ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО для РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВ Советский патент 1971 года по МПК G06K9/00 

Изобретение относится к устройствам для распознавания образов, использующим анализ интерференционной картины, полученной в результате наложения Фурье-образов рас познаваемого образа и эталона.

Известно устройство для оптического опознавания образов, принцип действия которого заключался в следующем. Во входную плоскость когерентного оптического анализатора спектра пространственных частот одновременно вводятся два транспаранта - один с эталонным распределением амплитудной прозрачности, другой с исследуемым (сигнальным) распределением амплитудной прозрачности. Транспаранты располагаются таким о-бразом, чтобы указанные распределения не накладывались друг на друга, и освещаются лазерным когерентным светом. В выходной Фурье-плоскости когерентного оптического анализатора спектра каждый транспарант создает амплитудно-фазовое распределение, свой Фурье-образ, дентрироввнный относительно оптической оси. В результате наложения Фурье-образов друг на друга возникает интерференционная картина. Средняя (несущая) пространственная частота полос в этой картине пропорциональна расстоянию между центрами тяжести входных распределений, и полосы эти ориентированы в среднем перпендикулярно ЛИНИИ, соединяющей центры тяжести входных распределений. Если образы идентичны, то интерференционная картина в Фурье-плоскости представляет собой полосы одной лишь несущей частоты, пространственно модулированные по интенсивности по закону квадрата модуля Фурье-образа эталонного распределения. Пространственно-частотный спектр такой интерференционной картины сосредоточен в узкой области около несущей

частоты.

Если же входные распределения - образы (эталонный и сигнальный) не идентичны, то регулярность интерференционных полос нарушается, появляются фазовая модуляция и

искривление полос, .которые приводят к расширению спектра пространственных частот (тем большему, чем больше несходство входных образов).

