Оптический коррелятор для распознавания образцов

 

ОПТИЧЕСКИЙ КОРРЕЛЯТОР ДПЯ РАСПОЗНАВАЩ1Я ОБРАЗОВ, содержавши ''амплитудный модулятор света, элект]рическйй вход' которого подключен К уСИ- лителю рассогласования, а оптн<*еский вход связан с выходом первого коллиматора, второй и трещи коллиматор^, натрицы фотоприемников, светоделнтет ли, отличающийся тем, что, с целью расширения функцио«аль-:ньое возможностей путем обработки двумерных изо'бражен}1Й в реальном времени, в ; оптический коррелятор введены два электрон^пых коммутатора, двеуправляемые лиШ-ги задержки н блой ' ' управлений, выходы которбГ'О с'Оединёны! с управляющими входами элё^строяных KOKwyTaTopoB и управляемых линий за- •дёржки, вхбды кбторых Подключены к выходам ,соответственно первого и второго коммутаторов, входы кото]рых сое-^ динены соответственно с выходами первой и второй матриц; фотоприемников., ёьЛоды управ'ляемых линий задер*ки . . подключены соответственно к пёрвойу и второму входам усилителя рассогласования, оптический вход пербого светоделителя является входом коррелятора, первый оптический выход пер- , вого:светоделителя связан со входом ' первой матрицы фотоприеймихов, второй оптический выход связан со входом первого коллиматораi вь«од акшштудного модулятора света 'через второй светоделитель, второй коллиматор . связан со входом т{)етьей матрицы . фотоприемников, второй оптический выход второго светоделителя через третий коллиматор связан со входом второй матрицы фотоприемииков,ШfS^S»^шш

0gl 1111

А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (51)5 С 06 1 3/00

ОГ1ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

) )О ИЗОБРЕТЕНИЯМ И 0 )МРЫТИЙМ

flPM ГКНТ СССР

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (2I)t 2628207/18-24 (22) !4.06.78 (4 ) 07.03.90, Бюл. Р 9 (71) Тбилисский филиал ВИИИ метроло - - гии им. Д.И.Менделеева (72) E.È.Ðàáèíoâè÷ (53) 68).333 (088.8) (56) 5овинский В.Е1. и Арховский. В.Ф.

Корреляционные устройства. — М., Энергия, 1974, с. 160-174.

Авторское свидетельство СССР

В 695360, кл, С 06 С 9/00, 1977. (54) (57) ОПТИЧЕСКИЙ КОРРЕЛЯТОР ДПЯ

РАСПОЗИАВАИ)Я ОБРАЗОВ, содержайнй

" амплитудньФ модулятор света, электри- ческий вход которого подключен к уси " лителю рассогласования, а оптический .вход связан с выходом первого коллиматора, второй и третий коллиматорй, матрицы фотоприемников, светоделите ли,.о т л и ч а ю ж и и с я тем, что, с целью расвирения функциональ,:ных возможностей путем обработки двумерных изображений в реальном вре-,. мени, в . оптический коррелятор введе ны два электронных коммутатора, две

Изобретение относится к области статистических методов обработки .— случайных процессов аналоговыми н аналогово -цифровыми методами и может; найти применение для распознавайия образов :в реальном масштабе времени.

Известен, аналоговый оптикоэлектронный коррелятор, основанный на принципах оптической обработки ин формации,.Этот прибор содержит источ-

2 управляемые линии задержки и блок . . управления, выходы которого соединены| с управляющими входами электронных коммутаторов и управляемых лийий за.держки, входы которых подключены к выходам, соответственно первого и второго коммутаторов, входы которых сое» динены соответственно с выходами лер" вой и второй матриц, фотоприемников, выходы управляемых линий задержки подключены соответствейно к первому и второму входам усилителя рассогласования, оптический вход йервого: светоделителя является входом коррелятора, первый оптический выход перного,светоделителя связан со вхоцои первой матрицы фотоприейников, второй оптический выход связан со входом первого коллиматора, вМсод амшштудного модулятора света:через второй светоделитель, второй коллиматор связан со входом третьей матрицы . Ф, фотоприемников, второй оптический выход второго светоделителя через третий коллиматор связаи со входом второй матрицы фотоприемников, t ник света, два транспаранта, колли" матор, диафрагму, объективы и фото

