Введение к работе
Актуальность работы.
Задача распознавания малоразмерных изображений - порядка 16x16 - 32x32 элемента является актуальной при решении проблем опознавания и координатной привязки удаленных целей, обработки аэрофотоснимков и т.п. К настоящему времени в общем виде она не решена, хотя в конкретных прикладных задачах может быть использован ряд известных параметрических и непараметрических алгоритмов. Ввиду необходимости обработки больших массивов данных в реальном времени эти задачи не всегда могут быть решены с использованием электронных средств, и в данном случае может быть более эффективным применение параллельных или параллельно-последовательных оптических методов, реализуемых средствами когерентной или некогерентной оптики. Некогерентные оптические системы характеризуются большей помехоустойчивостью, однако обладают более низкой пропускной способностью и имеют возможность решать узкий класс задач, поскольку ограничены оперированием только с действительными неотрицательными функциями. Когерентная оптика обеспечивает возможность обработки комплексных функции с высокой производительностью, однако при этом возникает проблема когерентных шумов. Кроме того в обоих случаях предъявляются довольно высокие требования к качеству и точности юстировки оптических элементов. Особый интерес представляют оптические системы, работающие в частично когерентном свете, поскольку сочетают высокую пропускную способность с низким требованием к точности юстировки оптических элементов.
С точки зрения компромисса между достоверностью распознавания, временем обработки и другими характеристиками, значительное внимание
в исследовательских работах уделяется высокопроизводительным процессорам на основе аналоговых оптических корреляторов. Предложены различные алгоритмы распознавания изображений на базе корреляционного анализа для решения ряда прикладных задач. Разработано большое количество оптических корреляторов, использующих как когерентные или некогерентные, так и частично когерентные источники света.
Однако при уменьшении размерности изображений распознаваемых объектов до указанных выше значений корреляционные методы, основанные на использовании только величины пиков авто- и кросскорреляцион-ных функций, становятся недостаточно эффективны с точки зрения достоверности. Поэтому актуальным является повышение эффективности распознавания малоразмерных изображений за счет проведения дополнительной цифровой обработки корреляционных функций.
Целью работы является разработка и исследование оптико-электронных корреляционных систем распознавания малоразмерных изображений с повышенными дискриминантными свойствами и инвариантностью к различным искажениям входной информации за счет дополнительного применения структурного анализа и использования принципов нейронных сетей.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать и исследовать оптико-электронные методы распознавания изображений с обработкой корреляционных функций на основе применения структурного анализа и использования элементов нейронных сетей.
2. Исследовать базовые оптические элементы для реализации разработанных методов - голографические корреляционные системы, использующие квазимонохроматическне источники света с различной степенью монохроматичности.
.1. Исследовать эффективность устройств оперативного ввода распознаваемых и эталонных изображений в ОЭС, работающие в частично когерентном свете.
4. Разработать и создать оптико-электронные системы распознавания изображении для решения конкретных прикладных задач. Научная новизна
разработан параллельно-последовательный метод распознавания изображений, сочетающий элементы корреляционного и структурного анализа. Показано, что по сравнению с методом, основанным на вычислении двумерной корреляционной функции, предложенный обеспечивает повышение дискриминантных свойств и устойчивости к шумам распознаваемых изображений. Получено улучшение отношения авто- и кросскор-реляционных отсчетов до 1,7 раз;
предложен параллельный оитико-эдекфонный метод распознавания изображении на основе обработки корреляционных функций с использованием элементов нейронных сетей, обеспечивающий повышение дискриминантных свойств корреляционных систем и вместе с тем инвариантность к условиям освещения распознаваемых объектов и в значительной степени к ракурсным преобразованиям. Получена инвариантность к ракурсным преобразованиям для изображений объектов размерности «20x20 элементов в пределах +24 для угла места 6, тогда как для аналогичных
изображений по результатам корреляционной обработки эта величина не превышала ±10;
- получено аналитическое выражение для числа элементов разреше
ния в выходной плоскости голографических корреляционных систем, ис
пользующих квазимонохроматические источники излучения. Показано,
что пропускная способность имеет максимум как функция частоты голо-
графического фильтра и обладает обратноквадратичной зависимостью от
ширины линии излучения. Впервые теоретически и экспериментально по
казана возможность оперативного изменения в пределах до трех раз вза
имных масштабов коррелируемых изображений в голографических систе
мах, использующих квазимонохроматические источники излучения;
предложен способ пьезоэлектрического проявления скрытого изображения, обеспечивающий увеличение числа циклов перезаписи до 104, при этом время записи определяется временем реакции пьезоэлектрического кристалла;
разработаны метод интерактивной предварительной обработки изображений и оптико-электронная система на основе применения матрицы светодиодных излучателей, обеспечивающая предварительную обработку в темпе ввода изображений в коррелятор. Выигрыш по производительности в такой системе возрастает с увеличением размера ядра, который может достигать 20x20 элементов для размера обрабатываемого изображения 512x512 элементов, что при работе в телевизионном темпе обес-
печивает производительность ~2,5*10 . Это позволяет не только выполнять предобработку малоразмерными оконтуривающими операторами, но и проводить текстурный анализ или устранение искажений типа смаза, дефокусировки и т.п. методами десвертки.
