光学图像相关matlab仿真资料.docx

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光学图像相关matlab仿真资料

摘要I

AbstractII

绪论1

1.1课题背景1

1.2本文研究内容、意义及发展方向1

第2章相关目标识别理论及仿真4

2.1光学图像识别技术的基本原理4

2.1.1VanderLugt相关器原理4

2.1.2联合变换相关器原理5

2.1.3图像识别原理及光路图7

2.2MATLAB仿真实现9

第3章光学图像识别与防伪技术13

3.1系统描述13

3.2附加的安全措施15

结论16

参考文献17

第1章绪论

1.1课题背景

光学图像识别技术是一种有较高鉴别率的技术，具有高度并行性、容量大、速度快的特点，特别适用于信息的快速和实时处理。

光学相关是光学模式识别中的一种主要方法。

无论是空间匹配滤波相关或是联合变换相关，都是基于对信息的光学傅里叶变换。

现在，人们越来越倾向于采用光电混合的处理方式实现模式的识别，它由光学相关处理系统和计算机组成。

光电混合模式识别具备光学处理系统的大信息容量和二位并行处理能力的同时，还具备数字处理系统灵活性好、精度高、便于控制和判断的能力。

因此，光电混合光学模式识别是实现模式识别实用化的最可行方案。

它已在导弹、火箭的导航系统上有着很成熟的应用。

近年来，这一技术也广泛应用于一些民用领域，如：

交通系统中的车辆牌照的识别、金融安全系统中个人签名、指纹的识别等。

因而对这一技术进行深入的研究具有一定的实用意义，利用计算机对光学图像识别技术进行仿真研究，对于我们进行真实的光学图像识别技术的研究有帮助和借鉴作用，国外已经有人做了一些工作，而在国内，对这一技术进行仿真研究的文章却很少。

MATLAB是国际公认的优秀的数值计算软件。

利用它提供的丰富的图像处理函数，我们可以很方便地模拟某些真实光学系统对图像的处理。

例如：

可以对图像进行傅里叶变换和傅里叶逆变换，可以仿真实现对图像的空间滤波等。

我们用MATLAB对光学图像识别相关器进行仿真，能得到较好的仿真结果。

1.2本文研究内容、意义及发展方向

光学相关模式识别主要分为空间匹配滤波相关识别和联合变换相关识别两大类。

1962年，McLachlan提出利用光学相关实现模式识别的想法，1964年A.VanderLugt提出使用离轴全息方法制作复空间匹配滤波器，设计了匹配滤波相关器（VanderLugtCorrelator,VLC）。

由于匹配滤波相关识别需要预先制作滤波器，并且滤波器的中心必须与目标频谱面的中心完全重合，操作繁琐且实时性差，1966年，C.S.Weaver、J.W.Goodman和J.E.Rau提出了联合变换光学相关的基本理论，设计了联合变换相关器。

这种相关器克服了VanderLugt相关器需要提前制作滤波器和调试要求苛刻的缺点，操作灵活方便。

由于是将参考图像和目标图像同时输入光学系统，联合变换相关器比VanderLugt相关器有更好的实时处理能力，代表了光学相关器的发展方向。

首先，车牌识别技术在提高高速公路收费站效率方面起着至关重要的作用。

由于高速公路运输中传统的人工收取通行费方法效率低下，而近几年不断增大的交通流量，往往使得各式车辆在收费管卡处滞留形成“瓶颈”，不能完全发挥出高速公路的优点，这个问题如得不到解决，势必影响交通运输线的畅通，甚至导致直接或间接的经济损失。

不停车自动收费系统是解决这一问题的有效方法之一，该系统的启用将大大提高收费站各通道的处理能力，减少车辆通过的时间。

目前，类似的自动收费系统在美国和欧洲一些发达国家已经得到使用推广，据资料表明：

高速公路自动收费站车辆的平均通过速度为每小时1500辆，而在装有自动收币机的收费站为每小时650辆，人工收费则最多为每小时350辆。

随着该系统的推广使用，收费站前的车辆赌塞和交通拥挤的情况得到缓解，可以为过往车辆节约运营时间，这对于长途旅客运输和商用货物运输也显得尤为重要。

此外，由于不停车收费系统的自动化水平高、收费迅速而便捷、管理统一规范，对杜绝高速公路人为的“乱收费”现象也具有特别重要的意义。

其次，机动车闯红灯是日常交通管理中常见的交通违法现象，不仅扰乱了正常的交通秩序，也是造成机动车交通事故的主要原因之一。

因此采用现代化的先进技术，采用智能化的交通控制和管理，为公安交通管理部门提供强有力的执法证据，对改善交通秩序、保障交通安全、提高道路交叉口通行能力、减少交通事故、促进社会的进一步发展都具有重大的社会意义。

