CC BY
70
ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ
И.Д. Николов
АДАПТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ
1. Введение
Оптические методы и системы для записи, обработки и передачи изображений находят широкое применение в современной науке и технике. Большие массивы цифровых и полутоновых изображений требуют быстрого анализа и оценки. Главным преимуществом оптических методов является возможность быстрой классификации и обработки снимков. Современные оптико-электронные комплексы работают более эффективно, чем ЭВМ и оптические процессоры. Оптические адаптивные методы имеют некоторые новые функциональные возможности для обработки изображений [1,2]. Линзовые объективы для обработки информации используются в устройствах для корреляционного анализа, повышения контраста расфокусированных изображений, распознавания объектов на случайном фоне, оконтуривания фигур, улучшения качества полутоновых изображений и т.д. [3-7]. Совместные исследования, проведенные в ИППИ АН СССР и ЦЛ030И БАН, привели к разработке нового класса адаптивных оптических систем [3]•
Прикладные проблемы цифровой оптики и синтеза фильтров рассмотрены в работе [2]. Решение аберрационной задачи и изучение зеркальных оптических систем позволили нам создать новый гибридный комплекс для адаптивной обработки информации. Разработанные оптические устройства отличаются компактностью и эффек-
тивностью [5,7]. Цель данной работы -обобщение накопленного опыта на основе полученных результатов от применения созданных оптических систем и анализ дальнейшего развития адаптивных методов при разработке оптико-электронных комплексов для гибридной и автоматизированной обработки изображений.
Внеосевые параболические зеркала использованы нами успешно в полностью отражательных схемах для работы с адаптивными фильтрами и оптической обратной связи при обработке разных изображений [*♦, 7] . Наше предложение состоит в том, чтобы использовать динамический нелинейный элемент в компактной зеркальной системе, в частотной плоскости которой локальная оптическая плотность по всему полю адаптивного фильтра изменяется в зависимости от падающей интенсивности в любой точке записываемого спектра объектного транспаранта [^>6]. Для любой оптической передаточной функции системы амплитудно-частотная функция фильтра должна быть согласована с действующим спектром объекта для оптимальной обработки и передачи сигналов [3"7]. Необходимо синтезировать такой адаптивный фильтр, который может подавить шум вне области сигнального спектра и одновременно обеспечить минимум дисперсии ошибок. Разработаны базовые схемы и устройства для пассивной, управляемой и гибридной адаптации при оптической обработке изображений.
2. Адаптивные методы информации. ДСЭ представляет собой не-
a линейный фильтр, который воздействует
обработки изображении одновременно на весь пространственно-
Адаптивная оптическая система само- частотный спектр в Фурье-плоскости ли-
, „ ^, „ „ 1 „ неинои оптической системы. Адаптивны и настраивается (адаптируется) к изменя-
_ „.х г ,„ ^,, - -г ^ „„ нелинейный фильтр ослабляет яркии ну-
ющимся условиям раооты. Сущность адап- к к
тивных методов состоит в ток, что авто- левой П°Р"Д0*. ненужные пространствен-
матически корригируются характеристики ные частоты и фон с веторассейвания с
оптической системы с целью получения ^елью повышения контраста, резкости и
наилучшего образа наблюдаемого объекта информационной способности обрабатывае-
или обрабатываемого изображения. Теоре- мои картины.
тические основы адаптивной обработки Существующие линейные и нелинейные
базируются на классической теории Аббе алгоритмы для адаптации разделяются на
для формирования изображения в микроско две катег°Рии:
пе и на фазово-контрастном методе Цер- " адаптация с эталонной моделью
нике [7]. Действие фильтрующего объек- (оптическая система с обучением), для
тива и роль нулевого порядка при обра- которой реакция системы известна зара-
зовании изображения с высокой разреша- нее и Разностный сигнал формируется в
ющей способностью в результате двойной любой момент времени синхронизации в
дифракции и использование амплитудно- блоке фильтрации для управления процес-
фазового фильтра в фазово-контрастном са в нужном направлении; микроскопе для подавления освещающего - адаптация без эталонной модели
фона от нулевого порядка аналогичны ра- (оптическая система без обучения) , когда
боте адаптивного оптического элемента реакция адаптивной оптической системы
(АО Э) в оптической системе обработки предварительно неизвестна.
Этот случай является более сложной задачей, которая может быть решена с помощью набора независимых фильтров типа Кальмана-Бьюси. Для моделирования адаптации используются разные методы и алгоритмы. Если математическая модель корректна, то адаптивная оптическая система быстро самонастраивается. Отрицательный градиент в центре малой области A(i) адаптивного фильтра направлен к максимальному уменьшению функции адаптации F(A), и переход к соседнему центру локальной области фильтра определяется из выражения
А (i + 1) = А ( i ) - u<i>VF[A(i)J | {|| VF[A(i>] ||) , (1)
где y.(i) - коэффициент адаптации, который определяет скорость сходимости алгоритма; l|VF[A(i)]|| - норма градиента вектора; VF[A(i)] - градиент специфической функции в выбранной точке А для локальной области адаптивного фильтра. Обычно более удобно задать ц = const и II ♦ II = 1 при практической реализации фильтров.
