DE69229846T2

DE69229846T2 - Optisches Zeichenerkennungsgerät mit Koordinatenumwandlungsfunktion

Info

Publication number: DE69229846T2
Application number: DE69229846T
Authority: DE
Inventors: Tadao Iwaki; Yasuyuki Mitsuoka
Original assignee: Sumitomo Cement Co Ltd; Seiko Instruments Inc
Current assignee: Sumitomo Cement Co Ltd; Seiko Instruments Inc
Priority date: 1991-05-31
Filing date: 1992-05-27
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: DE69229846D1; EP0516106A2; EP0516106B1; US5528702A; EP0516106A3

Description

Optisches Mustererkennungsgerät mit Koordinatenwandlungsfunktion

Im Gebiet der optischen Informationsverarbeitung und optischen Messungen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Gerät, welches kohärente Lichtstrahlen verwendet, um eine optische Koordinatenwandlung sowie optische Korrelationsverarbeitung von zweidimensionalen Bildern durchzuführen, welche von fotografischen Vorrichtungen wie z. B. CCD-Kameras geliefert werden.
Aus Telecommunications and Radio Engineering Band 44, Nr. 5, 1989, New York USA, Seiten 50-52 A. M. Berenznyy et al. "A Pattern Recognition System Using Polar-Logarithmic Image Conversion" ist z. B. ein Gerät bekannt, welches die folgenden Merkmale umfaßt:
Optisches Mustererkennungsgerät, welches automatisch mittels optischer Korrelationsbearbeitung unter Verwendung von kohärentem Licht bestimmte Muster erkennt und vermißt, und zwar aus von photographischen Mitteln gelieferten zweidimensionalen Bildern, wobei das optische Mustererkennungsgerät umfaßt:
eine optische Koordinatenwandlereinheit zum Wandeln von zumindest einem Referenzbild und zumindest einem einzugebenden Eingabebild von einem Koordinatensystem in ein gewünschtes Koordinatensystem, um koordinatentransformierte Bilder zu erzeugen,
einen Korrelator für eine gemeinsame Transformierte zum Erzeugen von Korrelationskoeffizienten zwischen dem koordinatentransformierten Referenzbild und dem koordinatentransformierten Eingabebild, welche beide von dem optischen Koordinatenwandler erzeugt worden sind,
wobei die optische Koordinatenwandlereinheit umfaßt:
Mittel zum Erzeugen von zweidimensionalen Referenzbildern und Eingabebildern;
zumindest eine kohärente Lichtquelle;
zumindest einen räumlichen Lichtmodulator für ein Objektbild, welcher das Referenzbild und das Eingabebild festhält;
zumindest zwei optische Filter zur Koordinatenwandlung, welche nahe am räumlichen Lichtmodulator für das Objektbild angebracht sind, wobei die beiden Filter zur Koordinatenwandlung je ein computergeneriertes Hologramm enthalten und in einem vorbestimmten Abstand voneinander angebracht sind, und
zumindest eine Linse;
wobei der Korrelator für eine gemeinsame Transformierte umfaßt:
Mittel zum Wandeln des vom optischen Koordinatenwandler erzeugten koordinatentransformierten Referenzbilds und und des koordinatentransformierten Eingabebilds in koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbilder und anschließendem Anzeigen der koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder auf einem räumlichen Lichtmodulator für die koordinatentransformierten Bilder;
Mittel zum Wandeln der auf dem räumlichen Lichtmodulator für die koordinatentransformierten Bilder angezeigten koordinatentransformierten Bilder in kohärente Bilder;
Mittel, um das kohärente Bilds unter Verwendung einer Linse zum Fourier-Transformieren in ein gemeinsames Fourier-transformiertes Bild der koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder;
Mittel zum Wandeln des gemeinsamen Fourier-transformierten Bildes in ein Fourier-transformiertes Intensitätsverteilungsbild und Anzeigen des Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbildes auf einem räumlichen Lichtmodulator für das Fourier-transformierte Bild;
Mittel zum Lesen des auf dem räumlichen Lichtmodulator für das Fourier- transformierte Bild angezeigten Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbilds unter Verwendung von kohärentem Licht;
Mittel zum Wandeln eines Korrelationsausgabebilds, welches durch Fourier-Transformation des Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbilds mittels einer Linse erhalten worden ist; und
Mittel zum Verarbeiten des Korrelationssignals, um zweidimensionale Korrelationskoeffizienten des Referenzbilds und des Eingabebild zu ermitteln.
Um die vorliegende Erfindung leichter verstehen zu können, werden die nachfolgenden Erklärungen bzgl. weiterer bekannter Korrelatoren gegeben, welche eine optische Mustererkennung durchführen.
Bei diesen sind insbesondere die sog. VanderLugt-Typ-Korrelatoren und Korrelatoren für gemeinsame Transformierte bekannt. Ein jedes dieser bekannten Verfahren basiert auf Verwendung einer optischen Fourier-Transformationslinse, so daß ein zu identifizierendes Eingabebild, wenn es parallel verschoben wird, ohne Problem erkannt werden kann (Translationsinvarianz). Wenn das Eingabebild gedreht wird oder sich seine Größe ändert, so ist jedoch die später noch beschriebene Korrelationsspitzenintensität nicht invariabel und die Erkennungsfähigkeit nimmt mit dem Grad der Drehung und Größenänderung ab.
Bei diesen weiteren bekannten Geräten (VanderLugt-Typ-Korrelatoren und Korrelatoren für gemeinsame Transformierte) werden im allgemeinen die folgenden Schritte eingehalten, wenn Objekte, wie z. B. Zeichen oder Teile eines Geräts, deren Formen, Größen, Orientierungen und Positionen sich von einem Objekt zum anderen verändern können, optisch zu vermessen und zu identifizieren sind. Das Eingabeobjekt wird zunächst in ein zweidimensionales Bild (Eingabebild) gewandelt; zweitens wird, wenn beim Eingabebild Drehungen oder Größenänderungen festgestellt werden, das Eingabebild in ein gewünschtes Koordinatensystem transformiert, in dem die Korrelationsspitzenintensität invariant wird gegenüber Änderungen wie Drehungen oder Größenänderungen, welche für die Erkennung des Eingabebildes erforderlich sind; und drittens wird das koordinatentransformierte Bild dann vermessen oder identifiziert.
Abhängig vom Zweck können verschiedene Koordinatenumwandlungen durchgeführt werden. Für den Erkennungsprozeß und das Messen des Drehwinkels von Objekten mit unterschiedlichen Orientierungen wird eine Polarkoordinatenwandlung angewandt. Für Objekte, welche unterschiedliche Orientierungen und Größen aufweisen, wird zur Durchführung der Erkennung und der Messung des Drehwinkels und der Vergrößerung eine Koordinatentransformation von (x, y)-Koordinaten in (lnr, θ)- Koordinaten durchgeführt. r und θ entsprechen einem Radialvektor und einem Polarwinkel in einem Polarkoordinatensystem.
Zunächst wird das Grundprinzip eines Verfahrens zur optischen Koordinatenwandlung in Fig. 2 gezeigt. Bei diesem Verfahren werden ein Flüssigkristallbildschirm 303, welcher ein zu wandelndes Bild anzeigt, sowie ein optisches Koordinatenwandlungsfilter 304 an der vorderen Brennebene einer Koordinatenwandlungslinse 307 nahe zusammengestellt. Ein aus parallelen kohärenten Strahlen bestehender Strahl wird von hinter dem. Flüssigkristallbildschirm 303 ausgestrahlt, um ein gewünschtes koordinatentransformiertes Bild auf einem Flüssigkristall-Lichtventil (308) zu ergeben, welches in der hinteren Brennebene der Koordinatenwandlungslinse 307 positioniert ist. Das optische Koordinatenwandlungsfilter 304 wird unter Verwendung eines computergenerierten Hologramms (CGH) aufgebaut. Der Flüssigkristallbildschirm 303 kann ent weder vor das optische Koordinatenwandlungsfilter 304 gestellt werden, oder aber umgekehrt, solange die beiden nahe beieinander sind.
Das Flüssigkristall-Lichtventil 308 verwendet im allgemeinen einen TN-Flüssigkristall als lichtmodulierendes Material. Anstelle des Flüssigkristall-Lichtventils 308 kann ein lichtansprechbarer räumlicher Lichtmodulator verwendet werden, welcher einen BSO- Kristall (Bi&sub1;&sub2;SiO&sub2;&sub0;) als lichtmodulierendes Material aufweist. Das koordinatentransformierte Bild wird auf den räumlichen Lichtmodulator geworfen, um das koordinatentransformierte Bild anzuzeigen und zu speichern und dann wird kohärentes Licht auf den räumlichen Lichtmodulator eingestrahlt, um das koordinatentransformierte Bild für ein Auswertungsverfahren wie die Mustererkennung auszulesen. Ein weiteres Verfahren, welches die Verwendung einer Fotografiervorrichtung, wie z. B. einer CCD-Kamera, anstelle des lichtansprechbaren räumlichen Lichtmodulators vorsieht, ist ebenfalls verfügbar, um das koordinatentransformierte Bild zu empfangen und dann das Bildsignal in einen elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator, wie z. B. einen Flüssigkristallbildschirm, einzugeben.
Unter den bekannten Verfahren zur Mustererkennung, welche eine Koordinatenwandlung verwenden, gibt es eines, welches einen herkömmlichen VanderLugt-Typ-Korrelator verwendet, um ein koordinatentransformiertes Bild vorzubearbeiten. Fig. 3 zeigt die Anordnung des VanderLugt-Typ-Korrelators mit herkömmlicher Koordinatenwandlungsfunktion. Dieses Verfahren wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Als erster Schritt wird ein angepaßter Filter für das Referenzbild hergestellt. In diesem Schritt wird das Referenzbild auf dem Flüssigkristallbildschirm 303 angezeigt. Das vom Laser 301 ausgestrahlte kohärente Licht wird mittels eines Strahlaufweiters 302 aufgeweitet und dann durch einen Strahlteiler 305 in zwei Strahlen aufgeteilt. Einer der aufgeteilten Strahlen passiert den Flüssigkristallbildschirm 303, welcher das Referenzbild anzeigt, sowie den optischen Koordinatenwandlungsfilter 304 und wird dann durch die Koordinatenwandlungslinse 307 Fourier-transformiert, bevor er auf die Schreibebene des Flüssigkristall-Lichtventils 308 auftrifft. Auf diese Weise wird das koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbild des Referenzbildes auf dem Flüssigkristall- Lichtventil 308 angezeigt. Der andere der beiden vom Strahlteiler 305 aufgeteilten Strahlen wird mittels eines Spiegels 306, eines Strahlteilers 309 und eines polarisierenden Strahlteilers 310 reflektiert und leuchtet die Leseebene des Flüssigkristall-Lichtventils 308 aus, um das koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbild in ein kohärentes Bild umzuwandeln. Das kohärente Bild tritt durch den polarisierenden Strahlteiler 310 und wird durch eine Fourier-Transformationslinse 311 Fourier-transformiert bevor es während der Herstellung des Hologramms als Signallicht auf eine fotografi sche Platte 312 auftrifft. Zur selben Zeit tritt ein Lichtstrahl, welcher durch den Strahlteiler 309 hindurchgetreten ist, durch einen geöffneten Verschluß 313 und wird durch einen Spiegel 314 reflektiert, um während der Herstellung des Hologramms als Referenzlicht auf die fotografische Platte 312 eingestrahlt zu werden. Zu diesem Zeitpunkt fallen das Signallicht und das Referenzlicht unter vorbestimmten Winkeln auf die fotografische Platte 312 ein, um ein Hologramm auf der fotografischen Platte 312 zu bilden. Das Flüssigkristall-Lichtventil 308 ist in der vorderen Trennebene der Fourier- Transformationslinse 311 und die fotografische Platte 312 ist in der hinteren Brennebene der Linse angebracht. Die fotografische Platte 312, auf der das Hologramm aufgenommen wird, wird herausgenommen und entwickelt und dann in seine ursprüngliche Position zurückgebracht. Die mit dem Hologramm entwickelte fotografische Platte 312 wird als angepaßter Filter bezeichnet.
Dann wird im zweiten Schritt das Verfahren zur Korrelationsbearbeitung durchgeführt. Verfahrensschritte, die dem ersten Schritt entsprechen, werden in der folgenden Erläuterung weggelassen oder nur kurz angeschnitten. Beim zweiten Schritt wird das Eingabebild auf dem Flüssigkristallbildschirm 303 angezeigt. Wie beim ersten Schritt wird das koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbild auf dem zweiten Flüssigkristall-Lichtventil 308 angezeigt, ausgelesen, durch die Fourier-Transformationslinse 311 Fourier-transformiert und dann auf die fotografische Platte 312, bei der es sich um ein angepaßtes Filter handelt, eingestrahlt. Abweichend vom ersten Schritt ist der Verschluß 313 geschlossen, so daß das Referenzlicht nicht auf die fotografische Platte 312 fällt. Licht, welches durch die fotografische Platte 312 oder den angepaßten Filter hindurchgetreten ist, wird abermals durch die Fourier-Transformationslinse 315 Fourier- transformiert, so daß ein Korrelationsmaximum, welches dem Korrelationskoeffizienten des Referenzbildes und dem Eingabebild entspricht, auf dem lichtempfangenden Element 316 erzeugt wird, welches in der Brennebene der Linse angebracht ist. Die fotografische Platte 312 ist in der hinteren Brennebene der Fourier-Transformationslinse 315 angebracht und das lichtempfangende Element 316 in der hinteren Brennebene der Linse.
Bei den vorstehend erläuterten Verfahren treten jedoch drei Probleme auf, welche auf der Verwendung der fotografischen Platte als Medium oder als angepaßter Filter, auf welchem das Hologramm aufgezeichnet ist, beruhen.
Zuerst ist es notwendig, ein Hologramm auf der fotografischen Platte herzustellen und dann die fotografische Platte herauszunehmen, um sie zu entwickeln, was Zeit und Arbeitsaufwand bedeutet. Zweitens ist es dann, wenn die fotografische Platte entwickelt worden ist und in ihre ursprüngliche Stellung zurückgebracht wird, schwierig und aufwendig sie in ihrer ursprünglichen Stellung exakt zu justieren. Insbesondere muß die fotografische Platte so ausgerichtet werden, daß ihre Lichtachse mit der Mitte des Hologramms zusammenfällt, und die Platte darf nicht verdreht oder gewellt sein. Soll das Referenzbild geändert werden, so muß drittens entweder ein neuer angepaßter Filter hergestellt werden oder der alte Filter muß durch einen bereits vorab hergestellten angepaßten Filter ersetzt werden, wodurch es unmöglich ist, das Referenzbild in Echtzeit oder mit hoher Geschwindigkeit zu wechseln. Aufgrund der oben genannten Gründe ist es unmöglich gewesen, ein Mustererkennungsgerät mit einer Koordinatenwandlungsfunktion herzustellen, welches in der Lage ist, Echtzeitbetrieb unter annehmbaren Bedingungen zu liefern.
Die Verwendung eines Vanderlugt-Typ-Korrelators bringt die folgenden Probleme mit sich. Das auf der fotografischen Platte ausgebildete Hologramm weist üblicherweise einen großen Winkel von mehreren zig Grad zwischen dem Signallicht und dem Referenzlicht auf, so daß die Abstände zwischen Interferenzringen sehr klein sind und in der Größenordnung von mehreren hundert Linien pro Millimeter liegen. Deshalb wird das Verfahren zum Herstellen des angepaßten Filters leicht durch Erschütterungen und Luftbewegungen gestört. Falls die Interferenzringe sich aufgrund solcher Einflüsse verschieben sollten, kann ein Hologramm nicht exakt aufgezeichnet werden, wodurch die Fähigkeit zur Mustererkennung negativ beeinflußt wird.
Obwohl die vorstehend genannten Probleme gelöst werden körnen durch das aus Telecommunications and Radio Engineering, Band 44, Nr. 5, 1989, New York USA, Seiten 50-52, A. M. Berenznyy et al. "A Pattern Recognition System Using Polar-Logarithmic Image Conversion" bekannte optische Zeichenerkennungsgerät verbleiben immer noch Probleme insofern, als die Translationsinvarianz nur durch mechanische Mittel erreicht werden kann, und deshalb die Zeichenerkennung schwierig wird, wenn sich das Eingabebild aufgrund der Tatsache bewegt, daß die mechanischen Mittel die Position der elektro-optischen Komponenten im Eingabekanal verändern müssen, um dem sich bewegenden Eingabebild zu folgen.

