Инвариантные корреляционные фильтры с линейным фазовым коэффициентом: варианты реализации в схемах когерентных корреляторов изображений

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Арутюнов, В.А. Выходные устройства систем оптической обработки информации [Текст]/В.А. Арутюнов, Н.А. Есепкина, Б.А. Котов, П.П. Лавров, Г.Ю. Сотникова [и др.]//В кн.: Оптико-электронные методы обработки изображений.-Л.: Наука, 1982.-С. 147-165.

2. Гаврилов, Г.А. Многоэлементные фотоприемники на основе приборов с переносом заряда для систем оптической обработки информации [Текст]/ Г.А. Гаврилов, Б.А. Котов, Г.Ю. Сотникова//В кн.: Проблемы и перспективы оптических методов обработки изображений. - Л.: Изд-во ФТИ АН СССР, 1984.-С. 126-132.

3. Гаврилов, Г.А. Оптико-телевизионный процессор на основе ПЗС-фотоприемников. [Текст]/Г.А. Гаврилов, С.Б. Гуревич, Г.Ю. Сотникова//Письма в ЖТФ.-1982.-Т. 8.-Вып. 9.-С. 521-523.

4. Гаврилов, Г.А. Дифференцирование оптического сигнала на ПЗСФП. [Текст]/Г.А. Гаврилов, Г.Ю. Сотникова// Письма в ЖТФ.-1985.-Т. 11.-Вып. 16. -С. 968-971.

5. Гаврилов, Г.А. Оптикоэлектронные устройства на основе ПЗС для анализа формы поверхности. [Текст]/Г.А. Гаврилов, Г.Ю. Сотникова//В кн.: Современное состояние и перспективы оптических методов передачи, хранения и передачи информации.-Л.: Изд-во ФТИ АН СССР, 1984.-С. 232-238.

6. Гаврилов, Г.А. Разрешающая способность преобразователей оптического изображения на осно-

ве ПЗС [Текст]/Г.А. Гаврилов, Г.Ю. Сотникова//В сб.: Оптическая обработка изображений. -Л.: Наука, 1985.-С. 90-103.

7. Бузялис, Р.Р Применение линейного ПЗС-фотоприемника для исследования поперечной структуры лазерного пучка [Текст]/Р.Р. Бузялис, Г.А. Гаврилов, Г.Ю. Сотникова//Письма в ЖТФ.-1987.-Т. 13. -Вып. 17.-С. 1077-1080.

8. Гаврилов, Г.А. Регистрация распределения интенсивности излучения полупроводниковых лазеров в ближней и дальней зонах с помощью ФПЗС [Текст]/Г.А. Гаврилов, Ю.Г. Помигуев, Г.Ю. Сотникова, А.Л. Тер-Мартиросян//Письма в ЖТФ.-1991.-Т. 17. -Вып. 23.-С. 1-5.

9. Гаврилов, Г.А. ПЗС-камера в установке для диагностики лазерной плазмы [Текст]/Г.А. Гаврилов, Д.А. Мосесян, Ю.Г Помигуев, Г.Ю. Сотникова//Пись-ма в ЖТФ.-1993.-Т. 19.-Вып. 5. С. 25-29.

10. Гаврилов, Г.А. Установка для регистрации пространственно-спектрального распределения интенсивности излучения полупроводниковых лазеров в ближней зоне [Текст]/Г.А. Гаврилов, Ю.Г. Помигуев, Г.Ю. Сотникова, А.Л. Тер-Мартиросян//ЖТФ.-1996. -Т. 66.-Вып. 4.-С. 196-201.

11. Gusev, V.K. Plasma formation and first OH experiments in the Globus-M tokamak [Текст]/УК. Gusev, T. A. Burtseva, A.V. Dech, G.A. Gavrilov//Nuclear Fusion. -2001.-Vol. 41.-№ 7.-P. 919-925.

