Голографическое устройство для распознавания образов

 

ГОЛОГРАФИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВ, содержащее источник освещений и расположенные последовательно на одной оптической /оси коллиматор, транспарант с распознаваемыми объектамиj объек .тив Фурье-преобразования, Фурьеголограмму этгшона раяпознавания и объектив обратного Фурье-преобразования , отлйча. ющееся тем, что, с целью повьоиения отношениясигнал/LjyM при распознавании одинаковых по форме объектов различного масштаба, источник освещения выполнен в виде источника с непрерывным спектром дпин волн, и в .устройство введен блок кодирования по цвету сигнала корреляции, расположенный за объективом обратного Фурье-преобразования, выполненный в виде Фурье-преобразующего блока, в входной плоскости которого расположена маска с пропусканием, только +1 порядка дифракций Фурье-го- . j лограммы эталона распознавания, а в спектральной плоскости расположена голограмма для поворота +1 порядка дифракции Фурье-голограммы .эталона распознавания и распространения его вдоль оптической оси устройства .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ.

СО ИММЛЮ

РЕСПУБЛИК (1% (И) gag Q.03 Н 1 16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЯЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н АВТОРСЙОМ1 СВ4ДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2933072/18-25 .(22) 31.03.80 (46) 15.10.83, Бюл. 9 38 (72) JD.A.Быковский, A.И.Ларкин, A.A.Èàðêèëîâ, IO.A.Ìèðîèîâ и С.Й.Стариков (71) Московский ордена Трудового

Красного Знамени инженерно-физический институт (53) 772.99 (088.8) (56) 1. Сороко Л.М. Основы голографии и когерентной оптики. М., "Наука", 1971, с. 526-528.

2. А.Yander Lugt "Coherent 0pti, са1 Processing", Proc. IEEE, V 62, М 10. 1974, рр..1300-1319 (прототип) . (54) (57) ГОЛОГРАФИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВ, содер" жащее источник освещений и расположенные последовательно на одной оптической,оси коллиматор, транспарант .с распознаваемыми объектами,- объек-

;тив Фурье-преобразования, Фурьеголограмму эталона распознавания и объектив обратного Фурье-преобразования, о т л и ч а.ю щ е е с я тем, что, с целью повышения отношения сигнал/шум при распознавании одинаковых по форме объектов . различного масштаба, источник освещения выполнен в виде источника с непрерывным спектром длин волн, и в .устройство введен блок кодирования по цвету сигнала корреляции, расположенный эа объективом обратного

Фурье-преобразования, выполненный в виде Фурье-преобразующего блока, в входной плоскости которого расположена маска с пропусканием. только +1 порядка дифракции Фурье"го-, Я лограммы эталона распознавания, а в спектральной плоскости. расположена голограмма для поворота +1 порядка дифракции Фурье-голограммы .эталона распознавания и распространения его вдоль оптической оси уст- Я ройства.

862713

Изобретение относится к области голографической обработки информации и может фыть использовано при распознавании, в первую очередь, объектов, которые при одинаковой форме могут иметь различный масштаб, например речевых сигналов, строчных и прописных печатных знаков, анализе результатов физических и медикобиологических экспериментов.

Известно голографическое устрой- ® ство для распознавания разномасштабных объектов (1), в котором используется розможность изменения масштаба Фурье-спектра транспаранта с распознаваемыми объектами при его ос- 15 вещении сходящимся пучком когерентного света. Данное устройство включает источник когерентного.излучения коллиматор, первый Фурье-преобразую щий объектив, транспарант, Фурье-го- 2О лограмму эталона распознавания, второй Фурье-преобразуюций объектйв.

Изменение расстояния от транспаранта до голограммы эквивалентно

ИЗМЕНЕНИЮ МаСШтаба ОбьеКтОВ На траНспаранте. . Недостатками устройства являются необходимость механического передвижения транспаранта и плоскости ре-. гистрации сигналов, что резко снижает скорость обработки, а также

<ф низкое отношение сигнал/шум при распознавании из-за изменения плотности светового потока на поверхности транспаранта при его перемещении. 35

Наиболее близким по технической сути к изобретению является голографическое устройство для распоз навания образов„ содержащее источник освещения и расположенные после- .4g довательно на одной оптической оси коллиматор, транспарант с распознаваемыми объектами, объектив Фурьепреобразования, Фурье-голограмму эталона распознавания и объектив обратного Фурье-преобразования (2), Данное устройство позволяет распознавать различные по масштабу объекты за счет использования многоканального голограммного,фильтра, на котором в качестве эталона рас- ® познавания записаны объекты с различным масштабом. Отличие в разме:ре ближайших по масштабу эталонных объектов выбирается таким, чтобы сигнал корреляции с одним из эта- 5S лонных объектов превыщал шум для; распознаваемых объектов любого размера в .заданном диапазоне маоштабов.

