ОПТИЧЕСКАЯ НЕЙРОННАЯ СЕТЬ Российский патент 1994 года по МПК G06K9/76 

Изобретение относится к вычислительной технике и может использоваться в системах оптической обработки информации и голографии, конкретно в обработке изображений оптическими нейронными сетями.

Известна голографическая нейронная сеть для реализации принципа ассоциативной памяти, содержащая последовательно установленные на общей оптической оси транспарант с входным изображением, блок Фурье-преобразований с голографическим фильтром и устройство фазового сопряжения в его корреляционной плоскости.

Данная сеть позволяет восстанавливать изображение по предъявлении его фрагмента.

Известна также голографическая нейронная сеть, содержащая последовательно установленные на общей оптической оси транспарант с обрабатываемым изображением, блок Фурье-преобразований с голографическим фильтром, пороговое устройство фазового сопряжения в его корреляционной плоскости, а также оптически связанное со входом блока Фурье-преобразований посредством светоделителя второе пороговое устройство фазового сопряжения.

Данная нейронная сеть позволяет реализовать многопроходный итерационный процесс, скорость сходимости которого регулируется величинами порогов устройств фазового сопряжения. Благодаря этому достигается более высокое качество восстановления изображения, увеличивается величина отношения сигнал/шум.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному решению является оптическая нейронная сеть, содержащая последовательно установленные на общей оптической оси пространственно-временной модулятор света, светоделитель, блок двойного Фурье-преобразования с голографическим согласованным фильтром, нелинейную систему обращения волнового фронта в его корреляционной плоскости, а также датчик изображения, оптически связанный со светоделителем и подключенный к пространственно-временному модулятору света и видеоконтрольному устройству. Реализация нелинейной системы обращения волнового фронта в виде матрицы точечных отверстий с зеркалами, расположенной в корреляционной плоскости, позволяет работать в режиме ассоциативной памяти при хранении набора эталонов на голографически согласованном фильтре. Система может работать при значительных искажениях или дефектах предъявляемого изображения. Замыкание итерационного процесса посредством телевизионного тракта обеспечивает контроль за процессом и позволяет управлять его сходимостью.

Однако сеть может работать только с ограниченным набором изображений, так как увеличение числа хранимых на голографическом фильтре эталонов приводит к снижению величины отношения сигнал/шум и, следовательно, качества восстановления изображений. Сеть неинвариантна к сдвигам входного изображения из-за использования фиксированной матрицы точечных отверстий в системе обращения волнового фронта. Применение зеркал и невозможность адаптивного изменения размеров точечных отверстий обуславливают негибкость работы сети - возможность реализации только алгоритма ассоциативной памяти и невозможность реализации других алгоритмов обработки изображений. В процессе обработки сеть не может адаптироваться к конкретным условиям предъявляемого изображения. Перенастройка сети может происходить только по команде оператора.

Целью настоящего изобретения является повышение точности за счет увеличения адаптационной способности и расширение функциональных возможностей за счет реализации различных алгоритмов обработки информации, содержащей различия не только в своей структуре, но и в положении, масштабе, ориентации, степени искажений или дефектности. Сняты ограничения на объем постоянной памяти, восстановлена инвариантность к сдвигу. Увеличена величина отношения сигнал/шум и качество восстановленного изображения.

На чертеже приведен один из возможных вариантов реализации устройства.

Пространственно-временной модулятор с телевизионным вводом 1 (ПВМС) установлен во входной плоскости первого блока оптического преобразования Фурье 2. В фокальной плоскости 2 установлены амплитудный корректирующий фильтр 3 и голографический согласованный фильтр 4, а за ними второй блок оптического преобразования Фурье 5 и светоделитель 6. В фокальных плоскостях 5 установлен блок нелинейного обращения волнового фронта 7 (на оптической оси) и пороговый фотоприемный блок 8-9. Выход порогового фотоприемника блока 8-9 соединен со входом формирователя управляющих импульсов 10, выход которого подключен к управляющим входам блока постоянной памяти 15, коммутатора 14 и блока оперативной перезаписи голограммы 16-17. Блок оперативной перезаписи голограммы может состоять, например, из устройства формирования опорного пучка 16 и затвора 17. Светоделитель 11 оптически связывает датчик изображения 12 с первым блоком оптического преобразования Фурье 2. Датчики изображения 12 и 18 соединены с информационными входами коммутатора 13, а его выход - с информационным входом коммутатора 14, к другому информационному входу коммутатора 14 подключен информационный выход блока постоянной памяти 15, а выход 14 соединен со входом ПВМС 1.

Пороговый фотоприемный блок может состоять из оптической среды с нелинейным коэффициентом пропускания 8 и установленного за ней фотоприемника 9.

Пороговый фотоприемный блок может содержать последовательно соединенные датчик изображения 8 и пороговый элемент 9.

