Схема оптического кодирования изображений с пространственно-некогерентным освещением с возможностью динамической смены кодирующего ключа

Оптическое кодирование изображений — процесс кодирования, реализуемый при помощи оптических систем, в котором происходит оптическая свёртка кодируемого изображения и функции рассеяния точки системы, которая является кодирующим ключом. Оптическое кодирование информации имеет преимущества перед цифровым, так как выполняемые процессы не сопровождаются побочными сигналами в радиодиапазоне, нет влияния помех, процесс кодирования закрыт и безопасен. Кроме того, использование оптических систем позволяет добиться высокого быстродействия при кодировании.

Как правило, для оптического кодирования в качестве кодирующих элементов используют дифракционные оптические элементы (ДОЭ). В результате прохождения излучения через кодирующий ДОЭ осуществляется свёртка изображения объекта, формируемого в плоскости фотосенсора, с импульсным откликом ДОЭ.

Динамическую смену кодирующего ключа можно реализовать посредством использования пространственно-временных модуляторов света (ПВМС). Развитие технологий производства и роста количества пикселей ПВМС привело к активному развитию методов оптического кодирования [1-7].

В качестве ДОЭ нередко используют Фурье-голограммы. Однако наличие у голограмм нескольких дифракционных порядков затрудняет их использование в оптико-цифровых системах

Бондарева Алёна Павловна, студентка первого курса магистратуры кафедры лазерной физики.

и приводит к дополнительным потерям излучения. Регистрация протяжённого сигнала фотосенсором представляет техническую трудность. Альтернативой применения голограмм может стать использование таких синтезируемых фазовых дифракционных элементов как киноформы.

• 2.    ОПТИЧЕСКОЕ КОДИРОВАНИЕ

• 3.    ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ОПТИЧЕСКОГО КОДИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕКОГЕРЕНТНОМ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОСТРАНСТВЕННОНЕКОГЕРЕНТНОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Оптическое кодирование, как правило, осуществляется в пространственно-когерентном монохроматичном свете. Наиболее известный метод – метод кодирования с двойной случайной фазой [8-12]. Суть метода заключается в применении двумерных кодирующих ключей, в качестве которых используются случайные фазовые маски, из-за чего такие системы обладают высокой криптостойкостью. Однако, ввиду необходимости регистрации фазы, такие системы требуют голографических методов регистрации и, соответственно сложных оптических схем. Также, протяженность импульсных откликов случайных фазовых масок приводит к низкому качеству декодирования изображений.

Для упрощения схемы кодирования и повышения устойчивости к шумам возможен переход от пространственно-когерентного монохроматического излучения к пространственно-некогерентному. При этом уже не требуется регистрация фазы, что позволяет отказаться от голографической схемы записи. Процесс кодирования осуществляется прохождением монохроматического пространственно-некогерентного излучения от кодируемой сцены через ДОЭ, в результате чего образуется свертка изображения сцены с импульсным откликом ДОЭ [13], являющимся кодирующим ключом. Полученное таким образом изображение фиксируется матричным фотосенсором (фотоприемником). Модель оптического кодирования описывается уравнением:

g ( x, y ) = f ( x, y ) ® h ( x, y ) + n ( x,y ) , (1) где g(x, y) – кодированное изображение, f(x, y) - исходное изображение, h(x, y) – функция рассеяния точки (ФРТ) и n(x, y) – аддитивный шум.

Принципиальная схема кодирования приведена на рис. 1. Такие системы применяются не только в криптографических целях, но и для задач увеличения глубины резкости [14], устранения хроматических аберраций [15], снижения массы и габаритов оптических систем [16].

В качестве ДОЭ вместо голограмм целесообразно использование киноформов. Киноформ – фазовый дифракционный оптический элемент, который несёт информацию только о фазовой составляющей объектной волны и позволяет восстанавливать её при освещении опорной волной. Практически весь падающий на киноформ свет собирается в один дифракционный порядок. Применение жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК ПВМС) для отображения киноформов [17] позволяет реализовать схему кодирования с динамически меняющимся кодирующим ключом.