所以，作为智能交通系统的一个重要分支，电子警察系统综合利用网络、数字图像处理、小波、神经网络、通讯、数学形态学等先进技术对闯红灯这种交通违法现象进行抓拍和处理，为公安交通部门提供强有力的执法证据，对改善交通秩序、保障交通安全、提高道路交叉口通行能力、减少交通事故等都起到了重要作用。

此外，在大型停车场等系统的管理中，车牌识别也起着重要的作用。

本课题在研究联合变换相关模式识别基本原理的基础上，使用了计算机模拟将实验进行的可并行处理、实时性好的光学过程转化为编程控制、精度高和操作灵活的数字模式。

使的没有实验设备也可形象地看到仿真的实验结果。

由于实际应用的需要，目标识别系统正向着高速化、小型化、集成化和智能化的方向发展。

在现有条件下，研究具有这些特征的光电混合目标识别系统才是现实可行的。

从应用上讲，研制性能好的小型高速目标识别系统，加速其在商业和军事应用领域的实用化，对提高生产效率、促进国民经济发展、尤其是提高军事打击能力和防御能力，都有极其重要的意义。

本课题在研究联合变换相关模式识别基本原理的基础上，使用了计算机模拟将实验进行的可并行处理、实时性好的光学过程转化为编程控制、精度高和操作灵活的数字模式。

使的没有实验设备也可形象地看到仿真的实验结果。

第2章相关目标识别理论及仿真

2.1光学图像识别技术的基本原理

光学图像识别技术有两种重要的实现方法：

其一是采用VanderLugt相关器实现；其二是采用联合变换相关器实现。

这两种方法相同之处是它们都采用了4f光学成像系统。

如图1所示。

其中，I平面为输入平面，T平面为频谱平面，O平面为输出平面，L1、L2为傅里叶透镜。

下面分别介绍这两种方法

图2-14f光学成像系统

2.1.1VanderLugt相关器原理

VanderLugt相关器对图像的识别是在空间滤波的基础上实现的，其方法是在4f系统的频率平面上放置一个匹配滤波器，在频率域中对输入信号进行相位补偿，从而在输出平面上产生会聚的相关光斑。

如果目标图像为

，其频谱为

（

为傅里叶变换算符），则匹配滤波器为目标图像频谱的复共轭，即

。

将待识别的图像

放置在4f系统的输入平面上，将匹配滤波器放置在4f系统频谱平面，在单色平行相干光的照明下，经过空间滤波后，频谱平面上的频谱为

，其中

为

的频谱，即

。

则在4f系统输出平面上能得到的图像为

其中，

为傅里叶逆变换算符，符号“★”表示相关运算，

，

。

如果待识别图像中含有目标图像信息，则在输出图像的相应位置会产生相关最强，出现亮斑，否则只出现弥散的光斑。

2.1.2联合变换相关器原理

联合傅里叶变换相关器（joint-Fouriertransformcorrelator,JTC）简称联合变换相关器，分成两步，第一步是用平方记录介质（或器件）记录联合变换的功率谱，如图所示。

图中L是傅里叶变换透镜，焦距为f待识别图像（例如带识别目标、现场指纹）的透过率为

，置于输入平面（透镜前焦面）xy的一侧，起中心位于

；参考图像（例如参考目标、档案指纹）的透过率为

，置于输入平面的另一侧，其中心位于

。

用准直的激光束照射f，g，并通过透镜进行傅里叶变换。

在谱面（透镜的后焦面）uv上的复振幅分布为

式中F、G分别是f,g的傅里叶变换。

如果用平方律记录介质或用平方律探测器来记录谱面上的图形，即得到联合变换的功率谱。

当

（两个图形完全相同）时，上式化作

亦即相同图形联合变换的功率谱为杨氏条纹。

联合变换相关器是在输入平面上对称地放置待识别图像

与目标图像

，形成联合的输入信号

如图2（a）所示。

在单色平行相干光的照明下，经过透镜L1的傅里叶变换作用，在频谱平面上形成联合傅里叶谱

其中，

，

。

在频谱平面上用强度敏感器件接收联合傅里叶谱，并将其转化为联合功率谱，其表达式为

联合功率谱经透镜L2的傅里叶逆变换作用，在输出平面上得到相关输出

，其表达式为

这里，

为狄拉克函数，符号“*”表示卷积运算，

，

，输出的结果分为3个部分：

第一、四项分别为目标图像和待识别图像的自相关，它们重叠在输出平面的中心附近，称为0级，它们不是我们要的信号；第二、三项为目标图象和待识别图像共轭互相关项，分别位于输出平面的（2a，0）和（-2a，0）附近，分别称为±1级。

