光学相关识别（共3篇）
光学相关识别 篇1
不论光学、红外还是雷达成像,最终都将形成灰度分布具有目标特征的灰度图像.在利用计算机处理庞大的图片信息时,如何提高目标识别的精准性和快速性是图像识别的主要研究方向之一.设计了光学相关目标识别的计算机流程图(图1),利用已知目标的图像特征通过光学相关原理来匹配识别目标,并通过对等相关峰综合鉴别函数的改进提高了其畸变不变性.
1 基于综合鉴别函数的相关识别
1.1 光学相关的描述
2个二维空域函数的互相关定义为
其中,“⨂”符号表示相关运算;“*”符号表示卷积运算;f*(x,y)表示f(x,y)的共轭函数;g*(x,y)表示g(x,y)的共轭函数.
根据傅里叶变换的卷积定理可得
f(x,y)*g*(x,y)⇔F(u,v)·G*(u,v)
f(x,y)⨂g(x,y)⇔F(u,v)·G*(u,v) (2)
其中,F(u,v)是f(x,y)的傅里叶变换;G* (u,v)是g(x,y)傅里叶变换的共轭函数.
如果输入的二维函数是实函数,则相关函数是2个函数重叠程度的描述,当重叠面积达到最大时,相关有一个极大值.由于只有相同的函数才能完全重合,故自相关比互相关的相关程度高得多.只要计算出2个函数的相关程度,就可以判别2个函数的相似性.这一过程把复杂的二维图形比较化简为一个点的比较,由此可见相关器可用于图形识别.
1.2 综合鉴别函数
所谓综合鉴别函数(SDF)[1,2,3,3]是指从一组统计上能够很好代表某目标的各种畸变形态(不同比例、不同旋转角度等)的训练集出发,将其进行线性组合综合成的一个空间滤波器,只要待识别目标图像在训练集中,那么滤波器与其相关计算输出的相关峰值就不随畸变形态而改变.
设训练集样本由N个畸变形态组成{g1(x,y),g2(x,y),…,gn(x,y)},n=1,2,…,N,综合空间滤波器是他们的线性组合
g(x,y)=a1·g1(x,y)+a2·g2(x,y)+…+an·gn(x,y) (3)
选择系数组使其与样本集间的任意畸变形态相关峰值为一常数ci
其中,rij=(gi(x,y)⨂gj(x,y))|原点
转换成矩阵形式为:
1.3 综合鉴别函数改进
等相关峰综合鉴别函数只考虑训练样本与其相关时在原点位置输出的峰值相同,因此在对同一目标不同畸变形态识别时虽然各相关峰峰值输出相同,但是相关峰较宽、波动较大,各个相关峰整体形状不相似,这使识别过程难度加大.利用最小平均相关能量鉴别函数(MACESDF)[4]可以一定程度上解决相关峰波动较大的问题,它是限制相关面上的原点输出值的同时最小化相关平面上除去原点以外的其他各点的相关程度来突出相关峰,但是它是以降低平均峰值为代价的[5].用综合鉴别函数改进的逆滤波算法[6],可以使相关峰尖锐,但峰值改变较大,非相关峰变得杂乱.
为了保持相关峰峰值的同时,相关峰形状也能一定程度的相似,将综合鉴别函数引进训练样本{g1(x,y)-mg, g2(x,y)-mg,…, gn(x,y)-mg},利用等相关峰的方法再次确定系数,这样改变了训练样本的叠加系数,把训练样本整体参数引入并用m调节其权重,可以使相关输出趋向于理想相关输出,一定程度的提高了其目标类间识别的性能.
选择适当的m值求得匹配效果最佳的模板,当m=0时,为等相关峰综合鉴别函数.
2 计算机实验结果
计算综合鉴别函数实现的过程:将一幅坦克模型图像读入计算机,经过前期处理(滤掉噪声和不必要的信息)并进行方向和大小的畸变得到8幅图作为样本gi;计算傅里叶互相关功率谱Gi·G*j并进行傅里叶逆变换求得相关值gi⨂gj(显示相关峰时注意用函数fftshift将峰值中心化);将其归一化(相关峰值为c=1)求得rij=pij,P为相关峰值(由于图像的相关峰在两模板重合时最大,所以要注意峰值出现的位置在原点);计算R的逆矩阵R-1,求得
图2为8个训练样本集(1～8);图3 a为综合鉴别函数模板,其中求得的综合鉴别函数系数ai为:{0.544 2,0.887 7,0.537 1,0.733 6,0.371 7,0.428 7,1.003,1.065 9};图3b与图3c分别为样本4、样本6与综合鉴别函数模板的相关结果,可见二者的相关峰值相同,即相关峰峰值不随形状的改变而改变,说明了综合鉴别函数能识别旋转变化和比例变化的图像.
