一种实现体全息相关器多重分组相关通道的方法

专利名称：一种实现体全息相关器多重分组相关通道的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过相位编码在光学相关器(体全息相关器)中实现多重分组相关通道 的方法，可用于图像、数据页的相关运算、检索、匹配等，属于光学信息处理领域。
背景技术：
光学相关器通常是基于透镜的傅里叶变换性质构建的。Vander Lugt光学相关器是一种 常见的利用4-F透镜系统(附图1所示为体全息相关器的原理图，透镜系统见附图1中的101 和103)构建的光学相关器，这种光学相关器可以在输出面上给出两幅图像的互相关函数分 布，具有高速、高并行的优点。但是，这种光学相关器本质上仍然是单通道的， 一次输入只 能完成两幅图像之间的相关运算，给出这两幅图像的相似度度量。体全息相关技术来源于体全息存储与光学相关器技术，附图l所示的体全息相关器由输 入图像100，傅立叶变换透镜101，体全息存储材料102，逆傅立叶变换透镜103，体全息相 关器的输出面104，和存储在102中的库图像105组成。体全息相关技术通过角度复用存储 技术在具有一定厚度的体全息存储材料102中存储多幅图像105的傅里叶变换谱，构成一个 多重滤波器，并用此多重滤波器替换了 Vander Lugt光学相关器中的空间滤波器板，这样体 全息相关器就可以将输入的图像100与存储在材料中的多幅图像(库图像)同时进行互相关 运算(多通道并行相关)。理论分析表明，通过增加材料厚度、离焦存储、散斑调制等方法， 体全息相关器输出面104上的光场分布可近似表示为g(&,尺)乂 Z J"^。办。/'(、,少。)/r(^,:^);从上式可以看出，体全息相关器实质上是一个多通道的并行光学相关器。每个通道在输 出面上输出一个相关点，其亮度代表输入图像与该通道中存储图像的之间内积值。由于一个 相关点在输出面上占的面积很小，这就使得在一定的通道间隔下，输出面上可以并行无串扰 地输出各通道的相关结果。与传统光学相关器相比，体全息相关器可以并行的输出一幅输入图像与几千幅存储图像的内积值，在内容检索、模式识别、导航等领域具有广泛的应用潜力。 体全息相关器采用二维角度复用技术存储库图像。受输出相关点尺寸的限制，在保证相 关点间无串扰的前提下，存储材料中单点所能容纳的相关通道数量有限，亦即实际所允许的 库图像的存储位置是有限的。通过减小相关点尺寸和增加探测器靶面面积理论上可以提供更 多相关通道，但这种方法会增加系统的复杂度和成本，对器件性能也提出了很高要求，所能 取得的改进效果也是有限的。一种在结构上与本发明类似的技术是散斑调制技术。散斑调制技术广泛应用于体全息存 储及相关系统中，该技术将一全息漫射器放在物光光路中，激光照射后由其产生的散斑场可 以调制物光信号，匀化谱面光强分布，并且具有显著抑制相关输出旁瓣的作用，可以减小通 道间隔，增加输出面上可容纳的相关点数。本发明与散斑调制技术的目的都是为了增加相关通道的数量，其区别在于散斑调制技 术的基本思路是通过抑制各通道输出的旁瓣，减小通道之间所需的间隔，进而增加输出面上 能容纳的相关点数量。在整个操作过程中，散斑的位置是固定不动的，亦即散斑引入的位相 调制函数是不变的。而本发明的基本思路是先采用一个位相调制函数调制物光，在存储材料 中通过二维角度复用存储一组图像(几千幅)，再切换另一个与之不相关的位相调制函数调制 物光，在同一位置上采用相同的角度复用存储另一组图像，如此反复直至所有图像存储完毕， 完成相关通道的多重分组操作。相关读出时，输入一幅图像，通过切换不同的位相调制函数， 可将输入图像分别与各组库图像进行相关运算，在同一探测器上得到相关结果。