Адаптивные оптические системы для обработки изображений

Оптические методы и системы для записи, обработки и передачи изображений находят широкое применение в современной науке и технике. Большие массивы цифровых и полутоновых изображений требует быстрого анализа и оценки. Главным преимуществом оптических методов является возможность быстрой классификации и обработки снимков. Современные оптикоэлектронные 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 [З].

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 [4,7]. 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 [4,6]. 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.

1х Адаптивные методы обработки изображений

Адаптивная оптическая система самонастраивается (адаптируется) к изменяющимся условиям работы. Сущность адаптивных методов состоит в том, что автоматически корригируются характеристики оптической системы с целью получения наилучшего образа наблюдаемого объекта или обрабатываемого изображения. Теоретические основы адаптивной обработки базируются на классической теории Аббе для формирования изображения в микроско пе и на фазово-контрастном методе Дернике [7]. Действие фильтрующего объектива и роль нулевого порядка при образовании изображения с высокой разрешающей способностью в результате двойной дифракции и использование амплитуднофазового фильтра в фазово-контрастном микроскопе для подавления освещающего фона от нулевого порядка аналогичны работе адаптивного оптического элемента (АОЗ) в оптической системе обработки информации. AG3 представляет собой нелинейный фильтр, который воздействует одновременно на весь пространственночастотный спектр в Фурье-плоскости линейной оптической системы. Адаптивный нелинейный фильтр ослабляет яркий нулевой порядок, ненужные пространственные частоты и фон светорассеивания с целью повышения контраста, резкости и информационной способности обрабатывав мой картины.

Существующие линейные и нелинейные алгоритмы для адаптации разделяются на две категории:

• -    адаптация с эталонной моделью (оптическая система с обучением), для которой реакция системы известна заранее и разностный сигнал Формируется в

любой момент времени синхронизации в блоке фильтрации для управления процесса в нужном направлении;

• -    адаптация без эталонной модели (оптическая система без обучения), когда реакция адаптивной оптической системы 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 фильт ра определяется из выражения

A(i + 1) = A(i) - ц( i ) VF [А (i ) ] | {|| VF [а (i ) ] ||} ,                                           (1)

где ц(т) - коэффициент адаптации, который определяет скорость сходимости алгоритма; || V F [А (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

Q(f ,f ) х у

ц (f ,f ) Ф (f ,f ) х' у о х у

|s(f ,f )

I х у

ф (f / о X

f ) + ф (f У п

X

где Ф (f ,f ) и Ф (f zf ) о х' у п х у

- плотности спектральной мощности соответственно для сигнала и шума, когда эти величины изменяются статистически независимо при записи фильтра.

Функция влияния ц (f ,f ) зависит у от пространственных частот fx, fy спектра и отражает характеристики фильтрующего блока при формировании АОЗ для Фурье-преобразования S (fх , f ) обрабатываемого объекта. Коэффициент пропускания записываемо го амплитудного фильтра пропорционален интенсивности спектрального распределени я 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(i).

3. Экспериментальные результаты обработки изображений

В качестве транспаранта для записи АОЗ мы использовали электрохромные сэндвичиые устройства и панхроматические фотоэмульсии с прямым самопроявле-нием [^,6,7]. На рис. 1 показаны кривые изменения амплитудного коэффициента Та в зависимости от времени экспонирования t: реверсивный электрохромный транспарант (а) имеет максимальную оптическую плотность D 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 АОЗ так же нелинейно(б)после экспозиции t * 15 с (кривые 1, 2 и 3) при энергии 7,2 МВт в центре спектра (от He-Ne лазера). На рис. 2 представлена лабораторная установка для адаптивной обработки изображений: оптическая схема а синтезирована из внеосевого параболического зеркала 1 и информационной плоскости 2, проходящей через фокус F зеркала 1 , который расположен в центре зеркала 3, и содержащей информационный транспарант 4 и фотоприем- ки к 5 . вается

Спектр объекта 4 с шумом записы- на

стины 9 ,

светочувствительном слое пла-которая поставлена перед плос ким 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 1. 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. ^,б). Параболическое зеркало 1

30 tfO 50 60 70 80 90

1 0 20

a

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 АОЗ 9 (рис . 2 , а) .

