Инвариантные корреляционные фильтры с линейным фазовым коэффициентом для лазерных систем корреляционного распознавания изображений

Актуальность темы

.

Корреляционное распознавание изображений является одним из наиболее широко применяемых и перспективных инструментов для поиска, идентификации, локализации и слежения за объектами относительно сложных форм. Перспективность методов корреляционного распознавания обусловлена возможностью их реализации в высокоскоростных оптико-электронных системах, принцип работы которых основан на использовании когерентных корреляторов изображений [1−5].

Методы корреляционного распознавания основаны на сравнении входного изображения с изображениеями эталонных объектов из базы данных системы распознавания. Ранее корреляционные методы нашли успешное применение в таких технических решениях, как. системы автоматической медицинской диагностики, системы биометрического и голографического доступа по изображению ключа [1,6−9], системы обработки данных высокочастотных антенных решеток и т. д. Как правило задачи, решаемые с помощью устройств перечисленных типов, не требуют оперативности счёта, что даёт возможность их конструирования на, основе исключительно электронных вычислительных средств с эквивалентной скоростью обработки данных порядка Ю10 операций в секунду. Существует ряд задач, для успешного решения которых оперативность счёта является ключевым условием. Для повышения эффективности работы таких систем, как бортовые навигационные системы с ориентацией по изображениям местности, системы идентификации, классификации и слежения за быстродвижущимися объектами схожих форм, системы поиска и регистрации лиц в видеопотоке изображений трафика в реальном времени необходимо использование изображений в высоком разрешении, а также осуществление оперативного поиска и обработки изображений в больших базах данных. Перспективным способом увеличения скорости обработки является реализация методов корреляционного распознавания в оптико-электронных системах на основе когерентных корреляторов изображений.

Интерес к оптико-электронным устройствам обработки информации связан с возможностью достижения высоких скоростей выполнения вычислительных операций за счет высокого параллелизма обработки данных. В течение последнего десятилетия существенное развитие получили оптические устройства маршрутизации и коммутации потоков данных в высокопроизводительных вычислительных системах [10,11], оптические специализированные процессоры, в том числе оптические матричные процессоры, и радиооптические устройства [12−14]. К примеру, разработанный компанией Lenslet процессор EnLight256 при весьма миниатюрных размерах обладает скоростью счёта до 8 • 1012 MAC/sec (операций с фиксированной точкой в секунду) [15]. Наряду с этим, развитие элементной базы устройств отображения и считывания оптической информации открыло возможности для разработки оптико-электронных корреляционных устройств для систем высокоскоростного распознавания изображений [1,4,16−24].

В настоящее время имеется информация о ряде успешных реализаций оптико-электронных устройств распознавания, основанных на когерентных корреляторах изображений. К примеру, разработана и коммерчески освоена система чтения и понимания дорожных знаков компании Cambridge Correlators [16]- рекордными характеристиками обладают системы слежения за подвижными целями, основанные на оптико-электронных корреляторах изображений Jet Propulsion Lab. (NASA) [17−22], в Японии разработана оптическая корреляционная система распознавания лиц [23], а также сервер осуществляющий быструю фильтрацию нелегального видео контента FARCO [24] и т. д.

Суть метода корреляционного распознавания заключается в вычислении двумерной корреляционной функции между изображениями входного и эталонного объектов. По характеристикам результирующего корреляционного распределения, а в частности по наличию или отсутствию корреляционного пика, его локализации, интенсивности и ширине делают вывод о принадлежности входного объекта к классу эталонного. Существенной проблемой корреляционного метода является его неустойчивость к шумам и помехам входного изображения. Для адекватного распознавания необходимо, чтобы корреляционный пик обладал характеристиками, достаточными для выделения его на фоне всего выходного распределения, которое может включать в себя ложные корреляционные пики и шумы различной природы. Ложные корреляционные пики могут появиться как следствие корреляции эталона с ложными объектами. Наличие шумов во входной плоскости может привести к снижению точности локализации интересующего объекта в плоскости входного изображения. Наравне с этим, метод корреляционного распознавания не устойчив к возможным искажениям изображения эталонного объекта. Реальная практика показывает, что поворот эталонного объекта на 5 — 7° либо изменение масштаба на 3 — 5%, а также изменения условий освещения приводят к вырождению корреляционного пика. Применение в качестве опорного объекта математически синтезированных инвариантных корреляционных фильтров, содержащих информацию как об эталонном объекте, так и об его возможных искажениях, позволяет в той или иной степени избавиться от перечисленных недостатков [25].

Особый практический интерес представляет распознавание объектов, представленных в виде бинарных контурных изображений. Достижения в области алгоритмов оконтуривания, используемых для предобработки входных изображений, в ряде случаев дают возможность устойчивого распознавания в условиях переменной освещённости эталонного объекта либо в условиях ограниченной видимости [26]. Анализ показывает, что перспективным для устойчивого к искажениям и помехам распознавания бинарных контурных изображений является использование составного инвариантного корреляционного фильтра с линейным фазовым коэффициентом (далее КФ ЛФК).

