Разработка и исследование оптико-электронных корреляционных систем с использованием элементов нейронных сетей для распознавания изображений

Задача распознавания малоразмерных изображений — порядка 16×16 — 32×32 элемента является актуальной при решении проблем опознавания и координатной привязки удаленных целей, обработки аэрофотоснимков и т. п. К настоящему времени в общем виде она не решена, хотя в конкретных прикладных задачах может быть использован ряд известных параметрических и непараметрических алгоритмов [1,2]. Ввиду необходимости обработки больших массивов данных в реальном времени эти задачи не всегда могут быть решены с использованием электронных средств, и в данном случае может быть более эффективным применение параллельных [3,4] или параллельно-последовательных [5] оптических методов, реализуемых средствами когерентной или некогерентной оптики. Некогерентные оптические системы [6,7] характеризуются большей помехоустойчивостью, однако обладают более низкой пропускной способностью и имеют возможность решать узкий класс задач, поскольку ограничены оперированием только с действительными неотрицательными функциями. Когерентная оптика обеспечивает возможность обработки комплексных функций с высокой производительностью, однако при этом возникает проблема когерентных шумов. Кроме того в обоих случаях предъявляются довольно высокие требования к качеству и точности юстировки оптических элементов. Особый интерес представляют оптические системы, работающие в частично когерентном свете, поскольку сочетают высокую пропускную способность с низким требованием к точности юстировки оптических элементов.

С точки зрения компромисса между достоверностью распознавания, временем обработки и другими характеристиками, значительное внимание в исследовательских работах уделяется высокопроизводительным процессорам на основе аналоговых оптических корреляторов. Разработано большое количество оптических корреляторов, использующих как когерентные [8,9] или некогерентные [10,11], так и частично когерентные [12,13] источники света.

Однако при уменьшении размерности изображений распознаваемых объектов до указанных выше значений корреляционные методы, основанные на использовании только величины пиков автои кросскорреляционных функций, становятся недостаточно эффективны с точки зрения достоверности. Повышение эффективности распознавания может быть обеспечено за счет проведения дополнительной цифровой обработки корреляционных функций [14,15].

Поэтому актуальным является разработка и исследование оптико-электронных корреляционных систем распознавания малоразмерных изображений с повышенными дискриминантными свойствами и инвариантностью к различным искажениям входной информации за счет дополнительного применения структурного анализа и использования принципов нейронных сетей.

Для реализации указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка и исследование оптико-электронных методов распознавания изображений, с обработкой корреляционных функций на основе применения структурного анализа и использования элементов нейронных сетей.

2. Исследование базовых оптических элементов для реализации разработанных методов — голографических корреляционных систем, использующих квазимонохроматические источники света с различной степенью монохроматичности.

3. Исследование эффективности устройств оперативного ввода распознаваемых и эталонных изображений в ОЭС, работающие в частично когерентном свете.

4. Разработка и создание оптико-электронных систем распознавания изображений, включая предварительную обработку, для решения конкретных прикладных задач.

Работа состоит из трех глав, введения, заключения и списка литературы.

В первой главе предложены два новых метода распознавания изображений и приведены результаты численного моделирования их работы.

Первый метод предназначен для распознавания изображений, поступающих в виде последовательности строк. Предлагается проводить обработку в два этапа. На первом этапе оптическими средствами вычисляется функция корреляции каждой строки входного изображения с двумерным массивом, содержащим эталоны, а на втором этапе проводится дополнительная обработка полученных плоскостей признаков локальными и пороговыми операторами. Показано, что в результате применения обработки плоскостей признаков произошло увеличение отношения автои кросскорреляционных отсчетов в 1,5 — 1,7 раз.

Второй метод ориентирован на распознавание изображений, вводимых в виде двумерных массивов. Предлагаемый метод основан на совместном преобразовании корреляционной функции и результата ее обработки локальными операторами в итерационном процессе с использованием элементов нейронных сетей.

Сначала проводится обучение системы по некоторой представительной выборке распознаваемых изображений. При распознавании в первом слое проводится вычисление функции корреляции с набором эталонов параллельными оптическими средствами. После этого во втором слое осуществляется обработка корреляционной функции локальными операторами и совместная поточечная обработка двух полученных функций. С выхода на вход второго слоя введена обратная связь. Данный метод использует такие элементы нейронных сетей, как обучение системы, наличие обратной связи, глобальных связей в первом слое и локальных во втором.

Определенный в процессе обучения набор коэффициентов использовался при распознавании изображений, полученных в условиях различной освещенности и при изменении ракурсов. Показано, что предложенный метод распознавания изображений обеспечивает повышение дискриминанты ых свойств корреляционных систем и вместе с тем инвариантность к условиям освещения распознаваемых объектов и в значительной степени к ракурсным преобразованиям. Получена инвариантность к ракурсным преобразованиям для изображений объектов размерности ~20×20 элементов в пределах ±24° для угла места 6°, тогда как для аналогичных изображений по результатам корреляционной обработки эта величина не превышала ±10°.