1 1 приемник. Этот оптический коррелятор отно- В1В сится к аппаратурным средствам корре-, й, ляционного анализа случайных процессов, записанных на фотоносителе и характеризуется;малым быстр действием, обусловленным задержкой иа время обработки фотоносителя, значительным

716403 расходованием носителя вследствие.

eio однократного использования weт ет высокую стоимость из-за" наличия дорогостоящих оптических элементов

5 с- высоким классом точности обработки поверхностей. Он имеет ограниченные функциональные воэможности и узкий класс решаемых задач, т.е, обеспечивает нахождение корреляции между данным иэображением и эталоном, но не позволяет находить KoppellffflH6HHble зависимости между элементами самого анализируемого изображения.

Известен многоканальный оптический у5 коррелятор, принятый.эа прототип, который работает беэ записи входных сигналов Иа носитель информации и служит для нахождения корреляционных зависимостей между двумя электричес" кими сигналами, преобразованными для этого посредством множества преобразователей электрического сигнала в

I оптический и световые потоки. При . этом один иэ электрических сигналов 25

° поступает на преобразователь непосредственно, а второй - через набор из параллельйых электрических линий эадержхи поступает на соответствующее количество преобразователей. . В устройстве-прототипе применен зо амплитудный модулятор света, элек-. трический вход которого подключен к усилителю рассогласования, а оптичес- кий вход связан с выходом первого коллиматора. Прототип содержит второй З5 и третий коллиматоры, матрицы фото- приемников и светоделнтели.

В этом корреляторе световое излучение от данных преобразователей посредством световодов пропускается да лее через амплитудйьй модулятор света, управляемый от усилителя рассо,гласования.

Прй этом на выходе вйходного кол. лиматора, образованного световодами, получают после параллельного интегрирования пб времени одновременно и точек вэаимокорреляционной функции двух электрических сигналов в реаль- ном масштабе времени,, 50 Йедостатком устройства-прототипа является то, что оно ие пригодно для обработки .входных сигналов-изображений, ие способно вычислять простРанствен 55 мые корреляционные функции по поверх-. иости иэображения (по элементам изображения) в реальном. или квазиреапь-, нои,масштабе времени, 4

Иежду тем, для решения многих задач распознавания образов необходи- . мо находить и пространственные и временные корреляционные функции по поверхности анализируемого иэображения (по элементам изображения) в реальном или кваэиреальном масштабе времени.

В связи с этим, целью изобретения является создание оптического корре лятора, расширяющего функциональные возможности путем обработки двумер- . ных иэображений в реальном времени,,а также класс решаемых задач оптическими корреляторами.

Цель достигается тем, что в опти" ческий коррелятор для распознавания образов, содержащий амплитудный модулятор света, электрический вход. которого подключеи к усилителю paC-. согласования, а оптический вход свя-.зан с выходом первого коллиматора, второй н третий коллиматоры, матри-, цы фотоприемников, светоделители, введены два электронных коммутатора, две управляемые линии задержки и блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами электрониых коммутаторов и управляемых линий задержки, входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго электроннык коммутаторов„ входы которых соединены соот- . ветственно с виходами йервой и второй матриц фотоприемников, выходы управ° ляемых линий задержки подключены .соответственно к первому и второму входам усилителя рассогласования, оптический вход первого светоделнтеля является входом коррелятора, первый оптический выход первого светоделителя связан со входом первой матрицы Фотоприемников, второй оптический выход связан со входом первого коллиматора, выход амплитудного моду лятора света, через второй светодели» . тель, второй коллиматор, вторбй «ол- лиматор связан со входом третьей матрицы Фотоприемников, второй оптический .восход второго светоделителя через третий коллиматор связан со . входом второй матрицы фотоприемников.

На чертеже изображен оптический коррелятор.

Входное изображение 3 поступает " . иа светоделитель 2, где eto световой поток делится на две части, Часть, прошедшая через светоделитель 2, проI

5 . 7 1 6403 . 6 ходит далее через коллиматор 3 и да- циент передачи,амплитудного модулялее через амплитудный модулятор све- тора света. та 4, на вь(ходе которого установлен Данный световой поток вновь десветоделитель 5, где световой поток 5 лится светоделителем 5 на две части вновь делится на две части. Часть, в пропорции m tn< при этом, часть, прошедшая через светоделитель 5, прошедшая через светоделитель 4, пропроходит далее через коллиматор 6 и ходит далее через коллиматор б, распоступает на матрицу фотоприемников ширяющий пучок света и поступает на

7, выходы KQTopblx n )OT(. i o I0 матрицу фотоприемников 7, имея светоустройс тва . вой поток равныйо !

