專利名稱：一種通過圖像預處理提高體全息相關器精度的方法
技術領域：
本發明涉及一種通過圖像預處理提高體全息相關器精度的方法，可用于圖像、數據頁的相關運算、檢索、匹配等，屬于光學信息處理領域。
背景技術：
光學相關器通常是基于透鏡的傅里葉變換性質構建的。Vander Lugt光學相關器是一種常見的利用4-F透鏡系統(附圖1所示為體全息相關器的原理圖，透鏡系統見附圖1中的101和103)構建的光學相關器，這種光學相關器可以在輸出面上給出兩幅圖像的互相關函數分布，具有高速、高并行的優點。但是，這種光學相關器本質上仍然是單通道的，一次輸入只能完成兩幅圖像之間的相關運算，給出這兩幅圖像的相似度度量。
體全息相關技術來源于體全息存儲與光學相關器技術，如附圖1所示，附圖1所示的體全息相關器由輸入圖像100，傅立葉變換透鏡101，體全息存儲材料102，反傅立葉變換透鏡103，體全息相關器的輸出面104，和存儲在102中的庫圖像105組成。體全息相關技術通過復用技術在具有一定厚度的體全息存儲材料102中存儲多幅圖像105的傅里葉變換譜，構成一個多重濾波器，并用此多重濾波器替換了Vander Lugt光學相關器中的空間濾波器板，這樣體全息相關器就可以將輸入的圖像100與存儲在材料中的多幅圖像(庫圖像)同時進行互相關運算(多通道并行相關)。理論分析表明，在體全息相關器輸出面104上的光場分布為dx0dy0f'(x0,y0)fm*(x0+ξ,y0+η)×]]>g(xc,yc)∝Σm=-MM∫tsinc{t2π[kmz-kdz+πλξ(2x0+ξ)+η(2y0+η)f2]}]]>從上式可以看出，由于材料厚度t的存在，使得輸入圖像與每幅庫圖像的互相關函數均受到sinc函數的調制，亦即互相關分布中的“旁瓣”(除坐標原點外的所有點)受到抑制。也就是說對每個單一通道而言，與傳統光學相關器相比，輸出的互相關函數的相關峰大大變窄了，這就使得在一定的通道間隔下，輸出面上可以并行無串擾地輸出各通道的相關結果。
旁瓣的存在使得通道間隔受到限制，這極大的影響了體全息相關器的并行通道數，也會影響各通道的輸出精度。通過增加材料厚度、離焦存儲、隨機位相調制等方法，可以進一步地抑制旁瓣，銳化相關函數的相關峰，從而顯著地提高并行通道密度和輸出精度。當旁瓣被壓制得足夠多時，可以認為體全息相關器的輸出就很好地近似為g(xc,yc)∝Σm=-MM∫dx0dy0f'(x0,y0)fm*(x0,y0)]]>此時，相關器的輸出退化為一個點陣，每個光點的亮度正比于輸入圖像與庫圖像的內積值。由于相關點之間沒有了旁瓣串擾，通道間隔可以顯著的減小，并行通道數大大增加，體全息相關器就成為了一個光學多通道并行內積運算器。體全息相關器這種多通道并行相關的特點使其在多目標識別、光學神經網絡、數據庫檢索等領域內都有廣泛的應用。
在體全息相關(內積)器中，兩幅圖像的相關結果是通過輸出面上相關點的亮度來表示的。雖然通過增加材料厚度、離焦存儲、隨機位相調制、圖像相減、加入背景光強等方法可以銳化相關峰、克服空間光調制器和CCD的對比度和動態范圍帶來的影響，使相關點的亮度更接近于兩幅圖像的理論內積值，輸出精度得到提高。然而，由于輸入圖案不同造成的互相關函數形狀差異及譜面能量分布集中、光束均勻性、光斑缺陷、材料各向異性和內在缺陷等問題的存在，使得在實際使用中，即使采用了上述方法，體全息內積器各通道輸出相關點亮度與理論內積值仍然存在較大誤差，主要表現為單個通道的輸出相關點亮度不僅僅與理論內積值有關，還與參與運算的兩幅圖像本身的具體圖案有關，使得單通道輸出精度下降，進而導致整體多通道精度下降。在實際使用中大量圖像的圖案在空間灰度分布上都會呈現一定的規律性和集中性，這與圖像本身包含的信息是密切相關的，這就造成與庫圖像理論內積值完全相同的兩幅圖像，由于圖案不同(例如一張上是汽車，另一張上是飛機)，輸入到體全息內積器中，得到的相關點的亮度會有較大的差異。這種特性極大地降低了體全息內積器的運算精度，限制了其應用領域。