Нелинейные адаптивные алгоритмы работают быстрее, чем линейные. Для синтеза фильтров можно использовать метод стохастической аппроксимации, который имеет высокую скорость сходимости. Однако синтез оптимальных адаптивных двумерных фильтров в реальном масштабе времени практически невозможен с помощью современных ЭВМ. Нелинейная фильтрация требует гораздо меньше времени, чем линейные методы, и адаптивные алгоритмы проще для реализации. Локально-оптимальный двумерный фильтр решается с помощью градиентной оптимизационной процедуры. Важно правильно определить коэффициент адаптации ц для записи спектра изображения, так как нужна высокая скорость действия фильтра. Оптическая система формирует распределение интенсивности в своей частотной плоскости в виде спектра, который записывает оптимальный адаптивный фильтр с функции типа
*
U (f ,i ) Ф (f , f )
Q(f,f) = -Г1"*-a-J£—*- ' (2>
x У I I 2
S(f ,f ) ф <f ,f > ♦ Ф <f ,f > I x' у I О x' у n x' у
где Ф (f .f ) и Ф (f ,f ) - плотности спектральной мощности соответственно для
о х' у п х у
сигнала и шума, когда эти величины изменяются статистически независимо при записи фильтра .
£
Функция влияния и С f _ f ) зависит
X у
от пространственных частот 1Х, fy спектра и отражает характеристики фильтрующего блока при формировании АОЭ для
Фурье-преобразования БИ ,1 ) обрабаты-
X у
ваемого объекта. Коэффициент пропускания записываемого амплитудного фильтра пропорционален интенсивности спектрального раопределения в частотной плоскости оптической системы для обрабатываемого изображения. Таким образом сложный адаптивный фильтр формируется в виде суперпозиции локальных неутральных фильтров для любого индивидуального спектрального порядка с центром А ( т ) .
3, Экспериментальные результаты обработки изображений
В качестве транспаранта для записи АОЭ мы использовали электрохромные сэндвичные устройства и панхроматические фотоэмульсии с прямым самопроявлением [4,6,7]. На рис. 1 показаны кривые изменения амплитудного коэффициента Та в зависимости от времени экспонирования I: ревеосивный электрохромный транспарант (а) имеет максимальную оптическую плотность 0 в красной области спектра и Та изменяется нелинейно для напряжения электродов 2,5-3,5 V при мощности записывающего пучка 15 МВт в нулевом порядке спектра; а самопроявляющиеся под действием света фотоэмульсии записывают АОЭ так же нелинейно (<5;после экспозиции I = 15 с (кривае 1, 2 и 3) при энергии 7,2 МВт в центре спектра (от Не-№ лазера). На рис. 2 представлена лабораторная установка для адаптивной обработки изображений: оптическая схема а синтезирована из внеосево-го параболического зеркала 1 и информационной плоскости 2, проходящей через фокус ? зеркала 1 , который расположен в центре зеркала 3, и содержащей информационный транспарант 4 и фотоприемник 5. Спектр объекта 4 с шумом записывается на светочувствительном слое пластины 9, которая поставлена перед плоским зеркалом 3. Освещающий пучок 6 проходит через транспарант 4 и фокусируется зеркалом 1, которое формирует двумерный спектр на поверхности зеркала 3. Ось оптической системы 7 расположена на высоте Н над оптической осью 8 зеркала I. На рис. 2,6 показан созданный обрабатывающий блок зеркальной установки в ЦЛ030И БАН. На рабочую плоскость фильтрующего блока проецируется спектр с ярким нулевым порядком и высоким уровнем шума (рис. 3), который можно ослабить с помощью пассивного адаптивного элемента 9 (рис. 2,а). На фотографии видно, что световое пятно в центре зашумляет низкие частоты спектра (рис. 3,6). Сложный реальный спектр (рис. имеет шум нулевого порядка с широким пьедесталом, который захватывает до +5 порядка (рис. 4,6). Параболическое зеркало 1
I (б)
а
Рис. 1. Кривые изменения амплитудного коэффициента от времени экспонирования:
а - для электрохромного транспаранта; б - для самопроявляющихся фотоэмульсий
формирует неискривленный сложный спектр с разделенными высокими порядками (до +11), который обрабатывается АОЭ 9 (рис. 2 , а) .
