8.4-图象相减、匹配滤波与图象识别

8.3图象加减、匹配滤波与图象识别一.图象相减图象相减可以探测两幅图象之间的差别信息，从而予以鉴别。图象相减技术在许多领域中有重要的应用价值，如自动监测、质量检测等在军事、通信上均有用途。1.光栅滤波法实现图象相减的方法：采用4f系统，将正弦（或余弦）光栅作为滤波器，放置在频谱面上，对输入图象的频谱进行滤波。图4-4-3图像相加运算仿真实验的举例(a)、(c)是输入图像；(b)、(d)分别是(a)、(c)输入图相加运算的结果(a)(b)(c)(d)(b)输入(a)余弦光栅(c)输出图4-4-2图像相加运算过程的仿真前景+背景背景两者相减的结果图象相减（差影法）是非常有用的，比如说可以用在监控系统中。在银行金库内，摄像头每隔一小段时间，拍摄一幅图，与上一幅图做差影，如果差别超过了预先设置的阈值，说明有人，这时就应该拉响警报。应用举例2.罗奇光栅编解码法（透反光栅编码法）制作光路滤波函数为其中3.复合光栅滤波器(用于图像微分)滤波器的脉冲响应为对于输入函数，系统在Ｐ３面得到的输出为：说明：当很小时，公式中的第２、３项与输入函数沿x方向的微分成正比。＝微分滤波器的制作微分滤波器可用光学全息方法，也可用计算全息方法制作。光学全息方法制作全息微分滤波器实际上是作复合光栅，制作复合光栅的光路如下图示。第一次曝光时，干板对于两束光呈对称状态；第二次曝光前将平台转过一微小角度

，曝光后经处理便得到复合光栅，也就是微分滤波器。

复合光栅作微分滤波的机理置于原点的物的频谱受一个复合光栅调制后，在输出面可得到六个衍射像：两个零级像在原点，两套正、负一级像对称分布于两侧。两个同级衍射像沿x方向只错开很小的距离。当复合光栅位置调节适当时，可使两个同级衍射像正好相差

位相，相干迭加时重叠部分相消，只余下错开的部分，因而转换成强度时形成很细的亮线，构成了光学微分图形。光学微分的应用实际上，光学微分是用差分近似的结果，原理和图像相减是一回事。人的视觉对于轮廓十分敏感，轮廓也是物体的重要特征之一，只要能看到轮廓线，便可大体分辨出是何种物体。因而将模糊图片进行光学微分，得出轮廓来进行识别，可以大大压缩图象的信息量提取轮廓的其它方法也由光学微分发展而来微分滤波用于位相物，也有应用价值。例如，用光学微分检测透明光学元件内部缺陷或折射率不均匀性，用于检测位相型光学元件的加工是否符合设计要求等等.二.匹配滤波技术1.全息滤波器的制作和工作原理注意:M的复振幅透过率等于所需滤波器的脉冲响应h.制作出来的全息滤波器的复振幅透过率为：在4F系统的频谱面上放置上述全息滤波器,如果输入函数为则输出面上的复振幅分布为见教材P318下面利用相干光学处理来进行两个函数的卷积运算和相关运算：制作h的频谱函数H，作为滤波函数。将f作为输入函数。则经过频谱面上H的滤波，得到HF，那么输出面上得到h与f的卷积运算结果。2.制作H*作为滤波器，将f作为输入函数。则输出面上得到的分布是h与f的相关运算结果。2.匹配滤波器(319页)物平面频谱面像平面滤波器“匹配”的实质是：在频域中对输入信号的相位进行补偿，形成平面相位分布（即平面波）。图像的相关识别是在一些图像（如文字、指纹、生物样品等）中鉴别是否具有某一特定分布的图像。这种技术现已广泛应用于医学图像处理、安全子系统、指纹及容貌识别、光学特征识别及跟踪等。光学图像的相关识别有两类基本方法：其一是Vanderlugt滤波器（VanderLugt

