FTIC-633 - система распознавания изображений с преобразованием Фурье

Оптическая система на основе совместного преобразования Фурье представляет собой современную платформу для обработки оптической информации, которая позволяет эффективно выделять и анализировать целевые данные из множества входных сигналов. Данная технология находит широкое применение в таких актуальных областях, как биометрическая идентификация (распознавание отпечатков пальцев), оптическое распознавание символов, автоматическое детектирование объектов и анализ биологических клеток.

В основе системы лежит гибридная электронно-оптическая архитектура, сочетающая принципы интерферометрии Маха-Цендера с современными компонентами: пространственным световым модулятором (ПСМ) для динамического управления волновым фронтом, высокочувствительными CMOS-камерами и стандартными оптическими элементами. Особенностью данной реализации является возможность реального времени сравнивать простые графические образцы, такие как символы или паттерны, с формированием двух ключевых типов данных - совместного спектра мощности и корреляционных пиков.

Рис. 1 – Схема оптической системы экспериментальной установки распознавания изображений на основе преобразования Фурье

Принцип работы системы основан на анализе пространственного распределения интенсивности в выходной плоскости. Когда два сравниваемых изображения обладают высокой степенью схожести, в корреляционной плоскости формируются четко выраженные яркие пики, смещенные относительно центра. Для различных изображений эти пики либо значительно слабее, либо полностью отсутствуют. Данный эффект объясняется особенностями интерференции когерентного излучения при пространственной фильтрации.

Экспериментальная установка, использует в качестве тестовых объектов прозрачные пленки с нанесенными символами. Важным практическим аспектом является необходимость точной юстировки оптических элементов: расстояния от объектов до линз Фурье должны строго соответствовать фокусным расстояниям, а плоскости ПСМ и детекторов требуют тщательного выравнивания. Эти условия критически важны для получения достоверных корреляционных картин.

Современные применения данной технологии выходят за рамки лабораторных экспериментов. В промышленности подобные системы используются для контроля качества продукции, в биомедицине – для автоматического анализа клеточных структур, в системах безопасности – для идентификации уникальных графических меток. Перспективным направлением развития является интеграция таких оптических процессоров с нейронными сетями для создания гибридных систем распознавания образов.

Этапы экспериментального наблюдения

2. Формирование спектра Фурье.

Установленная линза преобразовываеет изображения в частотную область. На матрице CMOS1 (рисунок 3) регистрировался совместный спектр Фурье:

3. Анализ спектра мощности.

Полученный спектр преобразовывается в спектр мощности и выводился на пространственный световой модулятор. Критически важным этапом было точное совмещение светового пятна с изображением на ПСМ.

4. Корреляционный анализ.

После обратного преобразования Фурье на CMOS2 (рисунок 4) фиксируются характерные признаки:

• Яркие симметричные корреляционные пики для идентичных изображений (слева).
• Слабые или отсутствующие пики для различных изображений (справа).

Рис. 4 –  Выходные изображения, наблюдаемые с помощью CMOS2

При сборке и верификации системы распознавания изображений необходимо строго соблюдать следующие технические требования:

1. Юстировка оптических путей.

Расстояние от каждого тестового объекта до линзы Фурье должно быть идентичным для обоих каналов и в точности равным фокусному расстоянию линзы.

2. Позиционирование детекторов.

CMOS-камеры должны располагаться в задней фокальной плоскости линз Фурье и с перпендикулярностью матрицы к оптической оси.

3. Настройка пространственного модулятора.

ЖК-слой ПСМ требует совмещения с фокальной плоскостью последующей линзы, точной угловой ориентации.

4. Оптимизация регистрации спектра.

Для CMOS1 необходимо регулировать интенсивность лазера через ND-фильтры, подбирать экспозицию камеры, контролировать контраст интерференционных полос.

Источники:

1. Ван Янь, Юань Сучжэнь, Ло Юань // Экспериментальное руководство по оптоэлектронной информации. Пекин: Издательство "Наука", 2020. С. 108–110.

2. Wang R.L. // Комбинация преобразования Фурье и вейвлет-преобразования для распознавания отпечатков пальцев. Wavelet Application, 1994, № 2242. С. 260–270.

3. Alqallaf A.K. // Секвенирование ДНК с использованием оптического совместного преобразования Фурье. Optik, 2016, № 127. С. 1929–1936.