一種實現體全息相關器多重分組相關通道的方法

專利名稱：一種實現體全息相關器多重分組相關通道的方法
技術領域：
本發明涉及一種通過相位編碼在光學相關器(體全息相關器)中實現多重分組相關通道 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，附圖l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，逆傅立葉變換透鏡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角度復用存儲 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，通過增加材料厚度、離焦存儲、散斑調制等方法， 體全息相關器輸出面104上的光場分布可近似表示為g(&,尺)乂 Z J"^。辦。/'(、,少。)/r(^,:^);從上式可以看出，體全息相關器實質上是一個多通道的并行光學相關器。每個通道在輸 出面上輸出一個相關點，其亮度代表輸入圖像與該通道中存儲圖像的之間內積值。由于一個 相關點在輸出面上占的面積很小，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。與傳統光學相關器相比，體全息相關器可以并行的輸出一幅輸入圖像與幾千幅存儲圖像的內積值，在內容檢索、模式識別、導航等領域具有廣泛的應用潛力。 體全息相關器采用二維角度復用技術存儲庫圖像。受輸出相關點尺寸的限制，在保證相 關點間無串擾的前提下，存儲材料中單點所能容納的相關通道數量有限，亦即實際所允許的 庫圖像的存儲位置是有限的。通過減小相關點尺寸和增加探測器靶面面積理論上可以提供更 多相關通道，但這種方法會增加系統的復雜度和成本，對器件性能也提出了很高要求，所能 取得的改進效果也是有限的。一種在結構上與本發明類似的技術是散斑調制技術。散斑調制技術廣泛應用于體全息存 儲及相關系統中，該技術將一全息漫射器放在物光光路中，激光照射后由其產生的散斑場可 以調制物光信號，勻化譜面光強分布，并且具有顯著抑制相關輸出旁瓣的作用，可以減小通 道間隔，增加輸出面上可容納的相關點數。本發明與散斑調制技術的目的都是為了增加相關通道的數量，其區別在于散斑調制技 術的基本思路是通過抑制各通道輸出的旁瓣，減小通道之間所需的間隔，進而增加輸出面上 能容納的相關點數量。在整個操作過程中，散斑的位置是固定不動的，亦即散斑引入的位相 調制函數是不變的。而本發明的基本思路是先采用一個位相調制函數調制物光，在存儲材料 中通過二維角度復用存儲一組圖像(幾千幅)，再切換另一個與之不相關的位相調制函數調制 物光，在同一位置上采用相同的角度復用存儲另一組圖像，如此反復直至所有圖像存儲完畢， 完成相關通道的多重分組操作。相關讀出時，輸入一幅圖像，通過切換不同的位相調制函數， 可將輸入圖像分別與各組庫圖像進行相關運算，在同一探測器上得到相關結果。本質上，散 斑調制技術只能增加單組所能容納的相關通道數量，而本發明則在此基礎上增加了相關器所 能容納的相關通道的組數，即在相關器中實現了多重分組相關通道。發明內容本發明的目的是針對現有體全息相關器所能容納的相關通道數量有限的問題，提出一種 實現多重分組相關通道的方法，使體全息相關器能夠提供更多的相關通道。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)進行相位編碼調制，對圖像 引入相關選擇性，使得一幅輸入圖可以有選擇性的與任意一組庫圖像進行相關運算，運算結 果在同一公共輸出面上輸出，在相關器中實現多重分組相關通道。