匹配滤波器及其在光学图像识别中的应用.pptx

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1、匹配滤波器及其在光学图像识别中的应用匹配滤波器及其在光学图像识别中的应用空间滤波空间滤波傅里叶频谱面上放置适当的滤波器改变光波的频谱结构使像按照要求得到预期改善阿贝提出的二次成像理论及其相应的实验，是空间滤波与光学信息处理的先导。第1页/共43页阿贝理论阿贝理论在相干光照明下，透镜的成像过程可以分为两步：阿贝成像理论几何光学的传统成像理论该成像过程也称为阿贝二次衍射成像（Double Diffraction Imaging）。第一步：物光波经透镜后，在其后焦面上产生夫琅和费衍射，形成频谱，该频谱称为第一次衍射像第二步：这些频谱成为新的次波源，由它们发出的次波在像平面上干涉而形成物的像，该像称为

2、第二次衍射像第2页/共43页阿贝二次成像理论示意图由频谱面到像面，实际完成了一次夫琅和费衍射，相当于又经过了一次傅里叶变换。X代表物平面，用相干光照明x面代表代表物的频谱面x面代表像面第3页/共43页阿贝波特实验相干平面波垂直照明一正交的细丝网格在透镜L的后焦面上呈现出网格的频谱这些频谱分量综合，在像平面得到网格像第4页/共43页用适当滤波器放在频谱面上，就能以各种方式改变物的频谱成分，得到期望的像。第5页/共43页实验效果第6页/共43页空间频谱分析空间频谱分析系统系统物光场中包含有结构信息，这种结构信息结构信息就由其空间频谱的分布空间频谱的分布来决定，故通过对物图像的频谱分析，就可知道其结

3、构特征。最简单的空间频谱分析系统如图所示：第7页/共43页物体置于透镜L的前焦面上相干平行光在透镜的后焦面上得到准确的傅里叶频谱垂直照明点光源在点源像平面获得物图像频谱，频谱中心(零频位置)在点源像点处照明第8页/共43页P P1 1面代表物平面，令其光场分布为f(x1,y1)，P P2 2平面代表物图像f(x1,y1)的频谱面，其频谱和功率谱分别为：式中，fx，fy代表物结构信息的空间频率值，它与P2平面上的空间坐标具有下列关系：第9页/共43页在在P P2 2平面上的功率谱分布具有如下特性：平面上的功率谱分布具有如下特性：1.1.频率特性频率特性频率特性频率特性：中心的空间频率为零，由中心

4、点向：中心的空间频率为零，由中心点向外空外空间频谱值越来越高间频谱值越来越高。2.2.方向方向方向方向特性特性特性特性：若物图像中存在线状构造，则其功率谱是沿着与此线状：若物图像中存在线状构造，则其功率谱是沿着与此线状结结 构正交的直线构正交的直线方向方向 分布分布第10页/共43页4f4f系统系统空间频率滤波系统有多种光路结构，最典型的一种相干光学信息处理系统光路图如图所示:输入平面(物面)输出平面(像面)频谱平面(滤波面)第11页/共43页第12页/共43页第13页/共43页第14页/共43页小结小结从频域来看从频域来看从频域来看从频域来看从空域来看从空域来看从空域来看从空域来看改变滤波器

5、的透过率函数(滤波函数)，该系统就能改变物图像的空间频谱结构，这就是空间滤波的含义系统实现了输入信息与滤波器脉冲响应的卷积或相关，完成了所期望的一种变换第15页/共43页图像图像识别识别第16页/共43页傅里叶变换逆傅里叶变换第17页/共43页光学匹配滤波器光学匹配滤波器原理原理第18页/共43页光学全息方法第19页/共43页第20页/共43页识别过程应用4f系统第21页/共43页识别过程应用4f系统第22页/共43页总结匹配滤波器的相关输出沿光轴方向生成物体f(x,y)的几何像图像f(x,y)和g(x,y)卷积像中心位于(b,0)图像f(x,y)和g(x,y)的相关像与卷积像对称，中心位于(

