[1]УСТРОЙСТВО для РАСПОЗаШАШМ ОБРАЗОВ
[2]Полезная модель относится к области автоматики и вычислительной техники, к классу систем автоматического распознавания и может найти применение при автоматизации процесса поиска и обнаружения объектов искусственного и естественного происхождения. Автоматическое выделение фрчнтальных объектов на изображениях позволяет знавдте.льно ускорить их классификацию и определить положение, т.е. получить информащш, необходиг; .для последую- . щего принятия решений.
[3]Известно устройство Устройство для распознавания протяженных линейных объектов у А. С. .f 826372. ОбК 9/30, I98I для распознавания протяженных линейных объектов, содержащее оптически связанные объекты, блок развертки изображения и гжогоэлементный фотоприеглшш. Каждый элемент которого подключен через соответствущие последовательно соеданешше фильтр и амплитудный ограничитель ко входу сутшатора, выход которого соединен со входом порогового элемента, блоки задервцсн, блоки вычитания, ключ и агжЕлитудные ограничители и сумматор; выход каждого элемента фотоприемника подключен к одному входу соответствущего блока вычитания непосредственно, а к другог ду через блок задержки; выход блока вычитания через соответотвущий
[5]амплитудным ограничитель со входом сумматора, подключенного порогового элемента, выхода пороговых эле1ментов подключены
[7]Однако данное устройство распознавания реагирует только на форму объекта, но срабатывает от разных величин йости, контраста и масштаба искомого и ложного объектов, структуры фона; фрактальные изображения устройство распознавать не может.
[8]Известен персентрон МвщанкинАВ.М. ,Персентрон А.С. 488230 Q06K 9/02, СгОЗ С 9/08 1976, взятый за прототип, содержащий преобразователь входной информации, связанный с ассоциативной матрицей, имеющей вычитания и пороговые устройства, и блоком анализа; преобразователь входаой информации выполнен в виде трех блоков, представляющие собой ГШогоканальный голографический коррелятор и связанные с ним источник когерентного света и систему преобразования входных сигналов в необходиглый для ввода в этот коррелятор, а ассоциативная матрица выполнена в виде матрицы двухканальных фотоприемников и лультипликатора, установленного между выходаой плоскостью коррелятора и указанной матрицей фотоприемников , связанных с блоком анализа, причем в каждом из фотоприемников выходы обоих каналов соединены со входом системы вычитания , а выходы системы вычитания соединены с пороговым устройством , вход которого является выходом указанного фотоприемника.
[9]Однако, данное устройство не может распознавать фрактальные объекты искусственного или естественного происхождения в более сложных условиях.
[10]Более сложные условия работы устройства сводятся к следующе1 5у: объекты имеют разную яркость и контраст с фоном, в том числе и малый, помехи могут иметь большую яркость и большой контраст с фоном, фон, на котором предъявляются объекты для распознавания, является сложным по структуре, анализируемое поле может иметь
[12]неравномерность яркости, масштаб объектов может меняться Е широких пределах; если проявляется свойства фрактальности, то устройство их опознать не может.
[13]В теории фракталов для определения объекта необходимо знать размерность Хаусдорфа-Безиковича (РХБ), которая связана с гдатрикой, а не с топологией, т.е. со способом построения рассматриваемого множества. Она может принимать любые значения, что дает повод говорить о пространствах дробной размерности, например, канторовсKQi множество на прямой с размерностью и броуновская кривая на плоскости с размерностью И 2. , ковер Серпинского и др.
[14]фракталы - множества, у которых РХБ превышает их топологическую размерность, примеры: форгш облаков, изрезаяность берегов материалов,слшные формы в живой я неживой природе, скорость турбулентного потока как функция пространственных переменных и времени. Отсюда их самоподобие - характеристика фрактальной геометрии , включащ понятие нецелой размерности. Большинство фракталов, встречающихся в экспериментальных ситуациях обладают автомоде.льностью, т.е. их геометрические характеристики инварианты относительно растяжений. Устройство долшо определять размерность РХБ и пределы в которых структура проявляет фрактальные свойства.