附圖2是該裝置的結構示意圖，激光光束通過分束器112后形成參考光和物光光路，相關器的物光光路由半波片110，擴束透鏡組109，反射鏡108，空間光調制器106，相位板107, 透鏡101組成；參考光路由擴束透鏡組113，反射鏡lll，透鏡104組成。參考光和物光在存 儲材料102中干涉，全息圖記錄于102中；相關運算時，關閉參考光光路，用物光照射102， 衍射光通過透鏡103成像于探測器件105 (CCD)上。在用體全息相關器做庫圖像存儲及相關運算之前，需要做如下操作1、 將存儲到相關器中的庫圖像分成A組，每組#,幅。分組方案可以根據需要任意確定， 只需保證max (乾)不超過目前相關器輸出面上最多能容納的相關點的數量。2、 生成/r種相位編碼exp[y々,(x,;;)]， / = 1，2,...,&。第i組相位編碼將用于調制第J'組 庫圖像。調制操作在數學上等價于將庫圖像與相位編碼函數相乘，具體實施時可以根據需要 選用多種方式，例如放入物光光路中的相位板、相位型SLM，或直接采用振幅相位混合型的 SLM上載被調制后的庫圖像。采用本發明，同組內的庫圖像輸出的相關點在輸出面上占據不同位置，彼此之間不會發生串擾；而不同組的庫圖像輸出的相關點有可能在輸出面上有重合(當不同組的庫圖像由同一角度附近入射的參考光存儲)，通過生成合適的相位編碼，可以有效消除組間串擾。對所生成相位編碼的具體要求為設乂(x,力，/ = 1，2,...，A:，為各組中輸出相關點會發生組間串擾的庫圖像，則相位編碼應滿足J]血浙(x,"/"'(x,y)exp(y[A(x,力—a(x，力J □ } Jj血瓶(x,y)乂'(;c,少)特別的，此處給出三種用于實現本發明所述具體相位調制編碼的方案1、 用隨機相位板生成相位編碼對物光進行調制。將隨機位相板放置在物光光路中，存儲 完一組庫圖像后，相位板沿所在平面中任一方向平移一定距離，直至相關點亮度降為零，此 時即生成了一組滿足上述要求的新的相位編碼，可存儲另一組庫圖像。重復此過程，直至所 有庫圖像存儲完畢。2、 用相位型或振幅相位混合型SLM進行調制。預先生成一組正交的相位圖，如根據Walsh 矩陣生成的相位圖。根據專利《一種通過圖像預處理提高體全息相關器精度的方法》中提出 的用于體全息相關器的圖像預處理技術，可以采用隨機交錯方法將每幅相位圖中的像素位置 打亂重排，變成隨機相位圖，但此時各相位圖間仍會保持正交關系。若為相位型SLM，則該 SLM即為圖2中的107，將相位圖上載至107上；若為振幅相位混合型SLM，貝lj 106和107合為一體，將輸入圖像和生成的相位圖相乘，并將調制后的圖像上載至混合型SLM上。3、當輸入圖像原本就是純相位圖時，可以采用交錯編碼對原相位圖像進行交錯處理，一組交錯規則用于生成一組庫圖像，采用A組交錯規則可以生成A組庫圖像。將交錯處理后的各組庫圖像存儲在相關器中。采用本發明后，相關器的庫圖像存儲及相關運算的詳細工作流程如下所述，流程圖請參閱附圖3。1、 選擇第i組相位編碼exp[^p,(:c,y)]，對第i組乾幅庫圖像進行相位編碼調制。2、 采用相關器常用的存儲復用方法例如角度-分維復用將該浙幅庫圖像存入相關器。3、 重復步驟1 2，， /分別取1 么共存儲fM,幅庫圖像，至此完成相關器的制備。4、 獲取一幅實時輸入圖像。5、 選擇第i組相位編碼exp[/p, ，對實時圖進行相位編碼調制。6、 將調制后的圖像送入相關器。