RU2154302C2

RU2154302C2 - Image identifying device

Info

Publication number: RU2154302C2
Application number: RU98102636A
Authority: RU
Inventors: А.Е. Городецкий; М.Е. Компан; А.Н. Александрин
Original assignee: Институт проблем машиноведения РАН
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2000-08-10

Abstract

FIELD: optical image-identifying devices. SUBSTANCE: device has first lens and image conversion unit with optically coupled optical divider, second lens, first semi-reflecting mirror, light conductors, first light filter, second semi-reflecting mirror, and second light filter; it also has third lens, photodetector unit, signal spectrum analyzer, comparison unit, standard signal setting unit, decision unit, as well as transfer signal shaping unit, light-beam deflecting unit, and third light filter. Installed in front of image conversion unit are series- connected additional photodetector unit, image shaping unit, porous silicon covered screen, and fourth lens optically coupled with optical divider input that functions as optical input of image conversion unit; additional photodetector unit is optically coupled with first lend that functions as optical input of device. EFFECT: improved noise immunity and image identification reliability. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматики и технической кибернетики, а именно к оптическим устройствам для распознавания образов. The invention relates to the field of automation and technical cybernetics, namely to optical devices for pattern recognition.

Известны устройства для распознавания образов, содержащие блок формирования мультиплицированных изображений образов, вход которого соединен с блоком формирования входных сигналов, а выход подключен к входам блоков преобразования оптических изображений образов, и блок выделения сигналов распознавания, соединенный с блоком сопряжения и с анализатором спектра мощности сигналов [1] . Недостаток устройства заключается в малой скорости преобразования и передачи информации. Known devices for pattern recognition, containing a block for generating multiplied image images, the input of which is connected to a block for generating input signals, and the output is connected to the inputs of blocks for converting optical image images, and a block for extracting recognition signals connected to the interface unit and to the signal power spectrum analyzer [ 1] . The disadvantage of this device is the low speed of conversion and transmission of information.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее последовательно расположенные на оптической оси осветитель, первый объектив, блок преобразования изображений, второй объектив и блок фотоприемников, выход которого подключен к анализатору спектра сигналов, соединенному с блоком сравнения, другой вход которого соединен с блоком задания эталонных сигналов, а выход с блоком принятия решений, блок формирования сигналов перемещения, узел отклонения светового пучка и светофильтр. В блок преобразования изображений входят оптический делитель, объектив, два полупрозрачных зеркала, световоды и светофильтры. Узел отклонения светового пучка выполнен в виде пьезокристалла в форме параллелипипеда, одна грань которого является зеркальной, а на две другие нанесены электроды, на которые поступают сигналы отклонения от блока формирования сигналов перемещения. Два светофильтра настроены на пропускание двух разных цветов, а третий - на пропускание цвета, являющегося комбинацией первых двух [2]. Его недостаток состоит в невозможности распознавания подвижных объектов на фоне неподвижных в поле зрения устройства, а также в связи с этим в малой надежности и помехозащищенности распознавания. The closest in technical essence is a device containing a illuminator sequentially located on the optical axis, a first lens, an image conversion unit, a second lens and a photodetector unit, the output of which is connected to a signal spectrum analyzer connected to a comparison unit, the other input of which is connected to a reference task unit signals, and an output with a decision block, a block for generating movement signals, a node deflecting the light beam, and a filter. The image conversion unit includes an optical divider, a lens, two translucent mirrors, optical fibers and light filters. The node of the deflection of the light beam is made in the form of a piezocrystal in the form of a parallelepiped, one face of which is mirrored, and two electrodes are deposited on the other two, to which the signals of deviation from the block generating the movement signals are applied. Two filters are configured to transmit two different colors, and the third to transmit color, which is a combination of the first two [2]. Its disadvantage is the impossibility of recognizing moving objects against the background of motionless in the field of view of the device, and also in connection with the low reliability and noise immunity of recognition.