Zusammenfassung der Erfindung:

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Mustererkennungsgerät bereitzustellen, welches eine genaue Mustererkennung liefern kann, selbst wenn die Größe und Richtung eines Eingabeobjekts sich ändern, wobei die Zeichenerkennung translationsinvariant ist und wobei die Translationsinvarianz durch elektro-optische anstelle von mechanischen Mitteln erreicht wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Mustererkennungsgerät bereitzustellen, mit dem auf einfache Weise die Koordinatenwandlung und das Referenzbild mit hoher Geschwindigkeit verändert werden können.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Mustererkennungsgerät bereitzustellen, bei dem es möglich ist, ein genaues Bild mit geringem Rauschen durch Anpassen des Schwellwerts herzustellen, und zwar selbst dann, wenn die Rauschkomponenten so groß sind, daß sie ansonsten das Bild zerstören würden.
Diese Ziele werden durch optische Mustererkennungsgeräte gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 erzielt. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Bei einem optischen Zeichenerkennungsgerät mit dem vorstehend genannten Aufbau sowie der entsprechenden Koordinatenwandlungsfunktion werden das Eingabebild und das Referenzbild optisch mittels eines Koordinatenwandlungsfilters in ein Koordinatensystem transformiert, bei dem die Korrelationsmaximumsintensität unabhängig wird von Änderungen in der Orientierung und Größe. Dies sorgt für eine Zeichenerkennung mit gleichbleibender Qualität für Objektbilder, welche sich in ihrer Größe und in ihrer Lage im Raum ändern.
Weiterhin wird aufgrund der Tatsache, daß bei jeder der drei genannten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemäß der Ansprüche 1 bis 3 das Verschieben der binarisierten Eingabe- und Referenzbilder mittels elektro-optischer anstelle von mechanischen Mitteln erzielt wird, diese Bildverschiebung in starker Weise vereinfacht. Kurze Erläuterungen der Figuren:
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, welches ein Beispiel zeigt für ein optisches Zeichenerkennungsgerät mit einer Koordinatenwandlungsfunktion;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, welches die Grundzüge des Verfahrens zur optischen Koordinatenwandlung zeigt;
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm, welches den Aufbau eines herkömmlichen VanderLugt-Typ-Korrelators zeigt, der eine Koordinatenwandlungsfunktion aufweist;
Fig. 4 ist ein Beispiel für ein Verfahren zum Anzeigen eines Referenzbildes und eines Eingabebildes, welche in einem Abstand L voneinander auf einem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3 angebracht sind;
Fig. 5 ist ein Querschnitt eines Flüssigkristall-Lichtventils, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet wird und welches auf der Verwendung ferroelektrischer Flüssigkristalle beruht;
Fig. 6 ist ein beispielhaftes Wellenformdiagramm, welches den Zusammenhang zwischen der Ausgabe des Leselasers und der Ansteuerungsspannung zeigt, welche auf das optisch ansprechbare ferroelektrische Flüssigkristall-Lichtventil gegeben wird, wobei (a) die Ansteuerungsspannung für den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 103 darstellt, (b) die Ausgabe des Lasers 101, (c) die Ansteuerungsspannung für einen optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 105, und (d) die Ausgabe eines Lasers 201.
Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm, welches die Anordnung eines weiteren Beispiels eines optischen Zeichenerkennungsgeräts mit einer Koordinatenwandlungsfunktion zeigt;
Fig. 8 ist eine beispielhafte Anordnung eines Eingabebildes und einer Vielzahl von Referenzbildern;
Fig. 10 ist ein schematisches Diagramm, welches die Anordnung eines weiteren Beispiels eines optischen Zeichenerkennungsgeräts mit einer Koordinatenwandlungsfunktion zeigt;
Fig. 11 ist ein schematisches Diagramm, welches die Anordnung eines weiteren Beispiels eines optisches Zeichenerkennungsgeräts mit einer Koordinatenwandlungsfunktion zeigt;
Fig. 12 ist ein schematisches Diagramm, welches die Anordnung eines weiteren Beispiels eines optisches Mustererkennungsgeräts mit einer Koordinatenwandlungsfunktion zeigt;
Fig. 13 ist ein schematisches Diagramm, welches die Anordnung eines weiteren Beispiels eines optischen Zeichenerkennungsgeräts mit einer Koordinatenwandlungsfunktion zeigt;
Fig. 14 ist ein schematisches Diagramm, welches die Anordnung eines weiteren Beispiels eines optischen Zeichenerkennungsgeräts mit einer Koordinatenwandlungsfunktion zeigt;
Fig. 16 ist ein schematisches Diagramm, welches die Anordnung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zeichenerkennungsgeräts mit einer Koordinatenwandlungsfunktion zeigt;
Fig. 17 ist ein schematisches Diagramm, welches die Anordnung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mustererkennungsgeräts mit Koordinatenwandlungsfunktion zeigt;
Fig. 18 ist ein schematisches Diagramm, welches die Anordnung einer weiteren Aus führungsform eines erfindungsgemäßen optischen Mustererkennungsgeräts mit einer Koordinatenwandlungsfunktion zeigt;
Fig. 19 ist ein beispielhaftes Verfahren zum Anzeigen eines Referenzbildes sowie eines verschobenen Eingabebildes auf einem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 403; und
Fig. 20 ist ein beispielhaftes Verfahren zum Anzeigen von translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbildern eines Referenzbildes und eines Eingabebildes, welche in einem Abstand von L voneinander auf einem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 468 angebracht sind.
Im folgenden werden nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren Beispiele für optische Mustererkennungsgeräte erläutert.
Fig. 1 zeigt die Anordnung eines optisches Mustererkennungsgeräts mit einer Koordinatenwandlungsfunktion. Ein optischer Koordinatenwandler hat den folgenden Aufbau: Mittel zum Erzeugen eines zweidimensionalen Referenzbildes oder Eingabebildes umfassen einen ersten Apparat 2 zum Fotografieren des Eingabebildes, ein erstes Gerät 42 zur Bildverarbeitung und ein Gerät 43 zur Bildspeicherung. Es ist zumindest eine kohärente Lichtquelle vorgesehen, welche einen ersten Koordinatenwandlungslaser 5 umfaßt sowie einen ersten Strahlaufweiter 6 zur Koordinatenwandlung. Es ist zumindest ein räumlicher Lichtmodulator für das Objektbild vorgesehen, welcher das Referenzbild und das Eingabebild aufnimmt und bei dem es sich um einen ersten elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3 für das Eingabebild handelt. Es ist zumindest ein optischer Koordinatenwandlungsfilter vorgesehen, welcher nahe bei dem räumlichen Lichtmodulator für das Objektbild vorgesehen ist und bei dem es sich um die Anordnung 44 von optischen Filtern zur Koordinatenwandlung handelt. Es ist zumindest eine Linse vorgesehen, bei der es sich um die Anordnung 47 von Koordinatenwandlungslinsen handelt. Ein Korrelator für eine gemeinsame Transformierte weist den folgenden Aufbau auf: Ein Mittel zum Wandeln der koordinatentransformierten Bilder des Eingabebildes und des Referenzbildes, welche in dem optischen Koordinatenwandler erhalten worden sind, in koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbilder besteht aus einer Maske 48 und einem ersten optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 zum Koordinatenwandeln. Ein Mittel zum Wandeln der koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder, welche auf dem räumlichen Lichtmodulator für die koordinatentransformierten Bilder angezeigt werden, in kohärente Bilder, besteht aus einem Fourier-Transformationslaser 101, einem Strahlaufweiter 102 für die Fourier-Transformierte und einem polarisierenden Strahlteiler 103 für die erste Fourier-Transformierte. Ein Mittel zum Fourier-Transformieren der kohärenten Bilder unter Verwendung einer Linse und zum Erzeugen eines gemeinsamen Fourier-transformierten Bildes in koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbilder, umfaßt eine erste Fourier-Transformationslinse 104. Mittel zum Wandeln des gemeinsamen Fourier-transformierten Bildes in ein Fourier-transformiertes Intensitätsverteilungsbildes und Anzeigen des Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbildes auf einem räumlichen Lichtmodulator für ein Fourier-transformiertes Bild umfassen einen optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 105 für das Fourier-transformierte Bild. Mittel zum Lesen des Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbildes, welches auf dem räumlichen Lichtmodulator für das Fourier-transformierte Bild unter Verwendung von kohärentem Licht angezeigt wird, umfassen einen Korrelationslaserstrahl 201, einen Korrelationsstrahlaufweiter 202 und einen polarisierenden Korrelationsstrahlteiler 203. Mittel zum abermaligen Fourier-Transformieren des Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbildes, welches unter Verwendung einer Linse ausgelesen worden ist, um ein Korrelationsausgabebild zu erzeugen und anschließend das Korrelationsausgabebild in ein Korrelationssignal unter Verwendung einer Fotografiervorrichtung oder eines lichtempfangenden Elements umzuwandeln, umfassen eine zweite Fourier- Transformationslinse 204 und ein Lichtempfangselement 205. Mittel zum Bearbeiten des Korrelationssignals, um zweidimensionale Korrelationseffizienten des Referenzbildes und des Eingabebildes zu ermitteln, bestehen aus einer Erkennungsschaltung 206.
Zunächst wird das Referenzobjekt, welches als Referenzgrundlage für die Mustererkennung dient, an eine Position eines Eingabeobjekts 1 gebracht und mittels der Fotografiervorrichtung 2 fotografiert, um ein zweidimensionales Referenzbild zu erzeugen. Das zweidimensionale Referenzbild wird dann mittels einer Vorrichtung 42 zur Bildverarbeitung in einem Bildspeicher 43 gespeichert. In gleicher Weise wird ein zu identifizierendes Eingabeobjekt 1 mittels der Fotografiervorrichtung 2 fotografiert, um ein zweidimensionales Eingabebild zu erzeugen. Das Eingabebild und das Referenzbild, wobei letzteres in dem Bildspeicher gespeichert ist, werden durch die Vorrichtung 42 zur Bildverarbeitung synthetisiert und auf einem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3 angezeigt. Das Referenzbild und das Eingabebild werden mit einem bestimmten Abstand L voneinander angezeigt, so daß sie sich nicht überlappen, wie in Fig. 4 gezeigt.
Eine Anordnung 44 optischer Felder umfaßt zwei optische Koordinatenwandlungsfilter, welche beide aus einem computergenerierten Hologramm bestehen, welche eine vorbestimmten Abstand L voneinander einnehmen. Falls zu wandelnde Bilder nicht in der selben räumlichen Anordnung bzgl. der optischen Koordinatenwandlungfilter vorliegen, werden bei den Koordinatenwandlungsverfahren unterschiedliche koordinatentransformierte Bilder erzeugt, und zwar selbst dann, wenn dasselbe Bild koordina tentransformiert wird. Aus diesem Grund muß der Abstand zwischen den beiden optischen Koordinatenwandlungsfiltern derselbe sein wie der Abstand L zwischen dem Referenzbild und dem Eingabebild, so daß die relative räumliche Anordnung des Referenzbilds relativ zum optischen Koordinatenwandlungsfilter dieselbe ist wie die relative räumliche Anordnung des Eingabebildes zum optischen Koordinatenwandlungsfilter.
Das vom Laser 5 ausgestrahlte kohärente Licht wird mittels eines Strahlteilers 6 in einen parallelen Strahl mit vorbestimmten Durchmesser aufgeweitet und dann auf den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3 gegeben, auf welchem das Eingabebild und das Referenzbild angezeigt werden. Dann werden diese Bilder in kohärente Bilder gewandelt. Die kohärenten Bilder treten durch optische Filter in der Anordnung 44 optischer Filter, welche nahe bei dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3 angebracht sind, und werden dann durch entsprechende Koordinatenwandlungslinsen in der Linsenanordnung 47 Fourier-transformiert. Als Ergebnis dessen werden koordinatentransformierte Bilder, welche in ein gewünschtes Koordinatensystem transformiert worden sind, in der Fourier-Transformationsebene gebildet. Eine Maske 48, welche unmittelbar vor dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 angebracht ist, wird mit Löchern ausgebildet, welche es nur den koordinatentransformierten Bildern der ersten positiven Ordnung erlauben, hindurchzutreten. Dies schneidet ungewünschte Gleichstromkomponenten sowie koordinatentransformierte Bilder höherer Ordnung ab, und nur die notwendigen koordinatentransformierten Bilder der Referenz- und Eingabebilder treten durch die Maske hindurch, um die Schreibebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 13 auszuleuchten. Die koordinatentransformierten Eingabe- und Referenzbilder werden dann in koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbilder umgewandelt, welche in einem Abstand L voneinander auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 angezeigt werden. Es gibt viele Arten von optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren 13. Bei diesem Beispiel verwendet der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 13 ein Flüssigkristall-Lichtventil vom Reflexionstyp, welches einen ferroelektrischen Flüssigkristall als lichtmodulierendes Material verwendet.
Auf der vorderen Brennebene der Linsenanordnung 47 sind ein elektrisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator 3 und eine Anordnung 44 optischer Filter angebracht, welche nahe beieinanderliegen. In der rückwärtigen Brennebene ist ein optisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator 13 positioniert. Die Koordinatenwandlungslinsen sind ebenso wie die optischen Koordinatenwandlungsfilter in einem Abstand L voneinander an Positionen angebracht, welche den beiden zu wandelnden Bildern entsprechen.
Das vom Laser 101 ausgestrahlte kohärente Licht wird mittels eines Strahlteilers 102 in ein paralleles Strahlbündel von vorbestimmten Durchmesser aufgeweitet und dann an einem polarisierenden Strahlteiler 103 reflektiert, um auf die Lesebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators als Leselicht eingestrahlt zu werden. Der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 13 und seine Betriebsweise werden im folgenden ausführlicher erläutert. Die Polarisationsrichtung des Leselichts wird zunächst mit der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle (oder mit einer Richtung senkrecht hierzu) ausgerichtet, wobei die Richtung der Flüssigkristallmoleküle durch Initialisierung des räumlichen Lichtmodulators ausgerichtet wird. Wird das am optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 hindurchgetretene Leselicht durch einen Detektor geschickt, dessen Polarisationsachse senkrecht oder parallel zur Polarisationsrichtung des Leselichts ist, so kann das auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator angezeigte Bild als positives Bild oder als negatives Bild ausgelesen werden. Bei dieser Ausführungsform wird ein polarisierender Strahlteiler 103 als Detektor verwendet.
Auf diese Weise wird das koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbild in ein kohärentes Bild gewandelt und dann durch die Linse 104 in ein gemeinsames Fourier- gewandeltes Bild Fourier-transformiert, welches dem koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbild des Referenzbilds und des Eingabebilds entspricht, und zwar in der Fourier-Transformationsebene. In der Fourier-Transformationsebene wird die Schreibebene eines optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 105 angebracht, auf welchem die Intensitätsverteilung des gemeinsamen Fourier-transformierten Bildes, welches aus einem jeden der koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder des Referenzbilds und das Eingabebilds besteht, als Fourier-transformierte Intensitätsverteilungsbild auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 105 angezeigt wird. Bei dieser Ausführungsform wird ebenfalls ein Flüssigkristall- Lichtventil vom Reflexionstyp, welches ferroelektrische Flüssigkristalle benutzt, als optisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator 105 verwendet, wie dies auch beim optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 der Fall ist. Der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 13 ist in der vorderen Brennebene der Linse 104 angebracht, während der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 105 in der rückwärtigen Brennebene angebracht ist.
Das vom Laser 201 ausgestrahlte kohärente Licht wird durch einen Strahlteiler 202 in ein paralleles Strahlbündel mit vorbestimmten Durchmesser aufgeweitet und dann an einem polarisierten Strahlteiler 203 reflektiert, um auf die Leseebene des optisch ansprechbaren Lichtmodulators 105 als Leselicht eingestrahlt zu werden. In diesem Fall wird, wie auch bei dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13, das auf dem optisch ansprechbaren Lichtmodulator 105 angezeigte Fourier-transformierte Intensitätsverteilungsbild in ein kohärentes Bild gewandelt. Der Detektor verwendet jedoch einen polarisierenden Strahlteiler 203. Das so ausgelesene Bild wird dann durch die Linse 204 Fourier-transformiert, um ein Korrelationsausgabebild herzustellen, welches ein Korrelationsmaximum auf dem in der Fourier-Transformationsebene angeordneten Lichtempfangselement 205 bildet. Das Lichtempfangselement 205 fängt nur das Korrelationsmaximum in dem Korrelationsausgabebild auf und wandelt es in ein Korrelationssignal. Das Korrelationssignal wird in eine Erkennungsschaltung 206 eingegeben, welches die Intensität des Korrelationsmaximums mißt, um Korrelationskoeffizienten des Eingabebildes und des Referenzbilds zu erzeugen. Der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 105 ist in der vorderen Brennebene der Linse 204 angebracht, während das Lichtempfangselement 205 in der hinteren Brennebene angebracht ist.
