第4章 光学图像识别优秀课件.ppt

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1、第第4章章 光学图像识别光学图像识别第1页，本讲稿共43页2023/2/91第四章第四章 光学图像识别光学图像识别 4 41 1 图像识别和光学相关器图像识别和光学相关器图像识别和光学相关器图像识别和光学相关器4 42 2 非相干识别器非相干识别器非相干识别器非相干识别器4 43 Vander Lugt3 Vander Lugt相关器相关器相关器相关器4 44 4 实时实时实时实时Vander LugtVander Lugt相关器相关器相关器相关器4 45 Vander Lugt5 Vander Lugt相关器的小型化相关器的小型化相关器的小型化相关器的小型化4 46 6 旋转不变旋转不变旋转

2、不变旋转不变Vander LugtVander Lugt相关器相关器相关器相关器4 47 7 比例不变比例不变比例不变比例不变Vander LugtVander Lugt相关器相关器相关器相关器4 48 8 联合变换相关器联合变换相关器联合变换相关器联合变换相关器4 49 9 实时联合变换相关器实时联合变换相关器实时联合变换相关器实时联合变换相关器4 410 10 联合变换相关器的应用联合变换相关器的应用联合变换相关器的应用联合变换相关器的应用4 411 11 旋转不变联合变换相关器旋转不变联合变换相关器旋转不变联合变换相关器旋转不变联合变换相关器4 412 12 结论结论结论结论第2页，本讲

3、稿共43页4.1 图像识别和光学相关器图像识别和光学相关器 很很很很久久久久以以以以来来来来，人人人人们们们们一一一一直直直直在在在在研研研研究究究究能能能能够够够够识识识识别别别别物物物物体体体体的的的的机机机机器器器器，这这这这种种种种机机机机器器器器能能能能代代代代替替替替人人人人们们们们从从从从事事事事枯枯枯枯燥燥燥燥乏乏乏乏味味味味的的的的重重重重复复复复性性性性劳劳劳劳动动动动及及及及危危危危险性的工作例如险性的工作例如险性的工作例如险性的工作例如:字符识别机能代替邮递员分拣邮件字符识别机能代替邮递员分拣邮件字符识别机能代替邮递员分拣邮件字符识别机能代替邮递员分拣邮件；自自自自动动

4、动动签签签签名名名名或或或或指指指指纹纹纹纹识识识识别别别别机机机机能能能能代代代代替替替替工工工工作作作作人人人人员员员员检检检检验验验验签签签签字字字字或或或或指指指指纹纹纹纹;在在在在军军军军事事事事上上上上，首首首首先先先先用用用用图图图图像像像像识识识识别别别别系系系系统统统统辨辨辨辨认认认认对对对对方方方方的的的的目目目目标标标标，诸诸诸诸如如如如导导导导弹弹弹弹、车车车车辆辆辆辆、建建建建筑筑筑筑，而而而而后后后后用用用用武武武武器器器器自自自自动动动动摧摧摧摧毁毁毁毁经经经经过过过过识识识识别别别别的的的的目目目目标标标标;在在在在医医医医学学学学上上上上，图图图图像像像像识识

5、识识别别别别技技技技术术术术则则则则用用用用于于于于识识识识别别别别某某某某一一一一类类类类特特特特定定定定的的的的细胞，然后进行计数细胞，然后进行计数细胞，然后进行计数细胞，然后进行计数第3页，本讲稿共43页1、光学相关器、光学相关器两个实函数两个实函数两个实函数两个实函数f(x,y)f(x,y)和和和和g(x,y)g(x,y)的相关在数学上定义为的相关在数学上定义为的相关在数学上定义为的相关在数学上定义为 c(c(,)=-f(f(x,yx,y)g(g(x-x-,y-,y-)dxdydxdy当当当当 =0=0，=0=0时相关函数变成内积时相关函数变成内积时相关函数变成内积时相关函数变成内积:

6、c(0,0)c(0,0)=-f(f(x,yx,y)g(g(x,yx,y)dxdy (1)dxdy (1)(1)(1)式积分实现的方法见图式积分实现的方法见图式积分实现的方法见图式积分实现的方法见图4.14.1显然，仅当显然，仅当显然，仅当显然，仅当f(x,y)f(x,y)和和和和 g(x,y)g(x,y)全同时，光强的积分全同时，光强的积分全同时，光强的积分全同时，光强的积分c(0,0)c(0,0)才达到极大才达到极大才达到极大才达到极大 只要测出光强的积只要测出光强的积只要测出光强的积只要测出光强的积分，就可以判定图形分，就可以判定图形分，就可以判定图形分，就可以判定图形f(x,y)f(x,