При управляемой адаптации электро-хромный АОЗ 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. 5,в). Функция адаптации ц({ zf ) для данного нелинейного фотоматериал^ изменяется в зависимости от вида обрабатываемого

Рис. 2. Установка для адаптивной обработки изображений: а - оптическая схема;

б - обрабатывающий блок пространственно-частотного спектра. Для объекта с низкими пространственными частотами интенсивность спектра сосредоточена в центре фильтра (рис. 6) и на АОЗ формируется яркое светлое пятно (действие противоположное, чем на рис. 5,6) с темным кольцом вокруг (рис. 6,6). При изменении времени запи си АОЗ (рис. 7 ,cz) или напряжения на электродах транспаранта (рис. 1,6) коэффициент адаптации ц не меняется для сосредоточенного спектра и темное кольцо на АОЗ сохраняется. Действие адаптивного фильтра здесь малоэффективно при обработке изображений с низкими частотами (рис. 8).

a

б

Рис. 3- Спектры с ярким нулевым порядком: а - спектр с круговой симметрией; б - спектр лря м-оу гол ь но го объекта

о                                                           у

Рис. 4. Сложный спектр: а - фотография шумового пятна; б - денситограмма сечения спектра под углом 45 к вертикальной оси

a

О

О

Рис. 6. Сосредоточенный спектр в центре фильтра: а - сечение яркого светового пятна на негативе; б - темное кольцо, записанное на электоохромном транспаранте

Рис. 7. Управление адаптивным фильтром: а - изменение времени записи на злектрохромном транспаранте, б - изменение напряжения на электродах транспаранта

г

Рис. 8. Действие электрохромного адаптивного фильтра (I - исходный спектр, II - обработанный спектр): а - сечение сложного спектра, 6 - 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 F которого расположена информационная плоскость 5 с входным транспарантом 3, выходным фотоприемни 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 F объектива 6 поставлена обрабатывающая плоскость 8, совпадающая с рабочими поверхностями селективного зеркала 9 и час-от-тотного фильтра 7, перед которым расположен АОЭ 10. Пучок лучей с управляющей длины волны А3, который выходит из лазера 14, расширяется коллиматором 13

Рис. 9. Оптические схемы для гибридной адаптивной обработки изображений: а - линзовая система, б - зеркальная схема

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 Х₁ и пропускает лучи пучка 17 с управляющей длины Х₂ . 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' С' на приемнике 4. Элемент 10 изменяет свою оптическую плотность в области спектральных порядков и селективно пропускает свет с X к голографическому 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 Х₂ фокусируются объективом 6 на приемнике 15, который связан с управляющим 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' 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 1 поставлено выпуклое зеркало 8. Установка 12 с перенастраивающейся длины Х2 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 Х1э регулирует режим работы элемента 7 и замыкает оптическую обратную связь по Х2 через линию 18. ЭВМ 17 связана с освещающими установками 12 и 19 и контролирует модуляцию пучков 14 и 21, блока 22 для подачи снимков и приемник 5, замыкая оптическую обратную связь по X . Монитор 23 связан с блоками 17 и 5 цпн наблюдения текущей картины оператором комплекса обработки изображений.

С помощью лазерного пучка 14 с длиной волны Х₂, которая отличается от рабочей длины Х₁, формируется фильтр с высокой оптической плотностью в центре АОЭ 7 для подавления неинформативных ярких областей по полю изображения (рис. 10). Оконтуривание изображения с помощью пассивного адаптивного фильтра показано на рис. 11: для объекта типа спирали Архимеда оптическая система формирует сосредоточенный спектр (рис. 8,6, денситограмма 7) с низко интенсивными нулевыми порядками а и в обработанном изображении 6 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. Оконтуривание 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 сканограммы при адаптивной обработке полутонового объекта типа инженерферограммы: в начальном периоде записи АОЭ на самопроявляющей-ся фотоэмульсии из-за нелинейности (рис. 1 ,6") 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, записанные 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, двоякоуправляемые 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.

б

Рис. 12. Обработка полутоновой картины: а - обработанное изображение; б - де ней то грамма записанного изображения