Задача, решаемая изобретением - повышение помехозащищенности и надежности распознавания образов. The problem solved by the invention is to increase the noise immunity and reliability of pattern recognition.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенном устройстве перед блоком преобразования изображений установлены последовательно связанные дополнительный блок фотоприемников, блок формирования изображений, экран с покрытием из пористого кремния и объектив. Основой для применения экрана из пористого кремния является высокоэффективная, с внутренним квантовым выходом порядка десятка процентов, фотолюминесценция этого материала в видимой области спектра. Однако при стационарных условиях возбуждения люминесценции выход люминесценции не остается постоянным ("усталость люминесценции") [3,4] . This object is achieved by the fact that in the proposed device, in front of the image conversion unit, an additional photodetector unit, an image forming unit, a porous silicon coated screen and a lens are connected in series. The basis for the use of a porous silicon screen is a highly efficient photoluminescence of this material with an internal quantum yield of the order of ten percent in the visible spectral region. However, under stationary conditions of luminescence excitation, the luminescence yield does not remain constant (“luminescence fatigue”) [3,4].

Поэтому если первичный поток визуальной информации спроектировать на экран из пористого кремния, то в тех местах, где осуществляется возбуждение (с помощью электронного пучка или ультрафиолетового облучения) экран излучает, формируя изображение какого-то объекта. Если объект исчезает, исчезает и возбуждение. Поскольку время затухания свечения пористого кремния порядка миллисекунды, при прекращении возбуждения свечение исчезает для наблюдателя практически мгновенно. Если объект остается неподвижным, то возбуждение области экрана, соответствующей объекту, остается неизменным. Однако свечение экрана в данной области будет ослабевать, что соответствует постепенному исчезанию с экрана неподвижных объектов. В то же время объект, только возникший в поле зрения или двигающийся, будет иметь большую яркость. Therefore, if the primary flow of visual information is projected onto a screen made of porous silicon, then in those places where excitation is carried out (using an electron beam or ultraviolet radiation) the screen emits, forming an image of some object. If the object disappears, so does the excitement. Since the decay time of the glow of porous silicon is of the order of a millisecond, when the excitation ceases, the glow disappears for the observer almost instantly. If the object remains stationary, then the excitation of the area of the screen corresponding to the object remains unchanged. However, the glow of the screen in this area will diminish, which corresponds to the gradual disappearance of stationary objects from the screen. At the same time, an object that only appears in the field of view or moves will have a greater brightness.

При этом аналогичный результат можно было бы получить путем использования вычислительных систем. Однако очевидно, что использование материала со сложными физическими свойствами для обработки информации вместо традиционно используемых вычислительных систем повышает надежность, поскольку свойства материала являются существенно более надежными, чем функционирование многоэлементных устройств. Moreover, a similar result could be obtained by using computer systems. However, it is obvious that the use of material with complex physical properties for processing information instead of traditionally used computing systems increases reliability, since the properties of the material are significantly more reliable than the operation of multi-element devices.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства для распознавания образов; на фиг. 2 - схема узла отклонения светового пучка и блока формирования сигналов перемещения; на фиг. 3 - диаграмма сопряжения световых потоков, на фиг.4 - зависимость интенсивности люминесценции пористого кремния от времени при стационарных условиях. Figure 1 shows a block diagram of a device for pattern recognition; in FIG. 2 is a diagram of a node deflecting a light beam and a block for generating movement signals; in FIG. 3 is a diagram of the conjugation of light fluxes; FIG. 4 is a plot of the luminescence intensity of porous silicon as a function of time under stationary conditions.

Устройство (фиг. 1) содержит осветитель 1, объектив 2, дополнительный блок 3 фотоприемников, блок 4 формирования изображений с экраном 5, который покрыт пористым кремнием, объектив 6, оптический делитель 7, объектив 8, первое полупрозрачное зеркало 9, узел 10 отклонения светового пучка, блок 11 формирования сигналов перемещения, светофильтр 12, световоды 13, светофильтр 14, второе полупрозрачное зеркало 15 с светофильтром 16, объектив 17,блок 18 фотоприемников, анализатор 19 спектра сигналов, блок 20 сравнения, блок 21 задания эталонных сигналов и блок 22 принятия решения. Наличие осветителя 1 необязательно, т.к. он может быть заменен естественным освещением. The device (Fig. 1) comprises a illuminator 1, a lens 2, an additional block 3 of photodetectors, an imaging unit 4 with a screen 5 that is coated with porous silicon, a lens 6, an optical divider 7, a lens 8, a first translucent mirror 9, a light deflection unit 10 beam, block 11 generating displacement signals, light filter 12, light guides 13, light filter 14, second translucent mirror 15 with light filter 16, lens 17, block 18 of photodetectors, signal spectrum analyzer 19, block 20 of comparison, block 21 of setting reference signals and block 22 is received tiya solutions. The presence of illuminator 1 is optional, because It can be replaced with natural light.