7、y)和和和和g(x,y)g(x,y)的相似性的相似性的相似性的相似性注意，这一识别过注意，这一识别过注意，这一识别过注意，这一识别过程把复杂的二维图形程把复杂的二维图形程把复杂的二维图形程把复杂的二维图形化简为一个点化简为一个点化简为一个点化简为一个点图图图图4.1 4.1 光学图像识别器图示光学图像识别器图示光学图像识别器图示光学图像识别器图示第4页，本讲稿共43页2、相关器的局限性、相关器的局限性仅仅仅仅能能能能判判判判别别别别两两两两个个个个完完完完全全全全相相相相同同同同的的的的图图图图形形形形，倘倘倘倘若若若若一一一一个个个个图图图图形形形形相相相相对对对对于于于于另另另另一一一一个

8、个个个图图图图形形形形转转转转过过过过一一一一个个个个角角角角度度度度，或或或或二二二二者者者者的的的的比比比比例例例例有有有有所所所所不不不不同同同同，即即即即便便便便两两两两个个个个图图图图形形形形完完完完全全全全相相相相同同同同，用用用用相相相相关关关关器是无法识别的器是无法识别的器是无法识别的器是无法识别的相相相相关关关关器器器器很很很很容容容容易易易易识识识识别别别别印印印印刷刷刷刷体体体体字字字字符符符符，却却却却无无无无法法法法识识识识别别别别手手手手写体字符写体字符写体字符写体字符相相相相关关关关器器器器容容容容易易易易识识识识别别别别人人人人脸脸脸脸的的的的照照照照片片片片，

9、对对对对真真真真人人人人的的的的脸脸脸脸部部部部的的的的识识识识别别别别却无能为力却无能为力却无能为力却无能为力总总总总而而而而言言言言之之之之，相相相相关关关关器器器器可可可可用用用用来来来来识识识识别别别别具具具具有有有有明明明明确确确确定定定定义义义义的的的的物物物物体体体体定定定定义义义义不不不不明明明明确确确确的的的的物物物物体体体体则则则则应应应应借借借借助助助助于于于于神神神神经经经经网网网网络络络络来来来来识识识识别别别别，可参见第八章可参见第八章可参见第八章可参见第八章第5页，本讲稿共43页4.2 非相干识别器非相干识别器 用一个面光源以同时产生许多个准直光束。如果两个用一个

10、面光源以同时产生许多个准直光束。如果两个用一个面光源以同时产生许多个准直光束。如果两个用一个面光源以同时产生许多个准直光束。如果两个图形透明部分相对于这一平行光束是重合的，它通过第二图形透明部分相对于这一平行光束是重合的，它通过第二图形透明部分相对于这一平行光束是重合的，它通过第二图形透明部分相对于这一平行光束是重合的，它通过第二个透镜后就在焦平面上产生一个亮斑，它正是两个图形的个透镜后就在焦平面上产生一个亮斑，它正是两个图形的个透镜后就在焦平面上产生一个亮斑，它正是两个图形的个透镜后就在焦平面上产生一个亮斑，它正是两个图形的相关峰，并指示其位置倘若输入平面上存在不止一个图相关峰，并指示其位置

11、倘若输入平面上存在不止一个图相关峰，并指示其位置倘若输入平面上存在不止一个图相关峰，并指示其位置倘若输入平面上存在不止一个图形，则在输出平面上出现多个相关斑相关输出为形，则在输出平面上出现多个相关斑相关输出为形，则在输出平面上出现多个相关斑相关输出为形，则在输出平面上出现多个相关斑相关输出为 c(c(,)=)=-f(f(x,yx,y)g(g(x-x-d/f,y-d/f,y-d/fd/f)dxdydxdy缺点：缺点：缺点：缺点：输出平面上输出平面上输出平面上输出平面上的相关峰强的相关峰强的相关峰强的相关峰强度很弱度很弱度很弱度很弱第6页，本讲稿共43页4.3 Vander ugt 相关器相关器相

12、关运算相关运算相关运算相关运算:c(c(,)=)=-f(f(x,yx,y)g(g(x-x-d/f,y-d/f,y-d/fd/f)dxdydxdy1 1、Vander LugtVander Lugt相关器相关器相关器相关器(VLC)(VLC)复数滤波器的记录复数滤波器的记录复数滤波器的记录复数滤波器的记录 设设设设在在在在谱谱谱谱面面面面上上上上放放放放置置置置一一一一个个个个感感感感光光光光胶胶胶胶片片片片，并并并并假假假假定定定定胶胶胶胶片片片片的的的的显显显显影影影影、定定定定影影影影过过过过程程程程是是是是正正正正的的的的线线线线性性性性过过过过程程程程，则则则则最最最最后后后后得得得得

13、到到到到VLCVLC复复复复数滤波器为数滤波器为数滤波器为数滤波器为:T(u,v)T(u,v)=G(u,v)G(u,v)2 2+1+1+G(u,v)G(u,v)exp-i 2 exp-i 2 sinsin /+G*(u,v)G*(u,v)exp i 2 exp i 2 sinsin /图图图图4.3 VLC4.3 VLC复数滤波器的记录复数滤波器的记录复数滤波器的记录复数滤波器的记录第7页，本讲稿共43页2、VLC 识别过程识别过程经过经过经过经过T(u,v)T(u,v)滤波作用，紧贴滤波作用，紧贴滤波作用，紧贴滤波作用，紧贴T(u,v)T(u,v)后面的场为后面的场为后面的场为后面的场为F(

