ОПТИЧЕСКАЯ СОГЛАСОВАННАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ

(МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ПРИЛОЖЕНИЯ)

Г.А.Соболев

Решение ряда задач анализа изображений, тесно связанных с проблемой распознавания образов, существенно облегчается при использовании техники когерентно-оптической согласованной фильтрации. В основе этой техники лежит возможность исключительно простой реализации комплексных согласованных фильтров для изображений любой сложности в системе с линзовыми голограммами Фурье /1/. Несомненно, что оптическая согласованная фильтрация является потенциально мощным методом, который представляет интерес для построения технических распознающих систем /2/.

Для конкретного сигнала-изображения следует выбрать оптимальную схему и параметры когерентно-оптической системы, методику изготовления фильтра и осуществления фильтрации, указать способ практической реализации распознающей системы при учете характеристик её элементов, определить пороговые обнаруживаемые сигналы и оценить качество реальных систем по сравнению с оптимальными. Хотя ответ на часть вопросов может быть дан на основе строгих и хорошо разработанных теоретических методов /3,4/, но необходимо привлечение и данных экспериментальных исследований.

В настоящей статье рассмотрены некоторые вопросы, связанные с методикой и результатами эксперимента по оптической согласованной фильтрации и приложениями метода.

' Двумя основными операциями оптической фильтрации является изготовление фильтра и собственно фильтрация /2/ Поскольку проведение обеих операций с одними и теми же оптическими элементами приводит к существенной компенсации возможных аберраций и неточ-

ностей юстировок, целесообразно использовать одно и то же устройство для изготовления фильтра и осуществления фильтрации. На рисунке 1 приведена схема подобного устройства. При изготовлении фильтра используются все элементы схемы до 6 включительно, при фильтрации элементы а,б,в, служащие для формирования опорного пучка, исключаются.

Приложимость метода к задаче анализа конкретного изображения можно установить, изготовив фототранспарант соответствующего сигнала в нужном масштабе и выполнив необходимые измерения на корреляторе. Форма записи оптического сигнала (амплитудная, фазовая, бинарная) должна быть согласована с характеристиками устройства ввода информации, а также с реальными возможностями (точностными характеристиками) коррелятора.

Поскольку фотоматериалы, на которых записывается входной транспарант, должны вносить минимальный шум, следует использовать высокоразрешающие плёнки. Фазовая запись реализуется путём отбеливания фототранспаранта; это приводит к повышений яркости выходного корреляционного сигнала на 4-7 дб.

Более жёсткие требования предъявляются к среде для записи голографического фильтра. Материал должен быть высокоразрешающим и малошумящим, иначе будет ограничено отношение сигнал/шум на выходе коррелятора или же количестве фильтров, которое можно записать на данном участке фотоэмульсии. Шум материала, связанный с рассеянием в нём света, измеряется в когерентном спектроанализаторе /5,6/. Важна также оптическая однородность, стабильность его размеров при фотообработке и качество поверхности (в отсутствие иммерсии).

Для достижения максимального отношения сигнал/шум на выходе коррелятора одномодовый пучок лазера фильтруется при помощи точечного отверстия. Поскольку при изготовлении оптических согласованных фильтров используются пространственные частоты не более нескольких сот лин/мм, требования к стабильности установки ниже, чем при изготовлении голограмм трёхмерных объектов. Тщательное уравнивание соотношения интенсивностей опорного и сигнального пучков для наиболее информативных участков спектра транспаранта

позволяет получить максимальный контраст интерференционных полос, максимальную дифракционную эффективность и наилучшим образом использовать мощность лазера в корреляторе. В то же время участки спектра, на которых присутствуют признаки изображения, нехарактерные для данного образа, следует исключить апертурными масками.

Время экспонирования голограммы также определяется необходимостью получения плотности, соответствующей максимальной дифракционной эффективности. При изготовлении фильтра на высших гармониках входного сигнала время экспонирования значительно увеличивается, что связано с заметным уменьшением сигнального и опорного светового потоков.

Результирующий сигнал на выходе коррелятора может наблюдаться визуально, регистрироваться на плёнке или фотометрироваться. Наиболее удобно сочетание когерентно-оптической системы с телевизионной, позволяющей применить хорошо разработанные методы телевизионных измерений и регулировок. Для точных измерений коррелятор снабжается блоком выделения телевизионной строки, сигнал с кото-

рого подастся на осциллограф (рис.1). Фотометрирование корреляционного сигнала производится в некоторых случаях при помощи фотоэлектрического зонда, собирающего свет с малого участка плоскости 9 и направляющего его на фотокатод ФЭУ. Чувствительность такого устройства повышается за счет фазового детектирования модулированного светового потока с записью сигнала на самопишущем приборе.