Узел 10 отклонения светового пучка и блок 11 формирования сигналов перемещения содержит кристалл 23 пьезоэлектрика, грань 24 которого выполнена зеркальной, грань 25 жестко закреплена, а к граням 26 и 27 подключены электроды 28 и 29, связанные через переключатель 30 с источником 31 электроэнергии. Элементы 7-9 и 13-16 образуют блок преобразования изображений. The node 10 of the deviation of the light beam and the block 11 of the formation of the movement signals contains a piezoelectric crystal 23, the face 24 of which is made mirrored, the face 25 is rigidly fixed, and the electrodes 28 and 29 connected through the switch 30 to the electric power source 31 are connected to the faces 26 and 27. Elements 7-9 and 13-16 form an image conversion unit.

Картина распознаваемого изображения 34 содержит подвижный распознаваемый объект 32 и неподвижный "фон" 33 (помехи). The pattern of the recognized image 34 contains a movable recognizable object 32 and a fixed "background" 33 (interference).

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Картина распознаваемого изображения 34 с помощью осветителя естественного освещения или осветителя 1 через объектив 2 подается на вход дополнительного блока 3 фотоприемников и преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный освещенности на входе. Электрический сигнал поступает на блок формирования изображений 4, который формирует изображения на экране 5 из пористого кремния. При этом через некоторое время Δt (фиг.4) на экране 5 из пористого кремния остается лишь изображение подвижного распознаваемого объекта 32, а неподвижный фон 33 исчезает. В качестве блока 4 может быть использована электронная пушка или лазер с устройствами амплитудной модуляции и развертки, либо лазерная матрица с усилителем. The pattern of the recognized image 34 using a natural light illuminator or illuminator 1 through the lens 2 is fed to the input of an additional block 3 of photodetectors and converted into an electrical signal proportional to the illumination at the input. An electrical signal is supplied to an imaging unit 4, which forms images on a screen 5 of porous silicon. In this case, after some time Δt (Fig. 4), only the image of the movable recognizable object 32 remains on the screen 5 of porous silicon, and the stationary background 33 disappears. As block 4, an electron gun or a laser with amplitude modulation and sweep devices, or a laser matrix with an amplifier can be used.

Изображение подвижного распознаваемого объекта 32 с экрана 5 из пористого кремния через объектив 6 подается на вход оптического делителя 7. В результате на выходе оптического делителя 7 образуется N изображений объекта 32 с шагом H, которые через объектив 8 поступают на полупрозрачное зеркало 9. В результате образуются два ряда изображений объекта 32. Один ряд изображений с шагом H падает на узел 10, отражается и проходит через светофильтр 12, образуя на выходе световой поток, который описывается функцией

где λ(x) - функция, описывающая контур распознаваемого образа.The image of the movable recognizable object 32 from the screen 5 of porous silicon through the lens 6 is fed to the input of the optical divider 7. As a result, the output of the optical divider 7 produces N images of the object 32 with a step H, which through the lens 8 enter the translucent mirror 9. As a result, two rows of images of object 32. One row of images with a step H falls on the node 10, is reflected and passes through the filter 12, forming at the output a luminous flux, which is described by the function

where λ (x) is a function that describes the contour of a recognized image.

Второй ряд изображений падает на световоды 13, установленные таким образом, что на вход каждого световода попадает только одно изображение. Выходы световодов располагают таким образом, чтобы на входе светофильтра 14 был ряд изображений объекта 32 с шагом h при условии, что h/H=p/q; (p,q)=1; p,q ∈ Z⁺, которое означает, что шаги Н и h не равны и не кратны друг другу. Упомянутый ряд изображений объекта 32 проходит через светофильтр 14 и образует на выходе световой поток, который можно описать функцией