[15]Цель разработки полезной модели устройства для распознавания образов - распознавание и обнаррхение фрактальных объектов искусственного и естественного происхож дения, определение их параметров и характеристик.
[16]Для выполнения указанной цели в устройство для распознавания образов, содержащее лазер, преобразователь входной информации, согласованные по спектру интерференционные фильтры, фотоприемники, выходы которых подключены к блокам анализа, введены оптическое устройство преобразования Фурье (ОУПФ), кшогоканальный анализа ( тор с логическим блоком, преобразователь сигналов, причем ОУПФ состоит из последовательно установленных и оптически связанных лазера, микрообъектйва, пространственного фильтра, собиращей линзы, фрактальной решетки, экрана, оптич еоки связанного с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), перемещаемого микрометром, выходы ФЭУ через электронный усилитель последовательно соединены с преобразователем сигналов ж далее со jB2:QД Ш MHoгoкaнaльнoгo анализатора , выполненного в виде оптической нейронной сети, крош того, лаэер выполнен в виде лазе| а на свободных электронах, содержащего последовательно расположенные и оптически связанные линейный згокоритель электронов, Электромагнитный )андулятор с управляодей обмоткой, оптический резонатор, причем утавлящая обмотка он .цулятора соеданена с выходом логического бщока. Сущность полезной модели поясняе.гся на фиг.1, на которой изображена принципиальная схема и структура устройства .щгя опознавания образов фрактальных объектов: 1- оптическое устройство преобразования Фурье (ОУПф) 2- лазер на свобо.1Шых электронах (1СЭ) 3- микрообъект в 4 - пространственный фильтр 5- собирающая линза 6- фрактальная решетка 7- экран 8- фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 9- гликрометрическое устройство 10- электронный усилитель 11- преобразователь ежЕЧйло в -/.. 12- многоканальный анализатор (оптическая нейронная сеть(оНС)) . I
[17]17- матрица приборов с зарддоЕой связью (ПЗС)
[19]19- линейный ускоритель электронов (ЛУЭ)
[20]20- управлящая обмотка ондулятора
[21]21- соленоиды одцулятора
[22]22- оптический резонатор
[23]На fur,2 представлена схеш вьшолнения ОНО На .З показана схема обработки изображения в ОНО 1уч отДСЭ-лазера 2 -J . проходит через
[24]линзу гликроскопа 3. В ее фокусе помещен экран с отверстием 4 С ф 25 якм), действущим как пространственным фильтр, который отбирает проегр нственную моду ТЕоо J собирающая линза (СЛ) 5 ( F 690 ivM, 1 /II). Исследуемая фрактальная решетка (ФР) транспорант 6 помещается между линзой €Л 5 и экраном 7, Наблюдаемая на экране 7 дифракционная каргина есть оптическое преобразование Фурье (ОПФ) .решетки; Q- пространственная частота кооруданат (р. J . Распределение интенсивности )записывается с помо.щью фотоэлектронного умножителя (§ЭУ)-8. Перемещение его на плоскости Фурье контролируется микрометром (MMj9. Полученные данные направляются после усиления в электронном усилителе 10
[25]Ь npEc.gpA. II и далее - в многоканальной анализатор 12 выполненный в виде оптической нейронной сети 12. На ояайдах 24x35 мм с высоким разрешением, нанесен фрактал, который получается , например, после г 7 итераций. Отношение L/ наибсшьшего масштаба L к его наименьшему 1000. Ограничение -при анализе реальных фракталов обусловлено конечными размерами элементарного зерна в фотопленке, определящими наименьший масштаб - , который может быть зафиксирован на пленке (f mtn 2 мкм), и наибольший масштаб L , который определяет разрешение измерений отсюда L/ равная максимальному числу масштабов л/ 10.000.