Um eine genaue Fourier-Transformation zu erzielen, ist es zu bevorzugen, daß das zu Fourier-transformierende Bild auf die vordere Brennebene einer jeden Fourier-Transformationslinse oder zwischen die Linse und ihre rückwärtige Brennebene gegeben wird. Dann wird das Fourier-transformierte Bild in der rückwärtigen Brennebene der Linse ausgebildet. Bei diesem Beispiel wird deshalb das Bild auf die vordere Brennebene der Linsenanordnung 47, der Linse 104 und der Linse 204 gegeben und das Fourier-transformierte Bild wird auf der rückwärtigen Brennebene empfangen.
Bei diesem Beispiel werden Flüssigkristall-Lichtventile, welche ferroelektrische Flüssigkristalle verwenden und vom Reflexionstyp sind, als optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulatoren 13, 105 verwendet. Wenn ein TN-Flüssigkristall verwendet wird, bei dem es sich um ein wohl bekanntes lichtmodulierendes Material handelt, kann eine Anzeige mit Helligkeitsabstufungen erzeugt werden, aber es bestehen Nachteile, wie z. B. eine niedrige Auflösung von ungefähr 30 Zeilen pro Millimeter und eine niedrige Betriebsgeschwindigkeit mit einer Videoabtastrate von ungefähr 30 Hz. Um dieses Problem zu lösen, verwendet das Beispiel einen ferroelektrischen Flüssigkristall anstelle eines TN-Flüssigkristalls als lichtmodulierendes Material. Das Flüssigkristall- Lichtventil, welches den ferroelektrischen Flüssigkristall verwendet, hat eine Auflösung von ungefähr 100 Zeilen pro Millimeter und die Betriebsgeschwindigkeit liegt bei ungefähr mehreren kHz, was exzellente Betriebscharakteristika darstellt. An dieser Stelle sei jedoch angemerkt, daß die Flüssigkristall-Lichtventile, welche ferroelektrische Flüssigkristalle verwenden, Bistabilität zeigen und deshalb das Schreibbild in einem Binärzustand, d. h. digitalisiert, speichern. Da bei diesem Beispiel das koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbild und das Fourier-transformierte Intensitäts verteilungsbild binarisiert und gespeichert werden, gibt es binarisierte koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbilder sowie ein binarisiertes Fourier-transformiertes Intensitätsverteilungsbild. Als lichtmodulierende Materialien, die sich von Flüssigkristallen unterscheiden, können elektro-optische Kristalle wie z. B. BSO-Kristalle verwendet werden. Es sei auch angemerkt, daß ein optisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator vom Transmissionstyp im Prinzip genauso arbeitet wie ein Modulator vom Reflexionstyp. Anstatt der Verwendung eines optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators ist es auch möglich, eine Kombination aus einer Fotografiervorrichtung und einem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator zu verwenden. Dieses Verfahren wird als nächstes erläutert.
Nunmehr wird der Aufbau und der Betrieb eines Flüssigkristall-Lichtventils vom Reflexionstyp erläutert, welcher in diesem Beispiel als optisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator verwendet wird und welcher ferroelektrische Flüssigkristalle als lichtmodulierendes Material benutzt. Der Unterschied zu einem herkömmlichen Flüssigkristall-Lichtventil beruht in der Verwendung eines ferroelektrischen Flüssigkristalls als Flüssigkristallschicht, wobei der ferroelektrische Flüssigkristall eine definierte Bistabilität zwischen dem Lichttransmissionsfaktor und dem Lichtreflexionsfaktor sowie der angelegten Spannung zeigt. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch ein Flüssigkristall- Lichtventil, welches einen ferroelektrischen Flüssigkristall verwendet. Durchsichtige Substrate 131a, 131b, wie z. B. Glas oder Kunststoff, schließen Kristallmoleküle zwischen sich ein, welche an den Oberflächen mit durchsichtigen Elektroden 132a, 132b sowie Ausrichtungsschichten 133a, 133b versehen sind, wobei die Ausrichtungsschichten aus Siliziummonoxid in einem Bereich von 75 bis 85 relativ zur Normalen des durchsichtigen Substrats schräg aufgedampft sind. Die durchsichtigen Substrate 131a, 131b umklammern eine ferroelektrische Flüssigkristallschicht 134, wobei ihre Ausrichtungsschichten 133a, 133b einander gegenüberliegen, um eine Lücke zwischen den beiden festzulegen, in welche Abstandshalterungen 139 eingesetzt sind. Zwischen der durchsichtigen Elektrode 132a und der Ausrichtungsschicht 132a auf der Seite zum optischen Schreiben ist eine fotoleitende Schicht 135 ausgebildet, eine lichtabschirmende Schicht 136 und ein dielektrischer Spiegel 137, welche nah beieinander liegen.
Die äußeren Zelloberflächen der auf der Schreibseite angebrachten transparenten Substrats 131a und des auf der Leseseite angebrachten und transparenten Substrats 131b sind mit Antireflexionsschichten 138a, 138b versehen.
Wenn der Reflexionsfaktor für sichtbares Licht des dielektrischen Spiegels 137 bei dem o. g. Aufbau ausreichend groß ist, und das Leselicht nur einen geringen Einfluß auf die fotoleitende Schicht 135 ausübt, kann die lichtabschirmende Schicht 136 weggelassen werden. Weiterhin kann, wenn der Reflexionsfaktor der fotoleitenden Schicht 135 für das Leselicht ausreichend groß ist und das Leselicht eine ausreichend kleine Intensität aufweist und nur einen sehr kleinen Effekt auf die fotoleitende Schicht 135 hat, der dielektrische Spiegel 137 ebenfalls weggelassen werden. Da das normale koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbild eine kleine Fläche aufweist und die Verwendung des Leselichts beschränkt ist, sollte bei diesem Beispiel das Leselicht jedoch bevorzugterweise stark sein. Aus diesem Grunde sollte der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 13, welcher das koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbild anzeigt, bevorzugterweise eine lichtabschirmende Schicht 136 und einen dielektrischen Spiegel 137 aufweisen. Da das Fourier-transformierte Intensitätsverteilungsbild eine nicht zu kleine Fläche bedeckt, kann umgekehrt das Leselicht schwach sein. Der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 105, welcher das Fourier-transformierte Intensitätsverteilungsbild anzeigt, muß somit nicht notwendigerweise die lichtabschirmende Schicht 136 und den dielektrischen Spiegel 137 umfassen.
Als nächstes wird das Verfahren zum Initialisieren des Flüssigkristall-Lichtventils gemäß dem oben erwähnten Aufbau erläutert. Das erste Verfahren beinhaltet das Einstrahlen von Licht auf die gesamte Schreibebene des Flüssigkristall-Lichtventils, Anlegen einer Impulsspannung oder einer Gleichspannung, welche ausreichend höher sind als eine Schwellwertspannung für den beleuchteten Zustand oder einer Gleichspannung, der eine 100 Hz bis 50 kHz Wechselspannung überlagert ist, an die durchsichtigen Elektroden 132a und 132b, um die ferroelektrischen Kristallmoleküle in einer stabilen Richtung auszurichten, und dann Speichern dieses Zustandes im Speicher. Das zweite Verfahren besteht aus dem Anlegen einer Impulsspannung oder einer Gleichspannung, welche ausreichend höher ist als die Schwellwertspannung für den abgedunkelten Zustand oder einer Gleichspannung, der eine 100 Hz bis 50 kHz Wechselspannung überlagert ist, an die durchsichtigen Elektroden 132a und 132b, um den ferroelektrischen Flüssigkristall in einen stabilen Zustand auszurichten und dann Speichern dieses Zustands im Speicher. Normalerweise ist die Schwellwertspannung für den abgedunkelten Zustand höher als die Schwellwertspannung für den beleuchteten Zustand.
Im folgenden wird nunmehr die Betriebsweise erläutert, nachdem das Flüssigkristall- Lichtventil, wie zuvorstehend erläutert, initialisiert worden ist. Ein Bild wird mit einem Laserstrahl geschrieben, während auf die durchsichtigen Elektroden 132a und 132b eine Impulsspannung oder eine Gleichspannung gegeben wird, oder eine Gleichspannung, der eine 100 Hz bis 50 kHz Wechselspannung überlagert ist, deren Polarität entgegengesetzt ist zu der, wenn die Initialisierung durchgeführt wird, und deren Amplitude kleiner ist als die Schwellwertspannung für den abgedunkelten Zustand und höher als die Schwellwertspannung für den beleuchteten Zustand. Die Fläche der foto leitenden Schicht 135, welche von einem Laserstrahl getroffen wird, erzeugt Ladungsträger, welche in Richtung des elektrischen Feldes, das durch die angelegte Spannung verursacht wird, driften, wodurch ein Abfall im Schwellwertspannungswert auftritt. Dies wiederum legt an die laserbeleuchtete Fläche eine Spannung an, deren Polarität umgekehrt ist zu der Spannung, die angelegt war, als die Initialisierung durchgeführt wurde und deren Amplitude höher ist als der Schwellspannungswert. Als Ergebnis der spontanen Polarisierung, Binarisierung und Speicherung des Bildes im Speicher sorgt die angelegte Spannung dafür, daß der ferroelektrische Flüssigkristall seine Moleküle in einen anderen stabilen Zustand umkehrt.
Das binarisierte und gespeicherte Bild kann in einem positiven oder negativen Zustand durch Einstrahlen eines linear polarisierten Leselichts ausgelesen werden, dessen Polarisationsachse in der Richtung der Ausrichtung der initialisierten Kristallmoleküle (oder in einer Richtung senkrecht hierzu) und durch Hindurchlassen des reflektierten Lichts vom dielektrischen Spiegel 137 durch einen Lichtdetektor, dessen Polarisationsachse senkrecht (oder parallel) zur Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts verläuft. In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel wird ein polarisierender Strahlteiler anstelle eines Detektors verwendet.
Der Schwellwert zum Binarisieren des Bildes kann durch Anpassen der Amplitude und Breite der Impulsspannung oder der Frequenz der Wechselspannung oder der Amplitude der Gleichspannung verändert werden, welche allesamt zwischen den durchsichtigen Elektroden 132a, 132b angelegt werden. Weiterhin kann durch Anpassung der Leistung des Lasers die auf die Schreibebene eingestrahlte Lichtintensität verändert werden, so daß es möglich ist, praktisch denselben Effekt zu erzielen, als wenn der Schwellspannungswert verändert wird.
Als nächstes wird das Verfahren zum Ansteuern des Flüssigkristall-Lichtventils, welches ferroelektrische Flüssigkristalle im optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13, 105 mit hoher Geschwindigkeit ansteuert, erläutert. Aufgrund der Prinzipien der Betriebsweise und des Initialisierungsverfahrens muß das Flüssigkristall-Lichtventil wie folgt angesteuert werden. Grundsätzlich muß die Zeitdauer während der das Schreiblicht auf die Schreibebene des Flüssigkristall-Lichtventils eingestrahlt wird, sich mit der Zeitdauer überlappen, während der die Schreibspannung für das Flüssigkristall-Lichtventil angelegt wird und zwar zumindest für eine vorbestimmte Zeitdauer. Wenn es eine Reihe von Flüssigkristall-Lichtventilen gibt, welche in Reihe miteinander verbunden sind, muß die an die jeweiligen Flüssigkristall-Lichtventile angelegte Ansteuerungsspannung mit der Einstrahlungszeit des Lese- und Schreiblichts auf die Flüssigkristall-Lichtventile synchronisiert sein.
Fig. 6 zeigt einen beispielhaften Zusammenhang zwischen der an die optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren 13, 105 angelegten Ansteuerspannung und der Ausgabelichtintensität des Lasers 101 und Lasers 201, welche auf die optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren schreiben. Das Verfahren des Schreibens der koordinatentransformierten Bilder des Eingabe- und Referenzbilds auf den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 wird später erläutert. Vorliegend sei angenommen, daß diese koordinatentransformierten Bilder auf die Schreibebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 13 immer dann eingestrahlt werden, wenn der Schreibimpuls an den räumlichen Lichtmodulator 13 angelegt wird. Zunächst wird, wie in Fig. 6(a) gezeigt, an den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 eine Ansteuerungsspannung angelegt, welche aus einem Löschimpuls 150, einem Schreibimpuls 151 und einer Nullspannung 152 besteht, welche in dieser Reihenfolge wiederholt angelegt werden. Das im optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 gespeicherte Bild wird initialisiert und gelöscht, wenn der Löschimpuls 150 angelegt wird; ein auf die Schreibebene eingestrahltes Bild wird neu gespeichert, wenn ein Schreibimpuls 151 angelegt wird, und das aufgezeichnete Bild wird während der Nullspannung 152 ausgelesen. Dieses Verfahren wird wiederholt. Der Löschimpuls 150 und der Schreibimpuls 151 sind Impulsspannungen, welche die in der Erläuterung der Betriebsweise erklärten Bedingungen erfüllen.
Wird die obige Ansteuerungsspannnung angelegt, wird der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 13 mit einem neuen binarisierten koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbild nach dem anderen beschrieben. Wie in Fig. 6(b) gezeigt, wird die Ausgabe des Lasers 101 moduliert, so daß die Lasereinstrahlung 153 während der Zeitdauer, in der das Leselicht auf die Leseebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 13 eingestrahlt wird, der Nullspannung 152 der Ansteuerungsspannung entspricht, welche an den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 eingelegt wird. Dies sorgt dafür, daß die neuen binarisierten koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder, welche in dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 gespeichert werden, nacheinander ausgelesen werden und die gemeinsamen Fourier-transformierten Bilder auf die Schreibebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 105 während der Zeitdauer der Laserbestrahlung 153 durch den Laser 101 eingestrahlt werden. Dann werden, wie in Fig. 6(c) gezeigt, an den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 105 die Schreibimpulse 151 im Gleichtakt mit der Lasereinstrahlungsdauer 153 angelegt. Unmittelbar vor Anlegen des Schreibimpulses 151 wird der Löschimpuls 154 angelegt, um den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 105 zu initialisieren. Unmittelbar nach dem Schreibimpuls 151 gibt es einen Zustand ohne Spannung 156, welcher es erlaubt das Bild auszulesen. Wird das obige Verfahren durchgeführt, wird der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 105 nacheinander wiederholt mit neuen binarisierten Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbildern beschrieben. Die aufgezeichneten binarisierten Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbilder werden während der Einstrahlung 157 des Lasers 102 durch Synchronisieren des Zustands 156 ohne Spannung mit der Lasereinstrahlungszeitdauer 157 als Korrelationsausgabebilder ausgelesen, wie in Fig. 6(d) gezeigt.
Falls die optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren 13, 105 keine lichtabschirmende Schicht 136 und keinen dielektrischen Spiegel 137 aufweisen, beeinflußt das Leselicht die fotoleitende Schicht 135. Nutzt man diese Tatsache aus, so ist es möglich, die angelegte Spannung der Löschimpulse 150, 154 abzusenken. Falls das Leselicht nur während der Zeitdauer eingestrahlt wird, welche dem Zustand ohne Spannung 152, 156 entsprechen, aber weiterhin eingestrahlt werden, während der Zeitdauer, welche dem Löschimpuls 150, 154 entspricht, so wird demzufolge das Laserlicht weiterhin auch während der Initialisierung eingestrahlt. Da die Schwellwertspannungen für die optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren 13, 105 im beleuchteten Zustand niedriger sind als im abgedunkelten Zustand, kann die Initialisierung durchgeführt werden, selbst wenn der Spannungspegel des Löschimpulses 150, 154 abgesenkt wird.
Wenn die optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren die lichtabschirmende Schicht 136 und den dielektrischen Spiegel 137 aufweisen, so daß die Einwirkung des Leselichts auf die fotoleitende Schicht 135 ignoriert werden kann, ist es nicht notwendig die Modulation des Leselichts wie oben erläutert durchzuführen. In diesem Fall ist es immer noch notwendig, die Zeitdauer für den Zustand 152 ohne Spannung für den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 mit dem Schreibimpuls 155 für den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator zu synchronisieren.
Wird die oben erläuterte Steuerungsspannung angelegt, so stellt man fest, daß der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 13, 105 mit hoher Geschwindigkeit bei 30 Hz bis 2 kHz betrieben werden kann. Da das auf die Schreibebene eingestrahlte Bild in Binärform aufgezeichnet wird, ist es möglich, ein genaues Bild ohne Rauschen durch Anpassen des Schwellwertpegels zu erzeugen, und zwar selbst dann, wenn Rauschkomponenten vorliegen, welche so groß sind, daß sie anderenfalls das Bild zerstören würden.
Als nächstes wird der in dem obigen Beispiel verwendete elektrisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 3 erläutert. Wird, wie oben erläutert, das Flüssigkristall- Lichtventil, welches einen ferroelektrischen Flüssigkristall als optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13, 105 verwendet, benutzt, so ist ein Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten von 30 Hz bis 2 kHz möglich. Wird jedoch der Flüssigkristallmonitor verwendet, dessen lichtmodulierendes Material ein TN-Flüssigkristall ist, wie er bei dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3 verwendet wird, so wird der Betrieb nur mit einer niedrigen Geschwindigkeit von ungefähr 30 Hz möglich. In diesem Fall wird die Betriebsgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Mustererkennungsgerät durch die Geschwindigkeit des elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 3 begrenzt. Zum Erhöhen der Betriebsgeschwindigkeit des elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 3 ist es zu bevorzugen, lichtmodulierende Materialien wie elektro-optische Keramiken, wie z. B. PLZT, magnetooptische Materialien wie Yttrium, Eisengranat und ferroelektrische Flüssigkristalle zu verwenden. Dieses Beispiel verwendet deshalb einen elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3 mit ferroelektrischen Flüssigkristallen als lichtmodulierendes Material.