Недостатком данного устройства Щ является низкое отношение сигнал/шум обусловленное следующими причинами.

Если на Фурье-голограмму записывается большое число эталонных.объек-. тов для того, чтобы перекрыть требуе-6g мый диапазон масштабов, то отноше.ние сигнал/шум ухудшается из-за ограниченной информационной емкости регистрирующей среды .для записи голограмм. Если уменьшить число записываемых эталонных. объектов, увеличив разницу в размерах между ближайшими из них, то произойдет уменьшение отношения сигнал/шум за счет того, что сигналы объектов распознавания, имеюцих размеры промежуточные относительно эталонных объектов,, будут малы по величине.

Целью изобретения является повышение отношения сигнал/шум при распознавании одинаковых. по .форме объектов различного масштаба за счет од" новременного сравнения распознаваемого объекта с непрерывным множеством эталонов различного размера.

Поставленная цель достигается тем, что в голографическом устрой" стве распознавания образов,, содержащем источник освецения и расположенные последовательно на одной оптической оси коллиматор, транспарант с распознаваемыми объектами, объек тив Фурье-преобразования, Фурьеголограмму эталона распознавания и объектив, обратного Фурье-преобразования, источник освещения выполнен в .виде источника с непрерывным спектроМ длин волн, в устройство введен блок кодирования по цвету сигнала корреляции, расположенный за объективом обратного Фурье-преобразования, выполненный в виде Фурье-пре-, образующего блока, в входной плоскости которого расположена маска с пропусканием только +1 порядка дифракции Фурье-голограммы эталона рас- . познавания, а в спектральной плоскости расположена голограмма для поворота +1 порядка дифракции Фурьеголограммьй эталона распознавания и распространения его вдоль оптической..оси устройства.

Схема устройства представлена на чертеже.

Устройство содержит последовательно расположенные на одной оптической оси источник освещения. с непрерывным спектром длин волн 1, коллиматор 2, транспарант с расположенными объектами 3, первый Фурьепреобразующий объектив 4, Фурьеголограмму, эталона распознавания 5, Объектив обратного Фурье-преобразования б,блок кодирования по цвету сигнала корреляции, состоящий из маски 7, закрываЮщей все дифракционные порядки Фурье-голограммы эталона распознавания,-кроме +1 го, Фурье-преобразующего объектива 8, голограммы 9, обеспечивающей поворот +1-го порядка Фурье-голограммы эталона распознавания и его даль- . нейшее распространение вдбль опти862713

S

) 4(ж) х(— „)} д х

I ческой оси устройства, Фурье-преобразующего объектива 10.

Луч от источника 1 расширяют коллиматором 2 и освещают транспарант 3 с распознаваемым объектом . ()(), где х — вектор в плоскости транспаранта. Объективом 4 выполняют преобразование.фурье амплитудного пропускания транспаранта и в плоскости голограммы 5 получают. распределение амплитуд, пропорциональное выражению где 6(° ) - Фурье-образ функции амплитудного пропускания(5(7);() - вектор в плоскости голограммы 5; т - фо" кусное расстояние Фурье-преобразующих объективов; )(— длина волны

4()) — спектральная плотность амплитуды излучения источника.

В устройстве используется Фурьеголограмма эталонами(7), записанная . на;длине волны у0, соответствующей центру спектра излучения — источниI. ф Хх ка ((з1, с опорной волной N) - (aU .о

Пррчем центр эталона при записи располагается на оптической оси схемы . записи. Тогда амплитудное пропускание голограммы 5 в направлении +1-го порядка пропорционально +(1. й„< — „ /.е гдето() — Фурье-образ амплитудного .пропускания эталонами(х) . Объективом

6 в +1-м порядке дифракции получают распределение амплитуд, пропорциональное х

Сравнение объекта p(x) происходит одновременно с непрерывным множеством эталонов, отличающихся масштабом 5()/Я;

