ГОЛОГРАФИ́ЧЕСКОЕ РАСПОЗНАВА́НИЕ О́БРАЗОВ

ГОЛОГРАФИ́ЧЕСКОЕ РАСПОЗНАВА́НИЕ О́БРАЗОВ, рас­по­зна­ва­ние изо­бра­же­ния объ­ек­та ме­то­да­ми го­ло­гра­фии и ко­ге­рент­ной оп­ти­ки, со­стоя­щее в срав­не­нии изо­бра­же­ния рас­по­зна­вае­мо­го объ­ек­та с его эта­лон­ным изо­бра­же­ни­ем, из­вест­ным за­ра­нее. Ме­рой бли­зо­сти изо­бра­же­ния объ­ек­та и эта­ло­на яв­ля­ет­ся их функ­ция вза­им­ной кор­ре­ля­ции (ФВК). За­да­ча Г. р. о. за­клю­ча­ет­ся в ус­та­нов­ле­нии на­ли­чия рас­по­зна­вае­мо­го объ­ек­та в ана­ли­зи­руе­мом изо­бра­же­нии и оп­ре­де­ле­нии его ко­ор­ди­нат в по­ле зре­ния сис­те­мы рас­по­зна­ва­ния. Для это­го вы­чис­ля­ет­ся ФВК рас­по­зна­вае­мо­го об­раза и его эта­ло­на и срав­ни­ва­ет­ся мак­си­мум этой функ­ции с по­ро­го­вым зна­че­ни­ем, оп­реде­ляе­мым ве­ро­ят­но­стью пра­виль­но­го рас­по­зна­ва­ния. Ес­ли сиг­нал кор­ре­ля­ции пре­вы­ша­ет по­рог, объ­ект об­на­ру­жен, ес­ли сиг­нал кор­ре­ля­ции ни­же по­ро­га, объ­ек­та в ана­ли­зи­руе­мом изо­бра­же­нии нет. Од­но­вре­мен­но оп­ре­де­ля­ют­ся ко­ор­ди­на­ты объ­ек­та по по­ло­же­нию мак­си­му­ма кор­ре­ля­ци­он­ной функ­ции.

Рис. 1. Схема записи голографического согласованного фильтра: L1 – линза; f – фокусное расстояние; s(x,y) – распознаваемый образ.

Г. р. о. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в го­ло­гра­фич. кор­ре­ля­то­ре Ван дер Люг­та и кор­ре­ля­то­ре со­вме­ст­но­го пре­об­ра­зо­ва­ния. Оба кор­ре­ля­то­ра ис­поль­зу­ют оп­тич. сис­те­му про­стран­ст­вен­ной фильт­ра­ции изо­бра­же­ний, в час­тот­ной плос­ко­сти ко­то­рой ус­та­нов­лен го­ло­гра­фич. со­гла­со­ван­ный фильтр (ГСФ) в ви­де фу­рье-го­ло­грам­мы рас­по­зна­вае­мо­го об­раза ли­бо обоб­щён­ной фу­рье-го­ло­грам­мы. Дей­ст­вие кор­ре­ля­то­ра ос­но­ва­но на свой­ст­ве лин­зы осу­ще­ст­в­лять дву­мер­ное фу­рье-пре­об­ра­зо­ва­ние изо­бра­же­ния при ко­ге­рент­ном ос­ве­ще­нии (см. Фу­рье-оп­ти­ка). ФВК син­те­зи­ру­ет­ся в час­тот­ной плос­ко­сти кор­ре­ля­то­ра пу­тём срав­не­ния про­стран­ст­вен­но-час­тот­ных спек­тров рас­по­зна­вае­мо­го об­раза и эта­лон­но­го, за­пи­сан­но­го в ви­де го­ло­грам­мы.

Рис. 2. Схема коррелятора Ван дер Люгта: L1, L2 – фурье-преобразующие линзы; f1, f2 – фокусные расстояния линз; Р1, Р2, Р3 – входная, частотная и выходная плоскости соответственно; ГСФ – голографичес...

Рис. 3. Результат распознавания китайского иероглифа (указан стрелкой): а – анализируемое изображение; б – поле корреляций в плоскости Р3; в – поле корреляций, сканированное микрофотометром.

