光学图像相关matlab仿真

目录摘要 错误！未定义书签。Abstract 错误！未定义书签。绪论 1课题背景 1本文研究内容、意义及发展方向 1第2章相关目标识别理论及仿真 4光学图像识别技术的基本原理 4VanderLugt相关器原理 4联合变换相关器原理 5图像识别原理及光路图 7MATLAB仿真实现 9第3章光学图像识别与防伪技术 13系统描述 13附加的安全措施 14结论 16参考文献 17第1章绪论课题背景光学图像识别技术是一种有较高鉴别率的技术，具有高度并行性、容量大、速度快的特点，特别适用于信息的快速和实时处理。光学相关是光学模式识别中的一种主要方法。无论是空间匹配滤波相关或是联合变换相关，都是基于对信息的光学傅里叶变换。现在，人们越来越倾向于采用光电混合的处理方式实现模式的识别，它由光学相关处理系统和计算机组成。光电混合模式识别具备光学处理系统的大信息容量和二位并行处理能力的同时，还具备数字处理系统灵活性好、精度高、便于控制和判断的能力。因此，光电混合光学模式识别是实现模式识别实用化的最可行方案。它已在导弹、火箭的导航系统上有着很成熟的应用。近年来，这一技术也广泛应用于一些民用领域，如：交通系统中的车辆牌照的识别、金融安全系统中个人签名、指纹的识别等。因而对这一技术进行深入的研究具有一定的实用意义，利用计算机对光学图像识别技术进行仿真研究，对于我们进行真实的光学图像识别技术的研究有帮助和借鉴作用，国外已经有人做了一些工作，而在国内，对这一技术进行仿真研究的文章却很少。MATLAB我们可以很方便地模拟某些真实光学系统对图像的处理。例如：可以对图像进行傅里叶变换和傅里叶逆变换，可以仿真实现对图像的空间滤波等。我们用对光学图像识别相关器进行仿真，能得到较好的仿真结果。本文研究内容、意义及发展方向光学相关模式识别主要分为空间匹配滤波相关识别和联合变换相关识别两大类。1962年，McLachlan提出利用光学相关实现模式识别的想法年A.VanderLugt提出使用离轴全息方法制作复空间匹配滤波器，设计了匹配滤波相关器 (VanderLugtCorrelator,VLC)。由于匹配滤波相关识别需要预先制作滤波器，并且滤波器的中心必须与目标频谱面的中心完全重合操作繁琐且实时性差1966年C.S.WeaveJ.W.Goodman和J.E.Rau提出了联合变换光学相关的基本理论，设计了联合变换相关器。这种相关器克服了VanderLugt相关器需要提前制作滤波器和调试要求苛刻的缺点操作灵活方便由于是将参考图像和目标图像同时输入光学系统，联合变换相关器比VanderLugt器有更好的实时处理能力，代表了光学相关器的发展方向。每小时1500650小时350可以为过往车辆节约运营时间，这对于长途旅客运输和商用货物运输也显得尤为重要。此外，由于不停车收费系统的自动化水平高、收费迅速而便捷、管理统一规范，对杜绝高速公路人为的“乱收费”现象也具有特别重要的意义。联合变换相关模式识别基本原理的基础上实时性好的光学过程转化为编程控制、精度高和操作灵活的数字模式。使的没有实验设其在商业和军事应用领域的实用化，对提高生产效率、促进国民经济发展、尤其是提高军事打击能力和防御能力，都有极其重要的意义。本课题在研究联合变换相关模式识别基本原理的基础上，使用了计算机模拟将实验进行的可并行处理、实时性好的光学过程转化为编程控制、精度高和操作灵活的数字模式。使的没有实验设备也可形象地看到仿真的实验结果。第2章相关目标识别理论及仿真光学图像识别技术的基本原理VanderLugt4f如图1、L2为傅里叶透镜。下面分别介绍这两种方法图2-14f光学成像系统VanderLugt相关器原理VanderLugt相关器对图像的识别是在空间滤波的基础上实现的，其方法是在4f系出平面上产生会聚的相关光斑。ixy (, ) I(f,f)Fi(x,y)} {*如果目标图像为 ，其频谱为 x ixy I*(f,f)符)，则匹配滤波器为目标图像频谱的复共轭，即 x y 。g(x,y4f4f频谱平面，在单色平行相干光的照明下，经过空间滤波后，频谱平面上的频谱为g(x,y)G(f f)I*(f,f) G(f f) G(f f)g(x,y)x, y x y ，其中 x, y 为 的频谱，即 x, y 。则在4f系统输出平面上能得到的图像为o(x,y)F,f )I*(f,f )}i(x,y)★g(x,y)x y x y其中，F1{*}为傅里叶逆变换算符，符号“★”表示相关运算，i(x,y)F{I(f,fx y

)}，g(x,y)F{G(f,fx y

)}。如果待识别图像中含有目标图像信息，则在输出图像的相应位置会产生相关最强，出现亮斑，否则只出现弥散的光斑。联合变换相关器原理联合傅里叶变换相关器（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，如图所示。图中L是傅里叶变换透镜，焦距为f待识别图像（例如带识别目标、现场指纹）透过率为f(x,y，置于输入平面（透镜前焦面的一侧，起中心位于(a,0)；参考图像（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上的复振幅分布为S（u,

