光學(xué)圖像相關(guān)matlab仿真

目錄摘要 錯(cuò)誤！未定義書簽。Abstract 錯(cuò)誤！未定義書簽。緒論 1課題背景 1本文研究?jī)?nèi)容、意義及發(fā)展方向 1第2章相關(guān)目標(biāo)識(shí)別理論及仿真 4光學(xué)圖像識(shí)別技術(shù)的基本原理 4VanderLugt相關(guān)器原理 4聯(lián)合變換相關(guān)器原理 5圖像識(shí)別原理及光路圖 7MATLAB仿真實(shí)現(xiàn) 9第3章光學(xué)圖像識(shí)別與防偽技術(shù) 13系統(tǒng)描述 13附加的安全措施 14結(jié)論 16參考文獻(xiàn) 17第1章緒論課題背景光學(xué)圖像識(shí)別技術(shù)是一種有較高鑒別率的技術(shù)，具有高度并行性、容量大、速度快的特點(diǎn)，特別適用于信息的快速和實(shí)時(shí)處理。光學(xué)相關(guān)是光學(xué)模式識(shí)別中的一種主要方法。無論是空間匹配濾波相關(guān)或是聯(lián)合變換相關(guān)，都是基于對(duì)信息的光學(xué)傅里葉變換。現(xiàn)在，人們?cè)絹碓絻A向于采用光電混合的處理方式實(shí)現(xiàn)模式的識(shí)別，它由光學(xué)相關(guān)處理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成。光電混合模式識(shí)別具備光學(xué)處理系統(tǒng)的大信息容量和二位并行處理能力的同時(shí)，還具備數(shù)字處理系統(tǒng)靈活性好、精度高、便于控制和判斷的能力。因此，光電混合光學(xué)模式識(shí)別是實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別實(shí)用化的最可行方案。它已在導(dǎo)彈、火箭的導(dǎo)航系統(tǒng)上有著很成熟的應(yīng)用。近年來，這一技術(shù)也廣泛應(yīng)用于一些民用領(lǐng)域，如：交通系統(tǒng)中的車輛牌照的識(shí)別、金融安全系統(tǒng)中個(gè)人簽名、指紋的識(shí)別等。因而對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行深入的研究具有一定的實(shí)用意義，利用計(jì)算機(jī)對(duì)光學(xué)圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行仿真研究，對(duì)于我們進(jìn)行真實(shí)的光學(xué)圖像識(shí)別技術(shù)的研究有幫助和借鑒作用，國外已經(jīng)有人做了一些工作，而在國內(nèi)，對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行仿真研究的文章卻很少。MATLAB我們可以很方便地模擬某些真實(shí)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)圖像的處理。例如：可以對(duì)圖像進(jìn)行傅里葉變換和傅里葉逆變換，可以仿真實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的空間濾波等。我們用對(duì)光學(xué)圖像識(shí)別相關(guān)器進(jìn)行仿真，能得到較好的仿真結(jié)果。本文研究?jī)?nèi)容、意義及發(fā)展方向光學(xué)相關(guān)模式識(shí)別主要分為空間匹配濾波相關(guān)識(shí)別和聯(lián)合變換相關(guān)識(shí)別兩大類。1962年，McLachlan提出利用光學(xué)相關(guān)實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別的想法年A.VanderLugt提出使用離軸全息方法制作復(fù)空間匹配濾波器，設(shè)計(jì)了匹配濾波相關(guān)器 (VanderLugtCorrelator,VLC)。由于匹配濾波相關(guān)識(shí)別需要預(yù)先制作濾波器，并且濾波器的中心必須與目標(biāo)頻譜面的中心完全重合操作繁瑣且實(shí)時(shí)性差1966年C.S.WeaveJ.W.Goodman和J.E.Rau提出了聯(lián)合變換光學(xué)相關(guān)的基本理論，設(shè)計(jì)了聯(lián)合變換相關(guān)器。