Оптико-электронное устройство для распознавания образов

Оптико-электронное устройство для распознавания образов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

318 967

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Соооа Соеетских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 13.lV.1970 (№ 1424729/18-24) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 28.Х.1971. Бюллетень ¹ 32

Дата опубликования описания 24.Е1972

МПК 6 06k 9/00

Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Миннстрое

СССР

УДК 681.327.12 (088.8) Авторы изобретения

Г. Х. Фридман, Е. Р. Цветов, В. И. Карамнов, В. В. Галущеико и В. Ф. Лось

Заявитель

БИБЛИО, ЖА

ОПТИ КО-ЭЛ ЕКТРОН НОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВ

Изобретение относится к уст ройствахт для распознавания образов, использующим анализ интерференционной картины, полученной в результате наложения Фурье-образов распознаваемого образа и эталона.

Известно устройство для оптического опознавания образов, принцип действия которого заключался в следующем. Во входную плоскость когерентного оптического анализатора спектра пространственных частот одновременно вводятся два транспаранта — один с эталонным распределением амплитудной прозрачности, другой с исследуемым (сигнальным) распределением амплитудной прозрачности. Транспаранты располагаются таким образом, чтобы указанные распределения не накладывались друг на друга, и освещаются лазерным когерентным .светом. В выходной

Фурье-плоскости когерентного оптического анализатора спектра каждый транспарант создает амплитудно-фазовое распределение, свой Фурье-образ, центрированный относительно оптической оси. В результате наложения Фурье-образов друг на друга возникает интерференционная картина. Средняя (несущая) пространственная частота полос в этой картине пропорциональна расстоянию между цент рами тяжести входных распределений, и полосы эти ориентированы в среднем перпендикулярно линии, соединяющей центры тяжести входных распределений. Если образы идентичны, то интерференционная картина в

Фурье-плоскости представляет собой полосы одной лишь несущей частоты, пространствен5 но модулированные по интенсивности по закону. квадрата модуля Фурье-образа эталонного распределения. Пространственно-частотный спектр такой интерференционной картины сосредоточен в узкой области около несущей

10 частоты.

Если же входные распределения — образы (эталонный и сигнальный) не идентичны, то регулярность интерференционных полос нарушается, появляются фазовая модуляция и

15 искривление полос,,которые приводят к рас ширению спектра пространственных частот (тем большему, чем больше несходство входных образов).

20 Огибающая пространственно-частотного спектра интерференционной картины в Фурьеплоскости представляет собой функцию взаимной корреляции между двумя входными распределениями (образами), а при идентич25 ности обоих образов — их функцию автокорреляции, характеризующуюся острым максимумом (пиком). Процесс опознавания образов в данном случае заключается в обнаружении автокорреляционного пика, т. е. узко30 го спектрального отклика при пространствен318967 но-частотном спектральном анализе интерференционной картины в Фурье-плоскости, В известном устройстве пространственночастотный спектральный анал из интерференционной,картины в Фурье-плоскости осуществляется путем фотоэлектрической регистрации колебаний светового потока за плоской одномерной решеткой переменного периода, совершащей возвратно-поступательные движения в этой плоскости в направлении, перпендикулярном штрихам. Пространственная скорость изменения периода решетки такова, что в,пределах интерференционной ка ртины период решетки или ее пространственная частота, может считаться постоянной (с заданпой точностью). Поэтому длина решетки (вдоль направления ее движения) должна быть во много раз больше возможного размера интерференционной картины, чтобы охватить весь возможный диапазон интерференционных пространственных частот. Например, если,при предельно возможном размере интерференционной картины 10 мл принять допустимое изменение пространственной частоты на этом размере не более 2, то при диапазоне изменения пространственных частот интерференции 100 длина решетки должна быть 500 мм. Колебания светового потока за решеткой возникают в результате биений между пространственными частотами движущейся решетки и интерференционной ка ртины. Когда частоты эти близки между собой и ориентации штрихов решетки,и полос интерференции совпадают, эти амплитуды колебаний достигают максимума. Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) преобразует эти колебания в электрические, наблюдаемые на экране осциллографа, горизонтальная развертка которого синхронна с движением решетки (т. е. с изменением ее текущей пространственной частоты). Отклик на ту или иную пространственную частоту, содержащуюся в интерференцио нной картине, наблюдается на экране осциллографа в виде узкого ромбика с высокочастотным заполнением (прои быстром движении решетки) в том месте горизонтальной развертки на экране осциллографа, которое соответствует такой же текущей пространственной частоте решетки.

Однако в известном устройстве имеется ряд недостатков:

1) наличие возвратно-поступательного дви>кения стеклянной пластинки,с решеткой переменного периода, Для реализации такого вида движения с большой скоростью и с большим размахом требуется сложный и громоздкий механический привод; при этом неизбежны сильные вибрации и шум, снижающие качество и надежность работы всего устройства;

2) полезный высокочастотный сигнал с автокорреляционной огибающей на выходе устройства (после фильтра верхних частот) оказывается в смеси с возможными радиопомехами и широполосным дробовым шумом фото5 ю

15 го

65 тока ФЭУ, возникающим благодаря постоянной во времени составляющей светового по-. тока, прошедшего за решетку.