另外，特別需要指出的是，目前在通信系統、存儲系統(包括體全息存儲系統)中廣泛采用的交錯-解交錯編碼與本方案在形式上類似，但有本質區別，其區別在于通信或存儲系統中的交錯-解交錯編碼主要是為了避免突發的連續錯誤導致的無法恢復的錯誤數據，提高系統的糾錯能力。而體全息相關器本身并不需要恢復讀出存儲在其中的庫圖像(數據)，因而也就不需要對圖像(數據)進行交錯-解交錯操作，本方案中的交錯方法，本質上是對待處理圖像進行的一種正交變換，是針對相關器輸出結果受輸入圖像空間灰度分布影響較大的問題提出的，其目的是為了消除圖像空間灰度分布上的差異，進而消除其對相關器輸出結果的影響，提高相關器的輸出精度。另外，本方案中的交錯步驟之后并不需要解交錯的步驟，這也是與現有交錯-解交錯編碼的一個區別。
發明內容
本發明的目的是針對相關(內積)器輸出結果與參與運算的圖像的具體圖案差異有關的問題，通過對輸入到相關器中的圖像(包括用于存儲的庫圖像和實時輸入的實時圖像)進行某種正交變換，從而極大地降低圖案間的差異性，使相關(內積)結果更接近理論內積值，能更精確的反映輸入圖像與庫圖像的相似度，進而提高了相關器的輸出精度。
假設有M幅實時輸入圖像和N幅庫圖像需要用體全息相關器做相關運算，每幅圖的幅面都是P×Q。在用體全息相關器做相關運算之前，要對所有圖像都進行交錯預處理，稱交錯處理前的實時輸入圖像和庫圖像為原始輸入圖像和原始庫圖像。在進行交錯預處理之前，首先需要確定交錯預處理的規則。規則包括分塊規則、編號規則和重排規則。確定規則的原則如下1.分塊規則分塊是指將原始圖像分為若干塊，以進行后續交錯處理。分出的圖像塊稱為子塊。確定子塊的形狀和大小的原則如下a)大小根據原始圖像的灰度分布確定子塊的大小。子塊越大，原始圖像被分成的子塊數目越少，交錯的運算量減小；但子塊越大，消除交錯處理后的圖像的灰度差異性的效果越差。對體全息相關器的運算精度要求越高，子塊的選擇應該盡可能小，最小可以是一個象素點。若原始圖像的空間灰度分布已經比較均勻，子塊可盡量取大；若原始圖像的幅面較大，子塊也可相應取大。在一幅原始圖像中，各子塊的大小和形狀可以不相同。
b)形狀子塊大小相同的情況下，選擇任意形狀的結果相同。但所選的形狀應當便于交錯后拼成原幅面大小的圖像。
2.編號規則編號是指將原始圖像中的子塊編號。編號規則按照方便、習慣、個人喜好等原則確定。常見的編號規則是從左至右、從上至下，但不限于這種編號規則。
3.重排規則重排規則包括生成新排列和對圖像進行重排。重排規則的原則是使按照新順序重排后的各圖像之間的差異性盡可能小。通常若子塊數目較多，隨機排列基本上可以滿足要求。子塊數目較少時，可人為確定重排規則使交錯處理后圖像滿足上述要求。
對圖像進行交錯預處理工作流程如下所述，附圖2為交錯預處理在體全息相關器上的應用流程圖，交錯預處理的詳細工作流程請參閱附圖2。
1.依上述原則選定一種交錯處理規則，包括分塊規則、編號規則和重排規則。
2.按照第1步中確定的分塊規則，將每幅幅面為P×Q的圖像都分成J塊。
3.按照第1步中確定的編號規則，對每幅庫圖像的J個子塊進行編號，形成一個1～J的排列。
4.按照第1步中確定的重排規則，首先生成一個1～J的新排列，所述排列具有a(1)，a(2)，...，a(J)的形式；然后對每幅庫圖像的J個子塊進行重新排列，重新排列的規則是將編號為a(1)的子塊放置在編號為1的子塊的位置上，將編號為a(2)的子塊放置在編號為2的子塊的位置上，依此類推，將編號為a(n)的子塊放置在編號為n的子塊的位置上。確定每個子塊的形狀或旋轉角的調整規則以便重排后的各子塊能重新拼成一幅圖像。最終重排組合成N幅新的庫圖像。
5.將N幅交錯后的庫圖像存入相關器。經過5～8步完成了相關器的制備。
6.獲取一幅實時輸入圖像。
7.按照第1步中確定的分塊規則，對實時圖進行分塊操作。分塊操作的具體步驟與第2步所述相同。
8.按照第1步中確定的編號規則，對實時圖的J個子塊進行編號。編號的具體步驟與第3步所述相同。
