Оптические методы формирования поля направлений и поля пространственных частот тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Скиданов, Роман Васильевич

• Скиданов, Роман Васильевич
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Скиданов, Роман Васильевич

4

Глава 1. Оптическое вычисление поля направлений и поля частот.

Поле направлений и его вычисление.

1.2. Способы оптического вычисления поля направлений.

1.3. Влияние параметров оптической установки на точность вычисления поля направлений

1.4. Влияние параметров изображения на точность построения поля направлений

1.5 Оптическое выполнение преобразования Хоу-Радона

Выводы

Глава 2. Идентификация дактилограмм на основе оптического вычисления поля направлений.

2.1. Обоснование метода оптического вычисления поля направлений

2.2. Оптическая схема.

2.3. Идентификация дактилограмм на основе оптического вычисления поля направлений.

2.4. Натурный эксперимент по идентификации дактилограмм.

2.5. Устойчивость метода идентификации дактилограмм к сдвигу и повороту изображения 67 Выводы

Глава 3. Оптический метод восстановления фазы светового поля по полю направлений и полю частот интерферограммы

3.1. Задача восстановления фазы

3.2. Вычисление поля направлений и поля частот от интерферограммы

3.3. Восстановление фазы по полю направлений и частот интерферограммы с отношением сигнал/шум >1 84 3.4 Восстановление фазы с использованием полей направлений и частот, полученных в натурном эксперименте

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 метода; метод идентификации дактилограмм, основанный на применении метода оптического формирования поля направлений, и экспертного построения вектора признаков, с помощью коэффициентов разложения по ортогональным базисам; метод восстановления фазы когерентного светового поля по его интерферограмме, основанный на применении оптически сформированных поля направлений и поля пространственных частот; метод оптической реализации преобразования Хоу-Радона.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Скиданов, Роман Васильевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Скиданов, Роман Васильевич, 1998 год

1. Е.С. Вентцель, J1.A. Овчаров "Теория вероятностей и ее инженерные приложения " М.: Наука, 1988.

2. P.O. Дуда, П.Е. Харт Распознавание образов и анализ сцен. М.: Мир, 1976.

3. Н.Г. Загоруйко Методы распознавания и их применение.М.:Советское радио, 1972.

4. Л.П. Ярославский. Введение в цифровую обработку изображений.-М.:Сов. радио, 1979.

5. Z. Chen, Y. Sun, Y. Zhang, G. Mu "Hybrid, optical/digital access control using fingerprint identification". Optical Enginering, v.34, No.3, p.834-839 (1995).

6. M. Dawagoe, A. Tojo "Fingerprint pattern classification" Pattern Recognition, 1984, v. 17, p. 295-303.

7. F.T. Gamble, L.M. Frye, D.R. Grieser. Real time fingerprint verification system. Applied Optics, v.31, No.5, p.652-655 (1992).

8. H. Huh, J.K. Pan "Optical digital invariant recognition of two dimensional patterns with straight links." //Opt. Eng., 1996, v. 35, no 4, p. 997-1002.

9. D.H McMahon, G.L Johnson, S.L. Teeter, C.G. Whitheg. A hybrid optical computer processing technique for fingerprint identification. IEEE Trans. Comput. v.C-24, No.5, p.358-368 (1975).

10. W.K. Pratt. Digital image processing. Wiley Interscience publication. New York. 1978.

11. J. Rodolfo, H. Rajbenbach, J.P. Haignard "Performance of a photorefractive joint transform correlator for fingerprint identification" //Opt. Eng., 1995, v. 34, no 4, p. 1166-1171.

12. M. Seth, A.K. Datta "Optical implementation of a connectionist model of Hough transform" //Opt. Eng., 1996,v. 35, no 6, p. 1779-1794.

13. S.O. Novicov, V.S. Kot «Singular features detection and classification of fingerprints using Hough transform». Proceeding of SPIE, Digital Image Processing and Computer Graphics», 1997, v.3346,p. 258-269.

14. E.G. Johnson, J.D. Brasher, D. Gregory, P. Erbach, M. Duingnan, G. Behrmann, S.H Lee, W. Dasghner, P. Long «Optical recognition of phase-encrypted biometrics». //Opt. Eng., 1998, v. 37, no 1, p. 18-25.

15. J.D. Javidi, A. Sergent «Fully phase encoded key and biometrics for security verification». // Opt. Eng.,1997, v. 36, no 3, p. 935-942.

16. J.D. Brasher, E.G. Johnson «Incoherent optical correlators and phase encoding of identification codes for acess control or authentication». // Opt. Eng., 1997, v. 36, no 9, p. 2409-2415.

17. T.J. Grycewicz, В. Javidi «Experimental comparison of binary joint transform correlators used for fingerprint identification».// Opt. Eng., 1996, v. 35, no 9, p. 25192525.

18. Оптическая обработка информации. Пер. С англ./Под ред. Д. Кейсесента. -М.: Мир, 1980.

19. А. Вандер-Люгт Когерентная оптическая обработка информации.// ТИИЭР, 1974, N10.

20. D.P. Casasent W.M. Sterling An optical/digital processor: hardware and applications.-IEEE Trans. Comput., 1975,v. 24,no 4.

21. О. Брингдал Оптические преобразования, Автометрия, N 2 (1983), с. 30.

22. О. Bryngdahl Optical map transformations, Optical communications, 1974, v. 10,p. 164.

23. O. Bryngdahl Optical scanner-light deflection using computer-generated difractive elements, Optical communications/

24. O. Bryngdahl Computer-generated holograms as generalized optical components, Opt. Eng., 1975, v. 14, no 5, p.426.

25. D.P. Casasent, D. Psaltis Deformation invariant optical processor using coordinate transformations, Applied Optics, 1977, v. 16, no 8, p.2288.

26. J. Cederquist, A.M. Tai Computer-generated holograms for geometric transformations, Applied Optics, 1984, v. 23, no 18, p. 3099.

27. P.Ambs, S.H.Lee, Q.Tian, Y.Fainman "Optical implementation of the Hough transform by a matrix of holograms", Appl. Opt., 25 (22) 4039-4045 (1986).

28. К. Мардиа Статистический анализ угловых наблюдений, М.: «Наука», 1978, 240 с.

29. М. Takeda., Н. Ina, S. Kabayashi. "Fourier transform mrthod of fringe pattern analysis for computer-based topography and interferometry", J. Opt. Soc. Am., 1982, v. 72, no. 1, p.157-160.

30. T. Yatagai, S. Nakedata, M. Iolesawa, U.Saito "Automatic fringe analysis using digital image processing techniques", Opt. Eng., 1982, v.21, n. 2, p. 432-435.

31. V.V. Kotlyar, P.G. Seraphimovich, O.K.Zalyalov "Noise intensitive method for interferogram processing", Opt. and Laser Technology, 1995, v. 27, no. 4, p. 251254.

32. B.B. Котляр, O.K. Залялов "Итеративный алгоритм восстановления трехмерной формы объекта", Компьютерная оптика, Самара, СГАУ, 1996, вып. 16, с. 71-74.

33. V.A. Soifer., S.N. Khonina, N.Yu. Ilyasova, and V.V. Kotlyar Structural metods in pattern recognition using optical Karhunen-Loeve Expansion. Proceedings of SSPR'94, 1994.

34. Применение методов фурье-оптики. Пер. С англ./Под ред. Г. Старка. М.: Радио и связь, 1988.