图4a是一幅灰度图像,在背景不同位置散落着多个目标,除了存在畸变(方向不同、视角不同)的目标(坦克),还有不同种类的目标(直升机);图4d是综合鉴别函数模板(样本集是8个旋转45°的坦克子图);图4b为相关峰亮度图,明显有7个亮斑与坦克位置相对应,直升机的位置也有亮斑出现;图4d为三维相关峰图像,可以看出7个接近1的峰值(峰值低于1是由于图像噪声等图像质量问题产生的),黑色矩形框内为直升机的峰值,它明显低于坦克峰值.图4e是改进后的综合鉴别函数相关结果(m=0.7),与图4c比较可以看出坦克位置的相关峰不只可以保持峰值的突出,而且形状相似程度也有所提高.由此可见,光学相关结合综合鉴别函数可以实现类间识别,具有位移和畸变不变性,并且便于统计.
3 结 束 语
实验结果表明,利用综合鉴别函数的相关识别具有畸变不变的性质能够较好地完成训练样本的畸变识别,在类间识别中利用改进的综合鉴别函数,可以使同类目标相关峰相似,提高了其识别能力.
参考文献
[1]Casasent D.Correlation synthetic discriminant function[J].Applied Optics,1986,25(14):2343-2350.
[2]Kumar B V.Tutorial survey of composite filter designs foroptical correlators[J].Applied Optics,1992,31(23):4773-4800.
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[3]Abhijit Mahalanobis,B Vijaya Kumar,David Casasent.Minimum average correlation energy filters[J].AppliedOptics,1987,26(17):3633-3640.
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[5]李英华.两种解决光学相关识别中畸变不变问题的综合鉴别函数性能比较分析[J].激光杂志,2007,28(6):63.
[6]赵昱,申铉国.用于旋转不变模式识别的一种逆滤波算法研究[J].吉林大学学报,2003(3):9-12.
光学相关识别 篇2
人类辅助光学识别/通告威胁规避 (HORNET) 系统采用一个装有脑电图电极的定制头盔, 记录士兵的连续脑电波活动.士兵对存在或不存在潜在威胁的自然反应将引导系统的算法, 完成威胁探测任务.
诺斯罗普·格鲁曼公司的HORNET系统汲取了实时将人类大脑活动与自动智能神经处理综合的最新成果, 提供超常的目标探测能力.它能够保持持久监视, 挫败敌方企图通过躲避移动-停止-移动战术进行的偷袭, 为士兵提供20 min的先敌优势.HORNET支持各种军事和国土防御应用, 包括部队防御、临时爆炸装置探测、边境监视和辅助目标识别等.
目前, 诺斯罗普·格鲁曼公司收到了价值670万美元的合同研制这种通过人脑反应为士兵对来袭威胁提供探测、分析和告警的昼夜全景光学系统, 该合同由五角大楼防御先进计划研究局 (DARPA) 授予, 用于其感知技术威胁告警计划 (CT2WS) , 该计划的目的是研制一种智能神经光学系统, 使士兵能够进行宽视场和远距离威胁探测.
