Оптические методы формирования поля направлений и поля пространственных частот

Цель работы:

Диссертация посвящена разработке и исследованию оптических методов формирования поля направлений и поля частот в задачах интерпретации и анализа изображений со структурной избыточностью.

Актуальность темы

.

Наибольшие технические возможности и перспективы в задаче обработке изображений, принадлежат цифровым методам и средствам, однако существует ряд линейных и нелинейных процедур обработки информации, которые наиболее оперативно решаются оптическими методами и средствами обработки изображений. Когерентные оптические системы могут быть эффективно использованы для решения широкого круга задач, связанных с получением преобразованием и обработкой фурье-спектров, корреляционных функций и сверток [24,25].

Поскольку фурье-образы двумерных оптических сигналов могут быть реализованы в виде реальных физических сигналов с помощью простейшей оптической системы над ними можно производить различные математические операции методами пространственной фильтрации. Например, одной из наиболее интересных операций для оптической обработки информации является преобразование координат изображения [27−32].

Однако оптические устройства в настоящее время еще не обладают эффективными логическими средствами и оперативным вводом выводом данных. Поэтому техническая реализация оптических методов обработки информации осуществляется путем создания оптико-цифровых систем [26].

Среди множества встречающихся изображений, имеется широкий класс информационно-избыточных изображений. К ним можно отнести дактилограммы, интерферограммы, Подобные изображения можно условно разделить на малые локальные области, в каждой из которых имеется сетка контурных полос (чередование темных и светлых линий) определенных направления и периода. Цель обработки таких изображений в том, чтобы заменить сетку полос в локальной области одним (или двумя) числом, пропорциональным углу наклона (и периоду) полос.

Обычные методы одноканальной когерентной пространственной фильтрации не позволяют достичь этой цели, а позволяют только частично или полностью устранить из изображения полосы.

Поэтому актуальным является разработка методов многоканальной когерентной пространственной фильтрации с целью выделения на изображении областей с равным наклоном полос.

Проблема выделения существенной информации путем построения поля направлений и поля частот обсуждалась в работах [4,12]. В данных работах задача решается с помощью численного моделирования работы оптической установки для построения поля направлений.

Излагаемый в данной работе подход ориентирован на когерентно-оптическое вычисление поля направлений, с помощью оптических пространственных фильтров, синтезированных на компьютере, с последующим использованием результатов для построения поля направлений, поля частот или Радон-образа.

Каждое контурное изображение помимо основной структуры, которая должна быть отражена в поле направлений и в поле частот, имеет также шумовую составляющую. Предлагаемый в данной работе метод построения поля направлений и поля частот позволяет снизить влияние шума в исходном изображении на вид поля направлений и поля частот при отношении сигнал/шум больше 1 [44*].

При оптической реализации построения поля направлений и поля частот возникает неизбежное искажение структуры, вносимое как селекцией углов в частотной плоскости, так и технологическими отклонениями в оптической схеме. Поэтому в представленной работе проведены экспериментальные исследования и численно построены зависимости влияния таких отклонений на точность построения поля направлений и поля частот.

С целью исследовать эффективность применения поля направлений в задаче идентификации дактилограмм была проведена серия численных и натурных экспериментов с дактилограммами.

Задачи исследования.

1. Разработка, моделирование и исследование методов оптического формирования поля направлений и поля частот, с помощью секторных дифракционных пространственных фильтров.

2. Сравнение различных оптических методов идентификации дактилограмм и выбор наиболее эффективного метода в натурном эксперименте.

3. Исследование эффективности применения поля направлений, сформированного оптическим методом в задаче распознавания дактилограмм.

4. Исследование эффективности применения поля направлений и поля частот в задачах восстановления фазы падающего света по интерферограмме.

5. Разработка и исследование оптической реализации преобразования Хоу-Радона.

Научная новизна работы.

1. Численно исследован новый метод многоканальной когерентной пространственной фильтрации Фурье-спектра контурных изображений примененный для оптической селекции углов наклона сетки полос на изображении.

2. Экспериментально исследован оптико-цифровой метод формирования поля направлений для изображений со структурной избыточностью, основанный на применении Фурье-коррелятора с фазовым пространственным фильтром в виде секторных дифракционных решеток.

3. В оптическом эксперименте доказана высокая эффективность (надежность распознавания>0.95) применения поля направлений в задаче распознавания дактилограмм.

4. Методами компьютерного моделирования исследована возможность применения оптически сформированных поля направления и поля частот в задачах восстановления фазы света по интерферограмме и показано, что данный метод обеспечивает точность восстановления фазы достаточную для практического использования, в случае если отношение сигнал/шум > 1.

5. Разработана новая оптическая реализация интегрального преобразования Хоу-Радона, которая использует более простые в расчете и изготовлении дифракционные оптические элементы по сравнению с известными реализациями.

На защиту выносятся: метод оптического формирования поля направлений изображения, основанный на многоканальной угловой фильтрации в частотной плоскости Фурье-коррелятора с помощью фазового пространственного фильтра, состоящего из секторных дифракционных решеток, и результаты численного и экспериментального исследования эффективности этого методаметод идентификации дактилограмм, основанный на применении метода оптического формирования поля направлений, и экспертного построения вектора признаков, с помощью коэффициентов разложения по ортогональным базисамметод восстановления фазы когерентного светового поля по его интерферограмме, основанный на применении оптически сформированных поля направлений и поля пространственных частотметод оптической реализации преобразования Хоу-Радона.

Выводы.

1. Сформированные оптическим методом как от интерферограммы, так и непосредственно от светового поля, поля направлений и поля частот позволяют со среднеквадратичным отклонением 4% восстанавливать фазу интерферирующего поля. Причем значение среднеквадратичного отклонения этого метода лишь немногим меньше среднеквадратичного отклонения метода Гартмана-Шаке".

2. Метод восстановления фазы по полю направлений и частот позволяет со среднеквадратичным отклонением 20% восстанавливать фазу по зашумленной интерферограмме, если отношение сигнал/шум>1.

Заключение

.

В диссертационной работе разработаны и исследованы как в численных так и в натурных экспериментах методы оптического формирования поля направлений и поля частот, применение оптического поля направлений в задаче идентификации дактилограмм, применение оптических поля направлений и поля частот для восстановления фазы светового поля.

Получены следующие основные результаты.

1. Для оперативного анализа и интерпретации контурных изображений показана возможность когерентно-оптического формирования поля направлений с помощью Фурье-коррелятора с фазовым пространственным фильтром в виде набора секторных дифракционных решеток (при 8 угловых напроавлениях ошибка формирования поля направлений составляет около 10%), это достаточно для решения задач анализа и интерпретации контурных изображений.

2. Численно и экспериментально показана более высокая эффективность (быстродействие и надежность около 95%). по сравнению с известными методами идентификации дактилограмм с помощью когерентно-оптического метода поля направлений.

3. Получены экспериментальные зависимости надежности идентификации дактилограмм с использованием оптически сформированного поля направлений от сдвига и поворота изображения.

4. Численно и экспериментально показана возможность устойчивого к шумам восстановления фазы светового поля с помощью оптического формирования поля направления и поля частот (ошибка восстановления фазы около 20% при отношении сигнал/шум входного сигнала около 1). При этом входным сигналом может служить как сам волновой фронт, так и его интерферограмма.

5. Для оперативного анализа контурных изображений с помощью численного моделирования показана возможность оптического выполнения преобразования Хоу-Радона с помощью Фурье-коррелятора с одним входом и N выходами, имеющего фазовый пространственный фильтр, состоящий из N секторных дифракционных цилиндрических линз.