這種相關(guān)器克服了VanderLugt相關(guān)器需要提前制作濾波器和調(diào)試要求苛刻的缺點(diǎn)操作靈活方便由于是將參考圖像和目標(biāo)圖像同時(shí)輸入光學(xué)系統(tǒng)，聯(lián)合變換相關(guān)器比VanderLugt器有更好的實(shí)時(shí)處理能力，代表了光學(xué)相關(guān)器的發(fā)展方向。每小時(shí)1500650小時(shí)350可以為過往車輛節(jié)約運(yùn)營時(shí)間，這對(duì)于長途旅客運(yùn)輸和商用貨物運(yùn)輸也顯得尤為重要。此外，由于不停車收費(fèi)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平高、收費(fèi)迅速而便捷、管理統(tǒng)一規(guī)范，對(duì)杜絕高速公路人為的“亂收費(fèi)”現(xiàn)象也具有特別重要的意義。聯(lián)合變換相關(guān)模式識(shí)別基本原理的基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)性好的光學(xué)過程轉(zhuǎn)化為編程控制、精度高和操作靈活的數(shù)字模式。使的沒有實(shí)驗(yàn)設(shè)其在商業(yè)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)用化，對(duì)提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、尤其是提高軍事打擊能力和防御能力，都有極其重要的意義。本課題在研究聯(lián)合變換相關(guān)模式識(shí)別基本原理的基礎(chǔ)上，使用了計(jì)算機(jī)模擬將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的可并行處理、實(shí)時(shí)性好的光學(xué)過程轉(zhuǎn)化為編程控制、精度高和操作靈活的數(shù)字模式。使的沒有實(shí)驗(yàn)設(shè)備也可形象地看到仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第2章相關(guān)目標(biāo)識(shí)別理論及仿真光學(xué)圖像識(shí)別技術(shù)的基本原理VanderLugt4f如圖1、L2為傅里葉透鏡。下面分別介紹這兩種方法圖2-14f光學(xué)成像系統(tǒng)VanderLugt相關(guān)器原理VanderLugt相關(guān)器對(duì)圖像的識(shí)別是在空間濾波的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，其方法是在4f系出平面上產(chǎn)生會(huì)聚的相關(guān)光斑。ixy (, ) I(f,f)Fi(x,y)} {*如果目標(biāo)圖像為 ，其頻譜為 x ixy I*(f,f)符)，則匹配濾波器為目標(biāo)圖像頻譜的復(fù)共軛，即 x y 。g(x,y4f4f頻譜平面，在單色平行相干光的照明下，經(jīng)過空間濾波后，頻譜平面上的頻譜為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 為 的頻譜，即 x, y 。則在4f系統(tǒng)輸出平面上能得到的圖像為o(x,y)F,f )I*(f,f )}i(x,y)★g(x,y)x y x y其中，F(xiàn)1{*}為傅里葉逆變換算符，符號(hào)“★”表示相關(guān)運(yùn)算，i(x,y)F{I(f,fx y

)}，g(x,y)F{G(f,fx y

