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1、实验一实时联合傅里叶相关识别1.引言联合傅里叶变换(Joint-Fouriertransform)是重要的相关处理，在指纹识别、字符识别、目标识别等领域已逐步进入实用化阶段。本实验使用空间光调制器实现了实时光电混合处理，是典型的近代光学信息处理实验。2.实验目的学习马赫-曾特干涉系统的搭建和调试,学习电寻址液晶空间光调制器的原理、光学特性和操作,了解联合傅里叶变换在光学上的实现及有关效应,体会光学信息图像识别的优越性。3.基本原理3.1联合傅里叶变换功率谱的记录图1联合傅里叶变换功率谱的记录联合傅里叶变换相关器
2、（joint-Fouriertransformcorrelator,JTC）简称联合变换相关器，分成两步，第一步是用平方记录介质（或器件）记录联合变换的功率谱，如图1所示。图中L是傅里叶变换透镜，焦距为f.待识别图象（例如待识别目标、现场指纹）的透过率为f(x,y)，置于输入平面（透镜前焦面）xy的一侧，其中心位于（-a,0）;参考图象（例如参考目标、档案指纹）的透过率为g(x,y)，置于输入平面的另一侧，其中心位于（a,0）。用准直的激光束照射f、g,并通过透镜进行傅里叶变换。在谱面(透镜的后焦面)uv上的复
3、振幅分布为式中F、G分别是f,g的傅里叶变换。如果用平方律记录介质或用平方律探测器来记录谱面上的图形，得到即联合变换的功率谱。当f=g(两个图形完全相同)时，上式化作亦即相同图形联合变换的功率谱为杨氏条纹。3.2联合傅里叶变换功率谱的相关读出第二步是联合变换功率谱的相关读出，参见图2。用傅里叶变换透镜对联合变换功率谱进行傅里叶逆变换，在输出平面（傅里叶透镜的后焦面）xh上得到图2联合变换功率谱的相关读出式中o1和o4分别是f和g的自相关，重叠在输出平面中心附近，形成0级项，它们不是信号。而o2和o3为两个互相关
4、项，即1级项，正是相关输出，在输出平面上沿ξ轴分别平移-2a和2a，因而与0级项分离。如果f和g完全相同,相关输出呈现明显的亮斑(相关峰)。从物理光学的观点来看，如果f和g完全相同，联合变换的功率谱为杨氏条纹，其傅里叶变换必然出现一对分离的1级亮斑和位于中心的0级亮斑;如果f和g部分相同(例如现场指纹和档案指纹),相关峰较暗淡,弥散较大;如果f和g不同,相关输出不呈现”峰”的结构。因而相关峰及其锐度是f和g是否相关以及相关程度的评价指标。3.3相关器的实时化联合变换谱的记录和相关读出之间,有一个重要中介过程,即
5、用平方律介质或器件将联合变换的复振幅谱转换成功率谱。早期的实验中这一过程借助于感光胶片来实现,因而整个相关识别过程是非实时的。近年来,借助于空间光调制器(SpatialLightmodulation,SLM)使这一过程实时化,联合变换相关识别的优越性就体现出来了。用于这一过程的SLM有两类,第一类是光寻址的液晶光阀(LCLV),第二类是CCD和电寻址空间光调制器的结合,例如磁光空间光调制器(MOSLM)和液晶显示器(LCD,早期称为液晶电视LCTV，参见《附录》)。本实验采用高分辨率CCD和液晶显示器LCD。在
6、第一步中用CCD探测联合变换功率谱,并将其转换成为LCD的透过率分布;第二步对LCD的透过率函数进行傅里叶逆变换,并用第二个CCD来探测相关输出。功率谱和相关输出分别显示在两个CRT上。若CCD的线度（例如宽度）A´与LCD的线度（例如宽度）A²不相等，记录和读出过程中傅里叶透镜的焦距f´和f²不相等，可以证明相关输出中相关峰的平移量为4.仪器用具（参见附表）5.实验内容（参见图4）1.调节激光管加持器，将激光束调节高度适中，水平（与台面平行），作为主光轴。2.调节所有光学元件(分光片,反射镜,空间滤波器,双胶
7、合透镜等等),使它们达到光轴重合,即共轴。3.放置一变密度盘2,调节光路中光束的强度。4.光束通过空间滤波器3进行扩束。调节针孔,形成亮度均匀一致的圆斑。5.通过一个透镜4使光束形成平行光。具体操作如下（可参考图3）:(a)将透镜一侧朝向空间光滤波器5(即宽边朝向空间光滤波器),(b)调整出射光斑,使其在近处和远处(任意位置)的光斑大小基本一致,(c)把光学平晶放在出射光路,使其与光轴在水平面内成一定角度。在平晶的反射光路放一白屏,观察其前后两表面的反射像的干涉图。通过调节透镜的高度和前后距离,使得干涉图的条纹
8、最少。这样就达到出射光束近似为平行光。1.用分光片6分出两束光路I、II,使其互成直角。在I光束中的调整2.得到平行光后,在平行光里搭建马赫-曾德干涉系统(如图4-I光路)。该系统由两个分光片7、12和两个反射镜9、8组成。(a)将分光镜12放在两光束的交汇处A。通过调节元件7、8、9,使光线在A处完全重合。(b)旋转12使得透射光斑和反射光斑在较远处重合(可在元件12和13之间放置一