Практическое значение диссертации.
- разработано и создано устройство регистрации голограмм на фо
тотермопластических носителях для оперативного ввода обрабатываемых
изображений в оптические системы;
- разработаны и созданы экспериментальные образцы оптико-
электронных корреляционных систем с эквивалентной производитель-
ностыо 3,5х 10 -г 5,2х 10 операций/сек,, обеспечившие решение задачи опознавания и координатной привязки малоразмерных (~20х20 элементов) изображений объектов.
В н едрение полученных результат о и.
результаты теоретических и экспериментальных исследований го-лографических корреляционных систем, работающих в квазимонохроматическом свете с различной степенью монохроматичности, использованы при создании оптико-электронных систем, внедренных в Сибирском НИИ оптических систем (г. Новосибирск), МГТУ им. Н. Э. Баумана (г. Москва);
результаты исследований фототермопластических рсгистрпруго-іцііх сред вошли в следующие отчеты по научно-исследовательским работам "Процессор", № гос. per. Е28828; "Икар", ИГУ, Новосибирск, инв №506; "Оврпдика", № гос. per. E26I87.
Основные положения, выносимые на защиту.
- сочетание корреляционного и структурного анализов повышает
дискриминантные свойства и устойчивость к шумам распознаваемых изоб
ражений, а обработка корреляционных функций с использованием элемен
тов нейронных сетей дополнительно обеспечивает инвариантность к усло
виям освещения распознаваемых объектов и в значительной степени к ра
курсным преобразованиям;
- в голографических системах с квазимонохроматическими источни
ками излучения существует возможность оперативного изменения взаим
ных масштабов коррелируемых изображений, а пропускная способность
таких систем имеет максимум как функция частоты голографического
фильтра и обладает обратноквадратичной зависимостью от ширины линии
излучения;
- пьезоэлектрический способ проявления скрытого изображения
обеспечивает увеличение числа циклов перезаписи до 104, при этом время
записи определяется временем реакции пьезоэлектрического кристалла;
- созданные на основе проведенных исследований эксперименталь
ные образцы оптико-электронных систем при обработке корреляционных
функций предложенными методами обеспечивают решение задачи опозна
вания и координатной привязки малоразмерных объектов с инвариант
ностью к условиям освещения объектов и в значительной степени к ра
курсным преобразованиям.
Апробация работы.
Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах: V Всесоюзная конференция по голографии, Рига, 1985; I Всесоюзная конференция по оптической обработке информации, Ленинград, 1988; Международная конференция "Optical Memory & Neural Networks", Москва, 1994; II Всероссийская с участием стран СНГ конференция "Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии", Ульяновск, 1995; the SPIE's International Symposium on Optical, Engineering, and Instrumentation, USA, Denver, 1996; the Second international conference on optical information processing, St.Petersburg, 1996; III Всероссийская конференция "Нейрокомпьютеры и их применение",
Москва, 1997; V Всероссийский семинар "Нейроинформатика и ее приложения", Красноярск, 1997.
Публикации.
Материалы диссертации опубликованы в 23 работах, получено 2 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы (98 наименовании), изложена на 143 страницах, включает 53 рисунка и 13 таблиц.
