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1、匹 配 濾 波 器在 光 學(xué) 圖 像 識 別 中 的 應(yīng) 用 Page 2 匹配濾波器 空 間 濾 波 原 理 阿 貝 理 論空 間 頻 譜 分 析4f系 統(tǒng)相 關(guān) 原 理 判 據(jù)匹 配 濾 波 器 傳 統(tǒng)改 進(jìn)計 算 機 模 擬 Page 3 空 間 濾 波傅 里 葉 頻 譜面 上 放 置 適當(dāng) 的 濾 波 器 改 變 光 波 的頻 譜 結(jié) 構(gòu) 使 像 按 照 要求 得 到 預(yù) 期改 善阿 貝 提 出 的 二 次 成 像 理 論 及 其 相 應(yīng) 的 實 驗 ， 是 空 間 濾 波 與 光 學(xué) 信 息 處 理 的 先 導(dǎo) 。 Page 4 阿 貝 理 論在 相 干 光 照 明 下 ， 透 鏡

2、的 成 像 過 程 可 以 分 為 兩 步 ：阿 貝 成 像 理 論 幾 何 光 學(xué) 的 傳 統(tǒng)成 像 理 論該 成 像 過 程 也 稱 為 阿 貝 二 次 衍 射 成 像 （ Double Diffraction Imaging） 。第 一 步 ：物 光 波 經(jīng) 透 鏡 后 ，在 其 后 焦 面 上 產(chǎn) 生夫 瑯 和 費 衍 射 ， 形成 頻 譜 ， 該 頻 譜 稱為 第 一 次 衍 射 像 第 二 步 ：這 些 頻 譜 成 為 新 的次 波 源 ， 由 它 們 發(fā)出 的 次 波 在 像 平 面上 干 涉 而 形 成 物 的像 ， 該 像 稱 為 第 二次 衍 射 像 Page 5 阿 貝

3、二 次 成 像 理 論 示 意 圖由 頻 譜 面 到 像 面 ， 實 際 完 成 了 一 次 夫 瑯 和 費 衍 射 ， 相 當(dāng) 于 又經(jīng) 過 了 一 次 傅 里 葉 變 換 。X代 表 物 平 面 ， 用 相 干 光 照 明 x面 代 表 代 表 物 的 頻 譜 面 x面 代 表 像 面 Page 6 阿 貝 波 特 實 驗相 干 平 面 波 垂 直 照 明 一 正 交的 細(xì) 絲 網(wǎng) 格 在 透 鏡 L的 后 焦面 上 呈 現(xiàn) 出 網(wǎng)格 的 頻 譜 這 些 頻 譜 分 量綜 合 ， 在 像 平面 得 到 網(wǎng) 格 像 Page 7 用 適 當(dāng) 濾波 器 放 在頻 譜 面 上 ，就 能 以 各種

4、 方 式 改變 物 的 頻譜 成 分 ，得 到 期 望的 像 。 Page 8 實 驗 效 果 Page 9 空 間 頻 譜 分 析 系 統(tǒng)物 光 場 中 包 含 有 結(jié) 構(gòu) 信 息 ， 這 種 結(jié) 構(gòu) 信 息 就 由 其 空 間 頻 譜 的分 布 來 決 定 ， 故 通 過 對 物 圖 像 的 頻 譜 分 析 ， 就 可 知 道 其 結(jié) 構(gòu)特 征 。 最 簡 單 的 空 間 頻 譜 分 析 系 統(tǒng) 如 圖 所 示 ： Page 10 物 體 置 于 透 鏡 L的 前 焦 面 上相 干 平 行 光 在 透 鏡 的 后 焦 面 上 得 到 準(zhǔn)確 的 傅 里 葉 頻 譜垂 直 照 明點 光 源 在

5、 點 源 像 平 面 獲 得 物 圖 像頻 譜 ， 頻 譜 中 心 (零 頻 位 置 )在 點 源 像 點 處照 明 Page 11 P1面 代 表 物 平 面 ， 令 其 光 場分 布 為 f(x1,y1)， P2平 面 代 表物 圖 像 f(x1,y1)的 頻 譜 面 ，其 頻 譜 和 功 率 譜 分 別 為 ： 式 中 ， fx， fy代 表 物 結(jié) 構(gòu)信 息 的 空 間 頻 率 值 ， 它 與P2平 面 上 的 空 間 坐 標(biāo) 具 有下 列 關(guān) 系 ： Page 12 在 P2平 面 上 的 功 率 譜 分 布 具 有 如 下 特 性 ：1.頻 率 特 性 ： 中 心 的 空 間 頻

