JP2776949B2

JP2776949B2 - 参照パターンセット作成方法

Info

Publication number: JP2776949B2
Application number: JP2080803A
Authority: JP
Inventors: 安弘竹村; 利治武居
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2013-07-16
Also published as: JPH03282436A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、光学的相関演算手法を用いて、入力パター
ンの識別及び入力パターンからの連想を行なうときの参
照パターンセットの作成方法に関する。

［従来の技術及び発明が解決しょうとする問題点］従来から２次元パターンの相関度を高速に検出する光
学的相関演算手法として、いわゆる、バンダールフト
（VanderLugt）相関器（参考文献:A.VanderLugt,“Sign
al detection by Complex Spatial Filtering,"IEEE Tr
ans.Inf.Theory IT−10,139〜145（1964））及びジョィ
ント−トランスフォーム（Joint−Transform）相関器
（参考文献:C.S.Weaver and J.W.Goodman,“Technique
for Optically Convolving Two Function,"Appl.Opt.5,
1248〜1249（1966））と呼ばれるものが提案されてい
た。

バンダールフト相関器は、参照パターンのフーリエ変
換ホログラムを作成し、これを相関フィルタとして、２
重フーリエ変換光学系の前側のフーリエ変換面に置き、
入力パターンをその２重フーリエ変換光学系の入力面に
於て、コヒーレントに光照射することにより、その出力
面に相関出力が得られるもので、参照パターンとして、
複数のパターンを提示して相関フィルタを作成すれば、
それらのパターンと入力パターンとの相関出力を同時に
得ることができる。

また、ジョイントトランスフォーム相関器は、同一
面内に入力パターンと参照パターンを提示し、その光学
的合同フーリエ変換パターンからそれに応じた複素振幅
透過率分布の相関フィルタを作成し、この相関フィルタ
をフーリエ変換光学系の入力とすることにより、そのフ
ーリエ変換光学系の出力面に、その入力パターンと参照
パターンとの相関出力が得られる。

この方法では、相関フィルタに書き込まれる相関出力
に直接関係する干渉縞の空間周波数を低く設定すること
ができるので、比較的解像度の低い液晶パネル等の簡便
な空間光変調器を用いて準リアルタイムに相関フィルタ
を作成することができ、容易に装置化を行なうことがで
きる。

但し、同時提示が可能な参照パターンの数は、少な
く、この欠点を改良する手法として、本発明者によっ
て、相関出力に応じて参照画像の表示出力を変調する方
法が提案されている（平成１年特許願第114145号等）。

然し乍ら、本質的に、相関による識別は、パターン同
志が類似していないときは、明確に行なわれるが、パタ
ーン同志が類似している場合には、その識別が困難にな
るという欠点があり、通常の参照パターンセットを用い
ている限りにおいては、前記の２つの方式もその例外で
はなかった。

また、通常の参照パターンセットでは、各々の装置に
おける初期的或いは時間変化による調整の不備や素子の
不均一性等に対して相関出力が変化し、特に、類似した
パターンの識別が困難になるという欠点もあった。更
に、参照パターンセットを作成した段階で入力パターン
に対するシステムの反応が決定されてしまい、利用する
時点において強い相関出力を出す場所を変更したり、一
つの入力パターンに対して複数の出力パターンを対応さ
せたり複数の入力パターンに対して一つの出力パターン
を対応させたりすることが困難であった。

本発明は、以上の欠点を解決するためになされたもの
で、類似パターンに対しても、その僅かな差を捉えて、
的確に識別を行なうことができる光学的相関器を実現す
るための参照パターン作成方法を提供することを目的と
する。また、本発明は、光学系の経時変化や初期調整の
不備や素子の不均一に影響され難い光学的相関器を実現
するための参照パターン作成方法を提供することを目的
とする。更に、本発明は、利用する時点において、ユー
ザーがその反応を任意に設定できる光学的相関器を実現
するための参照パターン作成方法を提供することを目的
とする。