[26]в OHC-I2 входят: 13 - панель источников излучения, 14 первый блок переадресации, фор1;дирующий из точечных источников набор световых полос; (голографические элементы); 15 - пространственно-временной мо.цулятор света (ПВШ), 16 - второй блок переадресации , проецирующий изображение с ПВМС на многоэлементное фотоприемное устройство (ШУ); в качестве ШУ используется специализированная (ПЗС) матрица на цриборах с зарядовой связью -матрица размером, |h/)Iy/ , состоящая из полос Р )ч по 1ЛУ-Н элементов каадая, (где //Х/ размер поля входных изображений, МхМ - размер эталонов и вмещая соотвер.гственно Р дараллельно независимых выходов). Изображения поступают в виде последовательности строк или сформированных в двудтерном виде. В первом случае строки
[27]А распознавае1лых изображений (РИ) -/)с, ( К, - дискретные пространственные координаты элементов РИ) последовательно вводятся посредством линейки источшшов излучения, а эталоны
[28]1Г. ( С J- дискретные пространственные координаты внутLjJ
[29]ри эталонов; р - условный номер эталона) ввиде набора двуг ерных массивов данных хранятся на ПВШ. По координате У модулятор условно делится на Р полос по MXN элементов. Фракталы - множества с крайней нерегулярной разветвленной или изрезанной структурой. Основной характеристикой фрактала служит размерность Хаусдорфа-Безиковича (РХБ). При построении Р2Б рассматривается произвольное покрытие ё Фрактала М конечным или
[30]бесконечным набором шароа { 0 г радиуса , Размерность фрактала М такое чйсло д 0, что ihf. С)при
[31], О для,всех.) и Л ty при доя всехjT o ,„такое пограничное .о - единотяенноРабота устройства состоит в определении РХБ. 2) и пределов . S ц L , в которых структура проявляет фрактальные свойства. Для Кластера частиц пределагж является характерный размер отдельной частивд и наибольший масштаб Кластера , . Размерl -O: С.
[32]остъ РХБ определяется при зсслэдовании характера возрастания массы, заключенно в шаге радиусом Kj , с увеличением радиуса:
[34]. В устрМстве используется метод рассеяния света оптическое преобразование фурье (ОПФ) на фрактальных решетках для анализа пространственных частот. ОПФ позволяет осуществлять прямое измерение размерности РХБ.
[35]Устройство работает следущим образом.
[36]Для одномерных фракталов при О Штенсивность определяется как у ) L - .136 -фрактальная
[38]размерность. Величина, у - служит, мерой массы М, заключенной в фрактале с линейным размером L . Используя диафрагмы с
[39]различный® апертура ш дая ограничения эффективно освещенной части
[41]транспорта - фрактальной решетки ФР 6 возможно изменять L и.
[43]В .диффракционных экспериментах, Ii (j состоит из формфактора , и структурного фактора Первый соответствует интенсивности света, дифрагировавшего на единичном элементе (отрезке ).0)
[45]ве.жчинд О при q)v«y /
[46]Второй -.структурный фактор описывает,,каким образом единичные элементы распределены по фракта-лу:
[49]Средняя энергияХ $)/, рассеянно в палосе частот и определяется как
[50]При сканирований по двум измеренйяг я Фурье - плоскости интенсивность излучения, продифрагяровавшего на одной оси (например, на оси. ф ) определяется:
[53]где ( - коэффициент оптического пропускания исследуемого фрактала. Это есть ОПФ оптической проекций фрактала на ось . Если ее проекция является фракталом и ее фрактальная разлюрность определяется по измерениям , то должна совпадать с размерностью исходного объекта при условии , где ct размерность эвклидова пространства фрактала
[54]Основной принцип распознавания образов в OHC-I3 состоит в том, чтобы построить поверхности, разделящие гиперпространство
[55]на конечное чиало областей, каадая из которых имеет свой образ. После процесса обучения.распознавание означает что известные типы будут правильно приписываться одному из классов, определенных таким образом, а если появляется неизвестный тип, не имещий отношения ни к одногу у известноглу классу, то притесывается новое подразделение гиперповерхности.
[56]Главная задача распознавания образов состоит в том, чтобы приписать изучае лую конфигурацию некоторому классу. индивидуальный класс характеризуется конфигурациятж, приписанными . Эти конфигурации должны обладать некоторыми общими свойствами.