9.按照第1步中確定重排規則，對實時圖的J個子塊進行重新排列，組合成1幅新的實時輸入圖像。重排的具體步驟與第4步所述相同。
10.將第9步中生成的新圖送入相關器。
11.讀取相關結果。
12.重復上述6～11步，獲得下一幅實時輸入圖像與各庫圖像的相關結果，直至不再有新的實時圖輸入。
根據上述1～12步在體全息相關器中進行相關運算，其結果的精度較無交錯時普通體全息相關器可有明顯提高。
通過選取合適的分塊規則、編號規則和排列規則，經過交錯后，圖像從整體上看會變得更加均勻，可以從很大程度上降低原有圖像之間空間灰度分布上的不均勻性或圖案上的差異性。因而將交錯后的圖像送入體全息相關(內積)器中進行相關運算時，可以有效地避免由圖像空間灰度分布不均勻對體全息相關器的輸出帶來的不利影響，使相關器的輸出結果僅取決于圖像的內積值，因而可以大大提高體全息相關器單通道和多通道的輸出精度。
通過實驗比較原圖和交錯圖的相關運算結果，可以發現交錯圖的輸出結果與理論內積值更接近，交錯預處理可以提高體全息相關器的輸出精度。
附圖1 為體全息相關器的原理圖。
附圖2 為交錯預處理在體全息相關器上的應用流程圖。
附圖3 為實施例1原圖像。
附圖4 為實施例1分塊和編號規則說明。
附圖5 為實施例1子塊重排規則說明。
附圖6 為實施例1子塊重排后的結果。
附圖7 為實施例1交錯預處理后的庫圖像附圖8 為實施例1交錯預處理后的實時輸入圖像。
附圖9 為實施例2原圖像。
附圖10 為實施例2分塊和編號規則說明。
附圖11 為實施例2子塊重排規則說明。
附圖12 為實施例2子塊重排后的結果。
附圖13 為實施例2交錯預處理后的庫圖像附圖14 為實施例2交錯預處理后的實時輸入圖像。
其中，100為輸入圖像。
101 為傅里葉變換透鏡。
102 為體全息存儲材料。
103 為反傅里葉變換透鏡104 為體全息相關器的輸出面。
105 為存儲在102中的庫圖像。
具體實施例方式
下面結合兩個具體實施例及附圖對本發明的具體實施過程做進一步的詳細說明。
具體實施例一本實施例是一個對應用在體全息相關器上的庫圖像和輸入圖像進行交錯預處理的實例。附圖3為實施例1原圖像，附圖3中每幅圖像的分辨率為640×480，將第7幅圖像作為庫圖像存入體全息相關器中，將第1～13幅圖像作為實時輸入圖像依次輸入體全息相關器，獲得第1～13幅圖像與庫圖像的內積運算結果。本實施例要求較高的體全息相關器的運算精度。
本實施例中，由于對體全息相關器的運算精度要求較高，故選擇最小的子塊——一個象素點；編號規則按習慣選擇從左至右、從上至下的規則；由于原始圖像被分作較多的子塊，采用隨機的重排規則。
本實施例操作流程如下1.選定一種交錯處理規則，包括分塊規則、編號規則和重排規則。
2.按照第1步中確定的分塊規則，對第7幅圖像按照象素點進行分塊。每個像素點為一個子塊，被分為640×480＝307200塊。附圖4為實施例1分塊和編號規則的說明，本實施例的分塊和編號規則請參閱附圖4。
3.按照第1步中確定的編號規則，對第7幅圖像的307200個子塊進行編號按照從左至右、從上至下的順序，將各子塊編號為從1到307200的順序排列。
4.按照第1步中確定的重排規則，首先隨機生成一個1～307200的新排列。附圖5為實施例1子塊重排規則說明，新排列的形式請參閱附圖5中第二行。然后如發明內容中第4步所述，對第7幅圖像的307200個子塊(像素點)進行重新排列，生成1幅新的庫圖像。附圖6為實施例1子塊重排后的結果，重新排列后的子塊請參閱附圖6。附圖7為實施例1交錯預處理后的庫圖像，參見附圖7。
5.將經交錯預處理后的庫圖像存入相關器。
6.獲取一幅實時輸入圖像。
7.按照第1步中確定的分塊規則，對實時圖進行分塊操作。分塊操作的具體步驟與第2步所述相同。
8.按照第1步中確定的編號規則，對實時圖的307200個子塊進行編號。編號的具體步驟與第3步所述相同。
9.按照第1步中確定重排規則，對實時圖的307200個子塊進行重新排列，組合成1幅新的實時輸入圖像。附圖8為實施例1交錯預處理后的實時輸入圖像，新的實時輸入圖像請參閱附圖8。重排的具體步驟如第4步所述相同。