14、u,v)F(u,v)T(u,v)T(u,v)=F(u,v)F(u,v)(G(u,v)G(u,v)2 2+1)+1)+F(u,v)F(u,v)G(u,v)G(u,v)exp-i 2 exp-i 2 sinsin /+F(u,v)F(u,v)G*(u,v)G*(u,v)exp i 2 exp i 2 sinsin /图图图图4.44.4VLCVLC的识别过程的识别过程的识别过程的识别过程 第一项位于输出第一项位于输出第一项位于输出第一项位于输出平面中心，形成平面中心，形成平面中心，形成平面中心，形成0 0级级级级谱，而谱，而谱，而谱，而F(u,v)F(u,v)G(u,v)G(u,v)及及及及F(u

15、,v)F(u,v)G*(u,v)G*(u,v)的的的的逆变换将分别出现逆变换将分别出现逆变换将分别出现逆变换将分别出现在输出平面上在输出平面上在输出平面上在输出平面上(b,0)(b,0)及及及及(-b,0)(-b,0)处，处，处，处，F(u,v)F(u,v)G*(u,v)G*(u,v)的逆变换为的逆变换为的逆变换为的逆变换为f f(,)g g(,)。第8页，本讲稿共43页4.4 实时实时Vander ugt 相关器相关器1 1、透射型实时、透射型实时、透射型实时、透射型实时VLCVLC的基本装置的基本装置的基本装置的基本装置 为了实现实时图像识别，用空间光调制器为了实现实时图像识别，用空间光调

16、制器为了实现实时图像识别，用空间光调制器为了实现实时图像识别，用空间光调制器SLMSLM来输入图形，最后用探测列阵来输入图形，最后用探测列阵来输入图形，最后用探测列阵来输入图形，最后用探测列阵ADAD来探测相关峰来探测相关峰来探测相关峰来探测相关峰图中图中图中图中L Ll l为显微物镜；为显微物镜；为显微物镜；为显微物镜；L L2 2为准直透镜；为准直透镜；为准直透镜；为准直透镜；L L3 3，L L4 4为傅里叶变换为傅里叶变换为傅里叶变换为傅里叶变换透镜；透镜；透镜；透镜；PHPH为针孔；为针孔；为针孔；为针孔；BSBS为分光镜；为分光镜；为分光镜；为分光镜；MM为为为为反光镜；反光镜；反

17、光镜；反光镜；MSFMSF为匹为匹为匹为匹配滤波器；配滤波器；配滤波器；配滤波器；ADAD为探为探为探为探测列阵测列阵测列阵测列阵(例如例如例如例如CCD)CCD)；OBOB为物光；为物光；为物光；为物光；RBRB为为为为参考光参考光参考光参考光.图图图图4.5 4.5 透射型透射型透射型透射型VLCVLC的装置的装置的装置的装置第9页，本讲稿共43页2 2、反射型实时、反射型实时、反射型实时、反射型实时VLCVLC的基本装置的基本装置的基本装置的基本装置 系统使用反射型系统使用反射型系统使用反射型系统使用反射型SLM(SLM(例如液晶光阀例如液晶光阀例如液晶光阀例如液晶光阀LCLV).LCL

18、V).在在在在图图图图4.64.6中中中中，由由由由摄摄摄摄像像像像机机机机拍拍拍拍摄摄摄摄的的的的图图图图像像像像由由由由TVTV终终终终端端端端显显显显示示示示，该该该该图图图图像像像像直直直直接接接接照照照照射射射射LCLVLCLV，或或或或用用用用透透透透镜镜镜镜投投投投影影影影到到到到LCLVLCLV的的的的写写写写入入入入端端端端面面面面，激激激激光光光光束束束束则则则则在在在在LCLVLCLV的的的的读读读读出出出出端端端端面面面面上反射，并读出信号，即上反射，并读出信号，即上反射，并读出信号，即上反射，并读出信号，即VLCVLC的输入信号的输入信号的输入信号的输入信号f(x,y

19、)f(x,y)图图图图4.64.6第10页，本讲稿共43页3、实时图像识别的例子、实时图像识别的例子图图4.7 应用应用LCLV 进行实时相关识别进行实时相关识别第11页，本讲稿共43页4.5 Vander ugt 相关器的小型化相关器的小型化 小小小小型型型型化化化化VLCVLC底底底底板板板板尺尺尺尺寸寸寸寸为为为为31cm23cm31cm23cm，光光光光束束束束直直直直径径径径2.5cm2.5cm，外外外外壳壳壳壳高高高高度度度度15cm15cm，四四四四只只只只波波波波长长长长为为为为830nm830nm、峰峰峰峰值值值值功功功功率率率率为为为为10 10 mWmW的的的的半半半半导