535.8.1,004.93,1

Н.Н. Евтихиев, С.Н. Стариков, Е.Ю. Злоказов, В.Г. Родин, Р.С. Стариков

ИНВАРИАНТНЫЕ КОРРЕЛЯцИОННЫЕ ФИЛЬТРЫ С ЛИНЕЙНЫМ ФАЗОВЫМ КОЭФФИцИЕНТОМ: ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАцИИ В СХЕМАХ КОГЕРЕНТНЫХ КОРРЕЛЯТОРОВ ИЗОБРАЖЕНИЙ

В 70-х гг. в Советском Союзе возникло несколько коллективов ученых, активно занимавшихся голографией, оптической обработкой информации и их применением для решения многих важных задач по обработке сигналов и изображений. Среди таких коллективов была и лаборатория, созданная в Ленинградском политехническом институте профессором Нелей Александровной Есепкиной. Основное направ-

ление исследований - акустооптические и опто-электронные процессоры радиосигналов, а также оптическое моделирование характеристик сложных антенн. У Нели Александровны было острое чувство нового, в частности, она одна из первых обратила внимание на перспективы применения в оптических процессорах появляющихся в то время многоэлементных ПЗС-фотоприемников -линеек и матриц. Она и ее сотрудники выступали

с докладами по результатам своих исследований и разработок на Всесоюзных конференциях и школах по голографии и оптической обработке информации. Работы сотрудников ее лаборатории неизменно вызывали интерес. На этих конференциях и состоялось наше знакомство с ней. С Н.А. Есепкиной лаборатория оптической обработки информации кафедры квантовой электроники (ныне - кафедра лазерной физики) МИФИ на протяжении долгих лет была связана как научными и деловыми, так и самыми теплыми, дружескими отношениями. Без преувеличения можно сказать, что общение с Нелей Александровной - крупным ученым и замечательным человеком - оказало значительное и самое положительное влияние на коллектив лаборатории как в профессиональном, так и в личностном отношении. В плане профессионального сотрудничества, в первую очередь, необходимо упомянуть плодотворное взаимодействие при выполнении ряда исследований по оптической обработке информации, в т. ч. по разработке акустооптических процессоров радиосигналов с использованием полупроводниковых лазеров, при разработке систем РСА, а также систем распознавания изображений на базе многоэлементных ФПЗС [1-3 и мн. др.]. На протяжении ряда лет осуществлялось сотрудничество и в рамках межвузовской программы «Оптические процессоры». В публикуемой статье изложены новые результаты по развитию таких исследований в области оптических систем распознавания изображений, выполненных в лаборатории оптической обработки информации кафедры лазерной физики МИФИ.

Корреляционный метод является одним из наиболее перспективных методов оперативного распознавания изображений. Современные высокоскоростные пространственно-временные модуляторы света (ПВМС) - жидкокристаллические, микромеханические и др. - делают возможной реализацию систем корреляционного распознавания с эквивалентной скоростью вычислений до 1013 операций с фиксированной точкой в секунду. Применение инвариантных корреляционных фильтров (КФ) позволяет добиться устойчивости распознавания к возможным искажениям входного изображения, таким, как поворот, изменение масштаба, изменения освещенности и др., а также к их возможным комбинациям. Один из наиболее перспективных типов инвариантных фильтров

для распознавания контурных бинарных изображений - составной корреляционный фильтр с линейным фазовым коэффициентом (КФ ЛФК). В статье изложены результаты исследований вариантов реализации КФ ЛФК в схемах когерентных корреляторов изображений.

Составные корреляционные фильтры

с линейным фазовым коэффициентом

Корреляционные фильтры с линейным фазовым коэффициентом (LPCC - Linear Phase Coefficient Composite filter, КФ ЛФК) являются одним из перспективных типов корреляционных фильтров и могут применяться для бинарных контурных изображений [4, 5]. КФ ЛФК обладают высокой межклассовой избирательностью. Также КФ ЛФК по сравнению с другими типами КФ «экономен» в плане вычислительных затрат, необходимых для синтеза, поскольку не требует обращения матриц при расчете. В простейшем случае КФ ЛФК синтезируется в соответствии с формулой:

* (N-1) 2П

hLPCC (x y) = S exp(-j — n)sn (x, y), n=o N

где sn(x, y) - изображение эталонного объекта, вошедшее в тренировочный набор изображений при синтезе фильтра.