При вводе изображений в виде последовательности строк данный метод может использоваться совместно с предыдущим для дальнейшего увеличения его дискрнминантных свойств.

Во второй главе представлены результаты исследования топографических корреляторов, использующих квазимонохроматическое излучение.

Показано, что в голографических корреляторах с квазимонохроматическим излучением существует возможность оперативного изменения до трех раз взаимных масштабов изображений за счет смещения обрабатываемого изображения и голографического фильтра соответственно из передней и задней фокальных плоскостей объектива Фурье. Точность согласования масштабов составила 1 -ь 1,5%.

Получено аналитическое выражение для числа элементов разрешения в выходной плоскости голографических корреляционных систем, использующих квазимонохроматические источники излучения. Показано, что пропускная способность имеет максимум как функция частоты голографического фильтра и обладает обратноквадратичной зависимостью от ширины линии излучения.

В третьей главе приведены результаты исследований фототермопластических регистрирующих сред для оперативной смены голографических фильтров, представлен разработанный метод и оптико-электронная система для оперативной интерактивной предварительной обработки изображений и рассмотрены экспериментальные образцы высокопроизводительных оптико-электронных корреляционных систем для опознавания и координатной привязки малоразмерных целей.

Проведены исследования различных режимов регистрации голографических фильтров на фототермопластических средах, определен режим, обеспечивающий максимальную дифракционную эффективность. Показано, что передаточные характеристики фототермопластических сред зависят от температуры их проявления и могут быть оптимизированы под конкретные требования решаемой задачи, что позволяет значительно более эффективно использовать информационную емкость материала. Отношение сигнал/шум при регистрации голографических фильтров составляло приблизительно 100. Предложен способ регистрации информации на термопластических средах с пьезоэлектрическим проявлением, при котором более чем на два порядка увеличивается число циклов перезаписи информации.

Показано, что при вводе изображений с фотоснимков через телевизионный канал появляется возможность совмещения операций ввода и предобработки. Для этого предложено заменить систему проецирования фотоснимка оптическим коррелятором с управляемой от ЭВМ светодиодной матрицей. Такая система может использоваться как составная часть ОЭС, а также иметь самостоятельное значение при работе в интерактивном режиме. Созданный экспериментальный образец такой системы состоял из трех подсистем: оптический коррелятор, блок управления коррелятором, видеопроцессор. При экспериментальных исследованиях системы осуществлялась обработка тестовых изображений и реальных изображений местности с помощью линейных и нелинейных операторов.

На основе проведенных исследований были созданы экспериментальные образцы оптико-электронных корреляционных систем, состоящие из голограф и ч еского коррелятора с квазимонохроматической ЭЛТ и сопряженного с ним по входу и выходу управляемого от ЭВМ универсального видеопроцессора. При реализации процесса распознавания в качестве РИ использовались изображения реальных объектов, снятых с углом места 6° и произвольной ориентацией. Согласование масштабов РИ и ЭИ обеспечивалось за счет перемещения голографических фильтров вдоль оптической оси. Размерность входного поля составила 222×600 элементов, размерность поля эталонов — 32*600 элементов, эквивалентная.

10 производительность — ~10 операций/сек. Созданные образцы обеспечили опознавание и координатную привязку малоразмерных (-20×20 элементов) объектов с инвариантностью к ракурсным преобразованиям при изменении угла наблюдения в диапазоне ±7,5 + ±15° в зависимости от ориентации объекта. Достигнутая точность определения координат изображений составила один элемент разрешения ТВ-камеры в направлении, параллельном голографи ческой решетке, и три элемента по перпендикулярной ей координате.

На защиту выносятся следующие положения:

Сочетание корреляционного и структурного анализов повышает дискриминантные свойства и устойчивость к шумам распознаваемых изображений, а обработка корреляционных функций с использованием элементов нейронных сетей дополнительно обеспечивает инвариантность к условиям освещения распознаваемых объектов и в значительной степени к ракурсным преобразованиям.

— в голографических системах с квазимонохроматическими источниками излучения существует возможность оперативного изменения взаимных масштабов коррелируемых изображений, а пропускная способность таких систем имеет максимум как функция частоты голографического фильтра и обладает обратноквадратичной зависимостью от ширины линии излучения;

— пьезоэлектрический способ проявления скрытого изображения обеспечивает увеличение числа циклов перезаписи до 104, при этом время записи определяется временем реакции пьезоэлектрического кристалла;

— созданные на основе проведенных исследований экспериментальные образцы оптико-электронных систем при обработке корреляционных функций предложенными методами обеспечивают решение задачи опознавания и координатной привязки малоразмерных объектов с инвариантностью к условиям освещения объектов и в значительной степени к ракурсным преобразованиям.

