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1、实验七光学图像相关识别一．实验目的1.了解透镜的傅里叶变换功能及用光学方法实现相关运算的基本原理和方法。2.了解光学匹配滤波的原理,学习用全息技术制作匹配滤波器。3.了解光学匹配滤波相关识别的原理及VanderLugt相关器(VLC)的基本结构和实现过程。4.了解光学联合变换图像相关识别的原理及联合变换相关器(JTC)的基本结构和实现过程。5.初步了解空间光调制器(SLM)的功能、作用及光电混合相关图像识别的基本结构。6.初步了解图像畸变对光学相关器性能的影响及其可能的解决方法。二．实验仪器及设备1
2、.全息防震台1个（1.8m×1.2m左右）。2.He-Ne激光器1台(波长632.8nm，功率20mW左右)。3.半波片(632.8nm)1个，带可旋转支架的偏振镜2套。4.分束器1~2个，反射镜4~5个，光束衰减器2个。5.干板架3个，原位显、定影架1套，物台1个。6.光折变晶体(如：SBN,KNSBN,BaTiO3,LiNbO3)1块。7.全息干板显影、定影材料及装置1套。8.直径约50~80mm、焦距约25~35cm的傅里叶变换透镜2个，短焦距(f=5~10cm)成像透镜1~2个。9.扩束准直
3、系统2套（包括：可三维调节的空间滤波器支架2套，与之配套的针孔（15μm—25μm）若干，扩束镜（显微物镜，25~40倍）若干，直径5~6cm、焦距25cm左右的准直透镜2个）。10.电子快门2个。11.CCD相机1架，图像卡1个，微机及监示器1套。三．实验原理58光学图像相关识别的数学基础是卷积和相关运算、及二维傅里叶变换。其具体实现是以透镜的傅里叶变换为基本单元，以滤波操作为基本方法的光学相关器。设目标图像（即待识别图像）用t(x,y)表示，参考图像（即样本图像或标准图像）用r(x,y)表示。光
4、学图像相关识别就是用光学方法实现目标图像和参考图像两者之间的相关运算，根据相关函数（相关信号）来判别二者之间的相似程度。光学上直接在空域中实现二者之间的相关运算较为困难，一般是利用透镜的傅里叶变换性质，先对图像进行傅里叶变换，得到目标图像的频谱T(u,v)和参考图像的频谱R(u,v)；通过适当光路结构和方法在频谱面上实现频谱乘积∗T(u,v)⋅R(u,v)，再进行一次逆傅里叶变换后得到两者之间的相关函数，即{∗}FTT(u,v)R(u,v)=t(x,y)☆r(x,y)。实现上述操作过程的具体结构和方
5、法有两种：一种是由密执安大学雷达实验室的A.BVanderLugt于1963年提出的、以频域匹配滤波为原理的VanderLugt相关器（VanderLugtCorrelator—VLC）；另一种是由C.S.Weaver和J.W.Gordman于1966年提出的、以联合傅里叶变换（空域滤波）为原理的联合变换相关器（JointTransformCorrelator—JTC）。二者的区别在于VLC依赖于频域中滤波器的合成及滤波操作，而JTC依赖于空域中滤波器合成及滤波操作。3.1VanderLugt匹配滤
6、波相关器(VLC)3.1.1匹配滤波器的概念匹配滤波的概念来自信号检测理论。如果要检测一个埋没在白噪声（即功率谱为均匀分布的噪声）之中的已知形式的信号，可以通过对输入信号进行匹配滤波操作，从而可得到最高信噪比的输出。通过匹配滤波操作可实现信号的相关检测，即判定输入中是否存在我们所需要的信号。匹配滤波概念在光学匹配滤波图像相关识别中有重要应用。若有一个线性空间平移不变滤波器，其空域中的滤波函数（脉冲响应）为h(x,y)；设系统的输入为f(x,y)，输出用g(x,y)表示，滤波操作的过程就是实现卷积运算
7、：g(x,y)=f(x,y)⊗h(x,y)(1)59对于一个特定的待检测信号sx,(y)（如一幅图像），如果∗h(x,y)=s(−x,−y)(2)则称此滤波器与信号匹配，称该滤波器为匹配滤波器。滤波器操作就是实现下列运算∗g(x,y)=f(x,y)⊗s(−x,−y)=f(x,y)☆s(x,y)（3）（3）式表明，匹配滤波过程就是实现输入信号与待检测信号的相关运算。其输出g(x,y)正是输入信号和待检测信号的互相关函数。若输入信号中只含有待检测信号，即f(x,y)=sx,(y)，则系统的输出为信号的自
8、相关。若输入信号中即含有待检测信号又包含有白噪声n(x,y)，即f(x,y)=s(x,y)+n(x,y)(4)则系统的输出为g(x,y)=s(x,y)☆s(x,y)+n(x,y)☆s(x,y)(5)上式中右边第一项为信号sx,(y)的自相关函数，第二项为噪声n(x,y)与信号sx,(y)的互相关函数。此时输出信噪比为最大值，据此可检测判别所需信号的存在与否。3.1.2用全息方法制作光学匹配滤波器——VanderLugt匹配滤波器的制作1963年密执安大学雷达实验室的A