)}。如果待識(shí)別圖像中含有目標(biāo)圖像信息，則在輸出圖像的相應(yīng)位置會(huì)產(chǎn)生相關(guān)最強(qiáng)，出現(xiàn)亮斑，否則只出現(xiàn)彌散的光斑。聯(lián)合變換相關(guān)器原理聯(lián)合傅里葉變換相關(guān)器（joint-Fouriertransformcorrelator,JTC）簡(jiǎn)稱聯(lián)合變換相關(guān)器，分成兩步，第一步是用平方記錄介質(zhì)（或器件）記錄聯(lián)合變換的功率譜，如圖所示。圖中L是傅里葉變換透鏡，焦距為f待識(shí)別圖像（例如帶識(shí)別目標(biāo)、現(xiàn)場(chǎng)指紋）透過率為f(x,y，置于輸入平面（透鏡前焦面的一側(cè)，起中心位于(a,0)；參考圖像（例如參考目標(biāo)、檔案指紋）的透過率為g(x,y，置于輸入平面的另一側(cè)，其中心位于(a,0)。用準(zhǔn)直的激光束照射f，g，并通過透鏡進(jìn)行傅里葉變換。在譜面（透鏡的后焦面）uv上的復(fù)振幅分布為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分別是f,gfg（兩個(gè)圖形完全相同）時(shí)，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亦即相同圖形聯(lián)合變換的功率譜為楊氏條紋。聯(lián)合變換相關(guān)器是在輸入平面上對(duì)稱地放置待識(shí)別圖像v(x,y)與目標(biāo)圖像t(x,y，形成聯(lián)合的輸入信號(hào)i(x,y)v(xa,yt(xa,y)如圖2(a)所示。在單色平行相干光的照明下，經(jīng)過透鏡L1譜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)}

。在頻譜平面上用強(qiáng)度敏感器件接收聯(lián)合傅里葉譜，并將其轉(zhuǎn)化為聯(lián)合功率譜，其表達(dá)式為|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聯(lián)合功率譜經(jīng)透鏡L2的傅里葉逆變換作用，在輸出平面上得到相關(guān)輸出o(x,y)，其表達(dá)式為這里，(*)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個(gè)部分：第一、四項(xiàng)分別為目標(biāo)圖像和0和2(b)則會(huì)在(-2a，0)和(2a，0)附近產(chǎn)生相關(guān)的亮斑。圖2聯(lián)合變換相關(guān)器的輸入平面和輸出平面圖像識(shí)別原理及光路圖本文主要是進(jìn)行VanderLugt相關(guān)器對(duì)圖像的識(shí)別。光學(xué)聯(lián)合變換是一種傅里葉分析技術(shù)，傅里葉透鏡是最重要的執(zhí)行器件。傅里葉分析對(duì)分析線性和非線性現(xiàn)象都是一個(gè)極其有用的數(shù)學(xué)工具。二維傅里葉變換是最常用的傅里葉變換理論，是光學(xué)相關(guān)理論的重要組成部分。在介紹透鏡的傅里葉變換特性之前先簡(jiǎn)單回顧直角坐標(biāo)系中的二維傅里葉變換。對(duì)于(x,譜）定義為：

，其傅里葉變換（也叫傅里葉譜或頻（2-1）其中， 是函數(shù)F對(duì)應(yīng)的直角坐標(biāo)系的兩個(gè)坐標(biāo)變量，通常稱為頻率。都是實(shí)變量，函數(shù) 可以是實(shí)函數(shù)，也可以是復(fù)函數(shù)被稱為二維傅里葉變換的核。類似地， 的傅里葉逆變換定義為：（2-2）函數(shù) 的傅里葉逆變換也稱為函數(shù) 的傅里葉積分其原理可以用圖1．1說明。在物面P1

4f圖2.1光學(xué)模式識(shí)別 系統(tǒng)的輸入目標(biāo)，fx,y4f系統(tǒng)與放置在頻譜平面P2

上的匹配濾波器hx,y進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，其相關(guān)輸出結(jié)果顯示在輸出平面P3

上。如果輸出的相關(guān)結(jié)果為fx,yhx,yfx,y為假目標(biāo)。相關(guān)器由探測(cè)因此，這種識(shí)別不可能是完全和準(zhǔn)確的。1964年，VanderLugt提出了使用離軸全息方法制作匹配空間濾波器，構(gòu)成VanderLugt相關(guān)器(VanderLugtCorrelator,VLC)VanderLugt相模式識(shí)別成為光學(xué)信息處理的一個(gè)熱點(diǎn)。但是，VanderLfigt1．需要提前制作頻譜面只上的匹配濾波器，缺乏靈活性；心完全重合，而這一點(diǎn)是很難實(shí)現(xiàn)的。