Голографическое распознавание образов

ГОЛОГРАФИЧЕСКОЕ РАСПОЗНАВАНИЕ ОБРАЗОВ, 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 голографического распознавания образов 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.

Голографическое распознавание образов осуществляется в голографическом корреляторе Ван дер Люгта и корреляторе совместного преобразования. Оба коррелятора используют оптическую систему пространственной фильтрации изображений, в частотной плоскости которой установлен голографический 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 (смотри Фуръе-оптика). ФВК синтезируется в частотной плоскости коррелятора путём сравнения пространственно-частотных спектров распознаваемого образа и эталонного, записанного в виде голограммы.

Процесс распознавания состоит из двух этапов: на первом изготавливается голографический согласованный фильтр на распознаваемый образ (эталон), а на втором осуществляется собственно распознавание. При изготовлении фильтра (рис. 1) в передней фокальной плоскости линзы L₁ устанавливается транспарант с записью распознаваемого образа s(х,у), а в задней фокальной плоскости - голографическая фотопластинка, на которую направляется опорный пучок под углом θ к оптической оси. После экспонирования и фотохимической обработки полученный фильтр помещается в плоскость Р₂ (рис. 2) точно в то место, где находилась фотопластинка при его записи, а в плоскости Р₁ устанавливается транспарант с записью анализируемого изображения g(х, у) =s(х, у) + n(х, у), содержащего не только распознаваемый образ s(х, у), но и изображения других объектов n(х,у). Линза L₁ формирует в плоскости Р₂ пространственно-частотный спектр S(v_x,v_y) + N(v_x,v_y) анализируемого изображения, где S(v_x,v_y) - фурье-образ распознаваемого изображения, N(v_x,v_y) - фурье-образ других объектов, v_x, v_y - пространственные частоты по осям х  и у соответственно.

В результате дифракции пространственно-частотного спектра на голографически 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 L₂ формирует в плоскости Р₃ поле корреляций эталонного изображения объекта с изображениями других объектов в анализируемом изображении, а пучок - 1-го порядка образует в плоскости Р₃ 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 других объектов - функция взаимной корреляции в виде расфокусированных пятен большего размера и меньшей интенсивности. Рис. 3 иллюстрирует процесс распознавания конкретного китайского иероглифа среди других.

На практике вместо фототранспарантов и голографических пластинок используют управляемые транспаранты с оптической и электрической адресацией, а также фоторефрактивные кристаллы и фотополимеры.

Достоинство голографического распознавания образов - 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. Голографическое  распознавание образов используется при идентификации отпечатков пальцев, лиц, кредитных карт, иероглифов, деталей на конвейере при автоматической сборке, наземных ориентиров в системах навигации и тому подобное.

Лит.: Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику. М., 1970; Василенко Г. И. Голографическое опознавание образов. М., 1977; Применение методов фурье-оптики / Под редакцией Г. Старка. М., 1988.