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user: 2. 实时相关识别系统 2.1. 识别系统构成及相关原理 图1是实验中设计的实时光电混合联合变换相关识别系统结构图 [ 4 ] ，如图1所示：其中，S：激光强度调节器，L 1 ：显微物镜，O：针孔，L 2 ：准直镜，T：光阑，C：偏振片，SLM：空间光调制器，FTL：傅里叶变换透镜，CCD：电子耦合探测器。系统由计算机控制来自CCD1的目标图像f(x， y)和事先存在计算机中的参考图像h(x， y)并排呈现在空间光调制器SLM上，并使二者中心相距2a，采用经过针孔滤波和准直的相干平行光垂直照射SLM，经SLM呈现的输入光场可以写为： g ( x 1 ， y 1 ) = f ( x 1 + a ， y 1 ) + h ( x 1 − a ， y 1 ) (1) 该输入光信号经傅氏透镜FTL变换后，在其后焦面上得其联合频谱： G ( u ， v ) = F ( u ， v ) exp ( j 2 π a u ) + H ( u ， v ) exp ( − j 2 π a u ) (2) 式中 ( u ， v ) 为空间频率坐标， u = x 2 / λ f ， v = y 2 / λ f ，f为傅氏透镜焦距， λ 为激光波长，而 G ( u ， v ) 、 F ( u ， v ) 、 H ( u ， v ) 分别是 g ( x ， y ) 、 f ( x ， y ) 和 h ( x ， y ) 的傅里叶谱。在FTL后焦面上放置的是CCD2平方律探测器，器件接受的光场强度分布为 I ( u ， v ) ，即联合变换功率谱(JTPS)： I ( u ， v ) = | G ( u ， v ) | 2 = F 2 ( u ， v ) + H 2 ( u ， v ) + F * ( u ， v ) H ( u ， v ) exp ( − j 4 π a u )     + F ( u ， v ) H * ( u ， v ) exp ( j 4 π a u ) (3) 联合变换功率谱被CCD2采集后输入到计算机PC中进行数字处理，处理完的功率谱再输入到SLM上，再经傅氏透镜FTL进行一次傅里叶变换，在其后焦面上得到相关输出光场为： g ( x 3 ， y 3 ) = f ( x 3 ， y 3 ) ⊗ f ( x 3 ， y 3 ) + h ( x 3 ， y 3 ) ⊗ h ( x 3 ， y 3 )     + f ( x 3 ， y 3 ) ⊗ h ( x 3 ， y 3 ) ∗ δ ( x 3 + 2 a ， y 3 )     + h ( x 3 ， y 3 ) ⊗ f ( x 3 ， y 3 ) ∗ δ ( x 3 − 2 a ， y 3 ) (4) 式中：Ä表示相关运算，*表示卷积，式中第一项和第二项是目标图像 f ( x ， y ) 和参考图像 h ( x ， y ) 的自相关，两信号重叠在输出平面中心附近，为零级项，不是所需要探测的信号。第三、第四项是目标图像和参考图像的互相关，它们的中心分别位于输出平面的(−2a， 0)和(2a， 0)处，与中央零级分离，为一级衍射项，正是需要探测的一对互相关信号。如果这一对互相关信号有集中的峰值出现，说明目标图像中有参考图像，或二者相同。如果互相关信号没有集中的峰值出现，说明参考图像和目标图像不相同。用H 1 、H 2 分别表示目标图像和参考图像的宽度，则相关面上输出场光信号分布如图2所示。 图1. 光学相关实时图像识别实验系统框图 图2. 输出相关面上相关信号分布 2.2. 关键器件 2.2.1. 空间光调制器 空间光调制器(SLM)是一种能将数字信息加载于二维光学数据场上的器件，利用SLM可以将数字信号转换为光学信号，以便有效地利用光学运算的高度并行和快速的特点，SLM在构成实时光学信息处理系统中是最关键的器件。这类器件可在随时间变化的电驱动信号控制下，或者在另外一种空间光强分布的作用下改变空间上光分布的位相、偏振、振幅乃至波长，为了实现相关器的实时处理，空间光调制器是不可缺少的元件。我们系统中采用的空间光调制器主要参数如表1所示。 Table 1 The parameters of spatial light modulato 参数 规格 调制模式 纯振幅 分辨率 1920 × 1080 填充率 70% 透过率 67% 成像面积尺寸 16.3 mm × 9.18 mm 像素大小 8.5 um 动态对比度 1000:1 刷新率 60 HZ 表1. 