Эта составляющая может быть намного больше амплитуды полезных колебаний светового потока, возникающих при наличии в сигнальном распределении образов, идентичных эталонному. Поэтому и уровень дробового шума ФЭУ может быть настолько велик, что обнаружение полезного сигнала становится маловероятным;

3) на практике обычно представляет интерес сама функция корреляции, т. е. огибающая полезного сигнала на,выходе устройства, а не его высокочастотное заполнение.

К тому же слабый высокочастотный сигнал на экране осциллографа плохо отличим от высокочастотных шумов.

Целью, изобретения является увеличение быстродействия и помехозащищенности распознавания устройства. Устройство предложенной конструкции содержит фотодатчик синхроимпульсов, генератор управляющего напряжения и последовательно соединенные широкополосный усилитель и детектор огибающей сигнала, причем, пространственный модулятор света выполнен в виде фотопленки с зафиксированной на ней голограммой решетки переменного периода, закрепленной на поверхности тонкостенного цилиндра с прозрачной стенкой, вращаемого электродвигателем, а фотоумножитель закреплен на неподвижном основании внутри цилиндра, в основании которого имеется отверстие для фотодатчика синхроимпульсов, подключен ного ко входу. генератора управляющего напря>кения и одному из входов осциллографа, выход генератора управляющего напряжения подсоединен к управляющему входу высокочастотного фильтра, выход этого фильтра— ко входу широкополосного усилителя, а .выход детектора огибающей сигнала — к другому входу осциллографа.

На чертеже схематично изображено предложенное устройство.

Оно содержит источник 1 когерентного света (лазер); микрообъектив 2; диафрагму 8 с точеным отверстием; коллиматорную линзу 4; транспарант 5 с эталонным символом; транспа рант 6 с сигнальным (распознаваемым) символом; линзу 7, выполняющую Фурье-преобразование светового потока; вращающийся цилиндр 8 с тонкой прозрачной стенкой и отверстием а в основании; муфту 9; электродвигатель 10; фотоэлектронный умножитель 11; узкополосный высокочастотный фильтр 12 с электронной перестройкой частоты пропускания; широполосный усилитель 18; сглаживающий фильтр 14 нижних частот; осциллограф 15; фотодатчик синхроимпульсов 16; осветительную лампочку 17; генератор 18 упр авляющего напряжения.

Узкий пучок когерентного света от,источника света 1 собирается в фокусе микрообъектива 2, где фильтруется диафрагмой 3 с то50

65 чечным отверстием. Вышедший от отверстия диаграммы расходящийся пучок после расширения до необходимой апертуры коллимируется линзой 4 и падает одновременно на транспаранты 5 и б с эталонным,и сигнальным изображениями соответственно, находящимися в,передней фокальной плоскости линзы 7. В задней фокальной плоскости этой лин3bI осуществляется Фурье-преобразование входных транспарантов 5 и б, в результате которого возникает интерференционная картина. Задняя фокальная плоскость л инзы 7 является касательной к наружной поверхности цилиндра 8 с тонкой прозрачной стенкой, а задний фокус линзы 7 лежит на линии касания. Цилиндр 8 закреплен на муфте 9, сидящей на валу электродвигателя 10. На поверхности цилиндра 8 закреплена фотопленка с зафиксированной на ней решеткой переменното периода. Штрихи решетки ориентированы вдоль образующей цилиндра, и пространственная частота их линейно изменяется вдоль окружности цилиндра в заданных предел ах.

ФЭУ 11 закреплен внутри цилиндра на неподвижном не связанном с цилиндром основании таким образом, что свет, прошедший от оптической,снстемы оквозь решетку переменного периода, попадает íà его чувствительную поверхность.

Выход ФЭУ соединен со входом узкополосного высокочастотного фильтра 12,с электронной перестройкой частоты пропусканий.

Выход фильтра соединен со входом широкополосного усилителя И, выход последнего— через амплитудный детектор огибающей со сглаживающим фильтром 14 нижних частот— со входом вертикального отклонения электронного осциллографа 15. Фотодатчик 1б, освещаемый лампочкой 17 через отверстие а, вырабатывает синхроимпульсы, подаваемые на вход внешней синхронизации горизонтальной развертки осциллографа и на запуск генератора 18, управляющего перестройкой фильтра 12.

Описанную схему можно разбить на две час.гн. Первая часть, состоящая из источника света 1, микрообъектива 2, диафрагмы 3, коллимирующей линзы 4, входных транспарантов

5 и б, линзы 7 Фурье-преобразования, представляет собой известный когерентный оптический анализатор спектра пространственных частот.