3.4. Выводы.

В данной главе рассмотрен принцип действия системы, состоящей из светодиодного коррелятора и цифрового видеопроцессора, экспериментально продемонстрированы возможности одновременного оперативного ввода и оконтуривания на примере тестовых изображений и реальных изображений местности. Время обработки не зависит от размера импульсного отклика и определяется временем смены ТВ-кадра. Поэтому выигрыш по производительности в такой гибридной системе возрастает с увеличением размера ядра, который может достигать 20×20 элементов для размера обрабатываемого изображения 512×512 элементов. Это позволяет не только выполнять предобработку малоразмерными оконтуривающими операторами, но и проводить текстурный анализ или устранение искажений типа смаза, дефокусировки и т. п. методами десвертки. По сравнению же с оптическими процессорами, предназначенными для оконтуривания изображений, в рассмотренной системе нет выигрыша по производительности, однако она допускает быструю перестройку параметров оператора и дает возможность замены различных операторов предобработки в диалоговом режиме, т. е. сочетает преимущества цифровой электронной (универсальность) и оптической (производительность) обработок.

Исследованы различные режимы регистрации информации на фототермопластических носителях для оперативного ввода коррелируемых изображений, определены оптимальные с точки зрения информационной емкости и дифракционной эффективности параметры (временная диаграмма зарядки, экспонирования и проявления, напряжение коронатора, экспозиция и температура проявления). Разработано и создано устройство для регистрации голографических фильтров на фототермопластических носителях. Предложен способ пьезоэлектрического проявления скрытого изображения, обеспечивающий формирование геометрического рельефа на пластическом носителе без его термической обработки.

Представлены результаты распознавания изображений реальных объектов в ОЭС с вводом изображений посредством ЭЛТ и предварительной обработкой РИ в видеопроцессоре. Проведена экспериментальная оценка эффективности обработки РИ различными операторами с последующим контрастированием. В созданном образце ГКИ использовались многоканальные голографические фильтры с оперативной регистрацией на фототермоплатических носителях. Экспериментально подтверждена возможность использования таких корреляторов для распознавания малоразмерных объектов произвольных ракурсов по их изображениям. Реализовано распознавание изображений объектов, отличающихся ракурсами, при оперативном выделении контуров в процессе ввода изображений с использованием ПВМС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработан параллельно-последовательный метод вычисления меры близости для распознавания изображений, сочетающий элементы корреляционного и структурного анализа, требующий меньших вычислительных затрат по сравнению со структурным анализом и допускающий конвейерную организацию вычислительного процесса. Путем моделирования на изображениях реальных объектов, в том числе и зашумленных, показано, что по сравнению с методом, основанным на вычислении двумерной корреляционной функции, предложенный обладает большей гибкостью, повышенными дискриминантными свойствами и предъявляет более низкие требования к динамическому диапазону вычислительных устройств.

3. Исследованы различные режимы регистрации информации на фототермопластических (ФИТ) носителях для оперативного ввода коррелируемых изображений. Показано, что информационная емкость ФИТ может быть повышена за счет сглаживания АЧХ путем понижения температуры проявления записи.

4. Разработан метод интерактивной предварительной обработки изображений и оптико-электронная система (ОЭС) для его реализации на основе применения матрицы светодиодных излучателей с широкой спектральной полосой. Экспериментально определена эффективность традиционных и оригинальных локальных операторов высокочастотной фильтрации изображений.

5. Впервые теоретически и экспериментально показана возможность оперативного изменения в широких пределах масштабов коррелируемых изображений в топографических системах с пространственно некогерентными источниками излучения.

6. Теоретически и экспериментально исследовано влияние параметров оптической системы с квазимонохроматической ЭЛТ на пропускную способность топографического коррелятора. Показано, что число элементов разрешения в выходной плоскости коррелятора как функция частоты голографического фильтра имеет максимум, положение и величина которого определяются в основном шириной полосы излучения ЭЛТ.

6. На базе проведенных исследований созданы экспериментальные образцы оптико-электронных корреляционных систем, обеспечившие опознавание и координатную привязку малоразмерных (~20*20 элементов) объектов. Размерность входного поля составила 222×600 элементов, размерность поля эталонов — 32×200 элементов, эквивалентная 9 производительность ~2,5хЮ операций/сек.

7. Предложен параллельный оптико-электронный метод распознавания изображений на основе обработки корреляционных функций с использованием элементов нейронных сетей, обеспечивающий повышение дискриминантных свойств корреляционных систем и вместе с тем инвариантность к условиям освещения распознаваемых объектов и, в значительной степени, к ракурсным преобразованиям.