如图2（b）所示，如果待识别图像中含有目标图像信息，则会在（-2a，0）和（2a，0）附近产生相关的亮斑。

图2联合变换相关器的输入平面和输出平面

2.1.3图像识别原理及光路图

本文主要是进行VanderLugt相关器对图像的识别。

光学联合变换是一种傅里叶分析技术，傅里叶透镜是最重要的执行器件。

傅里叶分析对分析线性和非线性现象都是一个极其有用的数学工具。

二维傅里叶变换是最常用的傅里叶变换理论，是光学相关理论的重要组成部分。

在介绍透镜的傅里叶变换特性之前先简单回顾直角坐标系中的二维傅里叶变换。

对于（x,y）平面上的二元函数

，其傅里叶变换（也叫傅里叶谱或频谱）定义为：

（2-1）

其中，

是函数F对应的直角坐标系的两个坐标变量，通常称为频率。

都是实变量，函数

可以是实函数，也可以是复函数。

被称为二维傅里叶变换的核。

类似地，

的傅里叶逆变换定义为：

（2-2）

函数

的傅里叶逆变换也称为函数

的傅里叶积分。

其原理可以用图1．1说明。

图2.1光学模式识别

系统

在物面

的输入目标，

经过

系统与放置在频谱平面

上的匹配滤波器

进行相关运算，其相关输出结果显示在输出平面

上。

如果输出的相关结果为一个尖锐的亮点，说明

与

匹配，否则

为假目标。

相关器由探测到的二维图像识别快速变化的三维目标，从本质上讲，这个问题是解数据不全的反问题，因此，这种识别不可能是完全和准确的。

1964年，VanderLugt提出了使用离轴全息方法制作匹配空间滤波器，构成VanderLugt相关器（VanderLugtCorrelator,VLC），通过光学相关运算识别目标。

VanderLugt相关器是最早的具有代表性的光学模式识别系统，由于它的高速和大容量优点，使得光学模式识别成为光学信息处理的一个热点。

但是，VanderLfigt相关器自身有两个不利于工程应用的弱点：

1．需要提前制作频谱面只上的匹配滤波器，缺乏灵活性；

2．为了使匹配滤波器达到很好的识别效果，必须将滤波器的中心与目标频谱面的中心完全重合，而这一点是很难实现的。

1966年，C．S．Weaver、J．W．Goodman和J．E．Rau提出了联合变换相关器（JointTransformCorrelators，JTC），克服了VanderLugt相关器的两个缺点。

凭借着这两个优势，联合变换相关器迅速取代了VanderLegt相关器成为光学模式识别的主流技术。

当然，经典联合变换相关器自身也存在着两个方面不足：

1．联合变换相关存在较强的零级衍射，而输出面中相关输出的衍射效率较低，影响相关峰的探测；

2．联合变换相关输出面中的零级衍射峰所占面积较大，限制了输入面的目标图像和参考图像的大小和相对位置，降低了输入面的空间带宽积的使用率。

2.2MATLAB仿真实现

在MATLAB中，图像是用矩阵来表达的。

使用MATLAB的imread（）函数，我们可以很方便地读取图像信息，把它存储在一个矩阵中，并显示我们获得的图像。

MATLAB提供了fft2（）、ifft2（）、fftshift（）和ifftshift（）这4个函数，能够让我们很容易地模拟4f光学成像系统的变换作用，并能得到同时含有振幅和位相信息的复矩阵。

由于光学信息处理中通常显示的是强度信息，所以在MATLAB中要用abs（）函数对复矩阵取模，同时为了显示的方便，还要对取了模的复矩阵进行对数运算，以降低显示的幅值。

在MATLAB中，矩阵的乘法运算有两种:

乘（符号为“*”）和点乘（符号为“.*”），“*”即按通常的矩阵乘法运算进行；“.*”是两个矩阵按对应的矩阵元的相乘，在对光学系统的仿真的过程中，我们是采用点乘的方法来实现对光学图像的变换的。