При управляемой адаптации электро-хромный АОЭ подавляет нулевой порядок спектра (рис. 5) и уменьшает шумовой пьедестал (рис. 5,6) и в конце записи фильтра формирует темные пятна в центре и первых порядках спектра (рис. 5лб). Функция адаптации и(* ) для данного
нелинейного фотоматериал^ изменяется в зависимости от вида обрабатываемого
Рис. 2. Установка для адаптивной обработки изображений: а - оптическая схема; б - обраба ты вающий блок
пространственно-частотного спектра. Для объекта с низкими пространственными частотами интенсивность спектра сосредоточена в центре фильтра (рис. 6) и на АОЭ формируется яркое светлее пятно (действие противоположное, чем на рис. 5,б) с темным кольцом вокруг (рис. 6 ,<5) . При изменении времени запи-
си АОЭ (рис. 7,а) или напряжения на электродах транспаранта (рис. 7,6) коэффициент адаптации и не меняется для сосредоточенного спектра и темное кольцо на АОЭ сохраняется. Действие адаптивного фильтра здесь малоэффективно при обработке изображений с низкими частотами (рис. 8).
Рис. 3- Спектры с ярким нулевым порядком: а - спектр с круговой симметрией; б - спектр прям-оугольного объекта
Сложныйспектр^а- фотография шумового пятна; 5 - денситограмма
сечения спектра под углом 45° к вертикальной оси
а - сечение исходного спектра; б - уменьшение шума в центре спектра; в - подавление центрального и первых порядков спектра
о
Рис. 6. Сосредоточенный спектр в центре Фильтра: а - сечение яркого светового пятна на негативе; б - темное кольцо, записанное на электоохромном транспаранте
о
о
Рис. 7. Управление адаптивным фильтром: а - изменение времени записи на электрохромном транспаранте, 6 -изменение напряжения на электродах транспаранта
Рис. 8. Действие электрохромного адаптивного Фильтра (I - исходный спектр, II - обработанный спектр): а - сечение сложного спектра, б - сечение сосредоточенного спектра
Нами разработаны две оптические системы для управляемой и гибридной адаптации фильтрующего блока с помощью двух длин волн при обработке изображений. Синтезирована линзовая а и зеркальная б оптические схемы с двумя контурами обратной связи для записи и управления характеристик АОЭ (рис. 9). Линзовая схема состоит из объектива 6, в переднем фокусе Е которого расположена информационная плоскость 5 с входным транспарантом 3, выходным фотоприемни-
Рис. 9. Оптические схемы для гибридной адаптивной обработки изображений: а - линзовая система, б - зеркальная схема
ком 4 и контрольным приемником 15. Лазер 1 с длиной волны А1 и фильтрующим коллиматором 2 освещает блок управляемого транспаранта 3 параллельным пучком лучей 18. В заднем фокусе ? объектива 6 поставлена обрабатывающая плоскость 8, совпадающая с рабочими поверхностями селективного зеркала 9 и час-от-тотного фильтра ?} перед которым расположен АОЭ 10. Пучок лучей с управляющей длины волны Аа, который выходит из лазера 143 расширяется коллиматором 13
и через модулятор 12 направляется в призму 11 и освещает трехэлементный фильтрующий блок 9-7-10. Зеркало 9 отражает лучи пучка 18 с рабочей длины Л1 и пропускает лучи пучка 17 с управляющей длины Л.2 . Рабочая волна дифрагирует на транспаранте 3 и объектив 6 формирует спектр через адаптивный элемент 10 и прозрачный фильтр 7 на поверхности зеркала 9. Прошедшие через элементы 10 и 7 пространственные частоты отражаются зеркалом 9 в виде наклонных пучков лучей, которые проходят обратно через 7 и второй раз экспонируют АОЭ 10. Объектив 6 формирует обработанное изображение в'А 1 С 1 на приемнике 4. Элемент 10 изменяет свою оптическую плотность в области спектральных порядков и селективно пропускает свет с Л к топографическому фильтру 7 и зеркалу 9. АОЭ 10 воздействует на спектр в прямом и обратном ходе лучей и работает нелинейно (рис. 1,6) для высоких интенсивностей в центре спектра. Прошедшие через АОЭ лучи с Л2 фокусируются объективом 6 на приемнике 15, который связан с управ-ляющим устройством 16 и замыкает оптическую обратную связь для переключения рабочей точки на характеристике АОЭ. Цифровое устройство 16 регулирует режим системы с помощью оптической обратной связи по Х1 для достижения заданной яркости и информационной способности обработанного изображения В"А * С 1 на приемнике 4.