Für den Betrieb des elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 3 ist es selbstverständlich notwendig, den Betrieb der anderen räumlichen Lichtmodulatoren und Laser zu synchronisieren, wie dies auch bei den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren 13, 105 der Fall ist. Das heißt, daß es zum Aufzeichnen der koordinatentransformierten Bilder des Referenzbildes und des Eingabebildes, welche auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3 angezeigt werden und welche auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 anzuzeigen sind, notwendig wird, das Bild zu löschen und ein neues Bild auf den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3 zu schreiben, während der Zustand 152 ohne Spannung vorliegt, und der Löschimpuls 150 der Ansteuerungsspannung auf den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 gegeben wird, und das Bild, welches auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3 angezeigt wird, festzuhalten, während der Schreibimpuls 151 angelegt wird. Das Verfahren zum Ansteuern eines jeden Pixels auf den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3 verwendet ein aktives System, welches durch ein TFT-System (thin film transistor = Dünnfilmtransistor) gebildet wird, bei welchem ein Transistor für jeden einzelnen Pixel ausgebildet wird, und bestimmte Transistoren aktiviert werden. Sobald der Zustand 152 ohne Spannung beginnt, wird ein Signal zum Löschen des durch Pixel dargestellten Bilds auf den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3 angelegt und daraufhin folgt sofort die Anlegung von Bildsignalen an jeden einzelnen Pixel, um ein neues Bild anzuzeigen. Auf diese Weise kann der elektrisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 3 bei hoher Geschwindigkeit im Gleichtakt mit anderen räumlichen Lichtmodulatoren betrieben werden.
Bei einer normalen Korrelationsverarbeitung, welche keine Koordinatenwandlung benutzt, verändert sich die Korrelationsmaximumsintensität in starker Weise, wenn das Eingabeobjekt um ungefähr 10 relativ zum Referenzobjekt gedreht wird oder sich um 20 bis 30 Prozent hiervon in seiner Größe unterscheidet, so daß eine genaue Erkennung schwierig wird. Wird jedoch ein Koordinatenwandlungsfilter verwendet, welcher das Bild in ein (lnr, θ)-Koordinatensystem transformiert, so ermöglicht es dieser Filter, daß das Eingabebild für einen Drehwinkel von bis zu 360 und einer Größenänderung von bis zu 50 Prozent erkannt wird, was eine invariante Mustererkennung für Eingabebilder ermöglicht, bei denen Drehungen und Größenänderungen aufgetreten sind. Es ist auch möglich, den Drehwinkel und die Größenänderung auf Grundlage der Position zu ermitteln, wo das Korrelationsmaximum auftritt. Da wo ein optischer Koordinatenwandlungsfilter verwendet wird, welcher ein Bild in ein anderes Koordinatensystem wandelt, ermöglicht es die Erfindung weiterhin eine invariante Mustererkennung für die koordinatentransformierten Bilder mit Drehwinkel- und Größenänderungen durchzuführen.
Wenn ein räumlicher Lichtmodulator verwendet wird, welcher einen ferroelektrischen Flüssigkristall als lichtmodulierendes Material verwendet und welcher mit 30 Hz bis 2 kHz betrieben werden kann, so kann die Erkennungsgeschwindigkeit des Zeichenerkennungsgeräts bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 30 Hz bis 20 kHz liegen.
Da dieses Beispiel einen Korrelator für eine gemeinsam Transformierte verwendet anstelle eines VanderLugt-Typ-Korrelators, besteht weiterhin keine Notwendigkeit zum Entwickeln der fotografischen Platte oder deren Justierung nach ihrer Entwicklung, wodurch das Mustererkennungsverfahren einfach wird. Falls Referenzobjekte vorab in der Bildspeichervorrichtung 43 gespeichert werden, ist es möglich, das Referenzobjekt auf leichte und schnelle Weise zu ändern. Da diese Erfindung keinen räumlichen Lichtmodulator mit einer solchen hohen Auflösung benötigt, wie dies bei einer fotografischen Platte der Fall ist, gibt es nur einen geringen Einfluß auf die Anzeige durch Schwingungen des Geräts oder Luftbewegungen, und die Lichtachse des optischen Systems kann auf einfache Weise ausgerichtet werden.
Fig. 7 zeigt die Anordnung eines weiteren Beispiels eines optischen Mustererkennungssystems mit einer Koordinatenwandlungsfunktion. Die den Gesamtaufbau ergebenden Elemente haben identische Funktionen wie die im Beispiel 1 der Fig. 1 gezeigten und weisen dieselben Bezugszeichen auf, und ihre Erläuterungen sind weggelassen worden oder es werden nur kurze Erklärungen gegeben. Der optische Koordinatenwandler hat denselben Aufbau wie der bei dem vorhergehenden Beispiel. Die Punkte, in welchen sich der Korrelator für die gemeinsam Transformierte von dem vorhergehenden Beispiel unterscheidet, beinhaltet die folgenden: Mittel zum Wandeln der koordinatentransformierten Bilder des Referenzbilds und des Eingabebilds, welche in dem optischen Koordinatenwandler erhalten worden sind, in koordinatentrans formierte Intensitätsverteilungsbilder und zum Anzeigen der koordinatentransformierten Identitätsverteilungsbilder auf den räumlichen Lichtmodulator für die koordinatentransformierten Bilder umfassen eine Fotografiervorrichtung 9, eine Maske 48 und einen elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 14. Mittel zum Wandeln des gemeinsamen Fourier-transformierten Bilds in ein Fourier-transformiertes Intensitätsverteilungsbild und zum Anzeigen des Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbilds auf einen räumlichen Lichtmodulator, umfassen eine Fotografiervorrichtung 106 und einen elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 107.
Das Verfahren bis zum Schritt des Herstellens der koordinatentransformierten Bilder des Eingabebilds und des Referenzbilds in der Fourier-Transformationsebene ist derselbe wie jenes, welches in Verbindung mit dem Beispiel in Fig. 1 vorgestellt wurde und seine Erläuterung wird hiermit weggelassen. Die in der Fourier-Transformationsebene erzeugten koordinatentransformierten Bilder werden von der Fotografiervorrichtung 9 empfangen, wo sie in elektrische Signale umgewandelt werden. Elektrische Signale werden auf den elektrisch ansprechbaren Lichtmodulator 14 gegeben, welcher dann die koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder in einem vorbestimmten Abstand L von einander beabstandet anzeigt. Das vom Laser 101 ausgestrahlte kohärente Licht wird durch den Strahlaufweiter 102 aufgeweitet und dann auf den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 14 eingestrahlt, um die koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder in kohärente Bilder zu transformieren. Diese kohärenten Bilder werden dann durch die Linse 104 Fourier-transformiert, um in der Fourier-Transformationsebene ein gemeinsames Fourier-transformiertes Bild zu ergeben. Das gemeinsame Fourier-transformierte Bild wird durch die Fotografiervorrichtung 106 empfangen, wo es in elektrische Signale gewandelt wird. Die elektrischen Signale werden dann auf den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 107 gegeben, um ein Fourier-transformiertes Intensitätsverteilungsbild des gemeinsamen Fourier-transformierten Bildes auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 107 anzuzeigen. Das vom Laser 201 ausgestrahlte kohärente Licht wird durch den Strahlaufweiter 202 aufgeweitet und auf den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 107 eingestrahlt, um das Fourier-transformierte Intensitätsverteilungsbild in ein kohärentes Bild zu wandeln, welches dann nochmals durch die Linse 204 Fourier-transformiert wird, um ein Korrelationsausgebebild in der Fourier-Transformationsebene der Linse zu erzeugen. Das Verfahren hiernach ist ähnlich zu dem bei den vorhergehenden Beispiel und seine Erläuterung wird deshalb weggelassen.
Zum Erhöhen der Betriebsgeschwindigkeit des elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 14, 107 zur Koordinatenwandlung und Fourier-Transformation ist es zu bevorzugen, lichtmodulierende Materialien, wie elektro-optische Keramiken, PLZT, magnetooptische Materialien, wie Yttrium, Eisengranat und ferroelektrische Flüssigkristalle zu verwenden, wie dies auch bei dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3 gemäß dem vorhergehenden Beispiel der Fall ist. Dieses Beispiel verwendet deshalb die elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren 14, 107, welche ferroelektrische Flüssigkristalle als lichtmodulierende Materialien verwenden. Da ferroelektrische Flüssigkristalle eine Bistabilität zeigen, wird das angezeigte Bild normalerweise binarisiert. Somit werden das koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbild und das Fourier-transformierte Intensitätsverteilungsbild als binarisiertes koordinatentransformiertes Intensitätsverteilungsbild und als binarisiertes Fourier-transformiertes Intensitätsverteilungsbild gezeigt.
Wird ein elektrisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator, welcher ferroelektrische Flüssigkristalle als lichtmodulierendes Material aufweist, für die elektrisch ansprechbaren Lichtmodulatoren 14, 107 verwendet, so müssen die von der Fotografiervorrichtung 9, 106 ausgegebenen elektrischen Signale nur eingegeben werden, um die binarisierten koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder und das binarisierte Fourier-transformierte Intensitätsverteilungsbild zu ergeben. Werden jedoch normale elektrisch ansprechbare räumliche Lichtmodulatoren verwendet, so müssen die elektrischen Signale binarisiert werden, bevor sie auf diese elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren gegeben werden, da sie Bilder in Helligkeitsabstufungen anzeigen.
Dieses Beispiel kann ebenfalls eine invariable Zeichenerkennung mit hoher Geschwindigkeit für Eingabebilder bereitstellen, bei denen Änderungen des Drehwinkels und der Größe auftreten.
Bei den vorstehenden Beispielen gibt es nur ein Referenzbild und ein Eingabebild. Ist eine Vielzahl von Bildern zu identifizieren, so muß ein Referenzbild nach dem anderen eingegeben werden, was Zeit für die Mustererkennung beansprucht. Um dieses Problem zu lösen, wird in Erwägung gezogen, eine Vielzahl von Referenzbildern bereitzustellen, so daß die Korrelationsbearbeitung mit vielen Referenzbildern zum selben Zeitpunkt durchgeführt werden kann. Fig. 8 zeigt eine beispielhafte Anordnung für ein Eingabebild und eine Vielzahl von Referenzbildern. Eine Vielzahl von Referenzbildern ist in einem Kreis angeordnet, bei dem das Eingabebild in der Mitte steht. Die optischen Koordinatenwandlungsfilter in der Anordnung 44 optischer Filter, die Koordinatenwandlungslinse in der Anordnung 47 von Linsen und die Löcher in der Maske 48 sind an Stellen angebracht, welche dem Referenzbild und dem Eingabebild entsprechen. Diese Anordnung erlaubt eine Mustererkennung ähnlich zu der bei dem obengenannten Beispiel. Es sei hier angemerkt, daß aufgrund der Tatsache, daß die Vielzahl von Referenzbildern eine Vielzahl von Paaren von Korrelationsmaxima erzeugt, die entsprechende Anzahl von lichtempfangenden Elementen 205 an Stellen angeordnet werden muß, wo die entsprechenden Korrelationsmaxima auftreten.
Bei der vorhergehenden Beschreibung wurde das Referenzbild an einer Vielzahl von Ausführungen bereitgestellt. Derselbe Effekt kann jedoch durch Verwendung einer Vielzahl von Eingabebildern und einem einzelnen Referenzbild erzielt werden.
Fig. 10 zeigt die Anordnung eines weiteren Beispiels eines optischen Mustererkennungssystems mit Koordinatenwandlungsfunktion. Dies entspricht einem System, bei dem das Eingabebild und das Referenzbild in einem einzigen optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 11 angezeigt werden. Komponenten mit identischen Funktionen, wie die in Fig. 1 gezeigten Komponenten, sind mit denselben Bezugszeichen versehen und ihrer Erläuterung ist weggelassen oder vereinfacht. Das Verfahren nach dem Anzeigen der koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 ist dasselbe wie das vorstehend schon erläuterte und seine Erklärung wurde weggelassen. Die Unterschiede zwischen dem optischen Koordinatenwandler dieses Beispiels und dem Beispiel der Fig. 1 besteht darin, daß die Mittel zum Erzeugen des zweidimensionalen Referenzbildes und Eingabebilds aus Linsen 10, 30 und einem Strahlteiler 46 bestehen und daß zumindest ein das Referenzbild und das Eingabebild haltender räumlichen Lichtmodulator für das Objektbild ein optisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator 11 ist.
Das Bild eines Eingabeobjekts 1 wird durch die Linse 10 und den Strahlteiler 46 auf die Schreibebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 11 fokussiert und als Eingabebild auf dem Modulator 11 angezeigt. Gleichermaßen wird das Bild eines Referenzobjekts 21 durch die Linse 30 und den Strahlteiler 46 auf die Schreibebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 11 fokussiert und als Referenzbild auf dem Modulator 11 angezeigt. Das optische System ist bereits ausgerichtet, so daß das Eingabebild und das Referenzbild in einem vorbestimmten Abstand L voneinander angezeigt werden. Die Anordnung des optischen ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 11, welcher ein Flüssigkristall-Lichtventil vom Reflexionstyp verwendet, wird nunmehr erläutert.
Das vom Laser 5 ausgestrahlte kohärente Licht wird durch einen Strahlweiter 6 aufgeweitet und durch den polarisierten Strahlteiler 12 reflektiert und tritt durch die Anordnung 44 optischer Filter hindurch, um die Schreibebene eines optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 11 zu beleuchten, wodurch das Eingabebild und das Referenzbild in kohärente Bilder gewandelt werden. Die Anordnung 44 von optischen Feldern sowie der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 11 sind nahe bei einanderliegend angeordnet. Die kohärenten Bilder treten dann durch die Anordnung 44 optischer Filter sowie den polarisierenden Strahlteiler hindurch und werden durch die Anordnung 47 von Linsen Fourier-transformiert, wodurch die koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 gebildet werden. Nachdem dies stattgefunden hat, ist die Weiterverarbeitung, dieselbe wie die bei dem vorhergehenden Beispiel erläuterte und deshalb wird ihre Erklärung weggelassen.
Fig. 11 zeigt die Anordnung eines weiteren Beispiels eines optischen Zeichenerkennungsgeräts mit einer Koordinatenwandlerfunktion. Dies entspricht dem Verfahren, bei dem das Referenzbild und das Eingabebild auf getrennten optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren angezeigt werden, so daß sie unabhängig voneinander koordinatentransformiert werden. Komponenten, welche identische Funktionen aufweisen, wie die in Verbindung mit dem Beispiel in Fig. 1 erläuterten, sind mit denselben Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird weggelassen oder vereinfacht. Die Bearbeitung, die nach dem Anzeigen der koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 durchgeführt wird, ist dieselbe, wie die zuvor erläuterte, und ihre Erklärung wird weggelassen. Die Unterschiede zwischen dem optischen Koordinatenwandler dieses Beispiels und dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel bestehen darin, daß die Mittel zum Erzeugen von zweidimensionalen Referenzbildern und Eingabebildern aus Linsen 10, 13 bestehen, aus zumindest einer aus einem Laser 5 bestehenden kohärenten Lichtquelle, einem Strahlaufweiter 6, einem polarisierenden Strahlteiler 12, Laser 25, Strahlaufweiter 26 und einem polarisierenden Strahlteiler 32, und daß zumindest ein räumlicher Lichtmodulator für das Objektbild, welches das Referenzbild und das Eingabebild beinhaltet, ein optisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator 11, 31 ist, und daß zumindest ein optischer Koordinatenwandlungsfilter in der Nähe des räumlichen Lichtmodulators für das Objektbild angebracht ist und aus optischen Feldern 4, 24 besteht, und daß zumindest eine Linse die Linsen 7, 27 umfaßt.
Das Bild eines Eingabeobjekts 1 wird durch die Linse 10 durch den unmittelbar vor dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 11 angebrachten optischen Filter 4 auf die Schreibebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 11 fokussiert, und wird auf ihm als Eingabebild angezeigt. Gleichermaßen wird das Bild des Referenzobjekts 21 durch die Linse 30 durch den unmittelbar vor dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 31 angebrachten optischen Filter 24 hindurch und auf die Schreibebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 31 fokussiert und auf ihm als Referenzbild angezeigt. Das Referenzbild und das Eingabebild werden auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 11, 31 als Bilder angezeigt, die mit dem optischen Koordinatenwandlungsfilter überlagert sind. Wenn das Eingabebild und das Referenzbild auf den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 11, 31 angezeigt werden sollen, ist es möglich, den optischen Koordinatenwandlungsfilter diesen Bilder zu überlagern, oder wie bei dem vorhergehenden Beispiel das Eingabebild und das Referenzbild durch das optische Koordinatenwandlungsfilter hindurchtreten zu lassen, wenn das Eingabebild und das Referenzbild gelesen werden.