[f(xa,y)g(xa,y)]exp[i(xuyv)dxdyfexp[i2

2au]F(u,v)exp[i

au]G(u,v)f fG分别是f,gfg（两个图形完全相同）时，上式化作|S(u,v)|2F(u,v)|2exp[i

au]Fu,vGu,v)|S(u,v)|22|F(u,v)|2222

cos[

au])exp[i

au]F(u,v)G(u,v)|G(u,v)|2亦即相同图形联合变换的功率谱为杨氏条纹。联合变换相关器是在输入平面上对称地放置待识别图像v(x,y)与目标图像t(x,y，形成联合的输入信号i(x,y)v(xa,yt(xa,y)如图2(a)所示。在单色平行相干光的照明下，经过透镜L1谱I（f,x

F{v(xa,y)t(xa,y)}V(f,fy x

)

T(f,fx x

)exp(2fa)y其中，

V(f,fx

)F{v(x,y)}，

T(f,fx

)F{t(x,y)}

。在频谱平面上用强度敏感器件接收联合傅里叶谱，并将其转化为联合功率谱，其表达式为|I(f,f )|2|V(f,fx y x

)|2*(f,f (f,f )j4fa)x y x y xV(f,fx y

)T*(f,fx

)exp(j4fa)|T(f,fy x

)|2联合功率谱经透镜L2的傅里叶逆变换作用，在输出平面上得到相关输出o(x,y)，其表达式为这里，(*)txy)Ff,f，x yo(x,y)F1{|I(f,f)|2}x yv(x,y)★v(x,y)t(x,y)★v(x,y)*(x2a,y)v(x,y)★t(x,y)*(x2a,y)t(x,y)★t(x,y)v(x,y)F(fx,fy)}3个部分：第一、四项分别为目标图像和0和2(b)则会在(-2a，0)和(2a，0)附近产生相关的亮斑。图2联合变换相关器的输入平面和输出平面图像识别原理及光路图本文主要是进行VanderLugt相关器对图像的识别。光学联合变换是一种傅里叶分析技术，傅里叶透镜是最重要的执行器件。傅里叶分析对分析线性和非线性现象都是一个极其有用的数学工具。二维傅里叶变换是最常用的傅里叶变换理论，是光学相关理论的重要组成部分。在介绍透镜的傅里叶变换特性之前先简单回顾直角坐标系中的二维傅里叶变换。对于(x,谱）定义为：

，其傅里叶变换（也叫傅里叶谱或频（2-1）其中， 是函数F对应的直角坐标系的两个坐标变量，通常称为频率。都是实变量，函数 可以是实函数，也可以是复函数被称为二维傅里叶变换的核。类似地， 的傅里叶逆变换定义为：（2-2）函数 的傅里叶逆变换也称为函数 的傅里叶积分其原理可以用图1．1说明。在物面P1

