研究生-高等光学-联合傅里叶变换相关图像识别-实验指导

得联合傅里叶变换光谱，另一路则实现联合傅里叶变换功率谱的实时傅里叶逆变换。 将待识别的目标图像与参考图像通过马赫-曾德尔干涉仪并行输入相干光处理系统，用 CCD 将联合傅里叶变换谱转换成功率谱，送入计算机获得与之对应的信号，利用计算机调 制电寻址的液晶空间光调制器 LCD。则 LCD 上的功率谱通过透镜的傅里叶变换形成相关输 出，由 CCD 探测并显示。如果目标图像与参考图像的基本特征一致，则输出图像具有一对 明显的相关峰。
监视器 （相关输出）
CCD II
透镜 II
计算机 （功率谱）
参考图像 透镜 I 马赫-曾德 尔干涉仪
分光镜 III 图 1-2 系统示意图
图 1-3 典型实验结果
三．实验内容及步骤
参见图 1-4 搭建光路。 1. 调节激光管夹持器，将 HeNe 激光束 1 调节高度适中，水平（与台面平行） ，作为主光 轴（中心高） 。
用银盐胶片作记录媒质，费时的洗相过程限制了对图像的实时处理。另外，相干光系统只能 用相干光对输入透明片作空间调制， 不允许非相于图像的直接输入。 为了实时处理就需要发 展一种器件，从而出现了实时空间光调制器。 目前实时空间光调制器还处在研究和发展阶段， 正在研制的器件种类繁多， 如利用泡克 耳斯效应的 DKDP 和 PROM 器件,利用混合场效应的液晶光阀,利用表面形变的热塑和光导热 塑记录媒质，以及声光、磁光效应的器件。 空间光调制器的参量很多,主要参量有:灵敏度、分辨率 对比度 灰度等级、线性动态范 围、存 s 储能力、擦除性能、重复使用次数、光学质量等，要根据应用要求来作某种选择。 例如，DKDP 器件在擦除、存储和光学质量方面较好，而液晶光阀在不需要存储情况下，是 有希望的器件，尤其在转换非相干光图像为相干光图像上是目前应用最普遍的器件。 为液晶光阀的结构图。PROM 器件也是较好的转换器件。空间光调制器将是光电混合 处理系统中的关键器件之一。
式中前两项是各自的自相关，而后两项则是彼此的互相关。 一般采用实时的空间光调制器作为平方律探测器，取代记录胶片，可充分体现联合变换 相关器的优越性。 具体内容请参考《傅里叶光学.第二版》 （吕乃光）321-323 页。 本系统就是根据联合傅里叶变换相关识别原理组件的，目的是通过该系统的搭建和分 析，深入理解图像相关识别的原理。 2．系统结构 根据上面的联合傅里叶变换相关识别的过程的介绍， 整个图像识别包括两个步骤， 即联 合傅里叶变换光谱的记录和联合变换功率谱的逆傅里叶变换。 而且采用可实时处理的空间光 调制器可提高系统的处理能力。 下面提供一套参考光路，以理解设计的思想。在实际搭建中，可采用的光路结构很多。 如图 1-2 所示，从 He-Ne 激光器发出的光束通过反射镜 I 和分光镜 I 分成两路，一路用于获
在线性记录条件下，忽略透过率函数中的均匀衰减，用单位振幅平面波读出，经相同焦 距 f 的透镜进行傅里叶逆变换，在输出平面 P3 得到的输出为
g x, y f x, y ★ f x, y h x, y ★h x, y f x, y ★h x, y x 2b, y h x, y ★ f x, y x 2b, y
联合傅里叶变换相关图像识别
光学图像和特征的分析与识别是近代光学信息处理的一个重要研究领域。 人们一直在研 究能够自动识别图像和特征的机器或系统， 在工业上用于自动识别卫星遥感图像中的特征地 形地貌，识别文件和信用卡上的签字，将现场指纹和大量档案指纹进行比对，从生物切片的 显微图像中识别病变细胞， 在军事上则用于识别空中和地面目标等等。光学图像特征识别系 统的基本结构是光学相关器，具有高度并行、大容量、快速处理等特点，在一些领域中已取 得接近实用的成果。 本实验使用空间光调制器实现了实时光电混合处理， 是典型的近代光学 信息处理实验。
一．实验目的： 1．通过实验，使学生理解联合傅里叶变换和图像识别的基本理论。