［問題点を解決するための手段］そこで、本発明は、上記の技術的な目的を達成するの
ために、本発明の参照パターンセット作成方法は、光学
的に相関処理を行なうときに用いる参照パターンセット
作成方法において、参照パターンセット表示領域に表示
された参照パターン群と、該参照パターン群を含む予想
される入力パターン群のうちのひとつの入力パターンと
の相関演算を該参照パターンセットを用いる相関光学系
により行なうことにより、光学的相関出力が所望の出力
と異なっていた場合に、より強い相関出力が望まれる参
照パターンの位置には、その表示出力に、該入力パター
ンに応じた表示出力を加え、より弱い相関出力が望まれ
る参照パターンの位置の表示出力からは、該入力パター
ンに応じた表示出力を差し引き、その差が負になるとき
には、その部分の表示出力をその表示装置における最小
とし、前記の過程を複数の入力パターンについて行なう
ものである。そして、その前記のより強い相関出力が望
まれる表示パターンの表示出力行列をＡとし、前記のよ
り弱い相関出力が望まれる表示パターンの表示出力行列
をＢとし、前記入力パターンの表示出力行列をＸとし、
０以上の定数を、ａ、ｂ、ｃ及びｄとしたときに、前記
表示出力の加算は、 aA＋bX と表わし、前記表示出力の減算は、 cB−dX と表わすことが好適である。また、この定数ａ及びｃの
値は、前記所望の相関出力と実際の相関出力との差の絶
対値が、大きいほど小さく、前記の定数ｂ及びｄの値
は、前記の所望の相関出力と実際の相関出力との差の絶
対値が大きいほど大きく設定することが好適である。ま
た、この１回の前記加算及び減算による参照パターンセ
ットの表示出力の変化が十分小さくなるまで前記過程を
繰り返すことにより、参照パターンセットを作成するこ
とが好適である。

［作用］上記のような本発明の参照パターンセット作成方法に
より、例えば、２つの類似パターン１、２が参照パター
ンセット中にあり、ある入力パターンに対して、前記参
照パターン１の相関出力を大きく、前記参照パターン２
の相関出力を小さくしたい場合に、前記入力パターンに
対応した表示出力を前記参照パターン１に加えることに
より、参照パターン１からの相関出力を大きくすること
ができる。

但し、このとき、バンダールフト型の相関器では、相
関フィルタを作成するときの参照光束の強度に対して参
照パターンの表示強度が等しいときに、最大の相関出力
が得られるので、最大の相関出力を得たいときに、前記
の条件に適合するように、出力光強度を設定すれば良
い。

また、ジョイントトランスフォーム型の相関器にお
いては、入力パターンの表示出力強度と参照パターン表
示出力強度が等しいときに最大の相関出力が得られるの
で、同様に、最大の相関出力を得たいときに、その条件
に適合するように出力光強度を設定すれば良い。

更に、前記参照パターン２からは、前記入力パターン
に対応する表示出力を差し引く。このとき、参照パター
ン２の一部分の表示出力より、それに対応する入力パタ
ーンの部分の表示出力が大きい場合には、引き算の結果
は負になってしまうので参照パターン２のその部分につ
いては、表示出力をその表示装置における最小値とす
る。すると、参照パターン２は、入力パターンと異なる
部分が一致する部分に比較して強く表示され、この参照
パターンが示す入力パターンに対する相関出力は、小さ
くなる。

このとき、元々の参照パターンの表示出力に対して大
きい値を引いてしまうと、参照パターンが多数あるとき
にほとんど出力のない参照パターンができてしまう可能
性がある。

そこで、そのような場合には、参照パターンの表示出
力を定数倍した値から入力パターンの表示出力を差し引
いたり、参照パターンの表示出力から入力パターンの表
示出力を０以上１以下の定数倍した値を差し引いたりす
れば良い。

また、所望の相関出力と実際の相関出力との差が大き
いときには入力パターンをそのままに近い表示出力値で
差し引き、所望の相関出力と実際の相関出力との差が小
さくなるに従って差し引く入力パターンの表示出力値を
小さくしていくことにより、この作業の繰り返しによる
参照パターンの表示出力値を速やかに収束させることが
できる。

次に、本発明の参照パターンセット作成方法を具体的
に実施例により説明するが、本発明はそれらによって限
定されるものではない。

［実施例１］第１図は、本発明の参照パターンセット作成方法を用
いたバンダールグト型光相関器をベースとした光相関
光学系の一例の模式光学構成図である。

レーザ光源１を出射した光束２は、ビームエキスパン
ダ３を通ってビーム径の拡大された平行光束となり、ハ
ーフミラー４を透過して参照パターン表示面７を透過す
る。この参照パターン表示面７は、フーリエ変換レンズ
14の焦点面に位置した透過型の空間光変調器をなしてお
り、この空間光変調器は画像の和及び差の演算が可能で
あるものとし、そこには、なんらかの初期画像が表示さ
れていても良いし、特に画像が表示されていなくとも良
い。