[57]Рассматриваемые конфигурации можно характеризовать или различать с помощью заданного числа свойств. Каждой характеристике приписывается ось в пространстве состояний. Шличие свойства обозначается единицей, отсутствием - нулем. Таким образом каждой конфигурации можно приписать подпространство пространства состояний.
[58]Геометрически распознавания образов заключается в одре делении поверхностей, которые производят наи лучшее разбиение (установленные критериями) )лногомерного гипердространства на подцространства, соответствушщ 1е рааличным классам. Гиперповерхности, производящие разбиение, устанав-лйваются в процессе обучения. О Нейросетевая систед а OHC-I2 распознавания малоразмерных изображении функционирует в относительно большом поле наблюдения. Она основана на использовании пространственно-инвариантных опеграторов , что позволяет резко снизить число синоптических связей; упростить и ускорить процедуру обучения нейронной шети. ОШ построена на основе применения оптико-электронного коррелятора с большой производительностью ОНС с универсальной системой обучения обеспе- чивает - эффективное разбиение изображений на классы. Использование нелинейных операторов в тракте ашогослойнож шйрокомпьютерной обработки позволяет строить в пространстве признаков сложные гиперплоскости и соответственно реализовать в нейрокомпьютере сложные алгоритмы распознавания. В OHG-I2 происходит распознавание малоразмерных объектов в поле, существенно превыжащем их размеры, причем координаты объекта неи.вестны. Испо.льзование нейронной сети для решения этоц задачи - спроецировать сцену на сетчатку, в которой число рецепторов соответствует ко,личеству пикселовв сцене, испаяьзовать нейронную сеть ОНО с количеством входов, равнытл числу рецепторов, и обучить-ее, предъявляя объект при всевозможных цреобразованиях, включая сдвиг.. ОНО для распознавания в сцене N пикселов объекта меньшей размерности представлена на фиг.2. Здесь - .-.«о. входы рецепторов, /i- Л. синоптические коэффициенты, ;.... Й - отклик НО после нелинейного преобразования. При наличии полного набора N V М . связей требуется время обучения, необходимое для их настройки, а реализация алгоритма распознавания выполняется за h/ операций умножения и N операций сложения. В тоже время для распознавания объекта размерностью МУ-М пикселов достаточно 1 связей, однако при этом необходимо нейронную сетчатку смещать в поле наблюдения с шагом в сдан элемент по обеим коорданатам. j Алгоритм OHC-I2 реа-лизуэтся с помощью операторов, инвариантных к сдвигу - оператор свзрткз (корреляции) jCK/.- ifAJjl.(K-UdJ ( С-I J . где К I.,., , i...... . - параметры сдвига, при этом обновременно выполняются преобразования, необходимые дня реализации нейросетевого алгоритаю Преимущество данного оператора - его возможность реа-лизации в оптико-электронных устройствах - коррелятора Доррелятор используется для обеспечения пространственной инвариантности обработки, а все преимущества нейрокомпьютерного распознавания при этом сохраняются. Е сопоставлении нейросетевой и корреляционной систевш распознавания, видно, что одному пикселу эталона в корреляторе соответствует один синоптический коэффициент в нейросете- Еой системе, в этом случае нейросетевая система требует Ivr синоптических связей, а распознавание объекта во всех {И Мjположениях производится за счет использования механизма сдвига. Тогда размерность ОНО, подлежащее, обучению, равна М , а число сложений и у1ушожений, необходигу1ых для распознавания, составит W ( Это ускоряет процесс обучения т.к. |1 М и по чиалу операций когда . Процесс распознавания в сцене размерностью пикселов объекта с размерностью М х М пикселов и схема обработки изображения в ОНО представлена на фиг.З Обучение ОНО производится в этом случае путем настройки Ivr связей, с учетом искажений и преобразований. В процессе обучения формируется набор из Р М эталонов (синс|птическая матрица) размерностью М каж.. В процессе распознавания в соответствии с (5) коррелятор вычисляетtN / векторов каждай из которых является при фиксированных |C,i2р- й1ерным вектором (с элементами Q f() Ш)/С()/ л Г рикоелов с координатами К с- - Далее в соответствии с цроце .