6、率 為 零 ， 由 中 心 點 向 外 空 間 頻 譜 值 越 來 越 高 。2.方 向 特 性 ： 若 物 圖 像 中 存 在 線 狀 構(gòu) 造 ， 則 其 功 率 譜 是 沿 著 與 此 線 狀 結(jié) 構(gòu) 正 交 的 直 線 方 向 分 布 Page 13 4f系 統(tǒng)空 間 頻 率 濾 波 系 統(tǒng) 有 多 種 光 路 結(jié) 構(gòu) ， 最 典 型 的 一 種 相 干 光 學(xué)信 息 處 理 系 統(tǒng) 光 路 圖 如 圖 所 示 : 輸 入 平 面(物 面 ) 輸 出 平 面(像 面 )頻 譜 平 面(濾 波 面 ) Page 14 Page 15 Page 16 Page 17 小 結(jié)從 頻 域 來 看

7、 從 空 域 來 看改 變 濾 波 器 的 透 過率 函 數(shù) (濾 波 函 數(shù) )，該 系 統(tǒng) 就 能 改 變 物圖 像 的 空 間 頻 譜 結(jié)構(gòu) ， 這 就 是 空 間 濾波 的 含 義 系 統(tǒng) 實 現(xiàn) 了 輸 入 信息 與 濾 波 器 脈 沖 響應(yīng) 的 卷 積 或 相 關(guān) ，完 成 了 所 期 望 的 一種 變 換 Page 18 圖 像 識 別 Page 19 傅 里 葉 變 換逆 傅 里 葉 變 換 Page 20 光 學(xué) 匹 配 濾 波 器 原 理 Page 21 光 學(xué) 全 息 方 法 Page 22 Page 23 識 別 過 程 應(yīng) 用 4f系 統(tǒng) Page 24 識 別 過

8、程 應(yīng) 用 4f系 統(tǒng) Page 25 總 結(jié)匹配濾波器的相關(guān)輸出 沿 光 軸 方 向 生成 物 體 f(x,y)的幾 何 像圖 像 f(x,y)和g(x,y)卷 積 像 中 心 位 于 (b,0)圖 像 f(x,y)和g(x,y)的 相 關(guān) 像 與 卷 積 像 對 稱 ，中 心 位 于 (-b,0) 二 者 相 同 則 產(chǎn) 生明 顯 的 相 關(guān) 亮 斑對 相 關(guān) 識 別 不起 作 用 Page 26 一 種 實 時 光 學(xué) 匹 配 濾 波 相 關(guān) 器 的 光 學(xué) 實 現(xiàn)當(dāng) MSF準(zhǔn) 確 復(fù) 位 后 ， 擋 去 參 考 光 RB， 在 輸 入 平 面 上 放 置 信 號 f(x,y)，由 于

9、相 關(guān) 信 號 （ 即 由 物 光 重 建 的 參 考 光 ） 是 準(zhǔn) 確 的 沿 原 來 的 參 考 光RB的 方 向 傳 播 的 ， 所 以 我 們 把 另 一 個 傅 里 葉 變 換 透 鏡 L4放 在 RB中 ， 與 RB的 光 軸 垂 直 ， 最 后 用 探 測 陣 列 AD（ 如 CCD） 來 探 測 相 關(guān) 峰 。顯 微物 鏡 準(zhǔn) 直透 鏡 F透 鏡 F透 鏡針 孔 分 光 鏡 反 光 鏡 匹 配 濾 波 器物 光 參 考 光 Page 27 一 種 實 時 光 學(xué) 匹 配 濾 波 相 關(guān) 器 的 光 學(xué) 實 現(xiàn)實 現(xiàn) 過 程 ：激 光 束 首 先 是 由 顯 微 物 鏡 L1聚

10、 焦 ， 通 過 針 孔 濾 波 后 ， 再 由 準(zhǔn) 直 鏡 L2形成 平 行 光 束 照 射 輸 入 平 面 ,由 于 針 孔 濾 波 ,光 束 的 截 面 強 度 是 均 勻 的 ,平 行光 由 分 光 鏡 BS分 成 物 光 OB及 參 考 光 RB。 當(dāng) 在 輸 入 平 面 上 放 置 參 考 信 號 g(x,y)時 ,我 們 可 以 用 全 息 材 料 記 錄 匹 配 濾 波 MSF,輸 入 平 面 和 MSF平 而分 別 是 L3的 前 、 后 焦 面 。 處 理 后 的 全 息 圖 重 新 放 在 MSF處 。 Page 28 計 算 全 息 方 法相 關(guān) 峰 的 位 置 與 輸