20、导导导体体体体激激激激光光光光器器器器辐辐辐辐射射射射四四四四束束束束独独独独立立立立的的的的光光光光束束束束(发发发发散散散散角角角角为为为为2020o o4040o o),),MSFMSF是是是是用用用用会会会会聚聚聚聚参参参参考考考考光光光光制制制制作作作作的的的的，这这这这样样样样就就就就可可可可以以以以省去一个逆变换透镜省去一个逆变换透镜省去一个逆变换透镜省去一个逆变换透镜图图图图4.8 4.8 小型化实时相干光学相关器光学系统图小型化实时相干光学相关器光学系统图小型化实时相干光学相关器光学系统图小型化实时相干光学相关器光学系统图第12页，本讲稿共43页坦克模型的相关识别实验坦克模型

21、的相关识别实验 (a)(a)坦克模型坦克模型坦克模型坦克模型(b)(b)坦克的匹配滤波器坦克的匹配滤波器坦克的匹配滤波器坦克的匹配滤波器MSF MSF (c)(c)相关信号相关信号相关信号相关信号图图图图4.4.坦克模型的相关识别实验坦克模型的相关识别实验坦克模型的相关识别实验坦克模型的相关识别实验 第13页，本讲稿共43页装备在导弹头部小型化装备在导弹头部小型化VLC 用用三三个个普普罗罗(Porro)棱棱镜镜和和一一个个分分光光棱棱镜镜胶胶合合成成固固化化的的棱棱镜镜组组，整整个个光光学学系系统统高高45mm，对对角角线线长长88mm，内内部部性性能能与与上上述系统类似，但只有一个通道述系

22、统类似，但只有一个通道第14页，本讲稿共43页图图4.10 固态光学相关器部件分解图固态光学相关器部件分解图第15页，本讲稿共43页图图4.11 部分拆开的相关器部件实物图部分拆开的相关器部件实物图第16页，本讲稿共43页反射型反射型 MSF 实时指纹识别器实时指纹识别器第17页，本讲稿共43页4.6 旋转不变旋转不变 Vander Lugt 相关器相关器利用圆谐函数展开实现旋转不变利用圆谐函数展开实现旋转不变利用圆谐函数展开实现旋转不变利用圆谐函数展开实现旋转不变VLCVLC的方案的方案的方案的方案 输输输输入入入入函函函函数数数数f(x,y)f(x,y)用用用用极极极极坐坐坐坐标标标标表表

23、表表为为为为f(r,f(r,)，并并并并用用用用指指指指数数数数函函函函数数数数展开：展开：展开：展开：f(r,f(r,)=)=M=M=-f fMM(r)exp(iM(r)exp(iM )f fMM(r)=(1/2(r)=(1/2 )0 0 f(r,f(r,)exp(-)exp(-iMiM )d)d 旋转旋转旋转旋转 角的目标函数可表为角的目标函数可表为角的目标函数可表为角的目标函数可表为f(r,f(r,+)=)=M=M=-f fMM(r)exp(iM(r)exp(iM )exp(iM)exp(iM )在原点在原点在原点在原点(0,0)(0,0)的相关在极坐标中的表达式为的相关在极坐标中的表达

24、式为的相关在极坐标中的表达式为的相关在极坐标中的表达式为 c(c()=c)=c (0,0)=(0,0)=0 0 rdrrdr 2 2 0 0 f(r,f(r,+)f*(r,f*(r,)d)d =2 =2 M=M=-exp(iMexp(iM )0 0|f fMM(r)(r)|2 2 rdrrdr上式相关函数包含了各级圆谐函数分量的贡献，上式相关函数包含了各级圆谐函数分量的贡献，上式相关函数包含了各级圆谐函数分量的贡献，上式相关函数包含了各级圆谐函数分量的贡献，结论结论结论结论：当参考信号中包含多个当参考信号中包含多个当参考信号中包含多个当参考信号中包含多个(大于一个大于一个大于一个大于一个)圆谐

25、函圆谐函圆谐函圆谐函 数分量时相关输出是旋转可变的。数分量时相关输出是旋转可变的。数分量时相关输出是旋转可变的。数分量时相关输出是旋转可变的。第18页，本讲稿共43页利用圆谐函数展开实现旋转不变利用圆谐函数展开实现旋转不变利用圆谐函数展开实现旋转不变利用圆谐函数展开实现旋转不变VLCVLC的方案的方案的方案的方案 如如如如果果果果参参参参考考考考信信信信号号号号中中中中仅仅仅仅包包包包含含含含一一一一个个个个(某某某某一一一一级级级级)圆圆圆圆谐谐谐谐函函函函数数数数分量时就可以实现旋转不变。分量时就可以实现旋转不变。分量时就可以实现旋转不变。分量时就可以实现旋转不变。设设设设 f fMM(r