Часть светового потока, отражен- () ааХ gtP иая от светоделителя 5, проходит че- ., а"" m + n рез коллиматор В, йа выходе которого

Ш Ш;с с установлена матрица фотоприемников 15 P — — - -) (— --"«)Х(й) = Pk(V) X(t) ° (2) (а,+и ) (m +a )

9 ° Выходы матрицы фотоприемников 9 подключенМ к электронному коммутато - 2 7. ру 10, выход которого подключен к

Часть светового потока, отразившаявходу электрической управляемом ли- ся от светоделителя 5, проходит че« нии задержки II, ее выход подключен . 20 рез коллиматор В, расширяющий пук входу уеилителя "рассогласования 12, чок,и поступает на матрицу фотоприема выход последнего подключен к управников 9, имея световой поток ляющему входу амплитудного модуля- тора света 4 ..: -: . п Х с

Часть светового потока входного . 25 Хо ) ш + п изображения 1, отраженная от свето- делителЯ 2, постУпает на матРицУ фо- ш,п Х топриемников 13, выходы которых под- (ш + )(m + . ) (,) ключены к электронному коммутатору

14„ выход его подключен ко входу 30 р k(V)Z(t) () электрической управляемой линии задержки 15 ° а ее выход подключен к . Посредством электронного коммутатора другому входу усилйтеля рассогласо" ... 9 может быть осуществлен выбор и вания 12. Коммутаторы 10 и 14 и : подключение к вхосду" тэлектрической управляемые линии задержки 11 и 15 35 линии задержки 10 любогр элемента подключены через соответствующие бло- иэображения (X

Г 1 Г

Входное изображение X X(t) - 40 1 - : шу

- fy,; (С)) (;; j = 1, 2,...р) посту-, j - 1, 2, ..., о,, (4) пает на светоделитель 2, где делится г где 1а," постоянные коэффициенты на две части в пропорции m ; n где преобразования фотоприемников матриm, yQ)

m +и, - прошед11(ий световой поток 45 цы 9. Обычно К" 1 сЫ поэтому

I °

11 .)

1 " (t) = oL P — k(V) Х " (С) а -- -(- - отраженный, причем m ъ> и. !

i, j 1, 2,...n, (5). Прошедший световой поток йроходит через коллиматор 9, сужающий диаметр трическую .управляемую линию заце жкн пучка,и через амплитудный модулятор, света 4, с выхода которого на вход - ° где задеРжив етсЯ на ваРьиРУемое .светоделителя 5 поступает световой время (,, С выхода электрической управляе-! m(XÛ 55 мой линии задержки ll данный элекX (t) ** Р†- - k(V), (I) .. трический сигнал 1 II(t ) поступает

< на вход усилителя рассогласования.)2. где P — постоянный коэффициент потерь „. Iасть светового потока нзображеавета, à k(V) - изменяющийся коэффи- ния 1, отраженная от светоделителя () «„ „).Х() (9) 40 шип< Х щ(й

Х;1 (-v)

Осуществляя интегрирование (9) в плоекости выходной матрицы фотоприемников 7 могут быть получены функцио45 т„„(Ф, т>-о JJJ — ", <-, p>(t>dtdxdy

os? «3 (10) с бЧ О,dt, 2

° °

50 ° 1 ° kJ 1 юв 1, 2б, °, 1лв Хс Д

Число точек N обусловлено способом выделения (k, 1).-го и (i, j)-го элейен гов "изображения. управление работой электронных

55 коммутаторов 10 и 14, а также электрическиМ варьируемь>мй линиями задержки 1 1 и 15 осуществляется от бло- "ка 16 уЪравлЕйия. Пространственно71б40 2, поступает на матрицу фотоприемников 13.Посредством электронного коммута- тора 14 может быть осуществлен выбор и подключение к входу электрической управляемой линии задержки 15 любого влемеите ивобревиеиия (Х; (Е>>, имеющего после преобразования матрицей фотоприемников 13 следующий электри- 10 ческий эквивалент:

3 1 2е е °, N,, (б} где (; 1 постоянные коэффициенты преобразования фотоприемников матрицы