Идея синтеза и применения КФ ЛФК для инвариантного распознавания объектов была предложена Л. Хассебруком (НазБеЬгоок 1990 [27]). С момента их появления КФ ЛФК посвящен целый ряд работ, в том числе по исследованию различных аспектов их синтеза, по их применению в условиях конкретных постановок задачи распознавания [28−30]. Результаты этих работ свидетельствует о высоких характеристиках распознавания бинарных контурных изображений с применением КФ ЛФК. Однако, несмотря на достоинства, комплексная природа фильтра ограничивает возможность его реализации в схемах когерентных корреляторов изображений. В [31] предпринята попытка реализации КФ ЛФК в схеме 4-Р коррелятора на основе метода псевдослучайного чисто фазового кодирования, который оказался критически сложным и малоприменимым при практическом использовании. Применение методов цифровой голографии в сочетании с использованием устройств отображения с высоким разрешением делает возможной реализацию КФ ЛФК в виде чисто амплитудных либо чисто фазовых голографических фильтров, синтезированных по аналогии с методом записи голограмм Вандер Люгта [2]. Сведения о реализации КФ ЛФК в схеме дифракционного коррелятора Вандер Люгта отсутствуют. Также, в последнее время возможно появление устройств, осуществляющих полную комплексную модуляцию света, что делает возможной непосредственную реализацию КФ ЛФК в схемах оптико-электронных корреляторов, на настоящий момент анализ таких возможностей отсутствует.

Для достижения рекордной производительности оптико-электронной системы корреляционного распознавания необходимо использовать устройства с как можно меньшим временем отклика. Однако, доступные в настоящее время высокочастотные модуляторы с большим разрешением обладают ограниченным динамическим диапазоном модуляции. Наиболее быстрыми являются бинарные модуляторы света. Исследование влияния ограничений динамического диапазона модуляции на распознавательную способность и исследование возможностей применения бинарной модуляции при реализации синтезированных голографических корреляционных фильтров играет ключевую роль при разработке оптико-электронных корреляционных устройств для систем высокоскоростного распознавания изображений.

В соответствии с выше указанным, целью диссертации является разработка методов реализации и применения инвариантных корреляционных фильтров с линейным фазовым коэффициентом (КФ ЛФК) в современных лазерных системах корреляционного распознавания изображений.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Проведение исследования особенностей синтеза и распознавательных характеристик КФ ЛФК.

2. Исследование и разработка методов реализации КФ ЛФК в виде синтезированных дифракционных элементов в схемах когерентных оптических корреляторов изображений.

3. Численное моделирование работы когерентного оптического коррелятора изображений на основе синтезированных дифракционных элементов, реализуемых с помощью современных средств модуляции лазерного излучения в условиях ограничений динамического диапазона модуляции.

4. Численное моделирование работы когерентного оптического коррелятора изображений на основе синтезированных дифракционных элементов, реализованных с помощью бинарных голографических носителей.

5. Экспериментальное макетирование когерентного оптического коррелятора изображений на базе КФ ЛФК, реализованных с использованием бинарных голографических носителей.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

1. Анализ свойств и характеристик фильтров с линейным фазовым коэффициентом (КФ ЛФК) показал перспективность их применения в высокоскоростных лазерных корреляционных системах распознавания. Показано, что характеристики современных голографических носителей допускают реализацию КФ ЛФК в схемах когерентных корреляторов изображений в виде синтезированных дифракционных элементов.

2. Впервые предложен метод реализации КФ ЛФК в схеме когерентного оптического коррелятора изображений в виде синтезированных Фурье-голограмм с использованием либо чисто амплитудных либо чисто фазовых носителей. Выявлены основные ограничения, определяющиеся характеристиками используемого голографического носителя.

3. На основании результатов численного моделирования работы когерентного оптического коррелятора Вандер Люгта, использующего гологра-фические носители с ограниченным динамическим диапазоном модуляции впервые определены допустимые и достаточные границы числа уровней представления пропускания голографического фильтра соответствующего исследуемому КФ ЛФК.

4. На основании результатов численного моделирования работы когерентного оптического коррелятора изображений, использующего бинарные голографические носители для реализации КФ ЛФК в виде Фурье-голограммы впервые установлено, что из всех исследованных методов прямой бинаризации только метод Отсу в ряде случаев позволяет сохранить распознавательные характеристики голографического фильтра. В случае реализации фильтра с использованием для представления уровней пропускания бинарного растра впервые определена нижняя граница требуемого числа представляемых уровней.

5. Впервые экспериментально продемонстрирована реализация КФ ЛФК в схеме когерентного оптического коррелятора изображений в виде амплитудных Фурье-голограмм с использованием бинарных голографических носителей.

Практическое значение диссертации заключается в том, что она служит теоретической и экспериментальной базой для создания лазерных корреляционных устройств для высокоскоростных систем распознавания изображений. Предложенный в работе метод реализации инвариантных корреляционных фильтров в виде специально синтезированных голографических элементов, даёт возможность применять современные средства модуляции лазерного излучения для их реализации в когерентном корреляторе изображений.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Инвариантные корреляционные фильтры с линейным фазовым коэффициентом (КФ ЛФК) могут быть реализованы в когерентном корреляторе Вандер Люгта в виде синтезированных Фурье-голограмм (голографиче-ских фильтров) для решения задач высокоскоростного инвариантного распознавания бинарных контурных изображений.