26、,(r,)=)=f fMM(r)exp(iM(r)exp(iM )相关输出相关输出相关输出相关输出:c cMM()=)=2 2 exp(iMexp(iM )0 0 r r|f fMM(r)(r)|2 2 drdr相关函数的强度相关函数的强度相关函数的强度相关函数的强度:|c cMM()|2 2 =|2 2 0 0 r r|f fMM(r)(r)|2 2 drdr|2 2 它与目标图形的它与目标图形的它与目标图形的它与目标图形的 无关，因而是旋转不变的。无关，因而是旋转不变的。无关，因而是旋转不变的。无关，因而是旋转不变的。这这这这一一一一旋旋旋旋转转转转不不不不变变变变的的的的相相相相关关关关

27、识识识识别别别别过过过过程程程程，显显显显然然然然强强强强烈烈烈烈地地地地依依依依赖赖赖赖于于于于极坐标系原点的选择及圆谐函数分量的级极坐标系原点的选择及圆谐函数分量的级极坐标系原点的选择及圆谐函数分量的级极坐标系原点的选择及圆谐函数分量的级 M M 的选择。的选择。的选择。的选择。一一一一般般般般的的的的原原原原则则则则是是是是把把把把原原原原点点点点选选选选在在在在图图图图形形形形的的的的对对对对称称称称中中中中心心心心或或或或大大大大致致致致的的的的中中中中心心心心附附附附近近近近，并并并并选选选选择择择择较较较较低低低低级级级级次次次次的的的的圆圆圆圆谐谐谐谐函函函函数数数数分分分分量

28、量量量作作作作为参考信号。为参考信号。为参考信号。为参考信号。第19页，本讲稿共43页旋转不变旋转不变VLC的实例的实例 在在在在图图图图4.13(a)4.13(a)中中中中，字字字字母母母母E E作作作作为为为为目目目目标标标标函函函函数数数数，并并并并用用用用“”指指指指出出出出圆圆圆圆谐谐谐谐函函函函数数数数的的的的展展展展开开开开中中中中心心心心；图图图图(b)(b)给给给给出出出出第第第第一一一一级级级级的的的的圆圆圆圆谐谐谐谐函函函函数数数数分分分分量量量量的的的的振振振振幅幅幅幅；图图图图(c)(c)和和和和(d)(d)分分分分别别别别是是是是(b)(b)中中中中圆圆圆圆谱谱谱谱

29、函函函函数数数数的的的的实实实实部部部部和和和和虚虚虚虚部部部部与与与与该该该该复复复复圆圆圆圆谐谐谐谐函函函函数数数数匹匹匹匹配配配配的的的的空空空空间间间间滤滤滤滤波波波波器器器器MSFMSF用用用用计计计计算算算算机机机机产产产产生的全息图制作生的全息图制作生的全息图制作生的全息图制作图图图图4.13 4.13 第一级第一级第一级第一级圆谐函数分量圆谐函数分量圆谐函数分量圆谐函数分量第20页，本讲稿共43页旋转不变旋转不变VLC的实例的实例图图4.14 给给出出旋旋转转不不变变的的相相关关峰峰，指指示示了了三三个个不不同同取取向向的的字字母母 E 的的存存在在，在在识识别别过过程程中取了

30、适当的阂值中取了适当的阂值图图4.14 对字母对字母E识别的旋转不识别的旋转不变相关输出变相关输出第21页，本讲稿共43页4.7 比例不变比例不变 Vander Lugt 相关器相关器 比比比比例例例例不不不不变变变变又又又又称称称称尺尺尺尺度度度度缩缩缩缩放放放放不不不不变变变变，意意意意思思思思是是是是说说说说目目目目标标标标图图图图形与参考图形相似时，仍有相关峰输出形与参考图形相似时，仍有相关峰输出形与参考图形相似时，仍有相关峰输出形与参考图形相似时，仍有相关峰输出引入下面的变量代换：引入下面的变量代换：引入下面的变量代换：引入下面的变量代换：=lnx,=lnx,=lny=lny图形函数

31、表为图形函数表为图形函数表为图形函数表为 f(f(,)=f()=f(lnx,lnylnx,lny)对原函数进行对原函数进行对原函数进行对原函数进行 倍的比例缩放的结果为倍的比例缩放的结果为倍的比例缩放的结果为倍的比例缩放的结果为f f (,)=f()=f(lnln x,lnx,ln yy)=f()=f(+1 1,+1 1)式中式中式中式中 1 1=1 1=lnln 。如果图形函数如果图形函数如果图形函数如果图形函数f(f(,)与与与与f(f(+1 1,+1 1)进行相关进行相关进行相关进行相关识别，显然有相关峰输出。而识别，显然有相关峰输出。而识别，显然有相关峰输出。而识别，显然有相关峰输出。