11、 入 平 面 上 物 函 數(shù) g(x, y)的 位 置 對 應(yīng) ， 相 關(guān) 峰 值 大 小 反 映 輸 入 圖 像 與 參 考 模 板 的 相 似 程 度 。 Page 29 Page 30 計 算 機 模 擬 過 程將 目 標(biāo) 圖 像 做 傅 里 葉 變 換 后 得 到 頻 譜 信 息 ，再 對 其 求 復(fù) 共 軛 ， 得 到 匹 配 濾 波 器 G*。將 待 識 別 圖 像 做 傅 里 葉 變 換 得 到 F。將 F與 G*相 乘 ， 得 到 濾 波 后 的 傅 里 葉 頻 譜 T。 對 T進(jìn) 行 傅 里 葉 逆 變 換 ， 得 到 相 關(guān) 信 息 。 Page 31 仿 真 1 目 標(biāo)

12、待 識 別 Page 32 仿 真 1 Page 33 仿 真 1 Page 34 仿 真 1 Page 35 仿 真 1 Page 36 仿 真 2 目 標(biāo) 待 識 別 Page 37 仿 真 2 Page 38 仿 真 2 Page 39 仿 真 2 此 處 都 有 亮 斑 是 因 為 沒 有 設(shè) 置 閾 值 的 緣 故 。 而 上 一 個 仿 真 中 只 顯 示 出 小 亮 點 正 是 因為 設(shè) 置 了 閾 值 。在 上 述 仿 真 中 ， 進(jìn) 行 傅 里 葉 變 換 之 后 需 要 把 零 頻 分 量 移 到 中 心 ， 但 進(jìn) 行 這 個 移 頻 之后 ， 最 終 得 到 的 亮 斑

13、 結(jié) 果 就 會 發(fā) 生 一 點 偏 移 。 暫 時 還 沒 有 想 到 方 法 解 決 。 Page 40 仿 真 2 Page 41 不 足 旋 轉(zhuǎn) 敏 感 縮 放 敏 感處 理 辦 法 圓 諧 變 換 梅 林 變 換結(jié) 果 旋 轉(zhuǎn) 不 變 尺 度 不 變 Page 42 總 結(jié)范 德 拉 格 特 匹 配 濾 波 相 關(guān) 器 類 型 ， 簡 稱 范 德 拉 格 特 相 關(guān) 器（ Vander Lugt Correlator， 記 作 VLC）特 點 是 在 進(jìn) 行 目 標(biāo) 識 別 時 ， 都 需 要 先 制 作 待 識 別 目 標(biāo) 的 復(fù) 數(shù) 匹 配濾 波 器 ， 缺 點 ：操 作 很 不

14、 方 便 ， 進(jìn) 行 實 時 識 別 時 很 不 容 易 ， 而 且 自 適 應(yīng)能 力 較 差 。優(yōu) 點 ：實 現(xiàn) 對 輸 入 圖 像 的 比 例 不 變和 旋 轉(zhuǎn) 不 變 識 別 ， 已 實 現(xiàn) 了小 型 化 ， 外 觀 尺 寸 已 經(jīng) 做 到31cm 23cm 15cm。 Page 43 參 考 文 獻(xiàn)1王 仕 璠 .信 息 光 學(xué) 理 論 與 應(yīng) 用 M.北 京 郵 電 大 學(xué) 出 版 社 .2003.2Joseph W.Goodman， 秦 克 誠 譯 .傅 里 葉 光 學(xué) 導(dǎo) 論 M.電 子 工 業(yè) 出 版 社 .2011.3鐘 黔 川 .光 學(xué) 匹 配 濾 波 器 在 圖 像 識 別 上 的 研 究 D.電 子 科 技 大 學(xué) .2001.4吳 偉 .光 學(xué) 相 關(guān) 模 式 識 別 中 匹 配 濾 波 器 的 設(shè) 計 研 究 D.國 防 科 學(xué) 技 術(shù) 大 學(xué) .2008.5林 睿 ， 常 鴻 森 ， 李 榕 .光 學(xué) 圖 像 識 別 相 關(guān) 器 的 MATLAB仿 真 N.華 南 師 范 大 學(xué) 學(xué) 報 .2004. Page 44 Thanks!