Оптический коррелятор для распознавания образцов Советский патент 1990 года по МПК G06F3/00 

./ Изобретение относится к области : статистических методов обработки . случайных процессов аналоговыми я аналоговО-цифровыми методами и может, найти применение для распознавания

образов в; реальном масштабе -времени.

Известен 11аналоговый оптикоэлек- V тронный коррелятор, основанный на принципах оптической обработки информации,-Этот прибор содержит-НстЬчник света, два транспаранта, кошш матор, диафрагму, объективы и фото приемник. , . . Этот оптический коррелятор относится к аппаратурш.1М средствам корреляционного анализа случайных процессов, записанных на фoтoнocитeЛ jи характеризуется; малым быстродействием, обусловленным задержкой на время обработки фотоносителя, значительньЫ расходованием носителя вследствие его однократного использования,нмебт высокую стоимость из-за наличия дорогостоящих оптических элементов с- высоким классом точности обработки поверхнрстей. Он имеет огра11иченные функциональные возможности и узкий класс ремаемых задач, т.е. обеспечивает нахождение корреляции между данным изображением и эталоном, но не прз13оляёт находить коррёляТЫЬйнЬю эависимости между элементами самого анализируемого изображения. Известен многоканальный оптически коррелятор, принятый за прототип, который работает без записи входных сигналов iia носитель информации и служит для I нахождения корреляционных эявисимосте между двумя электрическими сигналами , преобразованными для этого посредством множества преобразователей электрического сигнала в оптический и световые потоки. При этом один из электрических сигналов поступает на преобразователь непосредственно, а второй - через набор из Па15алШльшх Э1лёктрй ёскйх линий задержки поступает на соответствующее количество преобразователей. В устройстве-прбтотипе применен амплитудный модулятор света, электрический вход которого подключен к усилителю рассогласования, а оптичес кий вход связйН с вь1хЬдом первого коллиматора. Прототип содержит второ и третий коллиматоры, матрицы фотоприёмников и светоделители В этом корреляторе световое излучение от данных преобразователей по. средством световодоп пропус}:ается да Лее амплйтуднь1Й модулятор света, управляеьадй от усилителя рассо.гласования.: ; При ЭТОМ иа BbKoJ e выходного коллиматора, образованного световодами получают после параллельного интегрирования пб времени одновременно п точе.к взаимокорреляционной функции двух электрических сигналов в реальном Масштабе времени,. Недостатком устройства-прототипа является то, что оно не пригодно для об работки входных сигналов-изображений яе способно вычислять: пространственные корреляционные функции по поверхности изображения (по элементам изо ражения) В реальном, или квазйрёальном.масштабе времени. Между тем, дпя реше.ния многих заДйч распознаваний образов необходи- МО находить и пространственные и временные корреляционные функции по поверхности анализируемого изображения (по элёментам изображения в реальном или кпазиреальнрм масштабе времени.. В связи с этим, целью изобретения является создание опти ческогЬ коррелятора, расширяющего функциональные возможности путем обработки двумер. ных изображений в реальном времени, а также класс решаемых задчч оптическими корреляторами. Цель достигается тем, что в опти.ческий коррелятор для распознава- , ния образов, содержащий амплитудный модулятор света, электрический вход. которого подключен к усилителю расг согласования, а оптический вход свяэан с выходом первого коллимато за второй и третий коллиматоры, матрицы фотоприемников, светоделители, введены два электронных коммутатора, ; две управляемые линии задержки И блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами элек-тронных коммутатО ров и управляемых линий задержки, входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго электронньк коммутато- ров, B opti которых сЬединены соот- . ветственно с вьЬсодайй первой и второй матриц фотоприемйиков, выходы управляемых линий задержки подключены соответственно к первому и второму входам усилителя рассогласования, оптический вход первого светоделите- . ля является входом коррелятора, первый оптический выход первого Свето- . делителя связан со входом первой матрицы фотоприемнйков, второй оптический выход связан со входом первого коллиматора, выход амплитудного модулятора света. Через второй еве -оделиг тель, второй коллиматор, вторбй коллиматор связан со входом третьей матрицы фо топриемников, второй оптический -вЕпсод второго светоделителя через третий коллиматор связан со входом второй матрицы фотопрйеьшикоа. На чертеже изображен оптический коррелятор. . . . I Входное изображение. поступает на светоделитель 2, где егосвето1вой nofoK делится на две частн,Часть, через светоделитель 2, ФО 5 ходит далее через коллиматор 3 и да лее через амплитудный модулятор све та 4, на выходе которого установлен светоделитель 5, где световой поток вновь делится на две Чсчсти. Часть, протедшая через светоделитель 5, проходит далее через коллиматор 6 и поступает на матрицу фотоприемников 7, выходы которых являются выходами устройства, Часть светового потока, отраженная от светоделителя 5, проходит через коллиматор 8, ria выходе которого установлена матрица фотоприёмников . 9. Выходы матрицы фотоприемников 9 подключенЬ к Электронному коммутатору 10, выход которого подключен к входу электрической управляемой линии задержки 11, ее выход подключен к входу усилителярассогласования 12 а вь1ход последнего подключен к управ ляющему входу амплитудйого модулятора света 4, .. Часть светового потока входного изображения 1, отраженная от светоделителя 2, поступает на матрицу фотоприемников 13, выходы которых подключены к электронному коммутатору 14, выход его подключен ко входу .