Блок двойного Фурье-преобразования 2,4,5 формирует в плоскостях 7 и 8 распределение амплитуд, соответствующее функции взаимной корреляции изображений, вводимого с пространственно-временного модулятора света 1 и эталонного, с которого записан голографический согласованный фильтр 4. Первоначально текущее изображение вводится на модулятор 1 датчиком обрабатываемого изображения 18 через коммутаторы 13 и 14. Нелинейная система обращения волнового фронта 7 формирует сопряженный волновой фронт для участков корреляционного поля, чья амплитуда превышает пороговый уровень, т.е. для автокорреляционных пиков. В обратном ходе лучей в блоке двойного Фурье-преобразования в плоскостях 12 восстанавливается изображение фрагментов, идентичных эталонным. Датчик изображения 12 переносит это изображение на модулятор 1 и процесс повторяется, при этом отношение сигнал/шум в корреляционной плоскости при каждом прохождении увеличивается и, следовательно, улучшается качество изображения, восстанавливаемого в плоскости 12.

В случае отсутствия в предъявляемом изображении фрагментов, идентичных эталонному, в корреляционном распределении отсутствует автокорреляционный максимум, превышающий средний уровень. Пороговое устройство (9) не пропускает изображение кросс-корреляционного поля, формируемое датчиком изображения 8. При реализации сети изображение не пропускается к датчику нелинейным оптическим элементом. В результате устройство формирования управляющих импульсов 10 отпирается и импульсы поступают на управляющие входы коммутатора 14, блока постоянной памяти 15 и затвора 17. Коммутатор 14 переключает вход пространственно-временного модулятора 1 на блок постоянной памяти 15 и с помощью устройства оперативной перезаписи записывается новый голографический согласованный фильтр 4, согласованный с новым эталоном. В плоскости 8 возникает мощный автокорреляционный пик, пропускаемый 9, и устройство формирования управляющих импульсов 10 запирается. Коммутатор 13 последовательно подключает пространственно-временной модулятор света 1 к датчику изображения 18 на время, необходимое для записи изображения, а затем к датчику изображения 12. В случае обнаружения идентичных фрагментов в обрабатываемом и эталонном изображениях в корреляционном поле возникает автокорреляционный максимум и развивается сходящийся итерационный процесс, приводящий к восстановлению высококачественного изображения идентичных фрагментов. В противном случае повторяется цикл работы со сменой эталона до тех пор, пока не будет подобран подходящий эталон или до исчерпания архивной памяти.

Изобретение относится к вычислительной технике. Его использование в системах оптической обработки информации и голографии позволяет повысить точность за счет увеличения адаптационной способности и расширить функциональные возможности за счет реализации различных алгоритмов обработки информации. Оптическая нейронная сеть содержит пространственно-временной модулятор 1 с телевизионным вводом, блоки 2,5 оптического преобразования Фурье, голографический согласованный фильтр 4, светоделитель 6, блок 7 нелинейного обращения волнового фронта и пороговый фотоприемный блок 8 - 9. Поставленная цель обеспечивает благодаря введению амплитудного корректирующего фильтра 3, формирователя 10 управляющих импульсов, светоделителя 11, датчиков 12, 18 изображения, коммутаторов 13, 14, блока 15 постоянной памяти и блока 16 - 17 оперативной перезаписи голограммы. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. ОПТИЧЕСКАЯ НЕЙРОННАЯ СЕТЬ, содержащая пороговый фотоприемный блок и установленные последовательно на общей оптической оси пространственно-временной модулятор с телевизионным вводом, первый светоделитель, первый блок оптического преобразования Фурье, голографический согласованный фильтр, второй блок оптического преобразования Фурье и блок нелинейного обращения волнового фронта, установленный в фокальной плоскости второго блока оптического преобразования Фурье, голографический согласованный фильтр установлен в фокальной плоскости первого блока оптического преобразования Фурье, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности за счет увеличения адаптационной способности и расширения функциональных возможностей за счет реализации различных алгоритмов обработки информации, в сеть введены формирователь управляющих импульсов, блок постоянной памяти, коммутаторы, датчики изображения, блок оперативной перезаписи голограммы, второй светоделитель и амплитудный корректирующий фильтр, установленный вплотную к голографическому согласованному фильтру со стороны первого блока оптического преобразования Фурье, второй светоделитель установлен на общей оптической оси между вторым блоком оптического преобразования Фурье и блоком нелинейного обращения волнового фронта, входы первого датчика изображения и порогового фотоприемного блока оптически связаны соответственно с первым и вторым светоделителями, выход порогового фотоприемного блока соединен с входом формирователя управляющих импульсов, выход которого подключен к управляющим входам блока постоянной памяти, коммутаторов и блока оперативной перезаписи голограммы, выход которого оптически связан с амплитудным корректирующим фильтром, выходы первого и второго датчиков изображения соединены соответственно с первым и вторым информационными входами первого коммутатора, выход которого и выход блока постоянной памяти подключены соответственно к первому и второму информационным входам второго коммутатора, выход которого соединен с управляющим входом пространственно-временного модулятора с телевизионным вводом. 2. Сеть по п.1, отличающаяся тем, что пороговый фотоприемный блок содержит фотоприемник, вход которого связан с входом блока через оптическую среду с нелинейным коэффициентом пропускания, а выход является выходом блока. 3. Сеть по п.1, отличающаяся тем, что пороговый фотоприемный блок содержит последовательно соединенные датчик изображения и пороговый элемент, выход которого и вход датчика изображения являются соответственно выходом и входом блока.