Оптико-электронное устройство для распознавания образов — SU 318967 (original) (raw)
Соооа Соаетских Социалистических Республикависимое от авт, свидетельствааявлено 13,17.1970 ( 1424729/18-24) МПК 6 061( 90 исоединением заявкиКомитет по деламобретений н открытий оритет 8,Х.1971. Бюллетень32анпя описания 24.Е 1972 УДК 681.327.1(088,8) публикова при Совете Министре СССРопуол Авторыизобретени Х, фридман, Е, Р. Цветов, В. И. Карамнов, В. В. Галущенко и В. Ф. Лось витель ПТИ КО-ЭЛ ЕКТРОН НОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВИзобретение относится к устройстваат для распознавания образов, использующим анализ интерференционной картины, полученной в результате наложения Фурье-образов рас. познаваемого образа и эталона. 5Известно устройство для оптического опознавания образов, принцип действия которого заключался в следующем. Во входную плоскость когерентного оптического анализатора спектра пространственных частот одновремен но вводятся два транспаранта - один с эталонным распределением амплитудной прозрачности, другой с исследуемым (сигнальным) распределением амплитудной прозрачности. Транспаранты располагаются таким 1 образом, чтобы указанные распределения не накладывались друг на друга, и освещаются лазерным когерентным светом. В выходной Фурье-плоскости когерентного оптического анализатора спектра каждый транспарант 2 создает амплитудно-фазовое распределение, свой Фурье-образ, центрированный относительно оптической оси. В результате наложения Фурье-образов друг на друга возникает интерференционная картина. Средняя (несу щая) пространственная частота полос в этой картине пропорциональна расстоянию между центрами тяжести входных распределений, и полосы эти ориентированы в среднем перпендикулярно линии, соединяющей центры тяже 2сти входных распределений. Если образы идентичны, то интерференционная картина в Фурье-плоскости представляет собой полосы одной лишь несущей частоты, пространственно модулированные по интенсивности по закону квадрата модуля Фурье-образа эталонного распределения. Пространственно-частотный спектр такой интерференционной картины сосредоточен в узкой области около несущей частоты.Если же входные распределения - образы (эталонный и сигнальный) не идентичны, то регулярность интерференционных полос нарушается, появляются фазовая модуляция и искривление полоскоторые приводят к рас ширению спектра пространственных частот (тем большему, чем больше несходство входных образов). Огибающая пространственно-частотного спектра интерференционной картины в Фурье- плоскости представляет собой функцию взаимной корреляции между двумя входными распределениями (образами), а при идентичности обоих образов - их функцию автокорреляции, характеризующуюся острым максимумом (пиком), Процесс опознавания образов в данном случае заключается в обнаружении автокорреляционного пика, т. е, узкого спектрального отклика при пространственно-частотном спектральном анализе интерференционной картины в Фурье-плоскости,В известном устройстве пространственно- частотный спектральный анализ 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 решетками такова, что в,пределах интерференционной картицы 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 охва.тить весь возможный диапазон интерференционных пространственных частот. Например, если пфри предельно Возможном размере ин терференционной картины 10 млю 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 картины. 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 интерференционной 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 движения стеклянной пластинки,с решеткой переменного периода, Для реализациями такого вида движения с большой скоростью и с большим размахом требуется сложный и громоздкий механический привод; при этом неизбежны сильные вибрации и шум, снижаю. щие качество и надежность работы всего уст. ройства;2) полезный высокочастотный сигнал с автокорреляционной огибающей на выходе устройства (после фильтра верхних частот) оказывается в смеси с возможными радиопомехами и широполосным дробовым шумом фото 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 устройст.ва, а не его высокочастотное заполнение. К тому же слабый высокочастотный сигнал на экране осциллографа плохо отличим от высокочастотгных 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, 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.На чертеже схематично изображено предложенное устройство.Оно содержит источник 1 когерентного света (лазер); микрообъектив 2; диафрагму 3 с точеным отверстием; коллиматорную линзу 4; транспарант 5 с эталонным символом; транспарант 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 13; 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 55 6065 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 линзы осуществляется Фурье-преобразование входных транспарантов 5 и б, в результате которого возникает интерференционная картина. Задняя фокальная плоскость линзы 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 связагигом с цилиндром основании таким образом, что свет, прошедший от оптической,снстемы оквозь решетку переменного периода, попадает на 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 огнбаюшей со сглаживающим фильтром 14 нижних частот - со входом вертикального отклонения электронного осциллографа 15. Фотодатчик 1 б, 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 части. 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 пространственныхчастот.Вторая часть - прозрачный тонкостенный цилиндр 8 с закрепленной па нем решеткой переменного 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 ипформация (эталонное и сигнальное изображения) носит двумерный характер, инторференционная картина в Фурье-плоскости также двумерная и 5 10 15 20 25 30 35 40 45 необходим поиск ориентации эталона относительно сигнального изображения и поиск поориентации штрихов решетки относительнополос интерференциснной картины.Первый поиск необходим, поскольку регулярные интерференционные полосы в Фурьеплоскостн возникают лишь в том случае, есливходные образы идентичны и одинаковоориентированы.Второй поиск необходим для достижениянаибольшего полезного сигнала на выходеФЭУ и должен производиться в некотором угле относительно направления линий, соединяющей центры тяжести входных изображений. Этот поиск легче всего провести путемповорота всего приспособления для вводаобоих входных транспарантов 5 и б относительно оптической оси системы.Так как спектральный анализ интерференционнои картины в Фурье-плоскости производигся для каждой частной ориентации заодин проход решетки переменного периода,то скорость поиска по ориентациям прямо зависит от скорости прохода решетки. Поэтомузамена возвратно-поступательного движениярешетки переменного периода вращательнымдвикенпем, позволившая резко увеличитьскорость прохода решетки вместе с тем даствозможность увеличить и скорости поисковпо ориентациям и, следовательно, резко сократить полное время обработки одного сигнального изображения, Это, а свою очередь,дает возможность осуществитьобработку информации в реальном масштабе времени.Диаметр вращагощегося 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 спомощью варикапов под воздействием управляющего напрякения, вырыбатываемогогенератором 18, таким образом, что он всегданастроен на частоту ожидаемого полезногосигнала от фотоумножителя, которая равна1= тг 0 Цгг,где 1 - диаметр наружной поверхности цилиндра модуляционного анализатораспектра;- текущая пространственная частотарешепси в пределах интерференционной картины;гг - число оборотов 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 выделе38967 Составитель В, А. КудрявцевРедактор Н, Белявская Тсхрсд 3. Тараненко Корректоры: О, Зайцева и Е. Михеева Заказ 38334 Изд. 1494 Тирани 473 ПодписноеЦН 1 ИПИ Когяитста по дслаги изоорстсиий и открытий при Совете Министров СССРМосква, Ж, 1 аушская наб., д. 45 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 - для автоматического распознавания образов. 10Предмет изобретен ия1. Оптико-электронное устройство для распознавания образов, содержащее расположенные вдоль оптической оси источник когерентного света, коллпматор, транспарант с рас познаваемым и эталонным символами, линзу Фурье-преобразования, пространственный модулятор света, фотоэлектронный умножнтель, подключенный к сигналыгому входу высокочастотного фильтра, и электронный ос циллограф, отлича 1 ощееся 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 голограммой 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 синхромпульсов, 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.