элekтpичёcкoй управляемой линии задержки 15, а ее выход подключен к д)угому входу усилителя рассогласования 12, Коммутаторы 10 и 14 и ;управляемые линии задержки И и 15 подключена че|5ез соответствующие бло ки к блоку управления 16. Устройство работает следующим образом. Входное изображение 1 X(t) « X|j (t) (i, j 1, 2,. ,.,0 поступает на светоделитель 2, где делится на две части в пропорции га,;п, где ni,X(t5 . „ - прошедший световой по ток; а отрахсенный, причем т п,. Прошедший световой поток йроходит через коллиматор 9, сужающий диаметр пучка,И- через амплитудный модулято р, света 4, с выхода которого на вход светоделитёлЯ 5 поступает световой поток, равн1Ь1й: («-/STfi -w. где Р - постоянный коэффициент потерь Света, а k(V) - изменяющийся коэффи3циент пepeдa т т, амплитудного модулятора света. Данный световОй поток вновь делится свето;с;елителем 5 на две части в пропорции при этом, часть, прошедшая через светоделитель 4, проходит далее через коллиматор 6, расширяющий пучок Ьвета ,и поступает на матрицу фотоприемников 7, имея светорой поток, равный - |;тй5к15;у« - « m J п. Часть светового подтока, отразив11 аясяот светоделителя 5, проходит через колликатор 8, расширяющий пучок,и поступает на матрицу фотоприемников 9, имея световой поток D 2JlIti raj + Па Р SiBi5 j(,. (m,+n,)(mjj+n2) Р k(V)X(t)/ 2. осредством электронного коммутатора может быть осуществлен выбор и одключение к входу 9лектри«1ёской инии задержки 10 любого элемента зображения X;j (t) , имеющего пбсле реобразования матрицей фотоприемни- ов 9 .следующий эквивалент: lij(t) F k(v)x,-j(t)oi;;,, i, j I, 2, ,,., п,. (4) де {oi;j постоянные коэффициенты реобразования фотоприемников матри- ы 9. Обычно fcijj 5 о /т оэтому l-(t) oiP 2ik(v)x-(t); i, j 1, 2,,,,n.(5). Сигнал (5) проходит через элекрическую управляемую линию задержки 1, где задерживается на варьируемое ремя С, : С выхода электрической управляе ой линии задержкой 11 данный элек- / рический сигнал 1 ij (t-rr) поступает а вход усилителя рассогласования «IZ, Часть светового потока иаображея I, отраженная от светоделителя 2, поступает на матрицу фотоприёмников 13, Посредством электронного коммутатора Ц может быть осуществлен выбор и подключение к входу электрической управляемой линии задержки 15 любого элемента изображения Гх ;; (t), имеющего после преобразования матрицей фотоприемников 13 следующий sneKtpnческий а квйвалент: 1 1, j 1,2..., N. где ГАjj 1 -прстоянные коэффициенты пре образования фотоприемников матрицы 13. Обычно f/J}j l ro jnoaTOMy: (t) -ct-.,(t); i j 1, 2,..., N. Сигнал (7) проходит через эйёктрй ческую управляемую линию задержки 15 Г Щё1ЯШВаётся на уПра:вляёШ .время V. - -; - { 1 .. : ; с выходаданного блока 15 сигнал 1j: () поступает на второй вход ус1шитёля рассогласования 12. Вследствне наличия ртрицательной обратной связи с выхода амплитудного модулятора света Д на его управляющий вход автоматически поддерживается баланс. схемы, .при котором 11 и 1л или km . . 8) mf Р X;j(t-V) Отсюда, с учетом (2) получим: ;; x.(t). | i|E|ix(t); ( . Осуществляя интегрирование (9) в плоскости выходной матрицы фотоприе НИК0В 7,могут быть получены функцио налы vbc (t)dtdx ,V о,it, 2ut, i, J,, , 1 1, 2,..., Г; X€ Л iHcrto точек N обусловлено способом вьщеления (k, 1)-го и (i, j)-ro эле XeiltoiEi изображения. Управление работой электронных комйзг аторов IО и 14, а также эиёкTp«4ecicHMif йаръйруемь1ми дшнйями ёадёрж ки 11 и 15 ocyineefBrtffefc:i pT 8л ка 16уЙ1равлёНия. Пространственновременное интегрирование осуществляется на матрице фотоприемников 7, устайовленной на выходе устройства. Если установлено const. Тогда, в соответствии с (1), на выходах матрицы фотоприемников 7 после интегрирования в течение времеШ Tj будет, одновременно получено (К - 1) . точек временных взаимокорреляционных функций и одна точка автокорреляционной функции по поверхности иэображенияг .-. RjeCti- K) с JXj())dt; v,,4 j - 1, 2,...,,N, 1 . 0,1,2,.., Посредством перебора индекса можно получать N-pas (для всех элементов входного изображения) наборы из К функций вида .(II) (N точек для N ф|ункций). ЕСЛИ вновь подать на вход коррелятора реализацию изображения э течение времени Т, то варьируя всякий , раз величину с |(k в 1,2,,..,) по- . средством управляемой линии задержки 1, можно получать новые точки Rj (t,) временных взаимо- иавтокорреляционных функций элементов изображения, соответствующих разным временным сдвигам t. Набор из таких , функций-точек Р. jg (t,f) ) для каждой пары элементов Xj и представляет собой ТОЧКИ временной взаимо - и автокорреляционной функции для элементов изображения Xj и . Для любого фиксированного момента времени t могут быть найдены корреляционные функции по поверхностиизображения для к ждого элемента,. если не п зоиэводйть интегрирования по времени, как в (II) и установить. ,,0. Функции-точки этих корреляционных функций есть: н , , I) Z.X.:(t)X(jn)} : , : j-v. .,.- . k I,2,.../N. 1 - 0,1,2,...,N. Очевидно, всего будет N таких корреляционных функций по поверхности для N точек. Есйи раскрыть выражение (12), то станет видно, что его можно вычислять по столбцам, при этом, при j I однойременно вычисляются всё 3Jii MpHTU первого столбца и засылаются в п амять блока Ii6 уйравления, затем, при j 2 одновременно вычисляются все элементы второго столбца