Огибающая простра«ственно-частотного спектра интерференционной картины в Фурьеплоскости представляет собой функцию взаимной корреляции между двумя входными распределениями (образами), а при идентичности обоих образов - их функцию автокорреляции, характеризующуюся острым максимумом (пиком). Процесс опознавания образов в данном случае заключается в обнаружении автокорреляционного пика, т. е. узконо-частотмом спектральном анал.изе интерференционной картины в Фурье-плоскости. В известном устроЙ€тве пространственночастотный спектральный анализ интерференционной -ка-ртнны в Фурье-плоскости осуществляется путем фотоэлектрической регистрации колебаний светового потока за плоской одномерной решеткой переменного .периода, совершащей возвратно-поступательные движения -в этой -плоскости в направлении, перпендикулярном штрихам. ПространствеННая скорость изменения периода решетки такова, что в .пределах интерференциоиной картины период реплетки или ее пространственная частота, может считаться постоянной (с заданной точностью). Поэтому дли-на решетки (вдоль направления ее движе.ния) быть во много раз больше возможного размера интерференционной картины, чтобы охватить весь возможный диапазон интерференцион-ных пространственных частот. Нап,, если при предельно возможном размере интерференционной картины 10 мм принять допустимое изменение пространственной частоты на этом размере не более 2%, то при диапазоне изменения простра-нственных частот интерференции 100% длина решетки должна быть 500 мм. Колебания светового потока за решеткой возникают в результате биений между пространственными частотами движущейся решетки и интерференционной картины. Когда частоты эти близки между собой и ориентации штрихов решетки ,и полос интерференции совпадают, эти амплитуды колебаний достигают максимума. Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) преобразует эти колебания в электр-ические, наблюдаемые на экране осциллографа, горизонтальная развертка которого синхронна с движен-ием решетки (т. е. с изменением ее текущей «пространственной частоты). Отклик на ту ил-и иную npocTpaiHCTвенную частоту, содержащуюся в интерференциоиной картине, наблюдается на экране осциллографа в виде узкого ромбика с высокочастотным заполнением (при быстром движении решетки) в том месте горизонтальной развертки на экране осциллографа, которое соответствует такой же текущей пространственной частоте решетки. Однако в известном устройстве имеется ряд недостатков: 1)наличие возвратно-поступательного движения стеклянной пластинки с решеткой переменного периода. Для реализации такого вида движения с большой скоростью и с большим размахом требуется сложный и громоздкий механический привод; при этом «еизбежны сильные вибрации и шум, снижающие качество и надежность работы всего устройства;2)полезный высокочастотный сигнал с автокорреляционной огибающей на выходе устройства (после фильтра верхних частот) оказывается в смеси с возможными радиопомехами и широполосным дробовым шумом фототока ФЭУ, возникающим благодаря постоянной во времени составляющей светового потока, прошедшего за решетку. Эта составляющая может быть намного больше амплитуды полезных колебаний светового потока, возникающих при наличии в сигнальном распределении образов, идентичпых эталонному. Поэтому и уровень дробового шума ФЭУ может быть настолько велик, что обнаружение полез ного сигнала становится маловероятным; 3) на практике обычно представляет интерес сама функция корреляции, т. е. огибаюшая полезного сигнала на вььходе устройства, а не его высокочастотное заполнение. К тому же слабый высокочастотный сигнал на экране осциллографа плохо отличим от высокочастот ых шумов. Целью изобретения является увеличение быстродействия .« помехозащищенности распознавания устройства. Устройство предложенной конструкции содержит фотодатчик синхроимпульсов, генератор управляющего напряжения и последовательно соединенные широкополосный усилитель и детектор огибающей сигнала, причем пространственный модулятор света выполнен в виде фотопленки с зафиксированной на ней голограммой решетки переме«ного периода, закрепленной на поверхности тонкостенного цилиндра с прозрачной стенкой, вращаемого электродвигателем, а фотоумножитель закреплен на неподвижном основании внутри цилиндра, в осиоваиии которого имеется отверстие для фотодатчика синхроимпульсов, подключеннОго ко входу генератора управляющего -напряжения и одному из входов осциллографа, выход генератора управляющего напряжения подсоединен к управляющему входу выоокочастотного фильтра, выход этого фильтра - ко входу широкополосного усилителя, а -выход детектора огибающей сигнала - к другому входу осциллографа. Па чертеже схематично изображено предложенное устройство. OIHO содержит источник 1 когерентиого света (лазер); микрообъектив 2; диафрагму 3 с точеным отверстием; коллиматоряую линзу 4; транспарант 5 с эталонным символом; трансnaipaHT 6 с сигнальным (распознаваемым) символо.м; линзу 7, выполняющую Фурье-преобразование светового потока; вращающийся цилиндр 8 с топкой прозрачной стенкой и отверстием а в основании; муфту 9; электродвигатель 10; фотоэлектронный умножитель //; узконолосный высокочастотный фильтр 12 с электронной перестройкой частоты пропускания; широполосный усилитель /5; сглажиающий фильтр 14 нижних частот; осциллораф 15; фотодатчик синхроимпульсов 16; осветительную лампочку 17; генератор 18 управляющего напряжения. чечным отверстием. Вышедший от отверстия диаграммы расходящийся пучок после расширения до необходимой апертуры коллимируется линзой 4 « падает одновременно на транспаранты 5 и б с эталонным и сигнальным изображениями соответственно, -находяш,имися в .