2. Расчётным путём показано, что КФ ЛФК обеспечивают устойчивость распознавания к различного вида геометрическим искажениям входного объекта относительно эталонного, в том числе при зашумлении входного объекта до 4 — 6%.

3. На основании результатов численного моделирования установлено, что для реализации КФ ЛФК в схеме коррелятора Вандер Люгта в виде синтезированных голографических фильтров могут быть использованы пространственно-временные модуляторы света с ограниченным динамическим диапазоном представления пропускания. При этом ограничение числа уровней пропускания голографического фильтра до 32 не приводит к заметным изменениям в результате распознавания.

4. Численно и экспериментально апробирован способ реализации голографических фильтров в корреляторе Вандер Люгта с использованием бинарных голографических носителей. Показано, что для представления синтезированных голограмм в ряде случаев могут быть использованы методы прямой бинаризации изображений (метод Отсу). Также показана возможность использования бинарного растра для представления уровней пропускания голографического фильтра. Определено, что при этом число передаваемых уровней пропускания должно быть не менее 16.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на конференциях: на международной конференции SPIE «Security + Defence» (Тулуза, Франция, 2010) — на международной конференции SPIE «Holography: Advances and Modern Trends» (Прага, Чешская Республика, 2009) — на международной конференции SPIE «Defence and Security» (Орландо, США, 2008,.

2009 гг) — на VI Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики» (С-Пб., ИТМО, 2010) — международной конференции молодых учёных и специалистов «0птика-2007» (С-Пб., ИТМО, 2007) — на всероссийских научных конференциях «Научная сессия МИФИ» (Москва, 2007, 2008, 2009,.

2010 гг) — на «Всероссийской Выставке Научно-Технического Творчества Молодёжи НТТМ-2008» (Москва, ВВЦ, 2008), где были награждены дипломом.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, среди них: 4 статьи в рецензируемых журналах, 6 — в трудах международных конференций, 10 — в трудах всероссийских конференций.

Выводы главы.

В главе 5 рассмотрены варианты реализации КФ ЛФК в схеме когерентного 4-Р коррелятора изображений с применением полной комплексной модуляции в плоскости пространственных частот.

1. Исследована возможность реализации КФ ЛФК с полной комплексной модуляцией в плоскости пространственных частот 4-Р коррелятора с одновременным ограничением числа уровней представления амплитуды и фазы. Результаты моделирования показали, что для сохранности распознавательных свойств КФ ЛФК амплитуду необходимо реализовать с сохранением не менее 8 уровней, фазу — с сохранением не менее 16 уровней.

2. Моделирование реализации КФ ЛФК в виде трёхуровневого амплитудно-фазового фильтра в Фурье-плоскости коррелятора не дало положительных результатов.

3. Показана возможность реализации КФ ЛФК с бинарным представлением амплитуды и ограниченным диапазоном представления градаций фазы. В результате установлено, что для сохранности распознавательных свойств КФ ЛФК амплитуду необходимо бинаризовать методом Отсу при этом число уровней фазы должно быть не меньше 5.

Заключение

.

Диссертация посвящена исследованию возможности реализации инвариантного корреляционного фильтра с линейным фазовым коэффициентом (КФ ЛФК) в лазерных оптико-электронных системах распознавания образов. В результате проведённых работ были получены следующие основные результаты:

1. Численное моделирование показало, что корреляционные фильтры с линейным фазовым коэффициентом (КФ ЛФК) обеспечивают устойчивость распознавания к различного вида геометрическим искажениям входного объекта относительно эталонного, в том числе при зашумле-нии входного объекта до 4 — 6%.

2. Численно исследован метод реализации инвариантных корреляционных фильтров с лииейиым фазовым коэффициентом в виде синтезированных Фурье-голограмм. Показано, что при такой реализации фильтр сохраняет свои распознавательные свойства.

3. Показано, что для реализации фильтра в схеме коррелятора Вандер Люгта могут быть использованы голографические носители с ограниченным динамическим диапазоном модуляции пропускания. Установлено, что для полного сохранения распознавательных свойств фильтра достаточно сохранить не более 32 уровней представления пропускания голограммы.

4. Показана возможность применения бинарной модуляции в сочетании с методами прямой бинаризации изображений для реализации голограммы. Установлено, что из всех стандартных методов только метод глобального порога Отсу в ряде случаев даёт возможность сохранить распознавательные способности голограммы.

5. Исследована возможность применения бинарного растра для представления уровней пропускания голограммы с использованием бинарных модуляторов света. Установлено, что для сохранения распознавательной способности голографического фильтра в данном случае число передаваемых уровней пропускания должно быть не менее 16.

6. Осуществлена экспериментальная реализация КФ ЛФК в схеме коррелятора Вандер Люгта с использованием голографических носителей с бинарной модуляцией.

7. Исследована возможность применения устройств полной комплексной модуляции света. Определены граничные требования при применении того или иного типа модуляции.