и т.д. Затем, для получения функций точек в ЦВМ осуществляется суммирование вычисленных коррелятором элементов,

Совмещением обоих рассмотренных режимов можно моделировать более сложные пространственно-времешвые зависимости. Электронные коммутаторы позволяют перебирать индексы и тем самым моде)1ировать вэаимокорреляциом нйе функции для любых точек изображення. Это по;зволяет обнаруживать и распознавать образы инвариантно от их расположения во входном изображении.

Проведенные экспериментальные исследования данного устройства на

1640310

лабораторном макете подтвердили его достоинства.

Технико-экономический эффект , данного изобретения заключается в чтом, что данное изобретение существенно расширяет фуякхшональные возможности и класс решаемых оптических корреляторов, работаюошх fQ в реальном масштабе времени а также .допускает микротехнологическое конструктивное исполнение и автоматизн- рованкый процесс производства что обеспечивает .создание высоконадежных 15 компактных приборов, годных к эксплуатации в различных условиях промьтт- . ленноетй,и бортовых снстем летающих и плавающих объектов.

ОПТИЧЕСКИЙ КОРРЕЛЯТОР ДПЯ РАСПОЗНАВАЩ1Я ОБРАЗОВ, содержавши ''амплитудный модулятор света, элект]ри- ческйй вход' которого подключен К уСИ- лителю рассогласования, а оптн<*еский вход связан с выходом первого коллиматора, второй и трещи коллиматор^, натрицы фотоприемников, светоделнтет ли, отличающийся тем, что, с целью расширения функцио«аль-:ньое возможностей путем обработки двумерных изо'бражен}1Й в реальном времени, в ; оптический коррелятор введены два электрон^пых коммутатора, двеуправляемые лиШ-ги задержки н блой ' ' управлений, выходы которбГ'О с'Оединёны! с управляющими входами элё^строяных KOKwyTaTopoB и управляемых линий за- •дёржки, вхбды кбторых Подключены к выходам ,соответственно первого и второго коммутаторов, входы кото]рых сое-^ динены соответственно с выходами первой и второй матриц; фотоприемников., ёьЛоды управ'ляемых линий задер*ки . . подключены соответственно к пёрвойу и второму входам усилителя рассогласования, оптический вход пербого светоделителя является входом коррелятора, первый оптический выход пер- , вого:светоделителя связан со входом ' первой матрицы фотоприеймихов, второй оптический выход связан со входом первого коллиматораi вь«од акшштуд- ного модулятора света 'через второй светоделитель, второй коллиматор . связан со входом т{)етьей матрицы . фотоприемников, второй оптический выход второго светоделителя через третий коллиматор связан со входом второй матрицы фотоприемииков,ШfS^S»^шш