СВЕТЕ НА БАЗЕ ФАЗОВОГО ЖК ПВМС

Экспериментальная установка для оптического кодирования с пространственно-некогерентным освещением [18] на базе фазового ЖК ПВМС “HoloEye PLUTO VIS” [19-21] приведена на рис. 2.

Монохроматический свет коллимируется линзами Л1, Л2, вращающийся матовый рассеиватель ВМР разрушает пространственную когерентность. Кодируемая сцена размещена в передней фокальной плоскости линзы Л3. Поляризатор П и анализатор А выделяют требуемое ПВМС направление поляризации. Фазовый ЖК ПВМС расположен в задней фокальной плоскости линзы Л3. Линза Л4 формирует изображение кодируемой сцены на фотосенсоре камеры. Фазовый ЖК ПВМС используется для отображения киноформов. В результате, камерой фиксируется свертка изображения объекта и импульсного отклика киноформа.

К достоинствам схемы оптического кодирования изображений в пространственно-некогерентном свете на базе фазового ЖК ПВМС можно отнести возможность оперативного изменения

Рис. 1. Принципиальная схема оптического кодирования с использованием ДОЭ

ЛАЗЕР

Фотосенсор

Рис. 2. Схема экспериментальной установки оптического кодирования изображений в пространственно-некогерентном свете на базе фазового ЖК ПВМС кодирующего ключа и реализации, как в когерентном, так и в некогерентном свете. Другим применением является устранение спеклов при регистрации изображений в системах, использующих пространственно-когерентное лазерное излучение.

• 4.    ПОЛУЧЕННЫЕЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

  Пример оптического кодирования простой сцены на реализованной установке приведен на рисунках 3-5. Для эксперимента в качестве кодируемого изображения было использовано контурное изображение, представленное на рис. 4а. Кодирующий киноформ, полученный методом Герчберга-Сэкстона [22-24] изображен на рис. 3б и имеет размер 1080x1080 отсчетов. Импульсный отклик киноформа представлен на рис. 3а. Кодированное изображение приведено на рисунке 4б.

Декодирование осуществлялось численно с использованием метода регуляризации Тихонова [25]. Оценка качества декодированных изображений производилась путём расчёта нормированного среднеквадратичного отклонения (НСКО) [26] декодированных изображений от оригинальных.

Результат численного декодирования кодированного изображения приведен на рис. 5: восстановленное изображение с минимальным НСКО от оригинала равным 0,42 (рис. 5 (а)) и зависимость НСКО от параметра регуляризации Тихонова (рис. 5 (б)).

Рис. 5. Декодированное изображение с минимальным НСКО от оригинала (а) и зависимость НСКО от параметра регуляризации Тихонова (б)

Зашумленность декодированного изображения, приведшая к высокому значению НСКО, обусловлена преимущественно паразитной фоновой засветкой кодированного изображения,

а

а

б

Рис. 3. Импульсный отклик киноформа (а), кодирующий киноформ (б)

б

Рис. 4. Кодируемое изображение (а), кодированное изображение (б)

а

б

Рис. 3. Импульсный отклик киноформа (а), кодирующий киноформ (б)

возникшей в первую очередь из-за флюктуаций фазового сдвига в ПВМС [20, 21]. Для повышения качества декодирования целесообразно использовать ПВМС в режиме синхронизации с лазером или камерой для устранения негативного эффекта флюктуаций фазового сдвига.

Полученные результаты подтверждают работоспособность реализованной схемы оптического кодирования с пространственно-некогерентным освещением на базе фазового ЖК ПВМС.

• 4.    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментально реализована схема оптического кодирования изображений в пространственно-некогерентном свете на базе фазового жидкокристаллического пространственновременного модулятора света с возможностью динамической смены кодирующего ключа. Проведены эксперименты и продемонстрирована работоспособность схемы. Невысокое качество декодированного изображения обусловлено преимущественно паразитной фоновой засветкой кодированного изображения, возникшей в первую очередь из-за флюктуаций фазового сдвига в пространственно-временном модуляторе света. Предложенная схема на современной аппаратной базе позволит осуществлять кодирование со скоростью в десятки изображений в секунду, достаточной для кодирования видеопотока в режиме реального времени.