Die von den Lasern 5, 25 ausgesandten kohärenten Strahlen werden durch einen jeden der Strahlaufweiter 6, 26 aufgeweitet und durch die polarisierenden Strahlteiler 12, 32 reflektiert, um die Leseebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 11, 31 auszuleuchten. Als Ergebnis dessen werden das Referenzbild und das Eingabebild ausgelesen und in kohärente Bilder gewandelt. Die kohärenten Bilder werden mittels der Linsen 7, 27 Fourier-transformiert und treten durch den Strahlteiler 46 hindurch; unerwünschte Gleichstromanteile werden aus ihnen durch die Maske 48 herausgefiltert und dann werden nur die koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder in einem bestimmten Abstand L voneinander auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 angezeigt. Die Bearbeitung, nachdem die koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder auf den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13 angezeigt worden sind, ist dieselbe wie bei dem vorhergehenden Beispiel und deshalb werden ihre Erläuterung und die Zeichnungen weggelassen.
Fig. 12 zeigt die Anordnung eines weiteren Beispiels eines optischen Zeichenerkennungsgeräts mit Koordinatenwandlungsfunktion. Dies entspricht dem Verfahren, bei dem das Referenzbild und das Eingabebild auf voneinander getrennten elektrisch ansprechbaren Lichtmodulatoren angezeigt werden, so daß sie unabhängig voneinander koordinatentransformiert werden und ihre koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder elektrisch miteinander kombiniert werden. Komponenten mit identischer Funktion wie die bei dem Beispiel in Fig. 7 gezeigten, sind mit denselben Bezugszeichen versehen und ihre Erläuterung wird weggelassen oder vereinfacht. Die Bearbeitung, nachdem die koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder elektrisch kombiniert worden sind, ist dieselbe wie die in Verbindung mit dem Beispiel in Fig. 7 erläuterte und ihre Erklärung wird weggelassen. Der optische Koordinatenwandler gemäß diesem Beispiel weist den folgenden Aufbau auf: Mittel zum Erzeugen zweidimensionaler Referenz- und Eingabebilder bestehen aus Fotografiervorrichtungen 2, 22. Zumindest eine kohärente Lichtquelle besteht aus einem Laser 5, einem Strahlaufweiter 6, einem Laser 25 und einem Strahlaufweiter 26. Zumindest ein räumlicher Lichtmodulator für das Objektbild, welches das Referenzbild und das Eingabebild hält, sind elektrisch ansprechbare räumliche Lichtmodulatoren 3, 23; zumindest ein optischer Koordinatenwandlungsfilter, welcher nahe angebracht ist bei dem räumlichen Lichtmodulator für das Objektbild besteht aus optischen Feldern 4, 24; und zumindest eine Linse besteht aus Linsen 7, 27. Der Unterschied zwischen dem Korrelator für die gemeinsame Transformierte im Vergleich zum vorhergehenden Beispiel ist wie folgt: Mittel zum Wandeln der koordinatentransformierten Bilder des Referenzbilds und des Eingabebilds in koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbilder, welche in dem optischen Koordinatenwandler erhalten werden und zum Anzeigen der koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder auf dem räumlichen Lichtmodulator für das koordinatentransformierte Bild bestehen aus einer Maske 8, einer Fotografiervorrichtung 9 und einer Maske 28, eine Fotografiervorrichtung 29, eine Bildverarbeitungsvorrichtung 41 und einem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 14.
Ein Eingabeobjekt 1 und ein Referenzobjekt 21 werden durch verschiedene Fotografiervorrichtungen 2, 22 fotografiert und als ein Eingabebild und ein Referenzbild auf den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren 3, 23 angezeigt. Die von den Lasern 5, 25 ausgesandten kohärenten Strahlen sind jeweils durch die Strahlaufweiter 6, 26 aufgeweitet, um die elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren 3, 23 auszuleuchten. Als Ergebnis dessen werden das angezeigte Referenzbild und Eingabebild in kohärente Bilder gewandelt. Die kohärenten Bilder treten durch die optischen Filter 4, 24 hindurch, welche unmittelbar hinter den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren 3, 23 angebracht sind und werden dann durch die Linsen 7, 27 Fourier-transformiert, um koordinatentransformierte Bilder auf der Fourier-Transformationsebene zu erzeugen. Die Masken 8, 28 sind unmittelbar hinter der Fourier-Transformationsebene angebracht, um unerwünschte Gleichstromkomponenten auszufiltern und es den benötigten koordinatentransformierten Bildern zu ermöglichen, hindurchzutreten. Die koordinatentransformierten Bilder, welche so erhalten worden sind, werden durch verschiedene Fotografiervorrichtungen 9, 29 empfangen, welche sie dann in elektrische Signale wandeln. Die elektrischen Signale werden auf das Bildverarbeitungssystem 41 gegeben, wo sie synthetisiert oder kombiniert werden. Das synthetisierte Signal wird dann auf den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 14 gegeben, welcher die koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder in einem vorbestimmten Abstand L voneinander anzeigt, wie in Fig. 4 gezeigt. Das Verfahren nach diesem Schritt ist dasselbe wie in Verbindung mit dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel erläutert und seine weitere Erklärung wird hiermit weggelassen.
Fig. 13 zeigt die Anordnung eines weiteren Beispiels eines optischen Mustererkennungssystems mit einer Koordinatenwandlungsfunktion. Komponenten mit identi schen Funktionen, wie die im Beispiel in Fig. 7 gezeigten, sind mit denselben Bezugszeichen versehen und ihre Erläuterung ist weggelassen oder vereinfacht. Der optische Koordinatenwandler dieses Beispiels ist derselbe wie der in Fig. 7 gezeigte. Die Unterschiede zwischen dem Korrelator für die gemeinsam Transformierte und dem vorhergehenden Beispiel sind die folgenden: Mittel zum Wandeln der koordinatentransformierten Bilder des Referenzbilds und des Eingabebilds, welche im optischen Koordinatenwandler erhalten worden sind, in koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbilder und zum Anzeigen der koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder auf dem räumlichen Lichtmodulator für koordinatentransformierte Bilder bestehen aus einer Maske 40, fotografischen Vorrichtungen 9, Bildauswahlvorrichtungen 52, Bildspeichervorrichtungen 43 und einem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator. Mittel zum Wandeln der auf dem räumlichen Lichtmodulator für koordinatentransformierte Bilder angezeigten koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder in kohärente Bilder bestehen aus einem Laser 101 und einem Strahlaufweiter 102. Mittel zum Fourier-Transformieren der kohärenten Bilder mittels einer Linse, um ein gemeinsames Fourier-transformiertes Bild der koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder herzustellen, sind eine Linse 104. Mittel zum Fourier-Transformieren des gemeinsamen Fourier-transformierten Bilds in ein Fourier-transformiertes Intensitätsverteilungsbild und Anzeigen des Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbilds auf dem räumlichen Lichtmodulator für das Fourier-transformierte Bild umfassen eine Fotografiervorrichtung 106, eine Bildauswahlvorrichtung 52, Bildspeichervorrichtung 43 und einen elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 14. Mittel zum Lesen des auf dem räumlichen Lichtmodulator für Fourier-transformierte Bilder angezeigten Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbilds unter Verwendung von kohärentem Licht bestehen aus dem Laser 101 und einem Strahlaufweiter 102. Mittel zum abermaligen Fourier-Transformieren des Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbilds, welches so mittels einer Linse ausgelesen worden ist, um ein Korrelationsausgabebild bereitzustellen und zum Wandeln des Korrelationsausgabebilds in ein Korrelationssignal mittels einer Fotografiervorrichtung oder eines lichtentfernenden Elements bestehen aus einer Linse 104, einer Fotografiervorrichtung 106 und einer Bildauswahlvorrichtung 52. Mittel zum Bearbeiten des Korrelationssignals zum Ermitteln zweidimensionaler Korrelationskoeffizienten des Referenzbilds und des Eingabebilds sind eine Erkennungsschaltung 206. Das anschließende Verfahren bis zu dem Schritt, wo koordinatentransformierte Bilder durch die Fotografiervorrichtung 9 empfangen werden, sind dieselben wie bei dem Beispiel in Fig. 7 und ihre Erläuterung wird unterlassen. Die Bildauswahlvorrichtung 52 dieses Beispiels schneidet seine elektrischen Eingabe- oder Ausgabesignale ab oder ändert sie. Das von der Fotografiervorrichtung 9 ausgegebene elektrische Signal wird auf die Bildauswahlvorrichtung 52 und die Bildspeichervorrichtung 43 in den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 14 gegeben, um die koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder in einem vorbestimmten Abstand L voneinander entfernt auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmoduldator 14 anzuzeigen. Der kohärente Strahl, welcher vom Laser 101 ausgesandt wird, wird mittels des Strahlaufweiters 102 aufgeweitet, um den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 14 zu bestrahlen. Als Ergebnis dessen werden die koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder in kohärente Bilder umgewandelt, welche dann mittels der Linse 104 Fourier-transformiert werden, um das gemeinsame Fourier-transformierte Bild in der Fourier-Transformationsebene zu bilden. Das gemeinsame Fourier-transformierte Bild wird durch die Fotografiervorrichtung 106 empfangen, welches sie in ein elektrisches Signal wandelt. Das elektrische Signal wird durch die Bildauswahlvorrichtung 52 auf die Bildspeichervorrichtung 43 gegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird das elektrische Signal aus der Fotografiervorrichtung 9 durch die Bildauswahlvorrichtung 52 daran gehindert, aus der Bildspeichervorrichtung 43 ausgegeben zu werden. Das Signal aus der Fotografiervorrichtung 106 wird in der Bildspeichervorrichtung 43 gespeichert, von wo es auf den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 14 gegeben wird, wodurch das Fourier-transformierte Intensitätsverteilungsbild des gemeinsamen Fourier-transformierten Bilds angezeigt wird. Das Fourier-transformierte Intensitätsverteilungsbild wird auf dieselbe Weise Fourier-transformiert wie das koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbild, um ein Korrelationsausgabebild zu ergeben. Das Korrelationsausgabebild wird durch die Fotografiervorrichtung 106 empfangen, welche es in ein Korrelationssignal wandelt. Die Bildauswahlvorrichtung 52 gibt nunmehr das Korrelationssignal auf die Erkennungsschaltung 206, welche die Korrelationsmaximumsintensität mißt, um einen Korrelationskoeffizienten zu ermitteln. Dieses Beispiel hat den Vorteil, daß weniger Komponenten in dem optischen System verwendet werden als bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel.
Fig. 14 zeigt den Aufbau eines weiteren Beispiels eines optischen Mustererkennungsgeräts mit Koordinatenwandlungsfunktion. Komponenten mit Funktionen identisch zu denen des in Fig. 12 gezeigten Beispiels sind mit denselben Bezugszeichen versehen und ihre Erläuterung ist im folgenden weggelassen oder vereinfacht. Der optische Koordinatenwandler gemäß diesem Beispiel ist derselbe wie der in Fig. 12 gezeigte. Die Unterschiede zwischen dem gemeinsamen Fourier-transformierten Korrelator und dem vorgehenden Beispiel sind wie folgt: Mittel zum Wandeln der koordinatentransformierten Bilder des Referenzbilds und des Eingabebilds, welche in dem optischen Koordinatenwandler empfangen worden sind, in koordinatentransformierter Intensitätsverteilungsbilder und zum Anzeigen der koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder auf dem räumlichen Lichtmodulator für die koordinatentransformierten Bilder bestehen aus einer Maske 8, einem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13, einer Maske 28 und einem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 33. Mittel zum Wandeln der auf dem räumlichen Lichtmodulator für koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbilder angezeigten koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder in kohärente Bilder bestehen aus einem Laser 101, einem Strahlaufweiter 102, einem Spiegel 108, einem Strahlteiler 103, einem Spiegel 110 und einem polarisierenden Strahlteiler 123. Mittel zum Fourier-Transformieren der kohärenten Bilder mittels einer Linse, um ein gemeinsames Fourier-transformiertes Bild der koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder herzustellen, sind ein Strahlteiler 109 und eine Linse 104. Mittel zum Fourier-Transformieren des gemeinsamen Fourier-transformierten Bilds in ein Fourier-transformiertes Intensitätsverteilungsbild und Anzeigen des Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbildes auf dem räumlichen Lichtmodulator für das Fourier-transformierte Bild bestehen aus einem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 105. Die Bearbeitung nach diesem Schritt ist dieselbe wie bei dem vorhergehenden Beispiel und seine Erläuterung ist weggelassen.
Das sich daran anschließende Bearbeitungsverfahren bis zu den Schritten, wo die koordinatentransformierten Bilder des Eingabebilds und des Referenzbilds in der Fourier-Transformationsebene gebildet worden sind, ist dasselbe wie bei dem Beispiel gemäß Fig. 12. Die in der Fourier-Transformationsebene gebildeten koordinatentransformierten Bilder werden von unerwünschten Gleichstromkomponenten mittels Masken 8, 28 befreit und auf die Schreibebene der optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren 13, 33 eingestrahlt, um die koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 13, 33 anzuzeigen. Der vom Laser 101 ausgesandte kohärente Strahl wird durch den Strahlaufweiter 102 aufgeweitet, durch den Spiegel 108 reflektiert und durch den polarisierenden Strahlteiler 103 in zwei Strahlen aufgeteilt. Einer der aufgespalteten Strahlen wird als Leselicht auf die Leseebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 13 eingestrahlt, während der andere Strahl durch den Spiegel 110 und den polarisierenden Strahlteiler 123 reflektiert wird, um auf die Leseebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 33 eingestrahlt zu werden. Als Ergebnis dessen werden die koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder in kohärente Bilder umgewandelt, welche dann durch die Linse 104 über die polarisierenden Strahlteiler 103, 123 und den Strahlteiler 109 Fourier-transformiert werden, um in der Fourier-Transformationsebene das gemeinsame Fourier-transformierte Bild zu ergeben. Dadurch, daß das gemeinsame Fourier-transformierte Bild auf die Schreibebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 105 geworfen wird, wird das Fourier-transformierte Intensitätsverteilungsbild auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 105 angezeigt. Die weiteren Verarbeitungsschritte sind dieselben als bei den anderen Beispielen und ihre Erläuterung wird weggelassen.
Da die Translationsinvarianz verloren geht, beruht ein Problem, welches sich durch die vorhergehenden Verfahren zur optischen Koordinatenwandlung ergeben kann, darauf, daß eine korrekte Mustererkennung unmöglich wird, wenn das Eingabebild parallel verschoben wird. Es sei z. B. in einem herkömmlichen Mustererkennungsgerät vom VanderLugt-Typ, welches keine optische Koordinatenwandlung durchführt, ein Fall betrachtet, bei dem die Richtung und Größe des Eingabebilds dieselben sind wie die des Referenzbilds. Da die Charakteristika der Fourier-Transformation für Translationsinvarianz sorgen, wird, wie zuvor erläutert, eine genaue Erkennung selbst dann ermöglicht, wenn die Position auf der Objektebene des Eingabebildes sich der Position des Referenzbildes unterscheidet (parallel dazu verschoben ist), welches existierte, als der angepaßte Filter erstellt wurde. Bei Mustererkennungsgeräten, welche die in Fig. 3 gezeigte optische Koordinatenwandlung vollführen, wird dann, wenn die Position des auf dem Flüssigkristallbildschirm 303 angezeigten Eingabebildes sich von der Position des Referenzbildes unterscheidet und hierzu parallel verschoben worden ist, welche während der Herstellung des angepaßten Filters existierte, die relative Positionierung zwischen dem optischen Koordinatenwandlungsfilter 304 und dem Referenzbild und Eingabebild sich verändern. Als Ergebnis dessen unterscheidet sich das koordinatentransformierte Bild des Referenzbildes in der Größe von der des Eingabebildes. Aus diesem Grund ist es nicht möglich, eine genaue Erkennung durch Verwendung solcher koordinatentransformierter Bilder durchzuführen. Dies trifft auch auf den Fall zu, wo entweder der in Fig. 3 gezeigte Korrelator vom VanderLugt-Typ oder der Korrelator für die gemeinsame Transformierte verwendet wird.
Um dieses Problem zu überwinden, wird bei dem optischen Koordinatenwandler in einem optischen Mustererkennungssystem gemäß der Erfindung eine Vorbearbeitungsstufe durchgeführt, bei welcher das Referenzbild und das Eingabebild mittels elektronischer oder optischer Mittel so transformiert werden, daß sie translationsinvariant sind, und dann eine gewünschte optische Koordinatenwandlung an dem translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbild durchgeführt, so daß das Bild gegenüber Drehungen und Größenänderungen invariant sein wird. Dies sorgt für eine Mustererkennung, welche nicht nur gegenüber Drehungs- und Größenveränderungen invariant ist, sondern auch gegenüber Verschiebungen. Das folgende Verfahren wird zum Transformieren der Bilder verwendet, so daß sie optisch translationsinvariant sind; Zunächst werden das Eingabebild und das Referenzbild unter Verwendung von kohärentem Licht Fourier-transformiert. Selbst wenn das angezeigte Eingabebild auf dem räumlichen Lichtmodulator parallel verschoben wird, wird sich aufgrund der Charakteristika der Fourier-Transformation als Ergebnis dessen nur die Phasenkomponente des Fourier-transformierten Bildes ändern, und es ergibt sich keine Änderung in der Intensitätsverteilung. Das Fourier-transformierte Intensitätsverteilungsbild (translationsinvariante Intensitätsverteilungsbild) wird einer gewünschten optischen Koordinatenwandlung und einer Korrelationsbearbeitung unterzogen, so daß es translationsinvariant wird.