2．学会相干光信息处理系统的搭建和调试； 3．学习电寻址液晶空间光调制器的原理、光学特性和操作；
二．实验原理及系统结构：
1．联合变换相关识别 联合变换相关器(JTC)是一种实现卷积和相关运算的相关光处理器，最早是由 Weaver 和 Goodman 提出的。
为
f x, y
和
h x, y
的联合傅里叶谱。
在 P2 平面用记录介质或其他平方律探测器进行光强记录，得到联合傅里叶变换的功率谱
2 2 2 4 4 G , F , H , F * , H , exp j b F , H * , exp j b f f
3．马赫-曾特干涉系统的搭建 一定要注意透射光与反射光的重合不只是意味着在某一处重合，而是在远近都要找重 合。技巧是在调节远处的重合时，动光楔的二维调节; 在调节近处的重合时，调节作为反射 光路的反射镜，直到远近都重合时，便能得到干涉条纹。作为透射光一路的反射镜不动。 4．目标识别物板的放置 二个识别物板分别放在马赫-曾特二臂中，其中一面是利用分光光楔的反射原理，所以 在放置时要反着放，即一个是大恒，另一个是恒大。在放置识别板和下面的移动台时，一定 要保证与光路垂直。 因为实验的基本原理是要分析物与鉴别物的相关性， 放置不好则在移动 时影响时不变系统。 5．空间光调制器原理及使用 在分光光楔后放置一个傅里叶变换透镜，透镜的前焦面放置透射光光路的目标识别物 板，透镜的后焦面是相关识别的谱面，在电脑上，我们能够接收到它的功率谱。空间光调制 器的作用是通过分频器把功率谱的图像加载到液晶片上， 相当于一个图像光栅，从而对它做 一次新的傅里叶变换得到相关峰的谱。 一定注意的是， 第二次傅里叶变换不要和傅里叶逆变 换搞混，在 SLM 上加载的是第一次傅里叶变换功率谱的像，在第二次变换中，它是一个新的 物。另外，在使用 SLM 时，应在前后各加一个偏振片，旋转之一，保证二片正交。
2. 调整所有光学元件(分光光楔， 反射镜，空间滤波器，透镜等等)的高度, 使它们的中 心与光轴重合, 即共轴。 3. 放置圆形可调衰减器 2， 调节光路中 HeNe 激光束的强度（初始调光路的时候先调到 最强） 。 4. 光束通过空间滤波器 3 进行扩束，并通过调节针孔进行滤波，使扩束形成亮度均匀柔 和的圆光斑。 5. 放置透镜 4 进行光束准直。因为准直透镜的焦距是 180mm，所以该透镜应放在针孔后 180mm 左右的位置，用白纸在准直透镜后记录一下光斑的大小，然后在较远的位置再 记录一下光斑的大小，如果不一致需要前后调整一下准直透镜的位置，直到远近光斑 大小基本一致。 6. 放置可变光阑 5 到光斑中心，将光斑直径大小限制为 10mm 左右。 7. 用分光光楔 6 分成两束，光路 I（透射光） 、II（反射光）, 使其互成直角。 在 I 光束中的调整 8. 搭建马赫-曾德干涉系统(如图 1-4-I 光路)。 该系统由两个分光光楔 7、12 和两个反 射镜 9、8 组成。 (a)通过分光光楔 7 分光，用反射镜 8、9 分别反射到分光光楔 12 处， 使两束光合二为一。通过分别调节元件 9、12 的二维俯仰，使通过分光光楔 12 出射 的两束光（斑）在近、远处都要重合在一起（比如调整反射镜 9 俯仰使近处的光斑重 合，那么就要调整光楔 12 俯仰使远处的光斑重合） 。 9. 在马-曾干涉光路的两个臂内分别放置两片目标识别物板 10、11，两块识别物板到分 光光楔 12 的距离要相等，而且两块板的左右要相反（因为目标识别物板 10 相对光楔 12 为镜面反射） 。 10. 放置傅变透镜 13，距离识别物板 11 的距离为 300mm（13 的焦距） 。 11. 在傅变透镜 13 的后焦面位置放置 CCD14，并连接到已安装图像采集卡的电脑 15 上， 通过图像采集软件观测 CCD14 拍摄到的图像。