цурой нейросетевой обработки проводится пороговая обработка шссива С-,) , в результате чего он превращается в бинарный: 2/:p,K,)o,s(s fh kt -U-i- } Дтш однослойной ОШ при ее обучении с обучающей выборкой t определящей itKaccH распознаваемых изображений, сопоставляется набор эталонных векторов yf , В процессе распознавания СР- v Jанализируется, и, если вектор с коорд1анатами принадлежит множеству /И у , фиксируется на-личие . объекта Р-го класса. Главной особенностью оптико-электронного сигнального процессора OHC-I2 яв-лнется то-, что изображение поступают в виде последовательности строк и сфорглированных в двуглерном виде, В первом случае строки fy распознаваемых изображений ( -дискретные пространотвенные координаты элементов РЯ) последовате,яьно вводятся посредством линейки источников 1 излучения, а эталоны к -jj дискретные пространственные коорданаты внутри эталонов; р- условный номер эталона) в виде набора двумерных массивов хранятся на пространственновременном модуляторе света (IIBMC-I5). Но коорданате модулятор условно делится на Р полос по М х М элементов, Каж.цая полоса содержитг| 1, м) одинаковых эталонов (М х М) элементов , равномерно распределенных по координате X, а по координате У располагаются различные эталоны. Элемент линейки источников излучения освещает одан столбец ПВШ-15, На ПВШ-Хб производится перемножение элемента входной строки на столбец элементов каждого эталона, результатом является дискретная функция fM/,j I р f)
[59]для одного D всех -O/ /P при этом к и L
[60]связаны соотношением К 4-И М где и - пордщсовыи номер эталона в полосе.
[61]Соответствущее световое распределение считывается ПЗС матрицей 17. Далее на ПЗе-маэерице 17 производится сдвйг зарядов, на линеЁку излучателей подается следущая строка и вновь считывается результат перемножения (7) . Пос-ле 2М тактов обработки
[62]выходной сигнал на каждом канале ПЗС-матрицы соответствует
[65]ЧТО представляет собой одномерную свертку 2М строк РИ с каждой из полос эталонов дая .H , ,
[66]где Со - номер начальной строки РИ.
[67]Полученные данные запоминаются, затем изображения смещается на один элемент вдоль линейки источников излз чения,и операция повторяется.Двумерные (для каждого Р) функщ1и (fs) су1 л1ушруются, в результате что после выполнения 2М по еле доеа тельных сдвигов строк РЯ получаем2л -- f м
[69]что представляет собой по-тпшй набор Р-рвзмерных векторов А
[70]реакцииШС на фрагменты поля наблюдения размером М х М пикселов
[71]с координатами k, для всех ,1 ,,
[72]В случае, когда РИ заданы в.виде двумерного массива данных , они вводятся при помощи ПВШ-17, а эталоны, имеющие такую же структуру,/как и Б предыдущем варианте) - через излучатели. Процедура свертки хгроводится аналогично представленной выше.
[73]выходного поля, т.к. объекты, находящиеся на границе отдельных каналов ПЗС - матрицы, которые дают отклик соответственно в окрестности начало предыдущей полосы и конца следущей. В этом
[75]. При этом обеспечивается спшвка
[76]случае свертка по координате У для каждого эталона осуществл яется
[77]за М тактов сдвига заряда, а после проведеция полной операции оаертки-по обеим координатам для одного эталона результарущие сйгна.лы по всем Каналам ПЗС-матрицы будут цредстав.дять фрагмент функции для одного Р из всех ) Q
[78]Для ввода строк РИ в процессоре используется линейка 13 лазерных или светодиодов, элементы которой включены паралш:ельно по столбцам,-однородный осветитель с линейным модулятором света. Оба блока переадресации - фокусирующие элементы и для их реализа ции и споль зуются дифра кци оннне реше тки 14,16. Модулятор 15 матрица из жидкокриста,ллическвд:-.:(Ж) элементов,где нанесены опознаваемые образцы изображения с учетом Р1Б, S i: ; линимальный размер его светоклапанного элемента 10 х 10 мкм.