6、-b,0)二者相同则产生明显的相关亮斑对相关识别不起作用第23页/共43页一种实时光学匹配滤波相关器的光学实现当MSF准确复位后，挡去参考光RB，在输入平面上放置信号f(x,y)，由于相关信号（即由物光重建的参考光）是准确的沿原来的参考光RB的方向传播的，所以我们把另一个傅里叶变换透镜L4放在RB中，与RB的光轴垂直，最后用探测阵列AD（如CCD）来探测相关峰。显微物镜准直透镜F透镜F透镜针孔分光镜反光镜匹配滤波器物光参考光第24页/共43页一种实时光学匹配滤波相关器的光学实现实现过程：激光束首先是由显微物镜L1聚焦，通过针孔滤波后，再由准直镜L2形成平行光束照射输入平面,由于针孔滤波,光束的

7、截面强度是均匀的,平行光由分光镜BS分成物光OB及参考光RB。当在输入平面上放置参考信号g(x,y)时,我们可以用全息材料记录匹配滤波MSF,输入平面和MSF平而分别是L3的前、后焦面。处理后的全息图重新放在MSF处。第25页/共43页计算全息方法相关峰的位置与输入平面上物函数 g(x,y)的位置对应，相关峰值大小反映输入图像与参考模板的相似程度。第26页/共43页第27页/共43页计算机模拟过程将目标图像做傅里叶变换后得到频谱信息，再对其求复共轭，得到匹配滤波器G*。将待识别图像做傅里叶变换得到F。将F与G*相乘，得到滤波后的傅里叶频谱T。对T进行傅里叶逆变换，得到相关信息。第28页/共43

8、页仿真1 目标待识别第29页/共43页仿真1 第30页/共43页仿真1 第31页/共43页仿真1 第32页/共43页仿真1 第33页/共43页仿真2 目标待识别第34页/共43页仿真2 第35页/共43页仿真2 第36页/共43页仿真2 此处都有亮斑是因为没有设置阈值的缘故。而上一个仿真中只显示出小亮点正是因为设置了阈值。在上述仿真中，进行傅里叶变换之后需要把零频分量移到中心，但进行这个移频之后，最终得到的亮斑结果就会发生一点偏移。暂时还没有想到方法解决。第37页/共43页仿真2 第38页/共43页不足不足旋转敏感缩放敏感处理办法处理办法圆谐变换梅林变换结果结果旋转不变尺度不变第39页/共43

9、页总结范德拉格特匹配滤波相关器类型，简称范德拉格特相关器（Vander Lugt Correlator，记作VLC）特点特点是在进行目标识别时，都需要先制作待识别目标的复数匹配滤波器，缺点：操作很不方便，进行实时识别时很不容易，而且自适应能力较差。优点：实现对输入图像的比例不变和旋转不变识别，已实现了小型化，外观尺寸已经做到31cm23cm15cm。第40页/共43页参考文献11王仕璠王仕璠.信息光学理论与应用信息光学理论与应用M.M.北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社.2003.2003.2Joseph W.Goodman2Joseph W.Goodman，秦秦克诚译克诚译.傅里叶光学导论

10、傅里叶光学导论M.M.电子工业出版电子工业出版 社社.2011.2011.33钟黔川钟黔川.光学匹配滤波器在图像识别上的研究光学匹配滤波器在图像识别上的研究D.D.电子科技大学电子科技大学.2001.2001.44吴伟吴伟.光学相关模式识别中匹配滤波器的设计研究光学相关模式识别中匹配滤波器的设计研究D.D.国防科学技术大国防科学技术大 学学.2008.2008.55林睿，常鸿森，李榕林睿，常鸿森，李榕.光学图像识别相关器的光学图像识别相关器的MATLABMATLAB仿真仿真N.N.华南师华南师 范大学学报范大学学报.2004.2004.第41页/共43页Thanks!Thanks!第42页/共43页