32、而f(f(,)与与与与 f(f(x,yx,y)对对对对应，应，应，应，f(f(+1 1,+1 1)与与与与 f(f(x,x,y y)对应，恰恰是原来对应，恰恰是原来对应，恰恰是原来对应，恰恰是原来的图形函数与比例缩放后的图形函数的相关，相关的图形函数与比例缩放后的图形函数的相关，相关的图形函数与比例缩放后的图形函数的相关，相关的图形函数与比例缩放后的图形函数的相关，相关峰的位移峰的位移峰的位移峰的位移(-(-1 1,-,-1 1)指示了指示了指示了指示了缩放的系数缩放的系数缩放的系数缩放的系数 =exp=exp 1 1=exp=exp 1 1。第22页，本讲稿共43页 在在上上述述处处理理过过

33、程程中中，不不能能以以f(x,y)作作为为输输入入信信号号，而而必必须须用用f(+1,+1)作作为为输输入入信信号号，输输入入图图4.5 或或图图4.6 所所示示的的识识别别系系统统中中，类类似似地地，当当制制作作MSF时时，必必须须采采用用变变换换后后的的参参考考信信号号f(,)，而而不不是是原原来来的的参参考考信信号号f(x,y)。从从f(x,y)到到f(,)的的变变换换，以以及及从从f(x,y)到到f(+1,+1)的的变变换换，既既可可以以用用电电子子学学的的方方法法实实现现，也也可可以以借借助助于于光光学学坐坐标标变变换换器器用用光光学学方方法法实实现现。当当然然最最为为简简单单而而实

34、实用用的的办办法法是是用用变变焦焦镜镜(ZOOM)，然然而而这这将将包包含含一一个个机机械械的的动动作作，而而且且不不能能算算作作是是并行处理器。并行处理器。第23页，本讲稿共43页4.8 联合变换相关器联合变换相关器 光学联合变换相关器光学联合变换相关器光学联合变换相关器光学联合变换相关器(JTC)(JTC)最早是由最早是由最早是由最早是由Weaver Weaver 和和和和GoodmanGoodman，以及，以及，以及，以及Rau Rau 提出来的提出来的提出来的提出来的.图图图图4.15 4.15 联合变换功率谱的记录联合变换功率谱的记录联合变换功率谱的记录联合变换功率谱的记录 S(u,

35、v)S(u,v)=-f(f(x+a,yx+a,y)+)+g(g(x-a,yx-a,y)*exp-i 2*exp-i 2 /f(xu+yv)f(xu+yv)dxdydxdyS(u,v)S(u,v)称为称为称为称为f(x,y)f(x,y)和和和和g(x,y)g(x,y)的联合傅里叶谱的联合傅里叶谱的联合傅里叶谱的联合傅里叶谱.第24页，本讲稿共43页 关于位移的变换法，关于位移的变换法，关于位移的变换法，关于位移的变换法，S(u,v)S(u,v)则改写为则改写为则改写为则改写为S(u,v)S(u,v)=exp i2=exp i2 au/au/F F(u,v)(u,v)+exp-i2+exp-i2

36、au/au/f f GG(u,v)(u,v)式中式中式中式中F F(u,v)(u,v)f(x,y),f(x,y),GG(u,v)(u,v)g(x,y)g(x,y)如如如如果果果果用用用用平平平平方方方方律律律律探探探探测测测测器器器器测测测测量量量量透透透透镜镜镜镜后后后后焦焦焦焦面面面面的的的的图图图图形形形形，得得得得到光强分布到光强分布到光强分布到光强分布|S(S(u,vu,v)|2 2 =|F(F(u,vu,v)|2 2 +exp i4exp i4 au/au/f f F(F(u,vu,v)G*(G*(u,vu,v)+exp-i4exp-i4 au/au/f f F*(F*(u,vu,

37、v)G(G(u,vu,v)+|G(G(u,vu,v)|2 2 它就是联合傅里叶变换的功率谱它就是联合傅里叶变换的功率谱它就是联合傅里叶变换的功率谱它就是联合傅里叶变换的功率谱.第25页，本讲稿共43页对对对对联联联联合合合合功功功功率率率率谱谱谱谱|S(S(u,vu,v)|2 2再再再再进进进进行行行行一一一一次次次次傅傅傅傅里里里里叶叶叶叶逆逆逆逆变变变变换换换换，得得得得到到到到 o(o(,)=o o1 1(,)+o o2 2(,)+o o3 3(,)+o o4 4(,)o o1 1(,)=f(x,y)=f(x,y)f(x,y)f(x,y)自相关；自相关；自相关；自相关；o o2 2(,)

38、=f(x,y)=f(x,y)g(x,y)g(x,y)，只是在，只是在，只是在，只是在 轴上平移轴上平移轴上平移轴上平移 2a 2a；o o3 3(,)=g(x,y)=g(x,y)f(x,y)f(x,y)，在，在，在，在 轴上平移轴上平移轴上平移轴上平移2a2a的距离；的距离；的距离；的距离；o o4 4(,)=g(x,y)=g(x,y)g(x,y)g(x,y)自相关自相关自相关自相关 o o1 1(,)与与与与o o4 4(,)重叠在输出平面中心附近，称重叠在输出平面中心附近，称重叠在输出平面中心附近，称重叠在输出平面中心附近，称之为之为之为之为0 0 级项，它们不是信号两个互相关项级项，它们