下面用MATLAB分别对前面提到的两种光学相关器进行仿真。

1、读取待处理的图像，将其转化为二值图像

goal0=imread（'C:

\Users\Administrator\Desktop\3.jpg'）;

goal=im2bw（goal0）;

其中imread（）是读取图像函数，'C:

\Users\Administrator\Desktop\3.jpg'为目标图像原图的路径，im2bw（）是将图像转为二值图像函数。

2、将车牌图像反白处理，并扩充为179×339的矩阵（如下图），以便下面傅立叶变换中矩阵旋转运算的进行。

goal=~goal;

goal（179,339）=0;

s=size（goal）

figure;

imshow（goal）;

目标图像

3、从文件读取一个字符模板（以“7”为例，模板图像直接从上述二值图像中截取得到）。

对图像计算傅立叶描述子，用预先定义好的决策函数对描述子进行计算。

变换后的图像中，亮度的高低指示相应区域与模板的匹配程度（如下图）。

w0=imread（'C:

\Users\Administrator\Desktop\7.jpg'）;w=im2bw（w0）;

w=~w;

C=real（ifft2（fft2（goal）.*fft2（w,179,339）））;

figure;

imshow（C）;

其中C:

\Users\Administrator\Desktop\7.jpg为待识别字符的图片路径。

傅里叶变换后相关输出

4、通过检查C的最大值，经过多次试验，确定一个合适的门限（这里33比较合适），显示亮度大于该门限的点，也就是与模板的匹配程度最高的位置（如下右图）。

thresh=33;

figure;

imshow（C>thresh）;

对照（a）和（c）两图，可以说明字符“7”被识别和定位了。

同样的方法，可以识别和定位其它字符。

5、将相关识别的仿真结果的相关峰输出

F=conj（C）.*C;

figure;

surf（F）;

其中conj（）是对矩阵的复共轭变换函数。

surf（）是对三维图像输出。

从相关峰的位置可以看出，含有特征信号的位置出现了明显的亮斑，与特征信号相似的位置有模糊的光斑，与特征信号不相似的位置就没有相关的最强出现。

图（d）显示了五个相关极大峰的分布情况，在图中我们能看到有特征信息的地方，相关峰很明显。

从上面的仿真结果可以看出,利用MATLAB可以比较容易地实现对光学图像识别相关器的仿真，而且仿真的结果和实际实验的结果是相符合的。

因此，用MATLAB实现的对光学图像识别相关器的仿真的这一新方法，有助于我们对光学图像识别技术的研究。

第3章光学图像识别与防伪技术

近年来，伪造货币和信用卡的犯罪问题已增加到令人吃惊的地步，去年，世界范围内仅伪造信用卡的面值就超过10亿美元。

随着计算机、CCD技术、图象处理硬件及软件、打印机、扫描仪和复印机的迅速发展，照片、标牌、标识、纸币或图案的复制都变得更加简单了，这就引起人们关注防伪技术的研究和发展。

