空域二值化非线性相关器在光学模式识别中的应用

摘要

随着各种空间光调制器和高分辨率CCD器件的迅速改进和广泛应用，光电混合模式识别系统日益受到重视。电子系统的灵活性和可编程性使许多非线性技术能够很容易的被应用于光学模式识别领域。本论文所要研究的空域二值化非线性相关器(Spatial Binary Nonlinear Correlator，简称SBNC)就是一类性能出色的非线性光学模式识别系统。在SBNC中，输入图像和参考图像首先被分解为一系列的二值灰度图片。这些二值图片之间的线性相关结果线性求和就得到所谓的SBNC。根据图像分解方式的不同，SNBC分为两类：基于片状正交非线性广义分解的片状正交非线性广义相关器(Sliced Orthogonal Nonlinear Generalized Correlation，简称SONG相关器)和基于阈值分解的形态相关器(Morphological Correlation，简称MC)。与普通线性相关相比，SBNC无论在识别度还是在抗噪性能方面都有较明显的提高。然而，作为一类新兴的非线性相关器，SBNC仍存在着许多缺陷。SONG相关器和MC的相关峰还存在着较宽的旁瓣，严重影响目标定位。它们在抗噪性能方面的仍局限在较小的噪声强度范围内。而且，MC的信号强度比普通线性相关弱很多。把一些发展已经较为成熟的滤波器技术引入到SBNC的设计中，进一步提高原有SBNC的性能，正是本文所要研究的主题。
　　纯位相滤波器(Phase-Only Filter，简称POF)和条纹调节滤波器(Fringe-Adjusted Filter，简称FAF)是两类性能优良且在模式识别领域得到广泛应用的滤波器技术。我们把这两种方法应用到SONG相关器中，提出了基于SONG分解的纯位相滤波器(POF Based on SONG Decomposition，简称PBS)和条纹调节联合变换相关器(SONG Decomposition Based Fringe-Adjusted Joint Transform Correlation，简称SBFJTC)，以及它们的光电混合制备系统。在这两种相关器中，原来SONG相关器定义中的各子线性相关被POF和条纹调节联合变换相关器所取代。模拟结果表明新引入的POF和FAF成功消除了相关峰的多余旁瓣，提高了相关信号的强度。此外PBS和SBFJTC还显示出远强于普通线性相关和SONG相关器的抗高斯噪声和替换噪声的能力。
　　由于MC与SONG相关器一样也涉及到一系列线性相关的叠加，因此POF和FAF也能够通过取代线性相关很容易地被应用到MC的设计中。为此，我们提出了形态纯位相相关器(Morphological Phase-Only Correlation，简称MPC)和形态条纹调节相关器(Morphological Fringe-Adjusted Joint Transform Correlation，简称MFJTC)及其光电制备装置。模拟结果表明MPC和MFJTC显著提高了原有MC的识别度和抗椒盐噪声的能力。虽然新设计的相关器丧失了MC的光照不变识别特性，但如果输入图像经过适当的乘法预处理，其仍具有相当高的识别能力。
　　在实际应用中，任何目标探测器都应该具有一定的抗输入目标形变的能力。通过与圆谐波滤波器和径谐波滤波器技术相结合，我们把新设计的MPC应用到了旋转不变和尺度缩放不变模式识别领域，提出了旋转不变MPC(Rotation-Invariant MPC)和平移-尺度缩放不变MPC(Shift-and Scale-Invariant MPC，简称SSIMPC)。在其处理过程中，参考图像先经过阈值二值分解，然后每一个二值分解片又被施以谐波展开操作。其中某一级谐波分量被选出，其频谱位相部分被用来制备纯位相的滤波器。它将与对应灰度级的输入图像的阈值分解二值图片做相关运算。最后结果是所有相关结果的线性叠加。模拟结果表明我们提出的两种相关器出色地完成了抗输入形变的识别任务。与谐波滤波器和原有的抗畸变MC相比，它们具有更强的抗噪能力和识别能力。尤其是SSIMPC，它实现了更严格的比例缩放不变。

目录

空域二值化非线性相关器在光学模式识别中的应用

THE APPLICATION OF SPATIAL BINARY NONLINEAR CORRELATION IN

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 光学模式识别技术

1.1.1 概述

1.1.2 光学相关器理论

1.1.3 谐波滤波器

1.2 光学模式识别中的非线性技术

1.2.1 概述

1.2.2 空域二值化非线性相关器

1.3 本论文研究的主要内容及意义

第2章 基于片状正交非线性广义分解的纯位相滤波器和条纹调节联合变换相关器

2.1 片状正交非线性广义相关器

2.1.1 定义和性能介绍

2.1.2 一些技术改进

2.2 纯位相滤波器

2.3 基于片状正交非线性广义分解的纯位相滤波

2.3.1 PBS的定义和光学实现装置

2.3.2 数值模拟和性能分析

2.4 条纹调节联合变换相关器

2.5 基于片状正交非线性广义分解的条纹调节联合变换相关器

2.5.1 SBFJTC 的定义以及光电实现装置

2.5.2 数值模拟和性能分析

2.6 本章小结

第3章 形态纯位相相关器和形态条纹调节联合变换相关器

3.1 形态相关器

3.1.1 理论背景

3.1.2 定义和性能介绍

3.2 形态纯位相相关器

3.2.1 基本定义

3.2.2 噪声性能模拟测试

3.2.3 光照性能模拟测试

3.3 形态条纹调节联合变换相关器

3.3.1 基本定义和光电制备装置

3.3.2 噪声性能模拟测试

3.3.3 光照性能模拟测试

3.4 本章小结

第4章 形态纯位相相关器在旋转不变和尺度不变模式识别中的应用

4.1 谐波滤波器

4.1.1 圆谐波滤波器

4.1.2 径谐波滤波器

4.2 旋转不变的形态纯位相滤波器

4.2.1 基本定义和制备装置

4.2.2 无输入噪声的性能模拟测试

4.2.3 噪声性能模拟测试

4.3 平移和尺度不变的形态纯位相滤波器

4.3.1 基本定义

4.3.2 无输入噪声的性能模拟测试

4.3.3 噪声性能模拟测试

4.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历