Про­цесс рас­по­зна­ва­ния со­сто­ит из двух эта­пов: на пер­вом из­го­тав­ли­ва­ет­ся го­ло­гра­фич. со­гла­со­ван­ный фильтр на рас­по­зна­вае­мый об­раз (эта­лон), а на вто­ром осу­ще­ст­в­ля­ет­ся соб­ст­вен­но рас­по­зна­ва­ние. При из­го­тов­ле­нии фильт­ра (рис. 1) в пе­ред­ней фо­каль­ной плос­ко­сти лин­зы $L_1$ ус­та­нав­ли­ва­ет­ся транс­па­рант с за­пи­сью рас­по­зна­вае­мо­го об­раза $s(x,y)$, а в зад­ней фо­каль­ной плос­ко­сти – го­ло­гра­фич. фо­то­пла­стин­ка, на ко­то­рую на­прав­ля­ет­ся опор­ный пу­чок под уг­лом $θ$ к оп­тич. оси. По­сле экс­по­ни­ро­ва­ния и фо­то­хи­мич. об­ра­бот­ки по­лу­чен­ный фильтр по­ме­ща­ет­ся в плос­кость $P_2$ (рис. 2) точ­но в то ме­сто, где на­хо­ди­лась фо­то­пла­стин­ка при его за­пи­си, а в плос­ко­сти $P_1$ ус­та­нав­ли­ва­ет­ся транс­па­рант с за­пи­сью ана­ли­зи­руе­мо­го изобра­же­ния $g(x,y)=s(x,y)+n(x,y)$, со­дер­жа­ще­го не толь­ко рас­по­зна­вае­мый об­раз $s(x,y)$, но и изо­бра­же­ния др. объ­ек­тов $n(х,у)$. Лин­за $L_1$ фор­ми­ру­ет в плос­ко­сти $P_2$ про­стран­ст­вен­но-час­тот­ный спектр $S(ν_x,ν_y)+N(ν_x,ν_y)$ ана­ли­зи­руе­мо­го изо­бра­же­ния, где $S(ν_x,ν_y)$ – фу­рье-об­раз рас­по­зна­вае­мо­го изо­бра­же­ния, $N(ν_x,ν_y)$ – фу­рье-об­раз др. объ­ек­тов, $ν_x, ν_y$ – про­стран­ст­вен­ные час­то­ты по осям $x$ и $y$ со­от­вет­ст­вен­но.

В ре­зуль­та­те ди­фрак­ции про­стран­ст­вен­но-час­тот­но­го спек­тра на го­ло­гра­фич. со­гла­со­ван­ном фильт­ре об­ра­зу­ют­ся три ди­фрак­ци­он­ных пуч­ка: ну­ле­во­го и ±1-го по­ряд­ков. Пу­чок +1-го по­ряд­ка, рас­про­стра­няю­щий­ся в на­прав­ле­нии опор­но­го пуч­ка при за­пи­си фильт­ра, по­сле про­хо­ж­де­ния че­рез лин­зу $L_2$ фор­ми­ру­ет в плос­ко­сти $P_3$ по­ле кор­ре­ля­ций эта­лон­но­го изо­бра­же­ния объ­ек­та с изо­бра­же­ния­ми др. объ­ек­тов в ана­ли­зи­руе­мом изо­бра­же­нии, а пу­чок –1-го по­рядка об­ра­зу­ет в плос­ко­сти $P_3$ об­ласть свёр­ток этих изо­бра­же­ний. Угол $θ$ вы­би­ра­ют та­ким, что­бы по­ля кор­ре­ля­ций свёр­ток не пе­ре­кры­ва­лись с об­ла­стью ну­ле­во­го по­ряд­ка. В мес­те рас­по­ло­же­ния рас­по­зна­вае­мо­го об­раза фор­ми­ру­ет­ся функ­ция ав­то­кор­ре­ля­ции в ви­де яр­ко­го сфо­ку­си­ро­ван­но­го пят­на раз­ме­ром 50–100 мкм, а в мес­тах рас­по­ло­же­ния др. объ­ек­тов – функ­ция вза­им­ной кор­ре­ля­ции в ви­де рас­фо­ку­си­ро­ван­ных пя­тен боль­ше­го раз­ме­ра и мень­шей ин­тен­сив­но­сти. Рис. 3 ил­лю­ст­ри­ру­ет про­цесс рас­по­зна­ва­ния кон­крет­но­го кит. ие­рог­ли­фа сре­ди дру­гих.

На прак­ти­ке вме­сто фо­то­транс­па­ран­тов и го­ло­гра­фич. пла­сти­нок ис­поль­зу­ют управ­ляе­мые транс­па­ран­ты с оп­тич. и элек­трич. ад­ре­са­ци­ей, а так­же фо­то­ре­фрак­тив­ные кри­стал­лы и фо­то­по­ли­ме­ры.

Дос­то­ин­ст­во Г. р. о. – бы­ст­ро­та вы­чис­ле­ний дву­мер­ной функ­ции вза­им­ной кор­ре­ля­ции (на­но­се­кун­ды) и не­за­ви­си­мость вре­ме­ни рас­по­зна­ва­ния от раз­мер­но­сти ана­ли­зи­руе­мо­го изо­бра­же­ния и рас­по­зна­вае­мо­го об­раза. Не­дос­та­ток – за­ви­си­мость ин­тен­сив­но­сти сиг­на­ла кор­ре­ля­ции от рас­со­гла­со­ва­ния с эта­ло­ном по уг­лу и раз­ме­рам. В за­ви­си­мо­сти от слож­но­сти рас­по­зна­вае­мо­го об­раза рас­со­гла­со­ва­ние в 2–3° по уг­лу и 5–10% по раз­ме­рам при­во­дит к умень­ше­нию сиг­на­ла кор­ре­ля­ции в 2 раза. Г. р. о. ис­поль­зу­ет­ся при иден­ти­фи­ка­ции от­пе­чат­ков паль­цев, лиц, кре­дит­ных карт, ие­рог­ли­фов, де­та­лей на кон­вей­е­ре при ав­то­ма­тич. сбор­ке, на­зем­ных ори­ен­ти­ров в сис­те­мах на­ви­га­ции и т. п.