本质上，散 斑调制技术只能增加单组所能容纳的相关通道数量，而本发明则在此基础上增加了相关器所 能容纳的相关通道的组数，即在相关器中实现了多重分组相关通道。发明内容本发明的目的是针对现有体全息相关器所能容纳的相关通道数量有限的问题，提出一种 实现多重分组相关通道的方法，使体全息相关器能够提供更多的相关通道。通过对输入到相 关器中的图像(包括用于存储的库图像和实时输入的实时图像)进行相位编码调制，对图像 引入相关选择性，使得一幅输入图可以有选择性的与任意一组库图像进行相关运算，运算结 果在同一公共输出面上输出，在相关器中实现多重分组相关通道。附图2是该装置的结构示意图，激光光束通过分束器112后形成参考光和物光光路，相关器的物光光路由半波片110，扩束透镜组109，反射镜108，空间光调制器106，相位板107, 透镜101组成；参考光路由扩束透镜组113，反射镜lll，透镜104组成。参考光和物光在存 储材料102中干涉，全息图记录于102中；相关运算时，关闭参考光光路，用物光照射102， 衍射光通过透镜103成像于探测器件105 (CCD)上。在用体全息相关器做库图像存储及相关运算之前，需要做如下操作1、 将存储到相关器中的库图像分成A组，每组#,幅。分组方案可以根据需要任意确定， 只需保证max (乾)不超过目前相关器输出面上最多能容纳的相关点的数量。2、 生成/r种相位编码exp[y々,(x,;;)]， / = 1，2,...,&。第i组相位编码将用于调制第J'组 库图像。调制操作在数学上等价于将库图像与相位编码函数相乘，具体实施时可以根据需要 选用多种方式，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上载被调制后的库图像。采用本发明，同组内的库图像输出的相关点在输出面上占据不同位置，彼此之间不会发生串扰；而不同组的库图像输出的相关点有可能在输出面上有重合(当不同组的库图像由同一角度附近入射的参考光存储)，通过生成合适的相位编码，可以有效消除组间串扰。对所生成相位编码的具体要求为设乂(x,力，/ = 1，2,...，A:，为各组中输出相关点会发生组间串扰的库图像，则相位编码应满足J]血浙(x,"/"'(x,y)exp(y[A(x,力—a(x，力J □ } Jj血瓶(x,y)乂'(;c,少)特别的，此处给出三种用于实现本发明所述具体相位调制编码的方案1、 用随机相位板生成相位编码对物光进行调制。将随机位相板放置在物光光路中，存储 完一组库图像后，相位板沿所在平面中任一方向平移一定距离，直至相关点亮度降为零，此 时即生成了一组满足上述要求的新的相位编码，可存储另一组库图像。重复此过程，直至所 有库图像存储完毕。2、 用相位型或振幅相位混合型SLM进行调制。预先生成一组正交的相位图，如根据Walsh 矩阵生成的相位图。根据专利《一种通过图像预处理提高体全息相关器精度的方法》中提出 的用于体全息相关器的图像预处理技术，可以采用随机交错方法将每幅相位图中的像素位置 打乱重排，变成随机相位图，但此时各相位图间仍会保持正交关系。若为相位型SLM，则该 SLM即为图2中的107，将相位图上载至107上；若为振幅相位混合型SLM，贝lj 106和107合为一体，将输入图像和生成的相位图相乘，并将调制后的图像上载至混合型SLM上。3、当输入图像原本就是纯相位图时，可以采用交错编码对原相位图像进行交错处理，一组交错规则用于生成一组库图像，采用A组交错规则可以生成A组库图像。将交错处理后的各组库图像存储在相关器中。采用本发明后，相关器的库图像存储及相关运算的详细工作流程如下所述，流程图请参阅附图3。1、 选择第i组相位编码exp[^p,(:c,y)]，对第i组乾幅库图像进行相位编码调制。