Das Verfahren, welches auf elektronische Weise dafür sorgt, daß das Bild translationsinvariant wird, beinhaltet das Berechnen des Schwerpunkts des Referenzbildes und des Eingabebildes mittels eines Computers und Durchführen einer computergestützten Bildverarbeitung, so daß die Schwerpunkte der Bilder vorbestimmte Positionen auf dem räumlichen Lichtmodulator für die translationsinvarianten Bilder einnehmen und zwar zu jeder Zeit. Als Ergebnis dessen ist die relative Positionierung zwischen dem Referenzbild und dem entsprechenden optischen Koordinatenwandlungsfilter immer dieselbe wie die zwischen dem Eingabebild und dem optischen Koordinatenwandlungsfilter. Durch Durchführung dieser gewünschten optischen Koordinatenwandlung an den bearbeiteten Bildern, wie oben erläutert, und einer sich daran anschließenden Korrelationsbearbeitung der Bilder wird das Ergebnis der Korrelationsbearbeitung translationsinvariant.
Fig. 16 zeigt die Anordnung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Zeichenerkennungsgeräts mit der Koordinatenwandlungsfunktion.
Der optische Koordinatenwandler dieser ersten Ausführungsform hat den folgenden Aufbau. Zumindest eine kohärente Lichtquelle besteht aus einem Laser 461, einem Strahlaufweiter 462 und einem Laser 405, einem Strahlaufweiter 406 und einem polarisierenden Strahlteiler 412. Mittel zum Erhalten zweidimensionaler Referenzbilder und Eingabebilder bestehen aus einer fotografischen Vorrichtung 402, einer Bildverarbeitungsvorrichtung 442 und einer Bildspeichervorrichtung 43. Mittel zum optischen oder elektronischen Wandeln des Referenzbilds und des Eingabebilds, so daß sie translationsinvariant werden, und dann Anzeigen dieser translationsinvarianten Bilder auf dem zumindest einen räumlichen Lichtmodulator für translationsinvariante gewandelte Bilder bestehen aus einem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 403, einer Linsenanordnung 464 und einem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 465. Zumindest ein optischer Koordinatenwandlungsfilter, welcher nahe an den räumlichen Lichtmodulator für das translationsinvariante transformierte Bild gebracht wird, besteht aus einer Anordnung 44 von Filtern. Zumindest eine Linse ist eine Anordnung 47 von Linsen.
Ein Korrelator für eine gemeinsame Transformierte weist den folgenden Aufbau auf; Mittel zum Wandeln der koordinatentransformierten Bilder des Referenzbilds und des Eingabebilds, welche in dem optischen Koordinatenwandler erhalten worden sind, in koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbilder und zum Anzeigen der koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder auf dem räumlichen Lichtmodulator für koordinatentransformierte Bilder bestehen aus einer Maske 48 und einem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 413. Mittel zum Wandeln der auf dem räumlichen Lichtmodulator angezeigten koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbilder in kohärente Bilder bestehen aus einem Laser 101, einem Strahlenaufweiter 102 und einem polarisierenden Strahlteiler 103. Mittel zum Fourier-Transformieren der kohärenten Bilder mittels einer Linse und Herstellen eines gemeinsamen Fouriertransformierten Bilds auf den koordinatentransformierten Intensitätsverteilungsbildern bestehen aus einer Linse 104. Mittel zum Wandeln des gemeinsamen Fourier-transformierten Bildes in ein Fourier-transformiertes Intensitätsverteilungsbild und Anzeigen des Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbilds auf einem räumlichen Lichtmodulator Für das Fourier-transformierte Bild bestehen aus einem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 105. Mittel zum Lesen der auf dem räumlichen Lichtmodulator für das Fourier-transformierte Bild 105 angezeigten Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbilder mittels kohärentem Licht bestehen aus einem Laser 201, einem Strahlaufweiter 202 und einem polarisierenden Strahlteiler 203. Mittel zum abermaligen Fourier-Transformieren der Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbilder, welche so unter Verwendung einer Linse zum Herstellen eines Korrelationsausgabebilds ausgelesen werden und anschließendem Wandeln des Korrelationsausgabebilds in ein Korrelationssignal unter Verwendung einer Fotografiervorrichtung oder eines lichtentfernendes Elements bestehen aus einer Linse 204 und ein lichtempfangendes Element 205. Mittel zum Bearbeiten des Korrelationssignals zum Festlegen zweidimensionaler Korrelationskoeffizienten des Referenzbilds und des Eingabebilds bestehen aus einer Erkennungsschaltung 206.
Zunächst wird das Referenzobjekt, bei dem es sich um die Referenzdatenbasis für eine Mustererkennung handelt, an die Stelle eines Eingabeobjekts 1 gebracht und mittels der Fotografiervorrichtung 402 fotografiert, um ein zweidimensionales Referenzbild zu erzeugen. Das zweidimensionale Referenzbild wird dann mittels einer Bildverarbeitungseinheit 442 in ein Bildspeichergerät 43 gegeben. Entsprechend wird ein zu identifizierendes Eingabeobjekt 1 durch die Fotografiervorrichtung 402 fotografiert, um ein zweidimensionales Eingabebild zu ergeben. Das Eingabebild und das Referenzbild, von denen das letztere in der Bildspeichereinheit gespeichert ist, werden durch die Bildverarbeitungseinheit 442 synthetisiert und auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 403 angezeigt. Falls ein Eingabeobjekt 1, welches seine Position im Laufe der Zeit ändert, erkannt werden soll, so ändert auch das auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 403 angezeigte Eingabebild im Laufe der Zeit seine Position, während sich das Eingabeobjekt 1 bewegt. Um sicherzustellen, daß das Referenzbild und Eingabebild sich in solch einem Fall nicht überlappen, werden diese Bilder, wie in Fig. 4 gezeigt, gebildet. Wenn das Eingabeobjekt 1 sich bewegt, so ändert sich auch der relative Abstand zwischen dem Referenzbild und dem Eingabebild, wie sich selbstverständlich ergibt.
Das vom Laser 461 ausgestrahlte kohärente Licht wird mittels eines Strahlteilers 462 in ein paralleles Strahlbündel mit vorbestimmten Durchmesser aufgeweitet und dann auf den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 403 eingestrahlt, auf dem das Eingabebild und das Referenzbild angezeigt werden. Dann werden diese Bilder in kohärente Bilder gewandelt. Die kohärenten Bilder werden von einer jeden translationsinvarianten Linse aus der Anordnung 464 von Linsen transformiert, um ein Fourier-transformiertes Bild als translationsinvariantes Bild in der Fourier-Transformationsebene zu ergeben. Die translationsinvarianten Linsen in der Anordnung 464 der Linse entsprechen dem Eingabebild und dem Referenzbild, welches auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 403 angezeigt wird. Die Linsen sind in einem vorbestimmten Abstand L voneinander angebracht.
In der Fourier-Transformationsebene, wo das Fourier-transformierte Bild erhalten wird, sind ein optisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator 465 und eine Anordnung 44 von Filtern unmittelbar vor dem Modulator 465 angebracht. Bei dieser Anordnung werden das Fourier-transformierte Bild des Referenz- und Eingabebilds, welchen das optische Koordinatenwandlungsfilter überlagert ist, auf die Schreibebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 465 eingestrahlt. Als Ergebnis dessen werden die Fourier-transformierten Bilder des Eingabe- und Referenzbildes, denen das optische Koordinatenwandlungsfilter überlagert ist, in Intensitätsverteilungen gewandelt und als translationsinvariante transformierte Bilder, welche in einem Abstand F voneinander auftreten, auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 465 angezeigt. Es gibt viele Arten von optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren 465. Bei dieser Ausführungsform wird nunmehr ein Aufbau erklärt, welcher ein Flüssigkristall-Lichtventil mit ferroelektrischen Flüssigkristallen als lichtmodulierendes Material vom Reflexionstyp verwendet. Der elektrisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 403 wird in der vorderen Brennebene der Anordnung 464 von Linsen positioniert. In der rückwärtigen Brennebene werden der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 465 und die Anordnung 44 optischer Filter nahe nebeneinander gestellt.
Die Anordnung optischer Filter 44 besteht aus zwei optischen Koordinatenwandlungsfiltern, welche wie bereits erwähnt, aus computergenerierten Hologrammen bestehen, welche in einem Abstand L voneinander an Stellen angebracht sind, die den transla tionsinvarianten Linsen entsprechen. Bei der Koordinatenwandlung stellt die Wandlung unterschiedliche koordinatentransformierte Bilder bereit, und zwar selbst dann, wenn das gleiche Bild koordinatentransformiert wird, falls die zu wandelnden Bilder sich nicht in derselben Position relativ zum optischen Koordinatenwandlungsfilter befinden. Aus diesem Grund muß der Abstand zwischen den beiden optischen Koordinatenwandlungsfiltern gleich dem Abstand L zwischen den Fourier-transformierten Bildern sein (was dem Abstand zwischen den translationsinvarianten Linsen entspricht). Die optischen Koordinatenwandlungsfilter sind so angebracht, daß die relative Positionierung zwischen den Fourier-transformierten Bildern der Eingabe- und Referenzbilder und der optischen Koordinatenwandlungsfilter dieselben sind. Wird die Position des Eingabebilds auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator, wie in Fig. 19 gezeigt, parallel verschoben, so ändert sich bei dieser Anordnung die Intensitätsverteilung des Fourier-transformierten Bildes überhaupt nicht, obwohl sich seine Phase ändert. Somit wird die relative Positionierung zwischen dem Fouriertransformierten Bild des Eingabebilds und dem entsprechenden optischen Koordinatenwandlungsfilter nicht verändert, so daß das koordinatentransformierte Bild unverändert bleibt.
Das vom Laser 405 ausgestrahlte kohärente Licht wird durch einen Strahlteiler 406 in ein Parallelstrahlbündel mit vorbestimmten Durchmesser aufgeweitet und dann durch einen polarisierenden Strahlteiler 412 reflektiert, um auf die Leseebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 465 als Leselicht eingestrahlt zu werden. Die Polarisationsrichtung des Leselichts wird vorab mit der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle (oder senkrecht hierzu) ausgerichtet, in welche diese durch die Initialisierung des räumlichen Lichtmodulators 465 ausgerichtet worden sind. Durch Hindurchlassen des Leselichts, welches vom optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 465 reflektiert wurde, durch einen Detektor, dessen Polarisationsachse senkrecht oder parallel zur Polarisationsrichtung des Leselichts ausgerichtet ist, kann das auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 465 angezeigte Bild als Positivbild oder Negativbild ausgelesen werden. Bei dieser Ausführungsform wird ein polarisierender Strahlteiler 412 als Detektor verwendet.
Auf diese Weise werden die translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbilder des Eingabebilds und des Referenzbilds in kohärente Bilder gewandelt. Diese kohärenten Bilder werden mittels der Koordinatenwandlungslinsen in der Anordnung 47 von Linsen Fourier-transformiert. Als Ergebnis dessen werden in den Fourier-Transformationsebenen koordinatentransformierte Bilder erzeugt, welche in ein gewünschtes Koordinatensystem transformiert worden sind. Eine Maske 48, welche unmittelbar vor den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 413 gesetzt worden ist, ist mit Lö chern versehen, um nur die erste positive Ordnung der koordinatentransformierten Bilder hindurchzulassen. Dies schneidet ungewollte Gleichstromkomponenten sowie koordinatentransformierte Bilder höherer Ordnung ab, und nur die notwendigen koordinatentransformierten Bilder, welche translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbildern des Referenzbildes und des Eingabebilds entsprechen, werden durch die Maske durchgelassen, um auf die Schreibebene des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 413 eingestrahlt zu werden. Die koordinatentransformierten Bilder, welche den translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbildern des Eingabebilds und Referenzbilds entsprechen, werden in koordinatentransformierte Intensitätsverteilungsbilder umgewandelt, welche in einem Abstand L voneinander beabstandet auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 413 angezeigt werden. Es gibt viele Arten von optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren 413. Bei dieser Ausführungsform verwendet der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator ebenso wie der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 465 ein Flüssigkristall- Lichtventil vom Reflexionstyp, welches einen ferroelektrischen Flüssigkristall als lichtmodulierendes Material verwendet.
In der vorderen Brennebene der Anordnung 47 von Linsen ist der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 65 angebracht. In der rückwärtigen Brennebene ist der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 413 angebracht. Die Koordinatenwandlungslinsen der Anordnung 47 von Linsen sind ebenso wie die optischen Koordinatenwandlungsfilter in einem Abstand L zueinander an Positionen angebracht, welche den zu wandelnden zwei translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbildern entsprechen. Die Bearbeitung, welche folgt, ist dieselbe wie die in Verbindung mit dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel erläutert ist, und die weitere Erklärung deshalb weggelassen wird.
Für eine strenge Fourier-Transformation wird es bevorzugt, daß das zu Fourier-transformierende Bild in die vordere Brennebene einer jeden Transformationslinse oder zwischen die Linse und ihre vordere Brennebene gegeben wird. Dann wird das Fourier-transformierte Bild in der rückwärtigen Brennebene der Linse erzeugt. Deshalb wird bei dieser Ausführungsform das Bild in der vorderen Brennebene der Anordnung 464, 47 von Linsen und der Linse 104, 204 positioniert und das Fourier-transformierte Bild wird in der rückwärtigen Brennebene empfangen.
Bei der obengenannten Ausführungsform wird die Anordnung 44 optisch Filter unmittelbar vor dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 465 positioniert. Die Fourier-transformierten Bilder des Referenzbildes und des Eingabebildes werden mit dem optischen Koordinatenwandlungsfilter überlagert und in Intensitätsverteilungen transformiert, welche als translationsinvariante Intensitätsverteilungsbilder auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 65 angezeigt werden. Die Anordnung 44 optischer Filter kann unmittelbar hinter dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 465 (auf der Seite der Leseebene) oder davor (auf der Seite der Schreibebene) angeordnet werden.
In diesem Fall werden die Fourier-transformierten Bilder, welche dem optischen Koordinatenwandlungsfilter nicht überlagert sind, in Intensitätsverteilungen transformiert, welche als translationsinvariante Intensitätsverteilungsbilder auf dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 465 angezeigt werden. Das Leselicht tritt zweimal durch die Anordnung 44 von Koordinatenwandlungsfiltern hindurch.
Wenn, wie bei der obengenannten Ausführungsform, die Fourier-transformierten Bilder mit dem optischen Koordinatenwandlungsfilter überlagert sind und in Intensitätsverteilungen transformiert werden, muß der optische Koordinatenwandlungsfilter vom Amplitudenmodulationstyp sein. Wenn jedoch die Anordnung optischer Filter unmittelbar hinter dem optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 465 angebracht ist, so kann das optische Koordinatenwandlungsfilter entweder vom Amplitudenmodulationstyp oder vom Phasenmodulationstyp sein.
Wo es eine Anzahl von optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren gibt, welche in Reihe miteinander geschaltet sind, um Bilder nacheinander aufzunehmen und zu lesen, müssen das Schreiben, Löschen und Lesen der Bilder auf und von den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren zueinander synchronisiert sein. Im Falle eines Flüssigkristall-Lichtventils, welches bei dieser Ausführungsform ferroelektrische Flüssigkristalle verwendet, sollten die an die Flüssigkristall-Lichtventile angelegten Schreib- und Löschimpulse sowie die Zeitdauer des Leselichts und Schreiblichts miteinander synchronisiert sein, so daß die Zeitspanne, in welcher das Schreiblicht auf die Schreibebene des Flüssigkristall-Lichtventils eingestrahlt wird und die Zeitspanne, während der die angelegte Spannung auf das Flüssigkristall-Lichtventil gegeben werden, sich zumindest für eine vorbestimmte Zeitdauer überlappen. Mit solch einem Ansteuerungsverfahren können die optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren 465, 413, 105 mit einer hohen Geschwindigkeit von 30 Hz bis 2 kHz betrieben werden.
Als nächstes sei der in der obigen Ausführungsform verwendete elektrisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator 403 erläutert. Die Betriebsweise des elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 403 muß ebenfalls mit der anderer räumlicher Lichtmodulatoren und Laser synchronisiert sein, wie dies bei den optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren 465, 105 der Fall ist. Bei dieser Ausführungsform wird deshalb ein elektrisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator, wel cher ferroelektrische Flüssigkristalle als lichtmodulierendes Material verwendet, für den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 403 benutzt. Dies erlaubt es, den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 403 bei hoher Geschwindigkeit im Gleichtakt mit anderen räumlichen Lichtmodulatoren zu betreiben.