ここでは、その一例として、参照パターン表示面７に
は、アルファベットのＡからＰまでの16文字が表示され
ているものとする。

参照パターン表示面７において、参照パターンに応じ
た空間的変調を受けた光束２は、ハーフミラー10で反射
され、フーリエ変換レンズ14を透過し、ハーフミラー11
を透過して空間周波数面12に到達し、ここで、ハーフミ
ラー４及び５を反射しハーフミラー11で反射されてきた
光束と干渉して空間周波数面12上に実時間フーリエ変換
ホログラムを形成する。

ここで形成された実時間フーリエ変換ホログラムは、
いわゆる相関フィルタであり、二重フーリエ変換光学系
の中間のフーリエ変換面に配置することにより、光学的
な相関演算を行なうことができる。

一方、ビームエキスパンダ３を透過した後、ハーフミ
ラー４で反射され、ハーフミラー５を透過した光束２
は、ミラー６及び９で反射されて入力パターン表示面８
を照射する。入力パターン表示面８は、参照パターン表
示面７と同様に透過型の空間光変調器をなしており、フ
ーリエ変換レンズ13の焦点距離をフーリエ変換演算14の
焦点距離と等しく設定すれば、この入力パターン表示面
８からの出力光がフーリエ変換レンズ13及び14による二
重フーリエ変換光学系を通ることにより、入力パターン
表示面８上のパターンと参照パターン表示面７上のパタ
ーンとの相関出力が出力面15上に得られる。

ここで、空間周波数面12上には、形成された干渉縞の
強度分布を実時間フーリエ変換ホログラムとして、複素
振幅透過率分布の形で記録する空間的記録媒体が必要で
ある。このような媒体として、現在利用可能なものとし
ては、Bi₁₂SiO₂₀（BSO）や、BaTiO₃、GaAs等の光誘起屈
折率変化を有する結晶や液晶と光導電膜を組合わせた液
晶ライトバルブ等が考えられる。

但し、現在製品化されている液晶ライトバルブはネマ
ティック液晶を用いているため、セル厚が厚くホログラ
ムを記録するのに十分な分解能が得られない。この液晶
ライトバルブに強誘電性の液晶を用いたものが製品化さ
れれば、有用な媒体と考えることができる。更に、PLZT
薄膜を用いて液晶ライトバルブと同様の素子を実現する
研究も行なわれている。

また、入力パターン表示面８に入力パターンを表示す
る方法としては、インコヒーレント・コヒー変換素子を
用いる方法と、電気的信号入力により画像表示を行なう
素子を用いる方法とが考えられる。前者のインコヒーレ
ント・コヒーレント変換素子を用いる方法では、媒体と
して、BSOや液晶ライトバルブを用いて、インコヒーレ
ントに照明された被検物体の像をインコヒーレント・コ
ヒーレント変換素子の入力面上に結像させ、その強度分
布に応じた複素透過率分布或いは複素反射率分布によ
り、読み出しコヒーレント光を変調するのが一般的であ
る。従って、第１図には、この結像用の光学系を付加す
る必要がある。

但し、液晶ライトバルブは、通常反射型の素子であ
り、読み出し光の光路は、第１図に示されたものと異な
り、フーリエ変換レンズ13と入力パターン表示面８との
間にハーフミラーを配し、このハーフミラーの側から読
み出し光を照射することになる。

また、後者の電気的信号入力により画像表示を行なう
素子を用いる方法としては、現在液晶デイスプレイに用
いられているようなマトリックス状に電極を配した液晶
パネルを用いるのが代表的で、被検画像を撮像素子で取
り込み、液晶パネル上に表示する。このとき、通常の液
晶パネルに使用されている偏光板や板硝子は、光学的性
能（透過波面精度等）が低いので、光学系の要求仕様に
よっては、高品質の偏光子を使用したり、オプチカル・
フラットを使用する等の工夫が必要である。この液晶デ
イスプレイと類似の素子としては、PLZTやLiNbO₃等の電
気光学効果の高い媒体にマトリックス状に電極を配した
素子等が考えられる。