空间光调制器参数 2.2.2. 光电藕合器件CCD 在我们识别系统中，首先要输入所获取的图像，然后摄取光学相关所产生的功率谱和相关峰图像。图像的摄取与记录这些工作都是由电荷藕合器件才来完成的。CCD在系统中主要作为探测记录器件。设接收CCD的光敏面横向尺寸为L CCD ，如果CCD把相关面上的信息全部记录下来，由图2可知，则L CCD 必须满足下面条件： L CCD ≥ 4 a + H 1 + H 2 (5) 本系统所采用的是一款200万像素千兆网接口数字相机。性能规格如表2所示： Table 2 The parameters of CC 参数 规格 数据接口 IEEE 802.3 1000 baseT 分辨率 1920 × 1080 传感器尺寸 Type 2/3” 像元尺寸 5.5 µm 最大帧率 57.5 fps A/D 14 bit 板载FIFO 128 MB 表2. CCD参数 2.2.3. 傅里叶变换透镜 光学图像相关主要是应用衍射原理和透镜的功能完成输入图像的光学傅里叶变换。具有正焦距的光学系统都应当具有傅里叶变换的功能，它将光信号进行傅里叶变换，在频谱面上获得功率谱。傅里叶变换系统是光学相关设备的关键元件，傅里叶变换系统性能的优劣直接影响着光信息处理的效果。傅里叶透镜的主要参数是其相对孔径和焦距，傅里叶透镜的相对口径将决定着其空间带宽积的大小，即影响着其能接收信息量的大小。 在我们的识别系统中，用平行相干光垂直照射到SLM上，傅里叶变换透镜位于SLM后面，在傅里叶变换透镜的后焦平面上用CCD接收功率谱，根据衍射理论计算出所需透镜口径的大小为： D ≥ 38.6   mm (6) 根据实际情况和实验要求，实验中采用双胶合傅里叶变换透镜，该透镜由低折射率的正透镜(冕牌玻璃)和高折射率(火石玻璃)的负透镜组成，经过计算机优化设计，使像差都得到了很好的校正。傅里叶透镜结构如图3所示，其孔径D = 50 mm，焦距f = 300 mm。 图3. 双胶合傅里叶变换透镜结构 2.3. 相关识别结果参数设计 经过多次理论仿真计算和光学实验，最后对相关结果的判别，定义了三个相关参数： 1) 相关峰值I 0 ：CCD2所采集的互相关区域内相关信号的最大强度。 2) 半峰值面积S 0 ：采样区域内强度大于I 0 /2的像素数目。 3) 信噪比SNR：相关峰最大强度与采集区域内的平均噪声强度之比。 S N R = I 0 ∑ i j N I i j / N (7) 其中N表示采集区域内强度小于I 0 /4的像素数目，I ij 表示噪声像素的强度。在相关结果得出后，对以上参数设阈值，如果参数同时满足事先设定的阈值条件，即作出肯定判断；否则作出否定判断。经多次实验探索，肯定判断的条件设定如下： I 0 > 100 ， S 0 < 30 ， S N R > 15 (8) 如果相关参数同时满足以上条件，则判断为相同的图像，如有一个参数不满足条件，则视为不同图像。 2.4. 实时相关识别系统软件设计 控制软件是基于微软公司的Visual Studio 2013环境下开发的，采用VC++.net作为开发语言，运行于Windows操作系统。软件部分设计了以下四个模块： 1) CCD控制模块：在实验系统控制程序中通过子函数的方法设计了对CCD的控制和采集模块。其中包括相机初始化、实时图像监视、单帧或连续图像采集、参数设定五个子程序。 2) 显示模块：在实验过程中需要将图像显示到SLM上，同时为便于观察功率谱、相关结果，本实验系统需要同时在3块显示器和1台SLM上同时显示图像数据。实现方法是在软件中同时打开4个窗口，1个为主窗口，显示程序控制界面，其余3个分别显示SLM、功率谱和相关结果。 3) 联合变换模块：联合变换模块主要负责图像识别的实现，包括对联合图像的预处理、功率谱的处理．设计了实时识别和分步识别两种模式，前者是自动实时完成两次傅氏变换识别和参数计算，后者是分步得到功率谱、保存和调用功率谱，以及分步实现第二次傅氏变换、参数计算。 4) 结果判定模块：此模块主要负责对最后的相关结果进行参数计算和识别结果判定，先根据设定的相关峰值强度、峰值面域和信噪比相关参数进行计算，再根据设计好的参数阈值进行结果判定。主要程序流程如图4所示： 图4. 识别系统软件主要程序流程图