Для исследования возможностей реализации КФ ЛФК в схемах когерентных корреляторов изображений, в качестве эталонного и ложных были использованы объекты, изображенные на рис. 1. Все тестовые объекты имеют одинаковую толщину контура, элементы контура и суммарную интенсивность. КФ ЛФК синтезирован на основе 18 изображений эталонного объекта, подвергнутых повороту в пределах от 0 до 170 градусов с постоянным шагом 10 градусов. Выбор изображений тренировочного набора был обусловлен кросс-корреляционными свойствами используемых тестовых истинного и ложных объектов, и фактически задает условия задачи распознавания. На рис. 1, a изображено распределение амплитуды синтезированного фильтра. Зависимость интенсивности корреляционного пика от угла поворота входного объекта, приведенная на рис. 1, б, демонстрирует распознавательные способности синтезированного КФ ЛФК: величина корреляционного пика для изображения эталонного объекта во всем диапазоне поворота выше, чем пороговый уровень, выбранный по максимальному значению пиков для ложных объектов.

и

3500

-

-л,

щш 1

-true

-false 1

-false 2

-false 3

---threshold

40

60

80 100 angle (degl

120

140

160

а)

б)

Рис. 1. Эталонный и ложные

Варианты реализации КФ ЛФК в схемах когерентных корреляторов изображений

Характеристики современных ПВМС как го-лографических носителей обеспечивают возможности оперативной реализации КФ ЛФК в когерентных корреляторах изображений. На практике подобные устройства имеют ограниченный динамический диапазон модуляции. Наибольший практический интерес вызывают бинарные носители благодаря их высоким частотам смены кадра. Влияние ограничений динамического диапазона модуляции таких носителей на распознавательные характеристики реализуемого фильтра требует особого исследования. Практика показывает, что в случае применения комплексных инвариантных корреляционных фильтров использование схем с фильтрацией в области пространственных частот обладает рядом преимуществ по сравнению со схемами корреляторов совместного преобразования с фильтрацией в предметной области. В данной статье рассматриваются варианты реализации КФ ЛФК в схемах корреляторов с фильтром в области пространственных частот.

Реализация КФ ЛФК с полной комплексной модуляцией в области пространственных частот. Реализация КФ ЛФК путем комплексной модуляции в плоскости пространственных частот коррелятора вызывает особый интерес в связи с возможностью появления устройств с полной комплексной модуляцией. Среди вариантов подобной реализации стоит выделить следующие: с ограниченным представлением и амплитуды, и фазы; с бинаризацией амплитуды и ограниченным представлением фазы (в т. ч. трехуровневый фазо-амплитудный фильтр, ТУФАФ).

В результате исследования возможности реализации КФ ЛФК в схеме когерентного коррелятора изображений с полной комплексной модуляцией в плоскости пространственных частот установлено, что в случае реализации с ограниченным динамическим диапазоном модуляции и амплитуды, и фазы необходимо сохранить не менее 8 градаций амплитуды и не менее 16 градаций фазы. В случае реализации с бинарной модуляцией амплитуды и ограниченной модуляцией фазы только метод бинаризации Отсу обеспечил инвариантное распознавание во всем диапазоне пово-

а)

г)

angle

б)

д)

angle

angle

angle

е)

J true . Л-false 1 А А Г\ I-false 2 \ /\ III -,alse 3 1 \ 1 \ /\||---threshold

$3$

-true

-false 1

-false 2

-false 3

- - threshold

angle

angle

Рис. 2. Зависимость интенсивности корреляционного пика от угла поворота входного объекта для: 8 уровней амплитуды, 8 уровней фазы; б - 4 уровней амплитуды, 16 уровней фазы; в - 8 уровней амплитуды, 16 уровней фазы; г - 2 уровней амплитуды (Отсу), 2 уровней фазы; д -2 уровней амплитуды (Отсу), 4 уровней фазы; е - 2 уровней амплитуды (Отсу), 5 уровней фазы

рота, количество градаций фазы при этом должно быть не менее 5. Рис. 2 иллюстрирует перечисленные результаты.

Реализация КФ ЛФК в корреляторе Ван-дер Люгта. Это наиболее экономичный метод, по сравнению с вариантами, рассмотренными выше. Схема коррелятора Вандер Люгта - вариант схемы с фильтрацией в плоскости пространственных частот. В данном случае фильтр реализуется в виде синтезированной Фурье-голограммы (голо-графического фильтра), при этом требуется толь-

ко чисто амплитудная или чисто фазовая модуляция света [6-9].