correlator:VLC），其二是联合变换相关器（jointtransformcorrelator:JTC）。

它们都具有并行性、速度快和容量大等优点。特别是联合变换相关器不需要制作和精确复位复值滤波器，因而更引人注目。

三.图象识别Vanderlugt滤波相关识别的缺点:需要将参考图像制作成复数匹配滤波器,复数匹配滤波器的制作较为复杂,并且在匹配识别时需要精确的复位.Vanderlugt滤波器采用前面介绍的全息滤波器的制作方法。Vanderlugt滤波相关识别的改进实验中采用2mW、波长为632.8nm的He-Ne激光器作为相干光源,傅立叶变换透镜焦距为400mm,场景和滤波均采用液晶型SLM,分辨率为1024×768,SLM1载入待识别的场景,SLM2载入匹配滤波器。假设SLM1上的输入图像为f(x,y),经傅里叶变换透镜后,可得:制作的匹配滤波器应为:可得VLC的相关输出为:即:相关器输出为被识别图像的自相关.表现在相关输出平面上出现尖锐的相关峰分布。目前的光学相关器系统大都采用了两片SLM,来解决系统工作的实时性问题。SLM空间光调制器空间光调制器：能够实现对二维空间各点光强进行调制的器件。知识补充:液晶光阀（LCLV）——最常见的一种空间光调制器。利用液晶对偏振光的扭曲效应而制成的空间光调制器。液晶态是一种介于液体和晶体之间的中间态，既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又有晶体的热、光、电、磁等物理性质。液晶与液体、晶体之间的区别是：液体是各向同性的，分子取向无序；液晶分子有取向序，但无位置序；晶体则既有取向序又有位置序。联合傅里叶变换(jointFouriertransform)是重要的相关处理器，大量应用于图象、特征识别，在指纹识别、字符识别、空中目标和地面遥感图识别等领域已逐步进入实用化阶段。联合变换相关器基本理论

典型的联合变换相关器的结构原理如图所示。中心分别位于（-b,0）和（+b,0）处的待识别目标图像t(x-b,y)和参考图像r(x+b,y)，同时对称地输入到傅里叶变换透镜LFT1的前焦平面上。则该平面上的复振幅透射率可表示为：

联合变换相关器原理图InputLFT1SquarelawconverterOutputflfffr(x-b)t(x+b)LFT2在透镜LFT1的后焦平面上形成u(x,y)的联合傅里叶变换频谱（复振幅）分布：

式中R(fx,fy)和T(fx,fy)分别为参考图像r(x,y)和待识别目标图像t(x,y)的傅里叶变换谱复振幅分布，fx=x/lf和fy=y/lf分别为透镜LFT1后焦平面上的空间频率，f为傅里叶变换透镜LFT1的焦距，l为相干照明光波的波长。该复振幅分布经平方律转换器转换成联合变换功率谱分布：

式中*表示对相应函数的复共轭。该功率谱经透镜LFT2二次傅里叶变换后，在输出平面（即LFT2的后焦平面）上得到I(fx,fy)的傅里叶变换，有：

式中表示相关运算，*表示卷积运算。从上式可以看出，在输出平面上x=±2b处出现r和t的相关点。图像r和t相同时，将出现较亮的相关点；r和t不同时，则出现较暗的弥散斑。以此便可实现图像的相关识别。

光学联合变换相关运算的仿真结果(a)输入(b)相关运算结果(c)相关峰(d)输入(e)相关运算结果(f)相关峰

光学联合变换相关识别仿真结果(a)输入(b)相关识别结果(c)相关峰(d)输入(e)相关识别结果(f)相关峰

字符识别实验仿真结果联合变换相关识别的优点具有原理简单，操作容易，不需要制作复数匹配滤波器等优点，更适合实时处理.反射型MSF实时指纹识别器计算机模拟计算机模拟装备在导弹头部的图像识别系统联合变换相关图象识别系统

M3L1BS1LCLVDP1BS2L2O1M2O2STPBSFTL2M1FTL1LACCDPSPBS3DP3DP2ACRT计算机

数字图象处理系