2、 采用相关器常用的存储复用方法例如角度-分维复用将该浙幅库图像存入相关器。3、 重复步骤1 2，， /分别取1 么共存储fM,幅库图像，至此完成相关器的制备。4、 获取一幅实时输入图像。5、 选择第i组相位编码exp[/p, ，对实时图进行相位编码调制。6、 将调制后的图像送入相关器。7、 读取该实时图与第i组乾幅库图像的相关结果。8、 根据需要重复步骤5 7， i取所需的值，分别读取实时输入图与各组库图像的相关结果。9、 重复步骤4 8，获得下一幅实时输入图像与库图像的相关结果，直至不再有新的实 时图输入。根据上述1 9步在体全息相关器中进行相关运算，采用第i组相位编码会在输出面上给 出输入图像与第i组乾幅库图像相关运算的结果。切换不同的相位编码，总共能访问的相关通道数为iM,。同一组内的乾个通道在输出面上并行输出，但占据不同的区域，彼此互不串扰；不同组间输出有重合的相关通道由不同组的相位编码方案保证零串扰，采用一组相位 编码不会读出与其它组库图像的相关信息，实际上是实现了不同组相关结果有选择性的分时切换输出。通过实验比较，可以发现本发明能够在体全息相关器中实现多重分组相关通道，不同组 的通道可以有选择的切换输出，组间无串扰，从而使相关器能够容纳更多的相关通道数量。


图1为体全息相关器原理示意图。图2为本发明涉及装置的结构示意图。 图3为本发明的流程示意图。图4为实施例1釆用随机位相板调制的白图与4组库图像的相关输出结果。 图5为实施例2纯位相图的相关输出交错编码的相位图的相关运算结果。
具体实施方式
下面结合附图及两个具体实施例对本发明做进一步的说明。 实施例一本实施例是一个釆用随机相位板对空间光调制器进行散斑调制实现多重分组相关通道的 实例。应用装置如附图2所示，随机相位板选用全息漫射板，将漫射板放置在物光光路中， 存储一组库图像后，漫射板沿所在平面中任一方向平移一定距离(直至相关点亮度降为零)， 此时即生成了一组满足上述要求的新的相位编码，可存储另一组库图像。重复此过程，直至 所有库图像存储完毕。本实施例步骤如下1、 将漫射板放置在物光光路，并确定漫射板初始位置。2、 采用角度-分维复用将第一组库图像存入相关器。3、 将复用机构重新复位，漫射板沿所在平面平移一个位移，存储第二组库图像。4、 重复步骤3，本实施例中共存储4组库图像。5、 获取一幅实时输入图像(白图)。6、 漫射板置于最初位置。7、 将相位编码调制的新图送入相关器。8、 读取相关结果。9、 重复步骤5 8，漫射板分别置于存储各组库图像时的另外3个位置，且实时输入图 像皆为白图。经过上述1 9步，在CCD探测器上先后共得到4组输出的相关点，如附图4所示。可以 看到，当白图输入时，同一组内的各个通道在输出面上并行输出，但占据不同的区域，彼此 互不串扰；采用一组相位编码不会读出与其它组库图像的相关信息，因此实现了不同组相关 结果有选择性的分时切换输出。实施例二本实施例与实施例一相比，采用相位型空间光调制器取代振幅型空间光调制器加载信息， 即输入图像为纯相位图。采用交错编码对原相位图像进行交错处理， 一组交错规则用于生成 一组库图像，再将交错处理后的各组库图像存储在相关器中。本实施例操作流程如下1、 选取一种交错规则对库图像进行交错处理。2、 通过角度复用存储第一组库图像，共ll幅库图像存入相关器。3、 将复用机构重新复位，选取第二种交错规则，通过角度复用存储第二组库图像，共 11幅库图像存入相关器。4、 获取一幅实时输入图像，采用第一种交错规则对实时图预处理。5、 将生成的新图送入相关器。6、 读取相关结果。7、 获取第二幅实时图(与前图相同)，采用第二种交错规则对实时图预处理。8、 将生成的新图送入相关器。9、 读取相关结果。本实施例共存储2组库图像，每个子图库存有ll幅库图像。经过上述1 9步，先后共 得到2组输出的相关点，如附图5所示。可以看到，同一组内的ll个相关通道在输出面上同 时输出，彼此互不串扰；采取一组交错规则处理的输入图像不会读出与其它组库图像的相关 信息；同时，在进行相关运算时，系统中没有移动部件，保证了相关运算的精度。虽然本发明给出了两个实施例，但并非用以限定本发明。本领域任何相关技术人员经过 适当变形得到近似结果，都不脱离本发明的保护范围。