7、 讀取該實時圖與第i組乾幅庫圖像的相關結果。8、 根據需要重復步驟5 7， i取所需的值，分別讀取實時輸入圖與各組庫圖像的相關結果。9、 重復步驟4 8，獲得下一幅實時輸入圖像與庫圖像的相關結果，直至不再有新的實 時圖輸入。根據上述1 9步在體全息相關器中進行相關運算，采用第i組相位編碼會在輸出面上給 出輸入圖像與第i組乾幅庫圖像相關運算的結果。切換不同的相位編碼，總共能訪問的相關通道數為iM,。同一組內的乾個通道在輸出面上并行輸出，但占據不同的區域，彼此互不串擾；不同組間輸出有重合的相關通道由不同組的相位編碼方案保證零串擾，采用一組相位 編碼不會讀出與其它組庫圖像的相關信息，實際上是實現了不同組相關結果有選擇性的分時切換輸出。通過實驗比較，可以發現本發明能夠在體全息相關器中實現多重分組相關通道，不同組 的通道可以有選擇的切換輸出，組間無串擾，從而使相關器能夠容納更多的相關通道數量。


圖1為體全息相關器原理示意圖。圖2為本發明涉及裝置的結構示意圖。 圖3為本發明的流程示意圖。圖4為實施例1釆用隨機位相板調制的白圖與4組庫圖像的相關輸出結果。 圖5為實施例2純位相圖的相關輸出交錯編碼的相位圖的相關運算結果。
具體實施方式
下面結合附圖及兩個具體實施例對本發明做進一步的說明。 實施例一本實施例是一個釆用隨機相位板對空間光調制器進行散斑調制實現多重分組相關通道的 實例。應用裝置如附圖2所示，隨機相位板選用全息漫射板，將漫射板放置在物光光路中， 存儲一組庫圖像后，漫射板沿所在平面中任一方向平移一定距離(直至相關點亮度降為零)， 此時即生成了一組滿足上述要求的新的相位編碼，可存儲另一組庫圖像。重復此過程，直至 所有庫圖像存儲完畢。本實施例步驟如下1、 將漫射板放置在物光光路，并確定漫射板初始位置。2、 采用角度-分維復用將第一組庫圖像存入相關器。3、 將復用機構重新復位，漫射板沿所在平面平移一個位移，存儲第二組庫圖像。4、 重復步驟3，本實施例中共存儲4組庫圖像。5、 獲取一幅實時輸入圖像(白圖)。6、 漫射板置于最初位置。7、 將相位編碼調制的新圖送入相關器。8、 讀取相關結果。9、 重復步驟5 8，漫射板分別置于存儲各組庫圖像時的另外3個位置，且實時輸入圖 像皆為白圖。經過上述1 9步，在CCD探測器上先后共得到4組輸出的相關點，如附圖4所示。可以 看到，當白圖輸入時，同一組內的各個通道在輸出面上并行輸出，但占據不同的區域，彼此 互不串擾；采用一組相位編碼不會讀出與其它組庫圖像的相關信息，因此實現了不同組相關 結果有選擇性的分時切換輸出。實施例二本實施例與實施例一相比，采用相位型空間光調制器取代振幅型空間光調制器加載信息， 即輸入圖像為純相位圖。采用交錯編碼對原相位圖像進行交錯處理， 一組交錯規則用于生成 一組庫圖像，再將交錯處理后的各組庫圖像存儲在相關器中。本實施例操作流程如下1、 選取一種交錯規則對庫圖像進行交錯處理。2、 通過角度復用存儲第一組庫圖像，共ll幅庫圖像存入相關器。3、 將復用機構重新復位，選取第二種交錯規則，通過角度復用存儲第二組庫圖像，共 11幅庫圖像存入相關器。4、 獲取一幅實時輸入圖像，采用第一種交錯規則對實時圖預處理。5、 將生成的新圖送入相關器。6、 讀取相關結果。7、 獲取第二幅實時圖(與前圖相同)，采用第二種交錯規則對實時圖預處理。8、 將生成的新圖送入相關器。9、 讀取相關結果。本實施例共存儲2組庫圖像，每個子圖庫存有ll幅庫圖像。經過上述1 9步，先后共 得到2組輸出的相關點，如附圖5所示。可以看到，同一組內的ll個相關通道在輸出面上同 時輸出，彼此互不串擾；采取一組交錯規則處理的輸入圖像不會讀出與其它組庫圖像的相關 信息；同時，在進行相關運算時，系統中沒有移動部件，保證了相關運算的精度。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經過 適當變形得到近似結果，都不脫離本發明的保護范圍。