Далее оба потока поступают на полупрозрачное зеркало 15, где они накладываются друг на друга. Так как светофильтры 12 и 14 настроены на разные цвета, то при наложении потоков образуется новый световой поток, который в местах совпадения накладывающихся потоков имеет комбинационный цвет. Этот новый световой поток проходит через светофильтр 16, настроенный на комбинационный цвет. Поэтому на выходе светофильтра 16 образуется комбинационный световой поток, который можно описать функцией
f(x) = ψ(x)∩φ(x+θ),
где θ(x) - расстояние между первыми элементами в световых потоках (фиг. 3).The second row of images falls on the optical fibers 13, installed in such a way that only one image gets to the input of each optical fiber. The outputs of the optical fibers are arranged so that at the input of the filter 14 there is a series of images of the object 32 with a step h, provided that h / H = p / q; (p, q) = 1; p, q ∈ Z ⁺ , which means that the steps H and h are not equal and not multiple to each other. The aforementioned series of images of object 32 passes through a filter 14 and forms an output light stream, which can be described by the function

Further, both flows enter the translucent mirror 15, where they overlap each other. Since the filters 12 and 14 are configured for different colors, when applying the fluxes, a new luminous flux is formed, which in the places of overlapping overlapping fluxes has a combination color. This new luminous flux passes through the filter 16, tuned to a combination color. Therefore, at the output of the filter 16, a combination luminous flux is formed, which can be described by the function
f (x) = ψ (x) ∩φ (x + θ),
where θ (x) is the distance between the first elements in the light fluxes (Fig. 3).

Комбинационный световой поток через объектив 17 поступает на вход блока 18 фотоприемников и преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный освещенности на входе. The combination light flux through the lens 17 enters the input of the photodetector unit 18 and is converted into an electrical signal proportional to the illumination at the input.

В момент распознавания замыкают переключатель 30. Замыкание переключателя 30 происходит через момент времени Δt (фиг.4), когда помехи (фон) исчезают и остается только движущийся предмет. В результате на грани 26 и 27 пьезокристалла 23 поступает от источника 31 электроэнергия. Грань 24 перемещается на расстояние, соответствующее смещению потока, описываемого функцией φ(x+θ), относительно светового потока, описываемого функцией ψ(x), на расстоянии T=pH=qh. At the moment of recognition, the switch 30 is closed. The closure of the switch 30 occurs after the time Δt (Fig. 4), when the interference (background) disappears and only a moving object remains. As a result, on the edges 26 and 27 of the piezocrystal 23, electric power is supplied from the source 31. Face 24 moves at a distance corresponding to the displacement of the flux described by the function φ (x + θ) relative to the light flux described by the function ψ (x) at a distance T = pH = qh.

С выхода блока 18 фотоприемников на вход анализатора 19 спектра сигналов поступает сигнал

где k - коэффициент преобразования блока фотоприемников.From the output of the block 18 of the photodetectors to the input of the analyzer 19 of the signal spectrum receives a signal

where k is the conversion coefficient of the block of photodetectors.

В анализаторе 19 спектра сигналов определяются гармоники A_i сигнала S(θ), которые характеризуют контур распознаваемого объекта 32. Вычисленные гармоники A_i поступают в блок 20 сравнения в виде амплитуд напряжения постоянного тока. На другой вход блока 20 поступают эталонные напряжения из блока 21 задания эталонных сигналов.In the analyzer 19 of the signal spectrum, the harmonics A _{i of the} signal S (θ) are determined, which characterize the circuit of the recognized object 32. The calculated harmonics A _i enter the comparison unit 20 in the form of amplitudes of the DC voltage. To another input of block 20, reference voltages from block 21 of setting reference signals are received.

Соответствующие эталонные напряжения, пропорциональные вычисленным гармоникам A_i, сравниваются с помощью компараторов блока 20 сравнения, и результирующий сигнал поступает в блок 22 принятия решения, который индицирует на видеотерминале тип распознаваемого объекта 32.The corresponding reference voltages proportional to the calculated harmonics A _i are compared using the comparators of the comparison unit 20, and the resulting signal is sent to the decision unit 22, which indicates the type of the recognized object 32 on the video terminal.

Для повышения быстродействия срабатывания блока 11 формирования сигналов перемещения пьезокристалл 23 раскачивают на частоте, близкой собственной частоте кристалла 23 по малой амплитуде. Причем частота устройства развертки в блоке формирования изображений 4 должна быть много выше частоты раскачивания пьезокристалла 23. To increase the response speed of the block 11 generating movement signals, the piezocrystal 23 is pumped at a frequency close to the natural frequency of the crystal 23 in small amplitude. Moreover, the frequency of the scanning device in the imaging unit 4 should be much higher than the frequency of swinging of the piezocrystal 23.