权利要求
1、一种实现体全息相关器多重分组相关通道的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)将存储到相关器中的库图像分成k组，每组Mi幅；(2)生成k种相位编码exp[ji(x，y)]设fi(x，y)，i＝1，2，...，k，为各组中输出相关点会发生组间串扰的库图像，则相位编码应满足(3)选择第i组相位编码exp[ji(x，y)]，对第i组Mi幅库图像进行相位编码调制；(4)相关器存储复用将该Mi幅库图像存入相关器；(5)重复步骤(3)～(4)，i分别取1～k，共存储幅库图像，完成相关器的制备；(6)获取一幅实时输入图像；(7)选择第i组相位编码exp[ji(x，y)]，对实时图进行相位编码调制；(8)将调制后的图像送入相关器；(9)读取该实时图与第i组Mi幅库图像的相关结果；(10)根据需要重复步骤(7)～(9)，i取所需的值，分别读取实时输入图与各组库图像的相关结果；(11)重复步骤(6)～(10)，获得下一幅实时输入图像与库图像的相关结果，直至不再有新的实时图输入。
2、 根据权利要求1所述的一种实现体全息相关器多重分组相关通道的方法，其特征在于， 所述相位编码调制用随机相位板生成相位编码对物光进行调制将随机位相板放置在物光光 路中，存储完一组库图像后，相位板沿所在平面中任一方向平移一定距离，直至相关点亮度 降为零，此时即生成了一组满足上述要求的新的相位编码，可存储另一组库图像；重复此过 程，直至所有库图像存储完毕。
3.根据权利要求1所述的一种实现体全息相关器多重分组相关通道的方法，其特征在于， 所述相位编码调制用相位型或振幅相位混合型SLM进行调制预先生成一组正交的相位图， 将输入图像和生成的相位图相乘，并将调制后的图像上载至混合型SLM上。4、根据权利要求1所述的一种实现体全息相关器多重分组相关通道的方法，其特征在于， 所述相位编码调制当输入图像原本就是纯相位图时，采用交错编码对原相位图像进行交错处 理， 一组交错规则用于生成一组库图像，将交错处理后的各组库图像存储在相关器中。
全文摘要
一种实现体全息相关器多重分组相关通道的方法，属于光学信息处理领域。本方法将存储到相关器中的库图像分成k组，每组M_i幅；生成k种相位编码exp[jφ_i(x，y)]；对第i组M_i幅库图像进行相位编码调制；相关器存储复用将该M_i幅库图像存入相关器；重复共存储∑^k_i=1M_i幅库图像，完成相关器的制备；获取一幅实时输入图像；对实时图进行相位编码调制；将调制后的图像送入相关器；读取该实时图与第i组M_i幅库图像的相关结果；获得下一幅实时输入图像与库图像的相关结果，直至不再有新的实时图输入。本发明采用多种相位编码调制；能够在体全息相关器中实现多重分组相关通道，不同组的通道可以有选择的切换输出，组间无串扰，使相关器能够容纳更多的相关通道数量。
文档编号G02B27/46GK101231392SQ20081000649
公开日2008年7月30日 申请日期2008年3月3日 优先权日2008年3月3日
发明者伟 任, 何庆声, 凯 倪, 曹良才, 汪顺利, 瞿宗耀, 金国藩 申请人:清华大学