Bei dieser Ausführungsform wird ein optisches Koordinatenwandlungsfilter benutzt, welches das Bild in das (lnr, θ) Koordinatensystem wandelt. Dieser Filter ermöglicht es, daß das zu identifizierende Eingabebild für einen Drehwinkel bis zu 360 und einer Größenänderung von bis zu 50% erkannt werden kann, und sorgt für eine invariante Mustererkennung bei Eingabebildern mit Dreh- und Größenänderungen wie bei der ersten Ausführungsform. Es ist auch möglich, den Drehwinkel und die Größenveränderung abhängig von der Position zu bestimmen, an der die Korrelationsmaxima auftreten. Wird ein optischer Koordinatenwandlungsfilter verwendet, welcher ein Bild in ein anderes Koordinatensystem wandelt, ist es weiterhin gemäß der Erfindung auch möglich, eine invariante Mustererkennung für die koordinatentransformierten Bilder mit Änderungen des Drehwinkels und der Größe durchzuführen.
Diese Ausführungsform ermöglicht eine Mustererkennung, welche nicht nur invariant ist gegenüber Drehung und Größenänderungen, sondern auch gegenüber Verschiebungen. Bei dieser Ausführungsform wird, wenn ein Referenzbild und ein Eingabebild wie in Fig. 4 gezeigt betrachtet werden, das Referenzbild im Bildspeicher 43 gespeichert, so daß die Bildposition auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 403 unverändert bleibt. Wie in Fig. 19 gezeigt, ändert das Eingabebild seine Position auf dem elektrischen ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 403, während sich das Eingabeobjekt 1 bewegt. Da jedoch, wie bereits früher erwähnt, das Eingabebild durch die vorangehende Bearbeitung vor der Koordinatenwandlung translationsinvariant gemacht wird, wird sich die Intensitätsverteilung des Fourier-transformierten Bilds (translationsinvariantes Intensitätsverteilungsbild) nicht ändern, und zwar selbst dann nicht, wenn die Position des Eingabebilds durch die Fourier-Transformation verändert wird. Somit bleibt die relative räumliche Positionierung zwischen dem translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbild und dem entsprechenden optischen Koordinatenwandlungsfilter unverändert, so daß sich ihre koordinatentransformierten Bilder nicht ändern, was dazu führt, daß die Ergebnisse der Korrelationsverarbeitung invariant sind gegenüber Verschiebungen des Eingabebilds. Es ist offensichtlich, daß die invariante Korrelationsbearbeitung auch möglich ist, wenn das Referenzbild verändert wird und sich seine Position ändert.
Wenn das Eingabeobjekt 1 sich im dreidimensionalen Raum bewegt, ändern sich die Größe, Richtung und Positionierung des Eingabebilds auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 403. Durch Verwendung eines geeigneten optischen Koordinatenwandlungsfilters ist es möglich, eine genaue Mustererkennung des Eingabebilds durchzuführen, während das Objekt sich bewegt.
Wird der räumliche Lichtmodulator benutzt, welcher ferroelektrische Flüssigkristalle als lichtmodulierendes Material verwendet und welcher mit 30 Hz bis 20 kHz betrieben werden kann, so gilt bezüglich der Erkennungsgeschwindigkeit, daß da Mustererkennungsgerät mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 30 Hz bis 20 kHz betrieben werden kann.
Fig. 17 zeigt die Anordnung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Mustererkennungssystems mit Koordinatenwandlungsfunktion. Dies entspricht einem System, welches einen elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator anstelle eines optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 465 verwendet. Der Korrelator für die gemeinsame Transformierte ist derselbe wie der in Fig. 16 gezeigte und seine Zeichnung ist weggelassen. Komponenten mit Funktionen, die identisch sind zu denen der in Fig. 16 gezeigten Komponenten, sind mit denselben Bezugszeichen versehen und ihre Erläuterung wurde weggelassen oder vereinfacht.
Der erfindungsgemäße optische Koordinatenwandler gemäß dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform in Fig. 16 auf folgende Weise: Mittel sind bereitgestellt zum optischen oder elektronischen Wandeln des Referenzbildes und des Eingabebilds in translationsinvariante Bilder und dann Anzeigen der translationsinvarianten Bilder auf zumindest einem räumlichen Lichtmodulator für translationsinvariante Bilder. Diese Mittel bestehen aus einem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 403, einer Anordnung 464 von Linsen, einer Fotografiervorrichtung 466, einer binarisierenden Schaltung 467 und einem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 468.
Das Referenzbild und das Eingabebild, welche auf den elektrisch ansprechbaren Lichtmodulator 403 angezeigt werden, werden auf eine Weise Fourier-transformiert, welche der in Fig. 16 gezeigten ähnlich ist. Die Fourier-transformierten Bilder werden direkt in die Fotografiervorrichtung 466 gegeben, wo sie in Bildsignale umgesetzt werden. Die Bildsignale werden mittels einer Binarisierungsschaltung 465 binarisiert und in den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 468 gegeben, wo die Fourier-transformierten Bilder des Referenzbilds und Eingabebilds in binarisierte Intensitätsverteilungsbilder gewandelt und als binarisierte translationsinvariante Intensitätsverteilungsbilder angezeigt werden. Bei dieser Ausführungsform werden als Fotografiervorrichtung 466 und als elektrisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator 468 eine CCD-Kamera und ein Flüssigkristallanzeigeschirm verwendet.
Falls es notwendig ist, die translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbilder zu bina risieren, wird der Binarisierungsschaltkreis 4677 nicht benötigt. Stellt man einen passenden Schwellwert für die Binarisierung ein, kann ein klares binarisiertes translationsinvariantes Intensitätsverteilungsbild mit geringem Rauschen erhalten werden. Aus diesem Grund verwendet diese Ausführungsform das Bearbeitungsverfahren der Binarisierung.
Die Anordnung 44 optischer Filter wird unmittelbar vor oder hinter den elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 468 gestellt und das vom Laser 405 ausgesandte kohärente Licht liest die translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbilder aus, welche dem optischen Koordinatenwandlungsfilter überlagert sind. Die Bearbeitung, welche folgt, ist dieselbe wie in Verbindung mit Fig. 16 erläutert und deshalb wird ihre Erläuterung weggelassen.
Fig. 18 zeigt den Aufbau einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Mustererkennungsgeräts mit einer Koordinatenwandlungsfunktion. Dies entspricht einem Fall, wo das Referenzbild und das Eingabebild mittels eines Computers in translationsinvariante Bilder elektronisch gewandelt werden, anstelle einer optischen Wandlung. Der Korrelator für die gemeinsam Transformierte ist derselbe wie der bei der ersten Ausführungsform in Fig. 16 gezeigte und seine Zeichnung ist deshalb weggelassen. Komponenten, welche Funktionen identisch zu denen der in Fig. 16 gezeigten Komponenten aufweisen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen und ihre Erläuterung ist weggelassen oder vereinfacht.
Die Punkte, in welchen sich der bei der Ausführungsform in Fig. 16 gezeigte optische Koordinatenwandler unterscheidet, werden im folgenden erläutert. Zumindest eine kohärente Lichtquelle besteht aus einem Laser 405 und einem Strahlaufweiter 406. Ein Mittel zum Herstellen zweidimensionaler Referenzbilder und Eingabebilder besteht aus einer Fotografiervorrichtung 402, einer Bildbearbeitungsvorrichtung 422 und einem Bildspeicher 43. Mittel zum optischen oder elektronischen Wandeln des Referenzbilds und des Eingabebilds in translationsinvariante Bilder und zum Anzeigen der translationsinvarianten Bilder auf zumindest einem räumlichen Lichtmodulator für translationsinvariante Bilder bestehen aus einem Computer 469 und einem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 468.
Wie bei der in Fig. 16 gezeigten ersten Ausführungsform wird ein zweidimensionales Referenzbild von der Fotografiervorrichtung 402 erhalten. Das Referenzbild wird durch den Computer 469 verarbeitet, um den Schwerpunkt G zu ermitteln und wird durch die Bildverarbeitungsvorrichtung 442 auf den Eingabebildspeicher 43 gegeben, wo es als translationsinvariantes Intensitätsverteilungsbild gespeichert wird. Als nächstes wird das Eingabebild in ähnlicher Weise verarbeitet. Der Schwerpunkt G' wird be rechnet und in Abhängigkeit von der Schwerpunktsposition wird das translationsinvariante Intensitätsverteilungsbild ermittelt. Das translationsinvariante Intensitätsverteilungsbild des Eingabebilds und das translationsinvariante Intensitätsverteilungsbild des Referenzbilds, wobei letzteres in der Bildspeichervorrichtung 43 gespeichert ist, werden durch die Bildverarbeitungsvorrichtung 442 kombiniert, um das kombinierte Bild auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 468 anzuzeigen. Die Bildkombination wird, wie in Fig. 20 gezeigt, so durchgeführt, daß der Abstand GG' zwischen den Schwerpunkten des elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 468 gleich ist zum Abstand L zwischen dem optischen Koordinatenwandlungsfilter und daß die relative Positionierungen zwischen den translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbildern und den optischen Koordinatenwandlungsfiltern gleich sind. Die Verarbeitung, welche folgt, ist dieselbe wie die bei der ersten und zweiten Ausführungsform, welche in Fig. 16 und 17 gezeigt sind, und seine Erläuterung wird weggelassen. Die Anordnung optischer Filter kann unmittelbar vor dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 468 positioniert werden.
Nun wird das durch den Computer 469 durchgeführte Bildverarbeitungsverfahren erläutert. Zunächst werden das Referenzbild und das Eingabebild, welche durch die Objektbild-Fotografiervorrichtung eingegeben worden sind, binarisiert. Der Grund für das Digitalisieren des Bildes liegt darin begründet, daß das von einer herkömmlichen Fotografiervorrichtung aufgenommene Bild eine Helligkeitsabstufung aufweist und die Bearbeitung eines solchen Bildes durch einen Computer eine sehr große Anzahl von Daten erzeugt, wodurch eine längere Verarbeitungszeit benötigt wird. Als nächstes werden die Positionen der Schwerpunkte G, G' des Referenzbilds und des Eingabebilds berechnet. Schließlich ist dann, falls die Positionen der Schwerpunkte des Referenzbilds und des Eingabebilds übereinstimmen, keine weitere Bearbeitung notwendig. Wenn sie nicht übereinstimmen, wird das Eingabebild parallel verschoben, bis die Schwerpunkte übereinstimmen.
Bei dem Eingabebild, welches der vorstehenden Bearbeitung unterworfen worden ist, bleibt die Position des Schwerpunkts unabhängig von der Bewegung des Eingabeobjekts 1 unverändert, und somit ist das Bild ein translationsinvariantes Intensitätsverteilungsbild. Dann werden die translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbilder des Referenzbilds und des Eingabebilds an Stellen lokalisiert, welche den optischen Koordinatenwandlungsfiltern entsprechen, so daß der Abstand zwischen ihren Schwerpunkten gleich dem Abstand L ist. Die translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbilder werden dann synthetisiert und auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 468 angezeigt. Dann bleibt die relative Positionierung zwischen einem jeden translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbild und dem entsprechenden opti schen Koordinatenwandlungsfilter unverändert, was eine invariante Korrelationsverarbeitung gegenüber Verschiebungen des Eingabebilds ermöglicht, wie bei anderen Ausführungsformen.
Bei der obengenannten Ausführungsform wird dasselbe Arbeitsprinzip angewendet, falls der optisch ansprechbare räumliche Lichtmodulator durch eine Kombination aus einer Fotografiervorrichtung und einer CCD-Kamera und einem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator wie einem Flüssigkristallmonitor ersetzt wird.
Bei der obengenannten Ausführungsform werden das Referenzbild und das Eingebebild gleichzeitig auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 403 angezeigt und die translationsinvariante Bearbeitung und die optische Koordinatenwandlungsschaltung werden parallel dazu durchgeführt. Derselbe Effekt kann im Prinzip durch das folgende Verfahren erzielt werden. Nur das Referenzbild wird in ein translationsinvariantes Bild oder vorab in ein koordinatentransformiertes Bild umgewandelt, und das transformierte Bild wird im Bildspeicher 43 gespeichert. Dann wird das zu bearbeitende Eingabebild nacheinander in translationsinvariante Bilder oder koordinatentransformierte Bilder umgewandelt. Die translationsinvarianten oder koordinatentransformierten Referenzbilder und Eingabebilder werden dann elektrisch mittels der Bildverarbeitungseinheit 442 synthetisiert und parallel auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator für translationsinvariante oder koordinatentransformierte Bilder zur weiteren Bildverarbeitung angezeigt.
Bei der obengenannten Ausführungsform werden als Laser 5, 25, 405, 461, 101, 202 nur solche Laser, wie zum Beispiel Gaslaser oder Halbleiter verwendet, welche eine gute Kohärenz zeigen. Obwohl bei der obengenannten Ausführungsform verschiedene Laser verwendet werden, ist es möglich, den Ausgang eines Lasers in mehrere Strahlen aufzuteilen.
Während bei der obengenannten Ausführungsform ein elektrisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator 3 vom Transmissionstyp verwendet wird, um das Referenzbild und das Eingabebild parallel anzuzeigen, ist es auch möglich, einen optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator vom Reflexionstyp zu verwenden, um denselben Effekt zu erzielen.
Während bei der obengenannten Ausführungsform das Referenzobjekt 21 durch die Fotografiervorrichtung 22 fotografiert wird und das Referenzbild in der Bildspeichereinheit 43 gespeichert wird, ist es möglich, das Referenzobjekt 21 zusammen mit dem Eingabeobjekt 1 mittels der Fotografiervorrichtung 2, 22, 402 zu fotografieren und sie dann auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3, 403 anzuzeigen. Da es keine Notwendigkeit gibt, das Referenzbild und das Eingabebild zu synthe tisieren, ist es in diesem Falle nicht notwendig, eine Bildverarbeitungseinheit 42, 442 und einen Bildspeicher 43 bereitzustellen.
Bei der obengenannten Ausführungsform wird das Referenzbild im Bildspeicher 43 gespeichert. Es ist jedoch auch möglich, das Referenzobjekt 21 und das Eingabeobjekt 1 durch verschiedene Fotografiervorrichtungen für Objektbilder zu erfassen und das Referenzbild und das Eingabebild durch die Bildverarbeitungseinheit 42, 442 zu synthetisieren und das synthetisierte Bild auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3, 403 anzuzeigen. In diesem Fall erübrigt sich die Bildspeichereinheit 43.
Bei der obengenannten Ausführungsform werden das Referenzbild und das Eingabebild durch die Bildverarbeitungseinheit 42 synthetisiert und auf dem elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulator 3, 403 angezeigt. Anstelle des Synthetisierens des Referenzbilds und des Eingabebilds ist es möglich, die beiden auf zwei parallel nebeneinander angeordneten elektrisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulatoren für Objektbilder anzuzeigen.
Bei der obengenannten Ausführungsform wird die Korrelationsverarbeitung zwischen einem Referenzbild und einem Eingabebild durchgeführt. Wenn eine Anzahl von Korrelationsverarbeitungen unter Verwendung von mehreren Eingabebildern oder Referenzbildern durchgeführt werden muß, ist es nur notwendig, die Anzahl der translationsinvarianten Linsen, wie zum Beispiel in der Anordnung 64, 464 von Linsen, in der Anordnung 44 von Linsen und die Koordinatenwandlungslinsen (Anordnung 47 von Linsen), zu erhöhen, und sie an Positionen anzuordnen, welche den Referenzbildern und Eingabebildern entsprechen.
Bei der oben gezeigten Ausführungsform erfolgt die Koordinatenwandlung in optische translationsinvariante Bilder unter Verwendung der Anordnung 64, 464 für translationsinvariante Linsen und der Anordnung 47 für Koordinatenwandlungslinsen. Anstelle der Verwendung der Linsenanordnung können die Bilder in translationsinvariante Bilder oder koordinatentransformierte Bilder unter Verwendung verschiedener optischer Systeme gewandelt werden. Die gewandelten Bilder können dann mittels des Strahlteilers synthetisiert und auf die Schreibebene des lichtansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 65, 465 für translationsinvariante Bilder sowie des optisch ansprechbaren räumlichen Lichtmodulators 13, 413 für koordinatentransformierte Bilder eingestrahlt werden.
Der optische Filter für Koordinatenwandlung kann vom Amplitudenmodulationstyp oder vom Phasenmodulationstyp sein.
Wie oben erläutert, verwendet die Erfindung zur Vorbearbeitung für den Korrelator für die gemeinsame Transformierte einen optischen Koordinatenwandler, welcher eine Koordinatenwandlung am Referenzbild und Eingabebild durchführt. Dies erlaubt eine genaue Mustererkennung, selbst wenn das Eingabebild seine Größe und Richtung ändert. Bei dem optischen Koordinatenwandler werden das Referenzbild und das Eingabebild in translationsinvariante Bilder gewandelt, bevor sie einer optischen Koordinatenwandlung unterzogen werden. Dies erlaubt eine invariante Mustererkennung, wenn sich die Position des Eingabebilds ändert. Weiterhin wird dann, wenn ein optisch ansprechbarer oder elektrisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator aus ferroelektrischen Flüssigkristallen verwendet wird, ein Betrieb mit hoher Geschwindigkeit bei ungefähr 30 Hz bis 2 kHz ermöglicht. Die Erfindung ermöglicht es auch, die Art der Koordinatenwandlung und das Referenzbild mit hoher Geschwindigkeit und Leichtigkeit zu ändern. Dies wiederum erlaubt eine schnelle und genaue Mustererkennung, was zu einer vergrößerten Betriebsgeschwindigkeit und niedrigeren Kosten im Bereich der Mustererkennungs- und -überwachungssysteme führt.