39、不是信号两个互相关项级项，它们不是信号两个互相关项级项，它们不是信号两个互相关项 o o2 2(,)和和和和 o o3 3(,)为一级项，正是我们寻求的相关输出信号，为一级项，正是我们寻求的相关输出信号，为一级项，正是我们寻求的相关输出信号，为一级项，正是我们寻求的相关输出信号，它们在输出平面上沿它们在输出平面上沿它们在输出平面上沿它们在输出平面上沿 轴分别平移轴分别平移轴分别平移轴分别平移 2a 2a 和和和和2a2a，因而与，因而与，因而与，因而与0 0 级项分离在级项分离在级项分离在级项分离在 f(x,y)f(x,y)和和和和g(x,y)g(x,y)相同的情况下，相同的情况下，相同的情况

40、下，相同的情况下，o o2 2 (,)和和和和 o o3 3(,)的函数形式相同的函数形式相同的函数形式相同的函数形式相同第26页，本讲稿共43页4.9 实时联合变换相关器实时联合变换相关器 联联联联合合合合变变变变换换换换谱谱谱谱的的的的记记记记录录录录和和和和逆逆逆逆变变变变换换换换两两两两个个个个过过过过程程程程之之之之间间间间，有有有有一一一一个个个个用用用用平平平平方方方方律律律律探探探探测测测测器器器器把把把把联联联联合合合合变变变变换换换换的的的的复复复复振振振振幅幅幅幅谱谱谱谱转转转转换换换换为为为为功功功功率率率率谱的中介过程。谱的中介过程。谱的中介过程。谱的中介过程。在在在

41、在早早早早期期期期的的的的实实实实验验验验中中中中，这这这这一一一一过过过过程程程程借借借借助助助助于于于于感感感感光光光光胶胶胶胶片片片片实实实实现现现现：首首首首先先先先用用用用感感感感光光光光胶胶胶胶片片片片记记记记录录录录一一一一对对对对目目目目标标标标图图图图形形形形f(x,y)f(x,y)和和和和参参参参考考考考图图图图形形形形器器器器g(x,y)g(x,y)的的的的联联联联合合合合变变变变换换换换谱谱谱谱，经经经经过过过过显显显显影影影影、定定定定影影影影处处处处理理理理后后后后，胶胶胶胶片片片片的的的的透透透透过过过过率率率率近近近近似似似似正正正正比比比比于于于于联联联联合合

42、合合变变变变换换换换的的的的功功功功率率率率谱谱谱谱|S(S(u,vu,v)|2 2 ，再再再再把把把把它它它它放放放放在在在在系系系系统统统统的的的的输输输输入入入入平平平平面面面面上上上上，用用用用透透透透镜镜镜镜进进进进行行行行逆逆逆逆变变变变换换换换，获获获获得得得得相相相相关关关关输输输输出出出出。如如如如果果果果要要要要对对对对多多多多个个个个目目目目标标标标图图图图形形形形f fn n(x,y)(x,y)(n=l,2,(n=l,2,N),N)进进进进行识别，上述过程必须重复多次，显然是十分费时费事的。行识别，上述过程必须重复多次，显然是十分费时费事的。行识别，上述过程必须重复多次

43、，显然是十分费时费事的。行识别，上述过程必须重复多次，显然是十分费时费事的。第27页，本讲稿共43页 然而，如果采用高分辨率光寻址的空间光调制器来然而，如果采用高分辨率光寻址的空间光调制器来然而，如果采用高分辨率光寻址的空间光调制器来然而，如果采用高分辨率光寻址的空间光调制器来代替胶片完成上述中介过程，联合变换相关器代替胶片完成上述中介过程，联合变换相关器代替胶片完成上述中介过程，联合变换相关器代替胶片完成上述中介过程，联合变换相关器JTCJTC的优越性就体现出来了的优越性就体现出来了的优越性就体现出来了的优越性就体现出来了19811981年年年年，PichonPichon和和和和Huigna

44、rdHuignard第一次用光折变晶体第一次用光折变晶体第一次用光折变晶体第一次用光折变晶体BSOBSO来实时记录联合变换的功率谱来实时记录联合变换的功率谱来实时记录联合变换的功率谱来实时记录联合变换的功率谱19851985年年年年，Loiseaux Loiseaux 等把等把等把等把BSOBSO放在傅里叶平面上，并在放在傅里叶平面上，并在放在傅里叶平面上，并在放在傅里叶平面上，并在输入平面上放置输入平面上放置输入平面上放置输入平面上放置BSOBSO液晶光阀液晶光阀液晶光阀液晶光阀LCLVLCLV尽管尽管尽管尽管BSOBSO晶体晶体晶体晶体的分辨率高达的分辨率高达的分辨率高达的分辨率高达100