更に、参照パターン表示面７に画像パターンを表示す
る方法としても、入力パターン表示面８で用いたのと同
様な方法を用いることができる。但し、このとき、参照
パターン表示面７上の画像は、必要に応じて加算や減算
の演算が行なわれるので、これらの演算機能を有する素
子を用いるのが好適である。このような素子の代表的な
ものとして、マルチチャンネルプレートと電気光学光変
調素子を組合わせた空間光変調管が市販されている。こ
のような演算機能を有する素子を用いない場合は、先に
演算を行なってから表示媒体に書き込みを行なえば良
い。このときの演算は、電子計算装置を用いて行なうの
が、最も簡単であるが、光学的に演算を行なう方法も盛
んに研究されており、特に、位相共役波を用いて減算を
行なうことができるようになっている。

また、参照パターンの表示に液晶パネルのような電気
的にアドレスを行なう素子を用いた場合には、電子計算
機中に参照パターンをメモリしておき、受光した相関出
力のデータから加減算を行ない、参照パターンとその係
数を決定して、電子計算機中でその演算を行なって液晶
パネルに出力すればよいので、簡単且つフレキシブルに
処理することができる。

ところで、前記の加減算を行なう参照パターンとその
加減算の係数との決定は、次のように行なうことができ
る。例えば、参照パターンセットとして、ＡからＰまで
のアルファベット16文字が表示されていたときに、Ｆが
入力されたとする。この入力に対して、各々の参照パタ
ーンに応じた出力が得られるが、特に出力の大きいの
は、ＦとＥとＢである。即ち、この３者は非常に似通っ
ており、認識の間違いを起こし易い。そこで、Ｆの入力
に対してＦの出力が大きくなることは好適であるのでＦ
の参照パターンからの減算は行なわず、Ｅ及びＢの参照
パターンからＦのパターンの減算を行なう。これを、 c₁E−d₁F及びc₂B−d₂F と表わすものとし、参照パターンＥの相関出力の方が参
照パターンＢの相関出力よりも大きかったとすると、０
＜d₂＜d₁＜１となるような各々の係数の値とする。この
ときc₁及びc₂は、１で良いが、特にそのパターンの差の
部分を強調したい場合には、１より大きい値としても良
い。ここで、d₂及びd₁をあまり１に近い値にしてしまう
と減算されたパターンが元のパターンに対しても大きな
相関を示さなくなってしまったり、他のパターンと相関
が高くなってしまったりするので、この係数は、あまり
大きくせずに、複数の入力パターンについて複数回の入
力及び演算の作業を行なって、徐々に参照パターンセッ
トを書き換えていくのが好適である。Ｅ及びＢのパター
ンからＦのパターンを差し引いたパターンを第２図に示
す。

斜線で示された部分がＦのパターンが差し引かれた部
分であり、他の部分より表示出力が小さくなっている。
これは、参照パターンセットの表示に透過型の表示媒体
を用いていたとすると、その部分の透過率を低くしたこ
とになる。これにより、Ｅ及びＢの参照パターンは、各
々ＥやＢの入力パターンに対しては高い相関を保ちなが
ら、Ｆの入力パターンとの相関を低くし、各々の識別が
確実にできるようになる。

更に、本発明の方法により、全く参照パターンのなか
ったところに所望の相関出力が得られるような参照パタ
ーンを作成出すことも可能である。即ち、所望の相関出
力に対応する場所に、その入力と同じパターンに書き込
めば良い。これは、その所望の相関出力の所望位置に対
応する位置に元もと異なるパターンがある場合も同様
で、その場合には、所望のパターンを加えると同時に元
々あった異なる参照パターンの表示出力行列をＡ、その
ときの入力パターンの表示出力行列をＸ、０以上の定数
をａ、ｂ、ｃ及びｄとしたときに、 aA＋bX と表わすことができ、特に、ａは、０に近い値とし、ｂ
は１に近い値とすることにより、参照パターンセットを
全く書き換えて、任意の入力に対して所望の出力が得ら
れる参照パターンセットを得ることができる。

［実施例２］第３図は、本発明の参照パターンセット作成方法をジ
ョイントトランスフォーム型の光相関器に適用したと
きの、一構成例につき、その模式構成図を示し、その説
明を加える。但し、参照パターンの演算については、第
１図と同様であるので、光学系の構成についてのみ説明
する。