Для устройства, в котором фильтры сменяются механически, следует предусмотреть возможность ухудшения отношения сигнал/шум при неточности установки или сдвигах фильтров относительно оптимального

1, 0≤x≤l

|s(x)|²=

0, x>l ,

дающий быстрое опадание характеристики при сдвиге. Тогда для наиболее критичного поперечного сдвига фильтра

Из-за шума плёнки экспериментальная характеристика сдвига отличаются от идеальной, выражаемой последним соотношением. На рис.2 приведены теоретическая (а) и экспериментальная (б) кривые для изображения в виде прямоугольника (размер 0,49 х 1,34 мм), сдвиг вдоль узкой стороны, транспарант на пленке в иммерсии, фильтр без иммерсии). На рис.2в приведена рассмотренная зависимость, снятая при введении фазовым транспарантом добавочного неоднородного шума (характеристика более критичная к сдвигам, регулярные лепестки отсутствуют). Теоретические кривые (г,д) для неоднородного шума были рассчитаны на ЭЦВМ по формуле (обозначения /7/):

Из-за значительной критичности к сдвигу следует использовать шумовой транспарант /2/, впечатываемый на фильтр, совмещаемый с ним оптически или контактно. kaк видно из экспериментальной кривой для характерного сигнала-изображения с шумовым фильтром, сдвиг фильтра на 0,07 мм приводит к уменьшению сигнала на 3 дб. На рис.2 приведены кривые (ж,э), полученные при сдвиге фильтра, соответственно поперек и вдоль оптической оси. Кривая а (рис.3) характеризует изменение уровня сигнала при поворотах фильтра относительно транспаранта; наблюдается уменьшение сигнала на 3 дб при повороте на ±1,5°. При больших неопределенностях ориентации необходимо производить поиск, например, путем вращения входного транспаранта, фильтра или использованием многих каналов по ориентации.

Кривые б, в (рис.3) показывают влияние потери части входной информации на выходной сигнал; закрывались последовательно участки входного изображения вдоль (б) и поперёк (в) транспаранта, Даже при потери более 3/4 транспаранта наблюдается значительный уровень сигнала, хотя и с несколько меньшим разрешением.

Исследования показывают, что оптическая фильтрация применима для обработки стилизованной графической (цифровой, буквенной, текстовой и т.п.) информации /1,2,8/. На основе когерентной техники могут быть построены устройства для ввода такой информации в ЭЦВМ, поиска ключевых слов в информационных материалах и др. При этом не накладываются существенные ограничения на тип бумаги, краски, качество печати в отличие от большинства других распознающих, например, читающих устройств. Значительная нечувствительность к повороту, изменению масштаба, отсутствие необходимости сканировать текст ещё более увеличивает потенциальные возможности подобных устройств. Однако широкое распространение читаю-

щих автоматов на голографических принципах ограничивается в основном отсутствием когерентных устройств с приемлемыми характеристиками: для ввода информации в коррелятор, например, с печатного листа.

Ряд других приложений метода сведены в таблице и работе /2/. Эксперименты показывают, что оптическая фильтрация представляет интерес для автоматизации анализа структуры и анализа химического состава вещества при спектрохимических, масс-спектрографических, электронографических и других экспериментах. Указывается на перспективность использования подобной техники в биологии, например, для анализа микрообъектов.

Одним из примеров использования оптической фильтрации является метод получения резкого изображения при наличии вибраций. Подобная задача возникает в научной фотографии, астрофотографии, при съёмке быстроперемещающихся предметов, имеющих яркие опорные точки. Применительно к фотосъёмке в условиях вибраций резкое изображение получается в результате:

• фотосъёмки в условиях вибраций; при этом фотокамера должна грубо следовать за освещёнными или самосветящимися объектами,

чтобы они оставались в поле зрения; тогда каждая точка объекта оставит на фотоэмульсии один и тот же узор (траекторный узор);

Л и т е р а т у р а

1. a.vander lugt . ieee trans, inf.theory, it,2, 139 (1964),

2. Л.Д.Бахрах, Г.А.Соболев. Оптическая обработка информации, согласованная фильтрация изображений, распознавание образов. Труды 1 Всесоюзной школы по голографии, МФТИ, 1969.

5. a.vander lugt. proc. ieee, 54 , 8 , 1055-64 (1966).

6. a. papoulis. systems and transforms with applications in optics, ny.

7.c.burckhardt. appl. opt., 6, 8, 1359 (1967).

7. a.vander lugt. appl. opt., 6, 7, 1221 (1967).