光学相关识别 篇3
1.1 光度计量的基本原理
常规光度计量的基本原理主要包括:加法原理、塔尔博特定律、距离平方反比定律、照度的余弦法则和朗伯定律五大组成部分。其中距离平方反比定律在计量工作中应用最广。
距离平方反比定律:点光源在垂直光线的方向上, 光照度E与光源至被测点的距离L有E=I/L2, I为光强, 即垂直于光线传播方向的被照平面的照度与从光源到表面的距离平方成反比, 此定律在航空工业光照度计量检定中的作用非常重要。
1.2 光度计量的相关量值与单位
航空工业光度计量常用的物理量, 因其专业特点, 主要有以下几种。
(1) 光通量:以标准光度观察者的视觉特性评价的辐射通量, 用符号φv表示。单位是流明。单位符号:lm。
(2) 发光强度:在给定的立体角元内。由点光源发出的光通量除以该立体角元。
符号:IV;单位坎德拉;单位符号:cd。
(3) 光照度:照射到表面一点处的面元上的光通量除以该面元的面积。
单位:勒克斯;单位符号lx;1lx=1lm/m2。
1.3 光学计量的应用
在质量保证体系中, 光学计量主要应用于对无损检测相关工艺的计量要求和计量控制。其计量结果直接影响相关无损检测工艺的准确性、可行性。光学计量在航空工业无损检测中应用主要有以下两点。
(1) 光渗透检查中的光学计量应用。
光学计量直接应用于航空工业荧光渗透检查, 为确保荧光渗透检查的质量, 对荧光渗透检查的设备、材料应按要求进行定期的计量检定、校验或控制。
(2) 光磁粉检查中光学计量的应用。
磁粉检查主要应用于对可被外加磁场磁化的铁磁性零部件的无损检测。在航空工业中主要应用于对航空工业专用铁磁性零部件的质量控制。光学计量直接应用在其工艺控制之中。
2 光照度计的检定方法及量值传递
2.1 常用光照度计的种类和工作原理
测量照度的仪器有目视照度计和光电照度计。目视照度计的使用较悠久, 但由于测量不方便、精度不高, 已很少被采用。常用的光电照度计主要分两种: (1) 硒光电池光电照度计; (2) 硅光电池光电照度计。
目前国防航空工业计量常用的数字式光电照度计是最近几年才开始流行的, 因其具有测量范围广 (约10-4~105勒克斯) , 性能稳定其测量精度多达±1%, 受到了广大用户欢迎。目前常用数字式照度计主要有北京师范大学生产的光照度计ST-80C及北京师范大学早期产品ST-80A、ST-80B等。
2.2 光照度计的检定
光照度计在正常使用一段时间后, 光电池的灵敏度会发生变化, 光照度计内部的微安表或数字式仪表也会因时间等因素发生相应的改变, 加上其他一些因素都会影响照度计量值的可靠性。因此, 需要定期的重新检定。经常使用的照度计一年内应检定1~2次。
检定时将光电池和2856K的光强标准灯分别装在滑车上, 光电池接受面正对着标准灯, 标准光电池接受面和灯丝平面使他们的中心位于同一条水平测量轴线上且垂直于该轴线, 校正好滑车上的游标位置, 然后把载有光电池的滑车固定于光轨的一端, 在光电池与标准灯之间的适当位置放上带孔挡屏, 用以消除杂散光。
根据被检照度计的精度要求, 选用不同级别的电测仪表控制标准灯的电流值通常状态下发光强度标准灯由稳流稳压电源供电, 供电线路上接标准电阻通过测量标准电阻的电压值来控制通过标准灯的电流, 进而保证标准灯发光强度稳定。
标准灯在额定电流下点燃, 稳定后, 将标准灯由光轨的一端逐渐移进光电池, 在不同的距离, 在接受面上产生不同的照度Ei, 对应显示仪表上的指示值, 用距离平方反比定律进行计算:Ei=I/L2
式中, I为标准灯的光强值, L为灯丝平面到光电池接收面的距离。
由上式可求得显示仪表上各指示值所对应的实际照度值。一般对照度计的每一档检定五个点。然后以表上的指示值为纵坐标, 对应的实际照度值为横坐标, 画出校正曲线 (如图1) 。
光照度计的量值传递 (如图2) 。
3 一级照度标准装置
一级照度标准主要由主标准器和主体配套设备组成。
(1) 主标准器。
(1) 发光强度标准灯:BDQ7型, 测量范围15lx~3000lx; (2) 标准照度计:BS-1C型, 测量范围0.1~2×105lx。
(2) 主要配套设备。
(1) 光度测量装置:规格6m, 测量范围15~3000lx; (2) 稳流稳压电源:MPS1004, 测量范围0.1~2×105lx; (3) 数字多用表:6.5位数字多用表; (4) 标准电阻:0.01Ω标准电阻。
(3) 实验条件。
(1) 实验室温度: (20±5) ℃; (2) 实验室湿度:<80%RH; (3) 遮光设备:要求具有遮光窗帘和光轨幕帘。
4 结语
光学计量工作对于完善国防航空工业计量保证体系, 健全航空计量保障手段, 发挥着极其重要的作用, 提高计量保证、检测分析服务效能的具体体现。
参考文献
[1]高执中.光度计量基础.1988, 7.
[2]无损检测射线照相底片像质.GB/T23901[S].2009.3.