передней фокальной плоскости линзы 7. В задней фокальной плоскости этой линзы осуш,ествляется Фурье-иреобразование входных транспарантов 5 и б, в результате которого возникает интерференциониая картина. Задняя фокальная плоскость линзы 7 является касательной к наружной поверхности цилиндра 8 с тонкой прозрачной стенкой, а задний линзы 7 лежит на линии касания. Цилиндр 8 закреплен на муфте Я сидящей на валу электродвигателя 10. На поверхности цилиндра 8 закреплена фотопленка с зафиксированной на ней решеткой переменного периода. Штрихи решетки ориентирова1пы вдоль образующей цилиндра, и пространственная частота их линейно изменяется вдоль окружности цилиндра в заданных пределах. ФЭУ 11 закреплен вт1утри цилиндра на ненодвижпом не связанном с цилиндром основании таким образом, что свет, прошедший от оптической системы сквозь решетку переменного периода, попадает на его чувствительную новерхность. Выход ФЭУ соединен со БХОДОМ узконолосного высокочастотного фильтра 12 с электронной нерестрОйкой частоты пропусканий. Выход фильтра соедшгеп со входом широкополосного усилителя 13, выход последнего- через амплитудный детектор огибающей со сглаживающим фильтром 14 нижних частот- со входом вертикального отклонения электронного осциллографа 15. Фотодатчи« 16, освещаемый лампочкой 17 через отверстие а, вырабатывает синхроимпульсы, подаваемые па вход впешней синхронизации горизонтальной развертки осциллографа и на запуск генератора 18, управляющего перестройкой фильтра 12.. Описанную схему можно разбить )ia две части. Первая часть, состоящая из источника света 1, микрообъектива 2, диафрагмы 3, коллимирующей линзы 4, входных транспарантов 5 и 6, линзы 7 Фурье-преобразова-ния, представляет собой известный когерентный оптический анализатор спектра пространственных частот. Вторая часть - прозрачный тонкостенный цилиндр 8 с закрепленной на нем решеткой переменного периода, приводимый во вращение электродвигателем 10 через муфту 9, ФЭУ 11 и остальные электронные элементы - составляет усовершенствованный модуляциоаный анализатор спектра пространственных частот интерференции. пеобходим поиск ориентации эталона относительно сигнального изображения и ноиок по ориентации штрихов решетки относительно полос Интерференциснной картины. Первый поиск необходим, поскольку регулярные интерференционные полосы в Фурьеплоскости возникают лишь в том случае, если входные образы идентичны и одинаково ориентированы. Второй поиск необходим для достижения наибольшего иолезного ситнала на выходе ФЭУ и должен нроизводиться в некотором угле относительно направления линпй, соединяющей центры тяжести входных изображений. Этот поиск легче всего провести путем поворота всего прпспособления для ввода обоих входных транснарантов 5 и б относительно оптической оси системы. Так как спектральпый анализ интерференционной картнпы в Фурье-нлоскости производится для каждой частной ориентации за один проход решетки переменного периода, то скорость поиска по ориента:циям нрямо зависит от скорости прохода решетки. Поэтому замена возвратно-поступательного движения решетки неременного периода вращательным движеннем, нозволившая резко увеличить скорость прохода решетки вместе с тем даст возможность увеличить и скорости поисков по ориентациям и, следовательно, резко сократить полное время обработки одного сигнального изображения. Это, в свою очередь, дает возможность осуществитьобработку информации в реальном масштабе времени. Диаметр вращающегося цилиндра 8 с решеткой неременного нериода должен быть достаточно велик, чтобы кривизна его поверхности существенно не сказывалась в пределах пптерференционной картины в Фурьеплоскости. Узкополосный фпльтр 12 перестраивается с помощью варикапов под воздействием управляющего напряжения, вырабатываемого енератором 8, таким образом, что он всегда настроен па частоту ожидаемого полезного снгнала от фотоумножителя, которая равна / яЩ«, где D - ДНаметр наружной поверхности цилиндра модуляционного анализатора спектра; t, - текущая пространственная частота решетки в нределах интерференционной картины; п - число оборотов цплипдра в секунду. Полоса нронускания перестраиваемого ильтра не должна быть больше полосы чатот огибающего полезного сигнала. Благодая действию этого фильтра .подавляются дроовые шумы ФЭУ и помехи во всем диапазое частот, кроме узкой полоски., на которую н в данный момент настроен. ния огибающей, пропор циональной модулю функции корреляции, и для дополнительного подавления др01бовых шумов ФЭУ и помех, имеющих частоты, лежащие вне полосы частот огибающей полезного сигнала. Предлагаемое устройство может быть применено для корреляционного анализа изображений, а в комплексе с ЭЦВМ - для автоматического распозна-ваиия образов. Предмет изобретения 1. Онтнко-электронное устройство для распознавания образов, содержащее расположенные вдоль оптической оси источник когерентного света, коллиматор, транспарант с распознаваемым и эталонным симБола ми, линзу Фурье-преобразования, пространственный модулятор света, фотоэлектронный умножитель, подключенный к сигнальному входу высокочастотного фильтра, и электронный осциллограф, отличающееся тем, что, с целью увеличения быстродействия и помехозащищенности, оно содержит фотодатчик синхроимпульсов, генератор управляющего напряжения и последовательно соединенные щирокополосный усилитель и детектор огибающей сигнала, иричел прострааственный модулятор света выполнен В виде фотопленки с зафиксированной на ней гологра ммой решетки -переменного периода, закрепленной на поверхности тонкостенного цилиндра с прозрачной стенкой, вращаемого электродвигателем, а фотоумножитель закреплен на неподвижном основании внутри вращающегося цилиндра, в основании которого имеется отверстие для фотодатчика синхроимпульсов, подключенного ко входу генератора управляющего напряжения и одному из входов осциллографа, выход генератора управляющего напряжения подсоединен к управляющему входу высокочастотного фильтра, выход этого фильтра - ко входу широкополосного усилителя, а выход детектора огибающей сигнала - к другому входу осциллографа.