Если ф()(1= (()((«- b)), т.е. ф(х) совпадает по форме с эталоноьГ, но отличается .по размеру в a, раз и положению на Ь, то спектральная составляющая амплитуд при A есть

Ц вЂ” „ })х(х(-Ы) Ь"(х(х х)-a)3$ =

= (» х} — })(()Ъ ()хиххсхЪ-о)д))

= (,„} —,Мд (cl, (х+Ъ)-0) где (((%) — функция автокорреляции эталона. Таким образом, использова» ние полихроматического освещения позволяет получить сигнал совпадения объекта с эталоном при отличии их масштаба. По цвету сигнала совпаЯф дения объекта с эталоном соответх ствующемуЪ = †",,можно определить истинный разМер обнаруженного объекта. Амплитудные составляющие с — описывают кросскорреляцию

8О разномасштабных объекта и эталона. ! Центр сигнала совпадения(.(— ) †)< ) cc 1 Q (а((х +1) -си ) находится в: точке x .=-Ъ+ ф ) положение которой зависит от масштаба распознаваемого объекта из-за члена

О/))(. Этот факт может привести к снижению отношения сигнал/шум распознавания, так. как возможно суммирование сигналов в одной точке от различ20 ных объектов, что увеличнвает шум, а спектральные компоненты сигнала от,одного объекта, в том числе с длинамк волн, близкими к Я=, дающими существенный вклад в суммарный сиг-.

25 нал, оказываются пространственно разделенными, что уменьшает величину сигнала. Этот недостаток может быть устранен, если положить /а / = О. Однако это не может быть сделано на .

3Q стадии записи голограммы 5, так как необходимо обеспечить разделение порядков дифракции.

Устранения смещения И/р достигают элементами 7, 8, 9, 10. Маской 7

З5 пропускают только +1-й порядок дифракции голограммы 5. Объективом 8 выполняют Фурье-преобразование и пропускают +1-й порядок через голо грамму 9, амплитудное пронускание

4О,- которой л Е . ))о.Е

29i- — где . Ч - вектор

1 в плоскости голограммы 9. В результате пучок +1-го порядка дифракции

Фурье-голограммы .5:поворачивают и направляют вдоль оптической оси- устройства. Четвертью Фурье-преобразующим объективом 10 получают распределение амплитуд, пропорциональное

)ицх)) («))" Ä(X f))sg, Если (.()()= 9. в остальных случаях; то возможно распознавание

;объектов, отличающихся по размеру. в мака — раз с помощью одного эталонЭммн ° ногЬ объехкта йа голограмме. Для ви-;; л димого излучения А„„„а0,4 мкм и

В„ез„ аО,б мкм, т.е. )(, 1,5 допустимо изменение-:размера объектов на 503.

Оценим отношение сигнал/шум для предлагаемого устройства и прототи-, O

8б 2713

Составитель В.Аджалов

Редактор Бородкина Техред Т.Маточка Корректор 0,Билак

Заказ 8062/2 Тираж 473 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, .Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 па. Пусть необходимо распознавать объекты, размер которых может меняться в М раэ, а заданное отношение сигнал/шум/ф для распознавания с помощью прототипа объекта по одному эталонному объекту.достигается .при их взаимном различии в размере не более, чем в In раэ.

- Число эталонных объектов, которое должно быть записано на Фурье-голо-

I;:.....

М-) грамму для прототипа, есть =-,для предлагаемого устройства „,, где макС вЂ” Так как отношение сигнал/шум уменьшается пропорционально количеству записанной на голограмму

Выигрыш в увеличении отношени : сигнал/шум распознавания при использовании предлагаемоГо устройства есть ф, типичное значение

hq а 1,01, à k a 11,.55, . тТ.е; отношение сигнал/шум, увеличивается в 50 .раз.

Данное устройство позволяет распознавать объекты, значительно отличающиеся по масштабу при высоком отношеник сигнал/шум. цветовая коди10 розка (по длинам волн) сигналов опоэназания облегчает обнаружение объек= тов и определение их истинноге размера. Кроме того, достоинством уст ройства .является воэможность использования в нем .пространственно некогерентного источника, что позволяет устранить влияние фазовых неодно-. родностей транспаранта с распознаваемыми объектами и тем самым дополнительно повысить отношение сигнал/ шум при распознавании.