在日益发展的生物统计识别领域中，光学技术正被用来研制视网膜扫描、手形及纹理识别、指纹鉴别等方面的仪器。

信用卡、护照和其它的身份证一般采用全息图来防止被复制。

但是，目前科学技术已非常先进，以致于很容易通过拍照或用CCD相机获取信用卡上的全息图象。

这是采用市场上供应的光学元件或全息图再生设备来合成一幅新的全息图。

因此，制作用普通光源不能读出的图案可能是我们下一步所需要采取的措施。

尽管一种薄膜光学涂层已用于面值大于20加拿大元的纸币，但全息图仍然用作现钞上“纹理”的检验。

基于防伪目的的光学技术发展迅猛，本文提出了一种新思想，确保信用卡、护照及身份证的安全性，不易被复制。

这是一种复相位/振幅图案的新方案。

对光强敏感的探测器，如CCD照相机，它是不可见的，不能相被复制。

其基本原理是将一相位掩模与原始识别振幅图案，如指纹、脸部相片或签名，永久地、不可恢复地结合起来。

相位掩模和原始图案都可以通过光学处理器或相关器识别。

此种相位编码很难复制，并且它与个人身份证号码、指纹或照片结合，形成一个万无一失的防伪识别系统。

相位掩模的制作可以利用透光的压纹塑料薄膜、漂白的摄影薄膜、蚀刻的玻璃或金属反射器。

另外，随机相位掩模不必叠放在原始图案上，可将其靠在证件的原始图案旁，或单独用于所制造的识别项目上。

这里将讨论几种实现这种构想的方法，最终所采用的方式取决于防伪的级别。

3.1系统描述

验卡系统可以是常见几种相干光处理器结构的一种，可以采用联合变换相关器或是频谱面光学相关器。

在频谱面相关器中，一个需要验证的物体或原始图案

，由一幅贴有相位掩膜的振幅灰度图样构成，把物体放在处理器的入射平面，相位掩膜可以叠加在指纹、身份证照片或者信用卡上。

因此，复合输入信号是

相干光照明复合掩模，通过反射或信用卡上的透明部位提取信号。

处理器已有

的先验知识。

在傅氏平面放置一检验相位的空间滤波器，它可以是各种匹配滤波器或空间滤波器。

输入的掩模图案用透镜实现傅氏变换，再乘以空间滤波器的传递函数。

第二块傅氏变换透镜在处理器的输出处产生相关点，能被CCD成像器件探测到。

如果空间滤波器与输入相位掩模匹配或高度相关，一个高强度点将被CCD成像器件探测到。

当这个强度超过某个预定值，将产生一个表明真实性的验证信号。

如果输入相位掩模是假的，输出相关点的强度将低于阈值。

采用非线性联合变换相关器检验卡的真实性。

复合掩模和对应的参考相位掩模在JTC的入射平面被相干光照射，两输入象经透镜傅氏变换发生干涉，按平方律探测得到联合功率谱，对联合功率谱进行傅里叶逆变换，可以得到输入掩模和参考掩模的相关性。

如果采用空间光调制器，JTC中单个空间光调制器方案是可取的，对于这种应用，它可能更经济有效。

对于一个没有采用SLM的系统，用电子学技术对联合功率谱作傅氏变换，也可得到相关信号。

在联合变换相关器中，来自信用卡的输入相位掩模占据了整个输入象平面的一半，输入平面的另一半是投射或反射式的参考相位编码。

如果对不同的信用卡，相位掩模应该实时更换，则相应的参考相位掩模可以从计算机中调出，并写入输入面的空间调制器上。

如果更换的速度要求不高，可以用机械的方法更换相位掩模。

联合变换相关器能方便快速的改变持卡人码或者编写一个特殊码。

对预防未鉴定系统，JTC是极其重要的，因为在频谱面相关器中，傅氏平面滤波的准直影响很大。

由于光学装置有限的动态范围，非线性JTC可能更为实用。

用非线性JTC检验相位编码身份证，将相位掩模叠加在身份证或信用卡的指纹或图像上。

验证输入相位掩模的处理器也可以同样用于原始图案，如指纹或照片的鉴别，处理器要具有原始图案

的先验知识，并且重复同样的鉴别过程。

3.2附加的安全措施

为了更加安全，原始图案本身可以进行相位编码，也就是指纹、照片本身可以写为一种相位掩模，并与前面所讨论的随机相位掩模组合，则每个象素的相位是两个相函数的代数和。

这样做的结果是，在普通光源下，组合掩模对眼睛或任何探测器而言是完全不可见的。

组合掩模可以用与相位掩模相同的方法制作，例如折射、压纹或漂白技术等。

该技术具有附加的保密价值，任何试图伪造卡的人很难确定要复制的原始图案的类型，即使他们得到了原始图案，仍需要破译它的随机相位密码。

结论

由上述仿真结果得到：

VanderLugt相关器图像识别，有很高的信噪比，识别率很高，但由于匹配滤波相关识别方法依赖于频率域的综合，对不同的识别目标必须制作不同匹配滤波器，这在实践上缺乏灵活性，其应用范围受到一定的限制；而联合变换相关器由于产生很强的自相关的零级，容易干扰识别，同时造成了有效能量的损失，因而在识别之前如果能出去零级，将会提高识别能力。

另外，由于零级输出占据了较大的输出面积，限制了有效信号的接受面积，同时也限制了输入平面的范围，但联合变换相关器只依赖于空间域的综合，并且在实践中能实现实时识别，因而有较为广泛的实用性。

可见，利用MATLAB可以能比较用于的实现对光学图像识别技术的仿真，而且仿真的结果和实际实验的结果是相符合的。

用MATLAB实现的对光学图像识别技术的仿真的这一新方法，有助于我们对光学图像识别技术的研究。

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