10.將第9步中生成的新圖送入相關器。
11.讀取相關結果。
12.重復上述6～11步，獲得下一幅實時輸入圖像與庫圖像的相關結果，共重復13次。
經過上述1～12步，先后共得到13個經交錯預處理后輸出的相關點，為了對比，再做一組不經交錯預處理的相關運算，得到13個原圖的相關點。考慮到系統噪聲和器件非線性性的影響，將兩組相關點中的第1～7個相關點作為標定點，求出它們的實測亮度與理論內積值的偏差，得到2條補償曲線，曲線的橫軸是這7個標定點的實測亮度，縱軸是它們與理論內積值的偏差，標定點之間做線性插值。分別用補償曲線校正本組的第8～13點的測量結果。將經補償校正后的結果作為體全息相關器的最終運算結果。
根據實驗對比交錯圖和原圖的輸出結果，發現采用交錯預處理后，相關器的輸出結果與理論內積值的偏差的平方和比未用交錯預處理時減小了80％以上。
具體實施例二本實施例與實施例一相比，對圖像進行交錯預處理的交錯規則不同。附圖9為實施例2原圖像，附圖9中每幅圖像的分辨率為640×480，將第9幅圖像作為庫圖像存入體全息相關器中，將第1～17幅圖像作為實時輸入圖像依次輸入體全息相關器，獲得第1～17幅圖像與庫圖像的內積運算結果。本實施例對運算精度的要求稍低。
本實施例中，由于對體全息相關器的運算精度要求稍低，故選擇較大的子塊每個子塊的面積是4×3象素的矩形的面積的一半，形狀為正立或倒立的等腰直角三角形；編號規則仍按習慣選擇從左至右、從上至下的規則；由于原始圖像被分作較多的子塊，采用隨機的重排規則。
本實施例操作流程如下1.選定一種交錯處理規則，包括分塊規則、編號規則和重排規則。
2.按照第1步中確定的分塊規則，對第9幅圖像進行分塊操作。首先將640×480的幅面均分為160×160個大小為4×3像素的矩形，然后將每個小矩形按同樣的方式均分為兩個等腰直角三角形，稱每個小矩形中上面的那個三角形為上三角，下面的那個三角形為下三角。圖像被分為160×160×2＝51200個子塊。附圖10為實施例2分塊和編號規則的說明，本實施例的分塊和編號規則請參閱附圖10。
3.按照第1步中確定的編號規則，對第9幅圖像的51200個子塊進行編號按照從左至右、從上至下的順序，將所有三角形編號為從1到51200的順序排列。每個小矩形中的下三角編號比上三角編號大1。編號結果請參閱附圖10。
4.按照第1步中確定的重排規則，首先隨機生成一個1～51200的新排列。附圖11為實施例2子塊重排規則說明，新排列的形式請參閱附圖11中的第二行。然后如發明內容中第4步所述，對第9幅圖像的51200個子塊進行重新排列。對于將上三角調整到下三角的位置或者將下三角調整到上三角的位置的情況，需要將被調整的三角形旋轉180度。附圖12為實施例2子塊重排后的結果，重排結果請參閱附圖12。附圖13為實施例2交錯預處理后的庫圖像，經交錯預處理后的庫圖像參見附圖13。
5.將經交錯預處理后的庫圖像存入相關器。
6.獲取一幅實時輸入圖像7.按照第1步中確定的分塊規則，對實時圖進行分塊操作。分塊操作的具體步驟與第2步所述相同。
8.按照第1步中確定的編號規則，對實時圖的51200個子塊進行編號。編號的具體步驟與第3步所述相同。
9.按照第1步中確定重排規則，對實時圖的51200個子塊進行重新排列，組合成1幅新的實時輸入圖像。附圖14為實施例2交錯預處理后的實時輸入圖像，新的實時輸入圖像請參閱附圖14。重排的具體步驟與第4步所述相同。
10.將第9步中生成的新圖送入相關器。
11.讀取相關結果。
12.重復上述6～11步，獲得下一幅實時輸入圖像與庫圖像的相關結果，共重復17次。
與實施例1相似，可以得到17個經過交錯預處理的相關點和17個未經交錯預處理的相關點，分別取這兩組相關點中的第1～9個相關點作為標定點，校正本組的第10～17個相關點。將補償校正后的結果作為體全息相關器的最終運算結果。