Специальное программное обеспечение использовано для синтеза голограммы. Голограмма была представлена в виде полутонового изображения с точностью 8 бит (или 256 уровней серого). Моделирование работы коррелятора Вандер Люгта показало, что КФ ЛФК сохраняет свои распознавательные свойства при его реализации в виде голографического фильтра. На рис. 3 приведено изображение центральной части синтезированной

голограммы, рассчитанный отклик голограммы, зарегистрированный отклик голограммы, реализованной экспериментально, а также результаты численного исследования корреляционных свойств для различных вариантов ее реализации, рассмотренных ниже. Импульсный отклик голограммы состоит из 5-функции в нулевом порядке дифракции и двух взаимно сопряженных областей, соответствующих синтезированному фильтру в +1 и -1 порядках. Выходной сигнал коррелятора состоит из изображения входного объекта, зоны свёртки

в +1-м порядке и интересующей, с точки зрения корреляционного распознавания, зоны корреляции в -1-м дифракционном порядке.

Для исследования возможности реализации КФ ЛФК в схеме коррелятора Вандер Люгта с использованием современных голографических носителей были рассмотрены несколько вариантов: использование носителей с ограниченным динамическим диапазоном модуляции; бинарных носителей с применением стандартных методов прямой бинаризации и использование бинарных

а)

Рис. 3. Синтезированный голографический фильтр и его корреляционные свойства: а - синтезированная голограмма (центральная часть); б - рассчитанный отклик голограммы; в - пример отклика голограммы, измеренного экспериментально; г - профилограмма рассчитанного выходного сигнала коррелятора; д - распределение интенсивности рассчитанного выходного сигнала коррелятора; е - зависимость интенсивности корреляционного пика от угла поворота входного объекта при полном представлении градаций пропускания; ж - при представлении 16 градаций пропускания; з - в случае бинаризации методом Отсу; и - в случае бинарного растрирования с представлением 17 градаций пропускания

носителей с применением бинарного растрирования для передачи градаций пропускания. Для каждого случая проводились как численный анализ СКО откликов голографических фильтров, так и расчет выходных сигналов коррелятора.

В случае реализации голографического фильтра с помощью носителей с ограниченным динамическим диапазоном модуляции было установлено, что для полного сохранения результатов распознавания достаточно сохранить 32 градации пропускания. Корреляционный пик в случаях входных изображений объектов эталонного класса сохраняет удовлетворительные качества даже в случае передачи четырех уровней пропускания. Анализ результатов численного моделирования показал, что при ограничении числа градаций пропускания до величины, меньшей 16, адекватное распознавание не гарантируется.

В случае реализации голографического фильтра с использованием бинарных модуляторов света были рассмотрены основные типы бинаризации изображений: локальные (методы Ниблака и гистограмм) и глобальный - метод Отсу. В результате моделирования установлено, что применение методов локальной бинаризации не обеспечивает сохранности распознавательных свойств КФ ЛФК. Реализация голограммы, бинаризованной методом Отсу, позволяет распознать эталонный объект среди всех используемых тестовых

а)

б)

6 • .

с л л

ИМ ^ л

4 л

О о л

«г л

объектов, однако анализ СКО показал, что в рамках других постановок задачи распознавания положительный результат подобной реализации не может быть гарантирован.

Исследована возможность реализации го-лографического фильтра с помощью бинарных модуляторов с применением бинарного растрирования для передачи градаций пропускания голограммы. В результате установлено, что для полного сохранения распознавательных свойств голографического фильтра необходимо сохранить не менее 16 уровней представления пропускания.