Зеркальная схема (рис. 9,6) синтезирована из параболического зеркала 1 с прозрачной зоной 9 около оптической оси 10 системы и информационной плоскости 2, содержащей рабочие поверхности управляемого транспаранта 3 с защитным фильтром 4 и фотоприемника 5 с фильтром 6, а многослойное зеркало адаптивного элемента 7 также лежит в фокальной
плоскости 2 зеркала 1. Для коррекции кривизны поля системы перед вогнутым зеркалом 2 поставлено выпуклое зеркало 8. Установка 12 с перенастраивающейся длины А-2 излучает световой пучок 14, который расширяется и модулируется устройством 13 и освещает АОЭ 7. Управляющее цифровое устройство 17 обрабатывает и анализирует спектры на АОЭ 7 и изображения на приемнике 5, которые поступают при освещении транспаранта 3 рабочим пучком 21 с регулирует
режим работы элемента 7 и замыкает оптическую обратную связь по Х3 через линию 18. ЭВМ 17 связана с освещающими установками 12 и 19 и контролирует модуляцию пучков 14 и 213 блока 22 для подачи снимков и приемник 53 замыкая оптическую обратную связь по Л . Монитор 23 связан с блоками 17 и 5 для наблюдения текущей картины оператором комплекса обработки изображений.
С помощью лазерного пучка 14 с длиной волны Л2, которая отличается от рабочей длины Хл, формируется фильтр с высокой оптической плотностью в центре
АОЭ 7 для подавления неинформативных ярких областей по полю изображения (рис. 10). О контуривание изображения с помощью пассивного адаптивного фильтра показано на рис. 11: для объекта типа спирали Архимеда оптическая система формирует сосредоточенный спектр (рис. 8,6, денситограмма 1) с низко интенсивными нулевыми порядками а и в обработанном изображении б контуры объекта расщепляются. На рис. 12 даны результаты обработки полутоновой ивич-ной картины: электрохромный АОЭ работает нелинейно (рис. 1,а) и подавляет нулевой порядок спектра (рис. 5,6), что приводит к падению освещенности светлых полос в изображении а; денситограмма поперечного сечения выходного изображе-
Рис. 10. Подавление неинформативных полей обработанного
изображения
Рис. 11. О кон туривание изображения адаптивным фильтром: а - спектр объекта с круговой симметрией, б - сечение обработанного изображения с расщепленными контурами
ния б показывает наличие острых пиков на границах "светлое - темное", что очень удобно для бинарной детекции границ объектов в техническом зрении. На рис. 13 показаны скэнограммы при адаптивной обработке полутонового объекта типа инженерферограммы: в начальном периоде записи АОЭ на самопроявляющейся фотоэмульсии из-за нелинейности (рис. 1,<5) подавляются низкие частоты а, с развитием формирования адаптивного фильтра происходит уменьшение шумового пьедестала б и при завершении
обработки выступают сюжетно важные частоты на адаптивно обработанном изображении в. Полученные результаты при исследовании записи и управления АОЭ в оптической системе позволяют повысить контраст и информативность по всему полю изображения.
Заключение
Нелинейные оптические фильтры, запи' санные на электрохромном транспаранте
или в самопроявляющихся панхроматических фотослоях, подавляют яркий нулевой порядок и шумы в частотной плоскости обрабатывающей оптическрй системы и они могут успешно работать с бинарными и полутоновыми изображениями. На их основе созданы шумоподавляющие, онтурива-ющие, сглаживающие, полосовые, двояко-управляемые адаптивные фильтры для пассивной, управляемой и гибридной адаптации оптической системы и т.д. Мы показали, что зеркальные оптические системы
с отражающим фильтрующим блоком работают эффективно при адаптивной обработке объектов.
Однако до сих пор не разработаны общие и достаточно полные критерии для оценки входных и выходных изображений. Качество оптической системы определяется общепринятыми критериями (разрешающей способности, по ЧКХ и т.д.), но роль оператора при оценке выходной картины не должна пренебрегаться.
Рис. 12. Обработка полутоновой картины: а - обработанное изображение; б - деней то грамма записанного изображения
низких частот, 6 - уменьшение шума, в - яркие пики
Литература
1. Cohen J.D. AppL. Opt., v. 24, N 23, p. 4247-4258, 1985.
2. YaroslaVekii L.P. Applied Problems of Digital Optics, Advances in Electronics and Electron Physics / Edit, by P.W. Hawkes, v. 66, p. 1-140, Acad. Press Inc., Orlando, 1986.
3. Николов И.Д. Адаптивные методы обработки изображений / Под ред. В.И. Сифорова и Л.П. Ярославского. М.: Наука, 1988, с. 1 86-222 .
4. Nikolov I.D. et at. Opt. Quantum Electron., v. 21, N 3, 1989, p. 183-189.
5. Nikolov I.D. Appl. Optika'89, v. 11, p. 320-322, Prage, DUM Tech-niky, 1989, p. 320-322.
6. Nikolov I.D. Abstracts of the IV-th National Conference '"OPTICS'89", May, 18-20 1989, Varna, p. 70-71.
J.Николов И.Д. Оптични методи и системи за запис и обработка на информация, София, СУ "Климент Охридски" (в печати).
