проецирования ф, представляет собой сечение частотной плоскости uv двумерного преобразования Хартли анализируемого изображения вдоль прямой uooecp + veirep = о.
проходящей в этой плоскости через начало координат под углом
ф + It/2.
Практическая ценность работы. Предложенные методы спектрального анализа изображений и созданный на их основе гибридный оптико-цифровой процессор позволяют вычислять двумерный фурье-спектр изображения в телевизионном темпе. Оптико-цифровой процессор применялся в различных информационно-измерительных системах с преобразованием волнового фронта для анализа и обработки оптических сигналов, в частности, для расшифровки спекл-фэтографий и определения вектора деформации и сдвига даффузно отрахащнх объектов; для восстановления фазового фронта из интерферограмм, полученных в интерферометре, настроенном на полосы конечной ширины; при создании электронного телевизионного спекл-интерфероштра, позволяющего наблюдать деформацию объектов в реальном масштабе времени. Кроме этого, предложенный подход позволил использовать преобразование Хартли для получения спектра изображенкЭ.
Апробация работы. Г-ззультата диссэртацчонной работы докладывались на: I Еггсокшой конференции по оптической обработке информации. (Ле-ншград, 1988г.)
1X7 и XV Всесоюзных научно-технических конференциях "Высокоскоростная фотография, фоїОЕака и метрология Снстропротэкахцих процессов" (itotrraav I9S9 зі 1991гг.)
її и v Всасоїхліл; сгмшзиуыах по вычислительной томографии (Ташкент, 1989г. и Звенигород, 1991г.)
Til Всесоюзной школе-семинаре по оптической обработке информации (Тбилиси,. 1989г.) I Всесоюзном семинаре "Оптико-физические методы неразрушающого
контроля и технической диагностика з каииностроеняиа и прлборо-строениЕ" (Москва, 1991г.)
Публикации.
Основные научные результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе двух заявках на изобретение, на которые получены реиения о выдаче патента.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из Введення, четырех глав, Закличония и праюжэшя. Работа изложена на 130 страницах основного текста, содержит 60 рисунков. Список литература вклвчаэт 65 работ.