I >3. ббмчио ((3(* J>=d лоэтомт: "1" (t) "(>J., Х" (t)

m +n lJ

20 .(, j-1,2»... М. (7)

Сигнал (7) йроходит через элемктри-. ческую уйравпяемую линию задержки 15, 25, бГКЕЧЗадЕржИВаЕвтеяо На уйраВЛяЕМОЕ время Ч, С выхода данного блока 1 5 сигнал

1; (t-Ч) поступает на второй вход ус1ияттеля рассогласования 12. Вследствие наличия отрицательной обратной связи с ввода амплитудного модуля тора света 4 на его управляющий вход, автоматически поддерживается баланс

I ( схемы, .при котором 1; а 1,1 йлй

k(V) - "ь, - — — - - (8)

n m Х((l t-(,1

m P Х; ° (t-Ч)

Отсюда, с учетом (2) получим:

3 8 временное интегрирование осуществля ется на матрице фотоприемнйков 7, установленной на выходе устройства, .Если установлено (, ь„, Х(б сопзй.

Тогда, в соответствии с (1), на выходах матрицы фотоприемников 7 после интегрирования в течение времени Т, будет. одновременно получено (N - 1) . точек временных взаимокорреляционных функций и" одна точка автокорреляционной функции йо поверхности изображения:

Ч

R;<(,".„) - с f X;(t-".„)Õ;+1(t)àt, 2,..., 1,, 1 0,1,2..., Е.

Посредством перебора индекса можяо получать N-раз (для всех элементов входного изображения) наборы из К функций вида .(ХТ) (N точек для Я функций).

Если вновь подать иа вход коррелятора реализацию изображения в.течение времени Т то варьируя всякий . раэ величину ((k 1,2...,,) посредством управляемой линии задержки;

1 1 можно получать новые точки

R g (t,Ф„) временных взаимо- и автокорреляционных функций элементов изображения, соответствующих разным врел менным сдвигам ((,, Набор из Таких функций-точек Р. >Jl (t, (, ) для каждой пары элементов Х и Х;+ представляет собой точки временной взаимо- и автокорреляционной функции для элементов изображения Х и Х +р .

Для любого фиксированного момента времени t могут быть найдены корре" ляционные функции по поверхности иэображения для каждого элемента, . если не проиэводить интегрирования по времени, как в (П)(и установить л (,„ О. Функции-точки этих корреляционных функций есть:

К

RÄ(t, 1) - +X„;(t)X„(j+1);е

jm(k 1,2,...g N

1 - 0,1 2,... Ке

Очевидно, всего будет N таких кор- реляционных функций по поверхности для N точек. ЕсЛи раскрыть выражение (12), то станет видно, что его мож+ но вычислять по столбцам, при этом, при j l одновременно вычисляются все элементы первого столбца и засылаются в память блока 16 уйравленият

t затем„при j 2 одновремейно вычисляются все элементы второго столбца!

9 7 16403 l O и т.д. Затем, для получения функций лабораторном макете подтвердили его точек в ЦВИ осуществляется суммиро- достоинства.. ванне вычисленных коррелятором эле- Технико-экономический эффект

1 ментов, .,:данного изобретения заключается в !

Совмещением обоих рассмотренных том, что данное изобретение сущестрежимов можно моделировать более венно расширяет функциональные возсложиы6 пространственно-временные можности и класс решаежм задач опзависимости. Электронные коммутаторы тических корреляторов, работающих позволяют перебирать индексы и. тем 10 в реальном масштабе времени, а также самыи моделировать взаимокорреляцнон- . допускает микротехнологическое кон-" ные функции для любых точек изобра- структивное исполнение и автоматиэи жения. Это позволяет обнаруживать рованный процесс производства, что и распознавать образы инвариантно обеспечивает, создание высоконадежных от их расположения во входном изоб- 1 компактных приборов, годных к эксплуаражении. тации в различных условиях промыш-, Проведенные экспериментальные ис- ленности,и бортовых систем летающих следования данного устройства на — и плавающих объектов.

Ф

Составитель В.Жовинский

Техред М.Моргентал Корректор И.Иуска

Редактор M.Ëåíèíà ° а

Заказ 1696 Тираж 572 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и.открытиям при ГКНТ СССР

1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д . 4/5

Производственно-иэдательскнй комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101