根據實驗對比交錯圖和原圖的輸出結果，發現采用交錯預處理后，相關器的輸出結果與理論內積值的偏差的平方和比未用交錯預處理時減小了70％以上。
雖然本發明給出了兩個實施例，但并非用以限定本發明。本領域任何相關技術人員，在不脫離本發明的范圍的情況下，都可得到近似的結果。本發明的保護范圍以所提出的權利要求限定的范圍為準。
權利要求
1.一種通過圖像預處理提高體全息相關器精度的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)按下述原則選定一種交錯處理規則，交錯處理規則包括分塊規則、編號規則和重排規則；確定規則的原則如下1)所述分塊規則a)大小根據原始圖像的灰度分布確定子塊的大小；子塊越大，原始圖像被分成的子塊數目越少，交錯的運算量減小；但子塊越大，消除交錯處理后的圖像的灰度差異性的效果越差；對體全息相關器的運算精度要求越高，子塊的選擇應該盡可能小，最小可以是一個象素點；若原始圖像的空間灰度分布已經比較均勻，子塊盡量取大；若原始圖像的幅面較大，子塊也相應取大；b)形狀所選的形狀應當便于交錯后拼成原幅面大小的圖像；2)所述編號規則編號是指將原始圖像中的子塊編號；3)所述重排規則重排規則的原則是使按照新順序重排后的各圖像之間的差異性盡可能小；通常若子塊數目較多，隨機排列基本可以滿足要求；子塊數目較少時，則人為確定重排規則使交錯處理后圖像滿足上述要求；(2)按照第1步中確定的分塊規則，將每幅幅面為P×Q的圖像都分成J塊；(3)按照第1步中確定的編號規則，對每幅庫圖像的J個子塊進行編號，形成一個1～J的排列；(4)按照第1步中確定的重排規則，首先生成一個1～J的新排列，所述排列具有a(1)，a(2)，…，a(J)的形式；然后對每幅庫圖像的J個子塊進行重新排列，重新排列的規則是將編號為a(1)的子塊放置在編號為1的子塊的位置上，將編號為a(2)的子塊放置在編號為2的子塊的位置上，依此類推，將編號為a(n)的子塊放置在編號為n的子塊的位置上；確定每個子塊的形狀或旋轉角的調整規則以便重排后的各子塊能重新拼成一幅圖像；最終重排組合成N幅新的庫圖像；(5)將步驟(4)N幅交錯后的庫圖像存入相關器；(6)獲取一幅實時輸入圖像；(7)按照第1步中確定的分塊規則，將步驟(6)所述獲得的實時輸入圖像分成J塊；分塊操作同步驟(2)中所述；(8)按照步驟(1)中確定的編號規則，對實時圖的J個子塊進行編號；編號操作同步驟(3)中所述；(9)按照第1步中確定重排規則，對實時圖的J個子塊進行重新排列，組合成1幅新的實時輸入圖像；重排步驟同步驟(4)中所述；(10)將步驟(9)中生成的新圖送入相關器；(11)讀取相關結果；(12)重復上述步驟(6)～(11)，獲得下一幅實時輸入圖像與各庫圖像的相關結果，直至不再有新的實時圖輸入；根據上述步驟(1)～(12)即完成通過圖像預處理提高體全息相關器精度。
2.根據權利要求1所述的一種通過圖像預處理提高體全息相關器精度的方法，其特征在于，所述編號規則為從左至右，從上至下。
全文摘要
一種通過圖像預處理提高體全息相關器精度的方法，屬于光學信息處理領域。選定一種交錯處理分塊規則、編號規則和重排規則；按照確定的分塊規則將每幅幅面為P×Q的圖像都分成J塊；按照編號規則對每幅庫圖像的J個子塊進行編號；按照重排規則將編號為a(n)的子塊放置在編號為n的子塊的位置上，最終重排組合成N幅新的庫圖像；存入相關器；獲取一幅實時輸入圖像；分塊、編號、重排，送入相關器；讀取結果；重復步驟(6)～(11)，獲得下一幅實時輸入圖像與各庫圖像的相關結果，直至不再有新的實時圖輸入；即完成通過圖像預處理提高體全息相關器精度。通過實驗比較原圖和交錯圖的相關運算結果，發現本發明可以提高體全息相關器的輸出精度。
文檔編號G03H1/26GK101013577SQ200710063509
公開日2007年8月8日 申請日期2007年2月2日 優先權日2007年2月2日
發明者曹良才, 倪凱, 瞿宗耀, 蘇萍, 譚峭峰, 何慶聲, 金國藩 申請人:清華大學