В момент распознавания с помощью переключателя 30 резко увеличивают амплитуду напряжения, подаваемого на пьезокристалл 23, и тем самым обеспечивают сдвиг световых потоков на расстояние T за время, не превышающее десятков наносекунд. At the moment of recognition, using the switch 30, the amplitude of the voltage supplied to the piezoelectric crystal 23 is sharply increased, and thereby the light flux is shifted by a distance T in a time not exceeding tens of nanoseconds.

Предлагаемое устройство может быть использовано при диагностике технических объектов по динамическим характеристикам, в биологии при распознавании плоских биологических объектов. Описанное визуальное контрастирование динамической информации может быть использовано для облегчения работы операторов, для выделения изменения показаний, в системах обнаружения и наведения и т.п. The proposed device can be used in the diagnosis of technical objects by dynamic characteristics, in biology with the recognition of flat biological objects. The described visual contrasting of dynamic information can be used to facilitate the work of operators, to highlight changes in readings, in detection and guidance systems, etc.

Литература
1. Авторское свидетельство N 631946, кл. G 06 К 9/00.Literature
1. Copyright certificate N 631946, cl. G 06 K 9/00.

2. Авторское свидетельство N 1241268, кл. G 06 К 9/00. 2. Copyright certificate N 1241268, cl. G 06 K 9/00.

3. I.M. Chang, S.C. Pan, Y.F. Chen. Light-induced degradation on porous silicon. /Phisical Review, Volume 48, N 12 (1993). 3. I.M. Chang, S.C. Pan, Y.F. Chen Light-induced degradation on porous silicon. / Phisical Review, Volume 48, N 12 (1993).

4. Y.E. Chen, S.F. Huang, W.S. Chen. Kinetics of optically generated defects in hydrogenated amorphus silicon. /Phisical Review, Volume 44, N 23 (1991). 4. Y.E. Chen, S.F. Huang, W.S. Chen Kinetics of optically generated defects in hydrogenated amorphus silicon. / Phisical Review, Volume 44, N 23 (1991).

Claims

Устройство для распознавания образов, содержащее последовательно расположенные первый объектив, блок преобразования изображений, включающий последовательно расположенные и оптически связанные оптический делитель, второй объектив, первое полупрозрачное зеркало, световоды, первый светофильтр, второе полупрозрачное зеркало и второй светофильтр; третий объектив и блок фотоприемников, выход которого подключен к входу анализатора спектра сигналов, выход которого соединен с одним из входов блока сравнения, другой вход которого подключен к выходу блока задания эталонных сигналов, а выход - к входу блока принятия решений, а также блок формирования сигналов перемещения, узел отклонения светового пучка и третий светофильтр, при этом выходы блока формирования сигналов перемещения соединены с управляющими входами узла отклонения светового пучка, оптически связанного с первым полупрозрачным зеркалом и через третий светофильтр - с вторым полупрозрачным зеркалом, отличающееся тем, что перед блоком преобразования изображений установлены последовательно связанные дополнительный блок фотоприемников, блок формирования изображений, экран с покрытием из пористого кремния и четвертый объектив, оптически связанный с входом оптического делителя, который является оптическим входом блока преобразования изображений, а дополнительный блок фотоприемников оптически связан с первым объективом, являющимся оптическим входом устройства. An image recognition device comprising a first lens in series, an image conversion unit including a sequentially located and optically coupled optical divider, a second lens, a first translucent mirror, light guides, a first light filter, a second translucent mirror and a second light filter; the third lens and the photodetector unit, the output of which is connected to the input of the signal spectrum analyzer, the output of which is connected to one of the inputs of the comparison unit, the other input of which is connected to the output of the reference signal setting unit, and the output - to the input of the decision making unit, as well as the signal generation unit movement, the node deflection of the light beam and the third filter, while the outputs of the block generating the signals of movement are connected to the control inputs of the node deflection of the light beam optically connected with the first half-window a primary mirror and through a third filter - with a second translucent mirror, characterized in that an additional photodetector unit, an image forming unit, a porous silicon coated screen and a fourth lens optically connected to the input of the optical divider, which is the optical input of the image conversion unit, and an additional unit of photodetectors is optically connected to the first lens, which is the optical input of the device Properties.