分别将两目标物识别板上的相同字符移 动到光斑中，再把圆形可调衰减器 2 条街的衰减幅度大些，即可在电脑 15 上 看到清 晰的联合傅里叶变换功率谱（杨氏条纹） ，如果分别将两目标识别物板的不同字符移动 到光斑中，则看不到清晰的功率谱（杨氏条纹） 。 在 II 光束中的调整 12. 在本公司提供的空间光调制器 17 前后各放一个偏振片 16、 18 空间光调制器 17 需要得 到电脑 15 的视频信号（需要一个视频信号分频器） 。 13. 在 18 后面放一傅里叶变换透镜 19, 且透镜 19 到空间光调制器 17 的距离为 300mm （焦 距） 。 14. 放置 CCD20 在傅变透镜 19 的后焦面上，并连接到监视器 21，此时如果是两个相同字 符作对比，则可在 21 上看到一对清晰锐利的相关峰点，否则相关峰的锐度变差（暗淡 弥散） ，相关峰可随两字符的相对移动而移动。在本实验系统中可依次对比“大大” ， “圆孔圆孔” ， “恒恒” ， “大恒”
五．附录 1．系统主要配置:
序号 （1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） （8） （9） 名称 HeNe 内腔激光器 光束扩束准直系统 马赫-曾德尔干涉系统 图像采集组件 黑白监视器 傅里叶变换透镜 检测平晶组件 电寻址空间光调制器 可变衰减器 Φ30mm Φ40mm 含 CCD;图像卡;图像软件 9 寸;带模拟输入 Φ50mm;f300mm Φ50mm 规格 632.8nm;2mW;DH-HN250 数量 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1
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图 1-4. 系统光路
四．调节技巧与关键部分原理
1．空间滤波器的使用 由于激光器谐振腔镜的衍射和发光机理导致出光光强不均匀和衍射杂斑的出现。 为了减 小这些干扰，得到均匀的光斑，我们采用空间滤波器来代替普通的扩束透镜。其原理是采用 小孔滤波的方法，保留相对均匀的 0 级光斑。 在小孔滤波时，我们需要进行准直。方法是先把滤波器上反过来利用物镜做括束，让括 束光斑以之前的激光器准直用的光阑中心为圆心，这样就能保证光斑中心和激光光束共轴 了。 把滤波器再掉转，按上述方法使共轴，加上针孔，转动螺纹副使物镜向针孔运动，同时 二维调节针孔，这时能在针孔后方出现小孔衍射图样。当运动到某一位置时，便能得到明亮 均匀的光斑。 2．分光光楔的安装 为了避免分光片上下面反射形成的干涉干扰， 我们选用分光光楔来分开两路反射光，为 了确保实验光路的等高，楔面应该水平放置。半透半反面的选择可利用镜面反射原理，用某 物离近镜面，判断成像远近来区分光楔两个面。
图 1-1
a)联合傅里叶变换功率谱的记录
b) 联合变换功率谱的相关读出
f x, y
L 为傅里叶变换透镜，它的前焦面 P1 上并排放置待识别图像和参考图像
和
h x, y
，它们的中心位于
b, 0
。两个透明片用准直光束照明，输入函数可表示为
g x, y f x b, y h x b, y
通过透镜进行傅里叶变换，透镜后焦面 P2 上的复振幅分布为
2 2 G , F , exp j b H , exp j b f f G , F , H , g x, y f x, y h x, y G , 其中， 、 和 分别是 、 和 的空间频谱， 并称
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光密度 0-3.0;连续可调 带纵向移动平台;3 组对比物
（10） 目标识别物 （11） 讲义
2．实时空间光调制器（real-time spatial light modulator）
使得相干处理系统能输入非相干光图像和随时间变化的图像的器件。相干光处理系统 的最大优点是二维平行处理、信息容量大，运算速度快。但是目前的输入图像和空间滤波都