Вторая часть — прозрачный тонкостенный цилиндр 8 с закрепленной па нем решеткой перемеиного периода, приводимый во вращение электродвигателем 10 через муфту 9, ФЭУ

11 и остальные электронные элементы — составляет усовершенствованный модуляцион.ный анализатор спектра пространственных частот интерференции.

В том случае, когда входная информация (эталонное и сигнальное изображения) носит двумерный характер, инторфереиционная картина в Фурье-плоскости также двумерная и

45 необходим поиск ориентации эталона относитель но сигнального изображения и поиск по ориентации штрихов решетки относительно полос интерференциснной картины.

Первый поиск необходим, поскольку регуляр ые интерференционные полосы в Фурьеплоскости возникают лишь в том случае, если входные образы идентичны и одинаково ориентированы.

Второй поиск необходим для достижения наибольшего полезного сигнала на выходе

ФЭУ и должен производиться в некотором угле относительно направления линий, соединяющей центры тяжести входных изображений. Этот поиск легче всего провести путем поворота всего приспособления для ввода обоих входных транспарантов 5 и б относительно оптической оси системы.

Так как спектральный анализ интерференционной картины в Фурье-плоскости производигся для каждой частной ориентации за один проход решетки переменного периода, то скорость поиска по ориентациям прямо зависит от скорости прохода решетки. Поэтому замена возвратно-поступательного движения решетки переменного периода вращательным дви>кенпем, позволившая резко увеличитьскорость прохода решетки вместе с тем даст возмо>кность увеличить и скорости поисков по ориентациям и, следовательно, резко сократить полное время обработки одного сигнального изображения. Это, в свою очередь, дает возможность осуществить обработку информации в реальном масштабе времени.

Диаметр вращающегося цилиндра 8 с решеткой переменното периода должен быть достаточно велик, чтобы кривизна его поверхности существенно не сказывалась в пределах интерференционной картины в Фурьеплоскости.

Узкополосный фильтр 12 перестраивается с помощью варикапов под воздействием управляющего напря>кения, вырыбатываемого генератором 18, таким образом, что он всегда настроен на частоту ожидаемого полезного сигнала от фотоумножителя, которая равна

f = rcDErz, где D — диаметр наружной поверхности цилиндра модуляционного анализатора спектра;

j — текущая пространственная частота ре шетки в пределах интерференционной картины а — число оооротов цилиндра в секунду.

Полоса пропускания перестраиваемого фильтра не должна быть больше полосы частот огибающего полезного сигнала. Благодаря действию этого фильтра, подавляются дробовые шумы ФЭУ и помехи во всем диапазоне частот, кроме узкой полоски, на которую он в данный момент настроен, Амплитудный детектор огибающей со сглаживающим фильтром 14 служит для выделе3!8967

Составитель В, А. Кудрявцев

Редактор Н. Белявская Тсхрсд 3. Тараненко Корректоры: О, Зайцева и Е. Михеева

Заказ 3833у! 4 Изд. 1494 Тираж 473 Подписное

ЦН!1ИПИ Когяитста по дслаги изоорстсиий и открытий при Совете Министров СССР

Москва, 7К-35, 1 аушская наб., д. 4i5

Типография, пр. Сапунова, 2 ния огибающей, пропорциональной модулю функции корреляции, и для дополнительного подавления дробовых шумов ФЭУ и помех, имеющих частоты, лежащие вне полосы частот огибающей полезного сигнала.

Предлагаемое устройство может быть применено для корреляционного анализа изображений, а в комплексе с ЭЦВМ вЂ” для автоматического распознавания образов.

1О

Предмет изобретения

1. Оптико-электронное устройство для распознавания ооразов, содержащее расположенные вдоль оптической оси источник когерентного света, коллнматор, транспарант с рас- 15 познаваемым и эталонным символами, линзу

Фурье-.преобразования, пространстве нный модулятор света, фотоэлектронный умножптель, подключенный к сигнальному входу высокочастотного фильтра, и электронный ос- 20 циллограф, отлича1ощееся тем, что, с целью увеличения быстродействия н помехозащищенности, оно содержит фотодатчик синхроимпульсов, генератор управляющего напряжения и последовательно соединенные широкополосный усилитель и детектор огибающей сигнала, причем пространственный модулятор света выполнен в виде фотопленки с зафиксированной на ней голограм»ой решетки переменного периода, закрепленной на поверхности тонкостенного цилиндра с прозрачной стенкой, вращаемого электродвигателем, а фотоумножитель закреплен на неподвижном основании внутри вращающегося цилиндра, в основании которого имеется отверстие для фотодатчика синхроимпульсов, подключенного ко входу генератора управляющего напряжения и одному из входов осциллографа, выход генератора управляющего напряжения подсоединен к управляющему входу высокочастотного фильтра, выход этого фильтра— ко входу широкополосного усилителя, а выход детектора огибающей сигнала — к другому входу осциллографа.