Экспериментальная реализация КФ ЛФК в схеме коррелятора Вандер Люгта

Результаты моделирования работы когерентного коррелятора Вандер Люгта показали, что КФ ЛФК может быть реализован с использованием бинарных голографических носителей. При этом в случае прямой бинаризации возможно использование метода Отсу, в случае применения стохастического растрирования необходимо сохранить не менее 16 уровней пропускания. Для демонстрации возможности подобной реализации был использован экспериментальный макет коррелятора Вандер Люгта. Полученные экспериментальные результаты качественно соответствуют результатам численного моделирования. На рис. 4 приведены примеры

4 , 4

а 4

* <Г

«7

- сг > сг

р- с

Рис. 4. Выходные сигналы коррелятора и сигналы, подвергнутые операции порога: а, б - голограмма, бинаризованная методом Отсу; в, г - голограмма с 26 градациями пропускания

с использованием бинарного растра

измеренных выходных сигналов макета как для случая голографического фильтра, бинаризованного методом Отсу, так и для случая голографического фильтра с представлением градаций пропускания с использованием бинарного растрирования.

Результаты, представленные в статье, показывают возможность реализации инвариантных корреляционных фильтров с линейным фазовым

коэффициентом в схемах когерентных корреляторов изображений. Для каждого из рассмотренных случаев реализации фильтра определены необходимые и достаточные характеристики используемых при этом средств модуляции лазерного излучения.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» Министерства образования и науки РФ, а также при поддержке РФФИ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Esepkina, N.A. [Текст]/ N.A. Esepkina; N.N. Evtikhiev [et al.]//Proc. SPIE. -1992. -Vol. 1704. -P. 115.

2. Esepkina, N.A. [Текст]/№А. Esepkina, N.N. Evtikhiev [et al.]//Proc. SPIE. -1994. -Vol. 2051. P. 236.

3. Евтихиев, Н.Н. [Текст]/Н.Н. Евтихиев, Н.А. Есепкина [и др.]//Квантовая электроника. -1995. -Т. 22.-№ 10.-С. 985.

4. Hassebrook, L. [Текст]/Г. Hassebrook, Kumar B.V.K. Vijaya, L. Hostetler//Opt. Eng. -1990. -Vol. 29.-P. 1033.

5. Woon, D. [Текст]Ю. Woon, L. Hassebrook, D. Lau//

Proc. SPIE.-2006.-Vol. 6234.-P. 62340I.

6. Евтихиев, Н.Н. [Текст]/Н.Н. Евтихиев, С.Н. Стариков [и др.]//Квантовая электроника. -2008. -Т. 38. -№ 2. -С. 191.

7. Evtikhiev, N.N. [Текст]/№М Evtikhiev, S.N. Starikov [et al.]//Proc. SPIE. -2008. -Vol. 6977. -P. 69770C.

8. Starikov, R.S. [Текс^/R.S. Starikov, E.Yu. Zlokazov//Proc. SPIE. -2009. -Vol. 7358. -P. 73580W.

9. Evtikhiev, N.N. [Текст]/№М Evtikhiev, S.N. Starikov [et al.]//Opt. memory & neural network. -2009.-Vol. 18.-№ 3.-P. 141.

УДК 621.396, 520.35, 534::535

А.П. Лавров, С.А. Молодяков, И.И. Саенко

АКУСТООПТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИХ ПРИЕМНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Появление, а затем и широкое распространение лазеров стимулировало в 70-80-х гг. ХХ в. всплеск интереса к применению методов когерентной оптики для обработки радиосигналов при решении различных радиофизических задач. Тогда же стали активно обсуждаться идеи проведения операций обработки сложных, в т. ч. многомерных радиосигналов над их оптическими моделями применительно к обработке сигналов различных антенн.

Профессор Н.А. Есепкина одна из первых в нашей стране оценила большие возможности методов когерентной оптики и голографии применительно к задачам антенной техники и обработки информации и активно занялась исследованиями в области разработки и применения когерентных

оптических систем для решения задач обработки сигналов в радиоастрономии. Ею была создана группа по оптической обработке информации сначала на кафедре квантовой электроники, а затем на кафедре радиофизики, позднее преобразованная в научно-учебный центр, руководителем которого она оставалась до последних дней. Разработанные в этом коллективе оптоэлектронные системы, объединяющие достоинства акустооп-тических фурье-процессоров и многоэлементных ПЗС-фотоприемников, были успешно применены в приемных комплексах крупнейших отечественных радиотелескопов [1-5].

К числу таких разработок относятся рассмотренные в данной статье оптоэлектронные