45、0 lp/mm(1000 lp/mm(线对每毫米线对每毫米线对每毫米线对每毫米)，BSOBSOLCLVLCLV系统只能实现系统只能实现系统只能实现系统只能实现12 1p/mm12 1p/mm的分辨率，可用面积为的分辨率，可用面积为的分辨率，可用面积为的分辨率，可用面积为25mm25mm25mm25mm，相当于，相当于，相当于，相当于300300300300个像素这一方案实个像素这一方案实个像素这一方案实个像素这一方案实现了现了现了现了JTCJTC中的实时平方律转换中的实时平方律转换中的实时平方律转换中的实时平方律转换第28页，本讲稿共43页19841984年年年年，YuYu和和和和LuLu提出

46、用提出用提出用提出用LCLVLCLV作为平方律探测器，而作为平方律探测器，而作为平方律探测器，而作为平方律探测器，而在输入平面上采用计算机控制的磁光空间光调制器在输入平面上采用计算机控制的磁光空间光调制器在输入平面上采用计算机控制的磁光空间光调制器在输入平面上采用计算机控制的磁光空间光调制器(MOSLM)(MOSLM)的实时可编程的实时可编程的实时可编程的实时可编程JTCJTC方案，当时方案，当时方案，当时方案，当时MOSLMMOSLM的空间的空间的空间的空间带宽积或像素数和带宽积或像素数和带宽积或像素数和带宽积或像素数和LCLVLCLV的分辨率比胶片或的分辨率比胶片或的分辨率比胶片或的分辨率

47、比胶片或BSOBSO的分的分的分的分辨率低，所以在上述系统中都用长焦距变换透镜辨率低，所以在上述系统中都用长焦距变换透镜辨率低，所以在上述系统中都用长焦距变换透镜辨率低，所以在上述系统中都用长焦距变换透镜19871987年年年年，YuYu等等等等又又又又提提提提出出出出了了了了用用用用液液液液晶晶晶晶电电电电视视视视(LCTV)(LCTV)作作作作为为为为电电电电寻寻寻寻址址址址SLMSLM，并并并并用用用用CCDCCD记记记记录录录录联联联联合合合合变变变变换换换换功功功功率率率率谱谱谱谱探探探探测测测测到到到到的的的的图图图图形形形形再再再再通过通过通过通过LCTVLCTV显示出来，并由显

48、示出来，并由显示出来，并由显示出来，并由CCDCCD探测相关输出探测相关输出探测相关输出探测相关输出特特特特点点点点：(1)(1)不不不不采采采采用用用用长长长长焦焦焦焦距距距距变变变变换换换换透透透透镜镜镜镜，因因因因而而而而JTCJTC是是是是相相相相当当当当紧紧紧紧凑凑凑凑的的的的(2)(2)用用用用CCDCCD来来来来探探探探测测测测功功功功率率率率谱谱谱谱，从从从从而而而而在在在在第第第第二二二二次次次次傅傅傅傅里里里里叶变换前可以叶变换前可以叶变换前可以叶变换前可以用各种数字处理技术来提高系统的性能用各种数字处理技术来提高系统的性能用各种数字处理技术来提高系统的性能用各种数字处理技

49、术来提高系统的性能第29页，本讲稿共43页实时实时JTC 理论分析理论分析 设设设设f(x,y)f(x,y)=g(x,y)g(x,y)，则则则则联联联联合合合合变变变变换换换换谱谱谱谱可可可可认认认认为为为为是是是是f(x,y)f(x,y)和和和和g(x,y)g(x,y)上上上上对对对对应应应应的的的的无无无无数数数数点点点点对对对对形形形形成成成成的的的的杨杨杨杨氏氏氏氏条条条条纹纹纹纹的的的的相相相相干干干干叠叠叠叠加加加加杨杨杨杨氏氏氏氏条条条条纹纹纹纹的的的的衍衍衍衍射射射射图图图图包包包包含含含含两两两两个个个个亮亮亮亮斑斑斑斑(+1(+1级级级级和和和和-1-1级级级级衍衍衍衍射射

50、射射)及及及及0 0级级级级(直直直直流流流流)光斑这两个亮斑即相关峰光斑这两个亮斑即相关峰光斑这两个亮斑即相关峰光斑这两个亮斑即相关峰现在让我们来分析现在让我们来分析现在让我们来分析现在让我们来分析|S(S(u,vu,v)|2 2 当当当当f(x,y)f(x,y)=g(x,y)g(x,y)时，时，时，时，|S(S(u,vu,v)|2 2 =|F(F(u,vu,v)|2 2 +exp i4exp i4 au/au/f f F(F(u,vu,v)G*(G*(u,vu,v)+exp-i4exp-i4 au/au/f f F*(F*(u,vu,v)G(G(u,vu,v)+|G(G(u,vu,v)|2