1966和(JointTransformCorrelators，JTC)，克服了VanderLugt優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合變換相關(guān)器迅速取代了VanderLegt當(dāng)然，經(jīng)典聯(lián)合變換相關(guān)器自身也存在著兩個(gè)方面不足：MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)中，圖像是用矩陣來表達(dá)的。使用MATLABimread()函數(shù)，我們可提供了fft2()、ifft2()、fftshift()ifftshift()4個(gè)函數(shù)，能夠讓我們很容易地模擬4f光學(xué)成像系統(tǒng)的變換作用，并能得到同時(shí)含有振幅和位相信息的復(fù)矩陣。由于光學(xué)信息處理中通常顯示的是強(qiáng)度信息，所以在中要用abs()函數(shù)對(duì)復(fù)矩陣取模，同時(shí)MATLAB符號(hào)為“”和點(diǎn)乘符號(hào)為“.””即按通常的矩陣乘法運(yùn)算進(jìn)行.中，我們是采用點(diǎn)乘的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)圖像的變換的。下面用MATLAB分別對(duì)前面提到的兩種光學(xué)相關(guān)器進(jìn)行仿真。1、讀取待處理的圖像，將其轉(zhuǎn)化為二值圖像goal0=imread('C:\Users\Administrator\Desktop\3.jpg');goal=im2bw(goal0);其中imread()是讀取圖像函數(shù)，'C:\Users\Administrator\Desktop\3.jpg'為目標(biāo)圖像原圖的路徑，im2bw()是將圖像轉(zhuǎn)為二值圖像函數(shù)。2、將車牌圖像反白處理，并擴(kuò)充為17×339的矩陣（如下圖，以便下面傅立葉變換中矩陣旋轉(zhuǎn)運(yùn)算的進(jìn)行。goal=~goal;goal(179,339)=0;s=size(goal)figure;imshow(goal);目標(biāo)圖像3（對(duì)圖像計(jì)算傅立葉描述子，用預(yù)先定義好的決策函數(shù)對(duì)描述子進(jìn)行計(jì)算。變換后的圖像中，亮度的高低指示相應(yīng)區(qū)域與模板的匹配程度（如下圖。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為待識(shí)別字符的圖片路徑。傅里葉變換后相關(guān)輸出4、通過檢查C的最大值，經(jīng)過多次試驗(yàn)，確定一個(gè)合適的門限（這里33比較合適顯示亮度大于該門限的點(diǎn)，也就是與模板的匹配程度最高的位置（如下右圖。thresh=33;figure;imshow(C>thresh);對(duì)照(a)和(c)兩圖，可以說明字符“7”被識(shí)別和定位了。同樣的方法，可以識(shí)別和定位其它字符。5、將相關(guān)識(shí)別的仿真結(jié)果的相關(guān)峰輸出F=conj(C).*C;figure;surf(F);其中conj()是對(duì)矩陣的復(fù)共軛變換函數(shù)。surf（）是對(duì)三維圖像輸出。顯示,利用MATLAB可以比較容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)圖像識(shí)別相關(guān)器的仿真，而且仿真的結(jié)果和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是相符合的。因此，用MATLAB實(shí)現(xiàn)的對(duì)光學(xué)圖像識(shí)別相關(guān)器的仿真的這一新方法，有助于我們對(duì)光學(xué)圖像識(shí)別技術(shù)的研究。第3章光學(xué)圖像識(shí)別與防偽技術(shù)近年來，偽造貨幣和信用卡的犯罪問題已增加到令人吃驚的地步，去年，世界范圍內(nèi)僅偽造信用卡的面值就超過10億美元。CCD展，照片、標(biāo)牌、標(biāo)識(shí)、紙幣或圖案的復(fù)制都變得更加簡(jiǎn)單了，這就引起人們關(guān)注防偽技術(shù)的研究和發(fā)展。