權利要求
1、一種實現體全息相關器多重分組相關通道的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)將存儲到相關器中的庫圖像分成k組，每組Mi幅；(2)生成k種相位編碼exp[ji(x，y)]設fi(x，y)，i＝1，2，...，k，為各組中輸出相關點會發生組間串擾的庫圖像，則相位編碼應滿足(3)選擇第i組相位編碼exp[ji(x，y)]，對第i組Mi幅庫圖像進行相位編碼調制；(4)相關器存儲復用將該Mi幅庫圖像存入相關器；(5)重復步驟(3)～(4)，i分別取1～k，共存儲幅庫圖像，完成相關器的制備；(6)獲取一幅實時輸入圖像；(7)選擇第i組相位編碼exp[ji(x，y)]，對實時圖進行相位編碼調制；(8)將調制后的圖像送入相關器；(9)讀取該實時圖與第i組Mi幅庫圖像的相關結果；(10)根據需要重復步驟(7)～(9)，i取所需的值，分別讀取實時輸入圖與各組庫圖像的相關結果；(11)重復步驟(6)～(10)，獲得下一幅實時輸入圖像與庫圖像的相關結果，直至不再有新的實時圖輸入。
2、 根據權利要求1所述的一種實現體全息相關器多重分組相關通道的方法，其特征在于， 所述相位編碼調制用隨機相位板生成相位編碼對物光進行調制將隨機位相板放置在物光光 路中，存儲完一組庫圖像后，相位板沿所在平面中任一方向平移一定距離，直至相關點亮度 降為零，此時即生成了一組滿足上述要求的新的相位編碼，可存儲另一組庫圖像；重復此過 程，直至所有庫圖像存儲完畢。
3.根據權利要求1所述的一種實現體全息相關器多重分組相關通道的方法，其特征在于， 所述相位編碼調制用相位型或振幅相位混合型SLM進行調制預先生成一組正交的相位圖， 將輸入圖像和生成的相位圖相乘，并將調制后的圖像上載至混合型SLM上。4、根據權利要求1所述的一種實現體全息相關器多重分組相關通道的方法，其特征在于， 所述相位編碼調制當輸入圖像原本就是純相位圖時，采用交錯編碼對原相位圖像進行交錯處 理， 一組交錯規則用于生成一組庫圖像，將交錯處理后的各組庫圖像存儲在相關器中。
全文摘要
一種實現體全息相關器多重分組相關通道的方法，屬于光學信息處理領域。本方法將存儲到相關器中的庫圖像分成k組，每組M_i幅；生成k種相位編碼exp[jφ_i(x，y)]；對第i組M_i幅庫圖像進行相位編碼調制；相關器存儲復用將該M_i幅庫圖像存入相關器；重復共存儲∑^k_i=1M_i幅庫圖像，完成相關器的制備；獲取一幅實時輸入圖像；對實時圖進行相位編碼調制；將調制后的圖像送入相關器；讀取該實時圖與第i組M_i幅庫圖像的相關結果；獲得下一幅實時輸入圖像與庫圖像的相關結果，直至不再有新的實時圖輸入。本發明采用多種相位編碼調制；能夠在體全息相關器中實現多重分組相關通道，不同組的通道可以有選擇的切換輸出，組間無串擾，使相關器能夠容納更多的相關通道數量。
文檔編號G02B27/46GK101231392SQ20081000649
公開日2008年7月30日 申請日期2008年3月3日 優先權日2008年3月3日
發明者偉 任, 何慶聲, 凱 倪, 曹良才, 汪順利, 瞿宗耀, 金國藩 申請人:清華大學