4f图2.1光学模式识别 系统的输入目标，fx,y4f系统与放置在频谱平面P2

上的匹配滤波器hx,y进行相关运算，其相关输出结果显示在输出平面P3

上。如果输出的相关结果为fx,yhx,yfx,y为假目标。相关器由探测因此，这种识别不可能是完全和准确的。1964年，VanderLugt提出了使用离轴全息方法制作匹配空间滤波器，构成VanderLugt相关器(VanderLugtCorrelator,VLC)VanderLugt相模式识别成为光学信息处理的一个热点。但是，VanderLfigt1．需要提前制作频谱面只上的匹配滤波器，缺乏灵活性；心完全重合，而这一点是很难实现的。1966和(JointTransformCorrelators，JTC)，克服了VanderLugt优势，联合变换相关器迅速取代了VanderLegt当然，经典联合变换相关器自身也存在着两个方面不足：MATLAB仿真实现中，图像是用矩阵来表达的。使用MATLABimread()函数，我们可提供了fft2()、ifft2()、fftshift()ifftshift()4个函数，能够让我们很容易地模拟4f光学成像系统的变换作用，并能得到同时含有振幅和位相信息的复矩阵。由于光学信息处理中通常显示的是强度信息，所以在中要用abs()函数对复矩阵取模，同时MATLAB符号为“”和点乘符号为“.””即按通常的矩阵乘法运算进行.中，我们是采用点乘的方法来实现对光学图像的变换的。下面用MATLAB分别对前面提到的两种光学相关器进行仿真。1、读取待处理的图像，将其转化为二值图像goal0=imread('C:\Users\Administrator\Desktop\3.jpg');goal=im2bw(goal0);其中imread()是读取图像函数，'C:\Users\Administrator\Desktop\3.jpg'为目标图像原图的路径，im2bw()是将图像转为二值图像函数。2、将车牌图像反白处理，并扩充为17×339的矩阵（如下图，以便下面傅立叶变换中矩阵旋转运算的进行。goal=~goal;goal(179,339)=0;s=size(goal)figure;imshow(goal);目标图像3（对图像计算傅立叶描述子，用预先定义好的决策函数对描述子进行计算。变换后的图像中，亮度的高低指示相应区域与模板的匹配程度（如下图。w0=imread('C:\Users\Administrator\Desktop\7.jpg');w=im2bw(w0);w=~w;C=real(ifft2(fft2(goal).*fft2(w,179,339)));figure;imshow(C);其中C:\Users\Administrator\Desktop\7.jpg为待识别字符的图片路径。傅里叶变换后相关输出4、通过检查C的最大值，经过多次试验，确定一个合适的门限（这里33比较合适显示亮度大于该门限的点，也就是与模板的匹配程度最高的位置（如下右图。thresh=33;figure;imshow(C>thresh);对照(a)和(c)两图，可以说明字符“7”被识别和定位了。同样的方法，可以识别和定位其它字符。5、将相关识别的仿真结果的相关峰输出F=conj(C).*C;figure;surf(F);其中conj()是对矩阵的复共轭变换函数。surf（）是对三维图像输出。显示,利用MATLAB可以比较容易地实现对光学图像识别相关器的仿真，而且仿真的结果和实际实验的结果是相符合的。因此，用MATLAB实现的对光学图像识别相关器的仿真的这一新方法，有助于我们对光学图像识别技术的研究。第3章光学图像识别与防伪技术近年来，伪造货币和信用卡的犯罪问题已增加到令人吃惊的地步，去年，世界范围内仅伪造信用卡的面值就超过10亿美元。CCD展，照片、标牌、标识、纸币或图案的复制都变得更加简单了，这就引起人们关注防伪技术的研究和发展。在日益发展的生物统计识别领域中，光学技术正被用来研制视网膜扫描、手形及纹理识别、指纹鉴别等方面的仪器。已非常先进，以致于很容易通过拍照或用CCD相机获取信用卡上的全息图象。这是采20加拿大元的纸币，但全息图仍然用作现钞上“纹理”的检验。基于防伪目的的光学技术发展迅猛，本文提出了一种新思想，确保信用卡、护照及身份证的安全性，不易被复制。这是一种复相位/振幅图案的新方案。对光强敏感的探测器，如CCD照相机，它是不可见的，不能相被复制。其基本原理是将一相位掩模与原始识别振幅图案，如指纹、脸部相片或签名，永久地、不可恢复地结合起来。相位掩模和原始图案都可以通过光学处理器或相关器识别。此种相位编码很难复制，并且它与个人身份证号码、指纹或照片结合，形成一个万无一失的防伪识别系统。相位掩模的制作可以利用透光的压纹塑料薄膜、漂白的摄影薄膜、蚀刻的玻璃或金属反射器。另外，随机相位掩模不必叠放在原始图案上，可将其靠在证件的原始图案旁，或单独用于所制造的识别项目上。这里将讨论几种实现这种构想的方法，最终所采用的方式取决于防伪的级别。系统描述频谱面光学相关器。在频谱面相关器中，一个需要验证的物体或原始图案g(x,y)，由一幅贴有相位掩膜的振幅灰度图样构成，把物体放在处理器的入射平面，相位掩膜可以叠加在指纹、身份证照片或者信用卡上。因此，复合输入信号是i(x,y) g(x,y)jM(x,y)]相干光照明复合掩模，通过反射或信用卡上的透明部位提取信号。处理器已有exp(x,y)的先验知识。在傅氏平面放置一检验相位的空间滤波器，它可以是各种匹配滤波器或空间滤波器。输入的掩模图案用透镜实现傅氏变换，再乘以空间滤波器的传递函数。第二块傅氏变换透镜在处理器的输出处产生相关点，能被CCD成像器件探测到。如果空间滤波器与输入相位掩模匹配或高度相关，一个高强度点将被CCD成像器件探测到。当这个强度超过某个预定值，将产生一个表明真实性的验证信号。如果输入相位掩模是假的，输出相关点的强度将低于阈值。采用非线性联合变换相关器检验卡的真实性。复合掩模和对应的参考相位掩模在JTC的入射平面被相干光照射，两输入象经透镜傅氏变换发生干涉，按平方律探测得到中单个空间光调制器方案是可取的，对于这种应用，它可能更经济有效。对于一个没有采用SLM的系统，用电子学技术对联合功率谱作傅氏变换，也可得到相关信号。在联合变换相关器中，来自信用卡的输入相位掩模占据了整个输入象平面的一半，输入平面的另一半是投射或反射式的参考相位编码。如果对不同的信用卡，相位掩模应该实时更换，则相应的参考相位掩模可以从计算机中调出，并写入输入面的空间调制器上。如果更换的速度要求不高，可以用机械的方法更换相位掩模。联合变换相关器能方是极其重要的，非线性JTC可能更为实用。用非线性JTCg(x,y的先验知识，并且重复同样的鉴别过程。附加的安全措施为了更加安全，原始图案本身可以进行相位编码，也就是指纹、照片本身可以写为一种相位掩模，并与前面所讨论的随机相位掩模组合，则每个象素的相位是两个相函数的代数和。这