第３図の光学的配置図において、レーザ光源31を出射
した光束32は、ビームエキスパンダ33を通って、ビーム
径の広げられた平行光束となり、ミラー34で反射され、
ハーフミラー35を通ってハーフミラー37で反射され、入
力パターン・参照パターン表示面38に入射する。この入
力パターン・参照パターン表示面38には、実施例１で説
明したような液晶ライトバルブが置かれ、同じ面内に入
力パターンと参照パターンが表示されている。（液晶ラ
イトバルブへのパターンの書き込み光学系は省略する）尚、ここで用いる表示素子は、透過型の液晶パネル等
の素子でも良いが、そのときは、入射光がフーリエ変換
レンズ39と逆の方向から入射するように光学系を構成す
る。

ここで、入力パターン及び参照パターンの変調を受け
た光束２は、ハーフミラー37を通り、フーリエ変換レン
ズ39を通って、フーリエ変換面40に、入力パターン及び
参照パターンの合同フーリエ変換パターンを形成する。
フーリエ変換面40には、実施例１で説明した液晶ライト
バルブ等の光アドレス型の画像表示素子を配置し、この
合同フーリエ変換パターンの強度分布に応じた複数振幅
反射率分布が得られるようにする。

ここに、ハーフミラー35、ミラー36、ハーフミラー41
で反射された光束を入射し、フーリエ変換レンズ42で光
学的にフーリエ変換を行なうことにより、出力面43上に
入力パターンと各々の参照パターンとの相関出力が得ら
れる。

［発明の効果］本発明による参照パターンセット作成方法により、上
述のような効果が得られた、それらをまとめると、次の
ような顕著な技術的効果が得られた。

即ち、第１に、類似のパターンに対しても、その僅か
な差に捉えて的確に識別を行なうことができる光学的相
関器を実現することができる参照パターンセット作成方
法を提供できた。

第２に、参照パターンセットを書き換えることができ
ることにより、光学系の経時変化や初期調整の不備や素
子の不均一性に影響され難い光学的相関器を実現するこ
とができる参照パターンセット作成方法が提供された。

第３に、更に、利用する時点において、ユーザーがそ
の反応を任意に設定することができる光学的相関器を実
現する参照パターンセット作成方法を提供した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の参照パターンセット作成方法を利用
した光学的相関器の構成例を示す模式構成図である。第２図は、本発明の参照パターンセット作成方法におけ
る参照パターンの演算を説明する模式説明図である。第３図は、本発明の参照パターンセット作成方法に利用
した他の光学的相関器の構成例を示す模式構成図であ
る。［主要部分の符号の説明］１、31……液晶ライトバルブ２、32……光束３、33……ビームエキスパンダ７……参照パターン表示面８……入力パターン表示面 12……空間周波数面 13、14、39、42……フーリエ変換レンズ 15、43……出力面 38……入力パターン・参照パターン表示面 40……フーリエ変換面

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光学的に相関処理を行なうときに用いる参
照パターンセット作成方法において、参照パターンセット表示領域に表示された参照パターン
群と、該参照パターン群を含む予想される入力パターン
群のうちのひとつの入力パターンとの相関演算を、該参
照パターンセットを用いる相関光学系により行なうこと
により、光学的相関出力が所望の出力と異なっていた場合に、よ
り強い相関出力が望まれる参照パターンの位置には、そ
の表示出力に、該入力パターンに応じた表示出力を加
え、より弱い相関出力が望まれる参照パターンの位置の
表示出力からは、該入力パターンに応じた表示出力を差
し引き、その差が負になるときには、その部分の表示出
力をその表示装置における最小とし、前記の過程を複数
の入力パターンについて行なうことを特徴とする参照パ
ターンセット作成方法。
【請求項２】前記のより強い相関出力が望まれる表示パ
ターンの表示出力行列をＡとし、前記のより弱い相関出
力が望まれる表示パターンの表示出力行列をＢとし、前
記入力パターンの表示出力行列をＸとし、０以上の定数
を、ａ、ｂ、ｃ及びｄとしたときに、前記表示出力の加
算は、 aA＋bX と表わし、前記表示出力の減算は、 cB−dX と表わすことを特徴とする請求項１に記載の参照パター
ンセット作成方法。
【請求項３】前記定数ａ及びｃの値は、前記所望の相関
出力と実際の相関出力との差の絶対値が、大きいほど小
さく、前記の定数ｂ及びｄの値は、前記の所望の相関出
力と実際の相関出力との差の絶対値が大きいほど大きく
設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の参照
パターンセット作成方法。
【請求項４】１回の前記加算及び減算による参照パター
ンセットの表示出力の変化が十分小さくなるまで前記過
程を繰り返すことを特徴とする請求項３に記載の参照パ
ターンセット作成方法。