[79]Логический блок 18 содержит вычислительное устройство, реа.лизущее алгоритм
[82]где /бОд :ЬАс з - изменение частоты лазера, в результате чего изменяется пространственная частота изображения, повышается
[83]точность опознавания ОбраЗОВ,- -ТААОйНрЕ. г,
[84]Преобразователь сигналов II выполняет фунщию накопления, упорядочения сигналов ФЭУ (база данных), и передачи их в оптическутб нейронную сеть 12 на светодиодаые линейки 13.
[85]Лазер.на свободных электродах (ЛСЭ) - основан на взаимодействии пучка свободных релятивистских электронов - с пространственно-периодическим электрвческрш и,ли магнитным полем, - йрибор релятивистской высокочастотной электроники. Пучок релятивистских электронов в ЛСЭ создается с помощью усйорителя 19 заряженных частиц. Взаимодействие этих электронов с электрическим или магнитным полем происходит в ондуляторе 20, располагаемом так, что
[86]электронй двйжутоя) вдоль оси одцуляторд 20 .Йод действием цространственно-перйодаческого поля поступательно перемещающиеся с релятивистской скоростью элекзфоны совершают поперечные по отношению к ocia ондулятора колебания и излучают первичную (затравочную) электромагнитную волну Мз-зй эффекта Доплера дошны волны Л первичного йалучения в направлении движения электронов равна Л Лй 3 да )(о пространственный период электрического или магнитного по-ля в ондуляторе ( - несколько см), V - отношение кинетической энергии электронов к их энергии покоя. Если I, то благодаря эффекту Доплера вежчина h (частота первичного излучения во много раз превышает частоту поперечных колебаний электронов).
[87]В ондуляторе 20 реализуется механизм тормозного излучения.
[88]Ондулятор 20 преобразует кинетическзгю энергию пучка быстрых заряженрк частщ (электронов) в энергию электроглагнитного излучения на основе взаимодействия этих частиц с периодическим электро-магнитньш полем. Движущаяся заряженная частица, попав в такое поле, совершает периодическое колебательно-поступате.льное движение, и ее траектория имеет вид волнистой линии. Спиральный ондулятор 20 состоит из .двух соосных соленоидов со встречным направлением токов. Пространственно периодическое магнитное поле в таком ондуляторе имеет вид нерасдространяющейся (стоячей) поперечной циркулярно поляризованной волны. Заряженные частицы движутся по винтовым линиям вдоль оси сшгрального ощ улятора.
[89]В йНДУДяторе 20 реализуются условия, при которых существенна интерференция волн, излучаемых частицей с периодачески повторяющихся участков траекторий. Благодаря такой интерференции возможна генерация остронадравленного излучения (угловая расходимость /К) с высокой спектральной плотностью мощности в области характерных частот.
[90] излучения путем изменения величины откдонящей силы и энергрш
[92]В открытом резонаторе 22, куда поступают электроны и создаваемая ИМИ первичная элей 1|зошгн2гтная волна, последняя уси.жвается , превращаясь в направленное когерентное лазерное излучение, Такое излучение возникает в результате -самосогласованного процесса , включающего в себя группирования электронов в сгустки под действием резонансной первичной волны и последующее ее усиление за счет кoгepeйTйoз:.o -| 8JЩщдая образовавшихся электронных сгустков . Эффективное группирование электронов-возможно при угловой расходимости пучка электронов, не превышающих несколько ниллхфадиан,
[93]Усиление яэрвичной электромагнитной волны происходит потому, что вероятность 1||)йдуцированного иалучения электроном кванта всегда несколько больше, чем вероятность индицированного поглощеввш того же кванта. Это различие обусловлено отдачей, испытываемой электроном при из,дучении или поглощении кванта.
[94]Плавная перестройка длины волны ЛСЭ-2 из огчения путем изменения величины кйнетической. энергии электронов (следовательно, Уj цри фиксированном значении |fo .