在日益發(fā)展的生物統(tǒng)計(jì)識(shí)別領(lǐng)域中，光學(xué)技術(shù)正被用來研制視網(wǎng)膜掃描、手形及紋理識(shí)別、指紋鑒別等方面的儀器。已非常先進(jìn)，以致于很容易通過拍照或用CCD相機(jī)獲取信用卡上的全息圖象。這是采20加拿大元的紙幣，但全息圖仍然用作現(xiàn)鈔上“紋理”的檢驗(yàn)。基于防偽目的的光學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，本文提出了一種新思想，確保信用卡、護(hù)照及身份證的安全性，不易被復(fù)制。這是一種復(fù)相位/振幅圖案的新方案。對(duì)光強(qiáng)敏感的探測(cè)器，如CCD照相機(jī)，它是不可見的，不能相被復(fù)制。其基本原理是將一相位掩模與原始識(shí)別振幅圖案，如指紋、臉部相片或簽名，永久地、不可恢復(fù)地結(jié)合起來。相位掩模和原始圖案都可以通過光學(xué)處理器或相關(guān)器識(shí)別。此種相位編碼很難復(fù)制，并且它與個(gè)人身份證號(hào)碼、指紋或照片結(jié)合，形成一個(gè)萬無一失的防偽識(shí)別系統(tǒng)。相位掩模的制作可以利用透光的壓紋塑料薄膜、漂白的攝影薄膜、蝕刻的玻璃或金屬反射器。另外，隨機(jī)相位掩模不必疊放在原始圖案上，可將其靠在證件的原始圖案旁，或單獨(dú)用于所制造的識(shí)別項(xiàng)目上。這里將討論幾種實(shí)現(xiàn)這種構(gòu)想的方法，最終所采用的方式取決于防偽的級(jí)別。系統(tǒng)描述頻譜面光學(xué)相關(guān)器。在頻譜面相關(guān)器中，一個(gè)需要驗(yàn)證的物體或原始圖案g(x,y)，由一幅貼有相位掩膜的振幅灰度圖樣構(gòu)成，把物體放在處理器的入射平面，相位掩膜可以疊加在指紋、身份證照片或者信用卡上。因此，復(fù)合輸入信號(hào)是i(x,y) g(x,y)jM(x,y)]相干光照明復(fù)合掩模，通過反射或信用卡上的透明部位提取信號(hào)。處理器已有exp(x,y)的先驗(yàn)知識(shí)。在傅氏平面放置一檢驗(yàn)相位的空間濾波器，它可以是各種匹配濾波器或空間濾波器。輸入的掩模圖案用透鏡實(shí)現(xiàn)傅氏變換，再乘以空間濾波器的傳遞函數(shù)。第二塊傅氏變換透鏡在處理器的輸出處產(chǎn)生相關(guān)點(diǎn)，能被CCD成像器件探測(cè)到。如果空間濾波器與輸入相位掩模匹配或高度相關(guān)，一個(gè)高強(qiáng)度點(diǎn)將被CCD成像器件探測(cè)到。當(dāng)這個(gè)強(qiáng)度超過某個(gè)預(yù)定值，將產(chǎn)生一個(gè)表明真實(shí)性的驗(yàn)證信號(hào)。如果輸入相位掩模是假的，輸出相關(guān)點(diǎn)的強(qiáng)度將低于閾值。采用非線性聯(lián)合變換相關(guān)器檢驗(yàn)卡的真實(shí)性。復(fù)合掩模和對(duì)應(yīng)的參考相位掩模在JTC的入射平面被相干光照射，兩輸入象經(jīng)透鏡傅氏變換發(fā)生干涉，按平方律探測(cè)得到中單個(gè)空間光調(diào)制器方案是可取的，對(duì)于這種應(yīng)用，它可能更經(jīng)濟(jì)有效。對(duì)于一個(gè)沒有采用SLM的系統(tǒng)，用電子學(xué)技術(shù)對(duì)聯(lián)合功率譜作傅氏變換，也可得到相關(guān)信號(hào)。在聯(lián)合變換相關(guān)器中，來自信用卡的輸入相位掩模占據(jù)了整個(gè)輸入象平面的一半，輸入平面的另一半是投射或反射式的參考相位編碼。如果對(duì)不同的信用卡，相位掩模應(yīng)該實(shí)時(shí)更換，則相應(yīng)的參考相位掩?？梢詮挠?jì)算機(jī)中調(diào)出，并寫入輸入面的空間調(diào)制器上。如果更換的速度要求不高，可以用機(jī)械的方法更換相位掩模。聯(lián)合變換相關(guān)器能方是極其重要的，非線性JTC可能更為實(shí)用。用非線性JTCg(x,y的先驗(yàn)知識(shí)，并且重復(fù)同樣的鑒別過程。附加的安全措施為了更加安全，原始圖案本身可以進(jìn)行相位編碼，也就是指紋、照片本身可以寫為一種相位掩模，并與前面所討論的隨機(jī)相位掩模組合，則每個(gè)象素的相位是兩個(gè)相函數(shù)的代數(shù)和。這