Claims

1. Optisches Mustererkennungsgerät, welches automatisch mittels optische Korrelationsbearbeitung unter Verwendung von kohärentem Licht bestimmte Muster erkennt und vermißt, und zwar aus von photographischen Mittel (402) gelieferten zweidimensionalen Bildern,

wobei das optische Mustererkennungsgerät umfaßt:

eine optische Koordinatenwandlereinheit zum Umwandeln von zumindest einem Referenzbild und zumindest einem einzugebenden Eingabebild von einem Koordinatensystem in ein gewünschtes Koordinatensystem, um koordinatengewandelte Bilder zu erzeugen,

einen Korrelator für eine gemeinsame Transformierte zum Erzeugen von Korrelationskoeffizienten zwischen zumindest einem koordinatengewandelten Referenzbild und zumindest einem koordinatengewandelten Eingabebild, welche beide von dem optischen Koordinatenwandler erzeugt worden sind,

wobei die optische Koordinatenwandlereinheit umfaßt:

Mittel (402, 442, 43) zum Erzeugen von zumindest einem zweidimensionalen Referenzbild und zumindest einem zweidimensionalen Eigabebild,

einen räumlichen Lichtmodulator für ein Objektbild (403), welcher geeignet ist, das zumindest eine Referenzbild und das zumindest eine Eingabebild anzuzeigen,

eine erste kohärente Lichtquelle (461, 462) zum Ausleuchten des räumlichen Lichtmodulator für ein Objektbild (403) und zum Erzeugen kohärenter Bilder des zumindest einen Referenzbildes und des zumindest einen Eingabebilds,

Mittel zur optischen Umwandlung des zumindest einen Referenzbildes und des zumindest einen Eingabebilds in binarisierte translationsinvariante Intensitätsverteilungsbilder, wobei diese Mittel eine Linsenanordnung (464) umfassen aus zumindest zwei Linsen, die in einem vorbestimmten Abstand (L) voneinander angebracht sind, um die kohärenten Bilder in zumindest ein translationsinvariantes kohärentes Referenzbild und zumindest ein translationsinvariantes kohärentes Eingabebild zu Fourier-transformieren, sowie Mittel zum Umwandeln der translationsinvarianten kohärenten Bilder in binarisierte translationsinvariante Intensitätsverteilungsbilder und Anzeigen der binarisierten translationsinvarianten Intensitätsbilder auf zumindest einem räumlichen Lichtmodulator für translationsinvariante Bilder (465),

Lichtumwandlungsmittel zum Umwandeln der binarisierten translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbilder in kohärente Intensitätsverteilungsbilder, wobei die Lichtumwandlungsmittel eine zweite kohärente Lichtquelle (405, 406, 412) zum Ausleuchten des zumindest eines räumlichen Lichtmodulator (465) für translationsinvariante Bilder umfassen; und

Mittel zum Umwandeln der kohärenten Intensitätsverteilungsbilder in die koordinatengewandelten Bilder, wobei diese Mittel zumindest zwei optische Koordinatenumwandlungsfilter (44) umfassen, die nahe an den räumlichen Lichtmodulator für translationsinvariante Bilder (465) gebracht sind, sowie zumindest zwei Linsen (47) zum Fourier-Transformieren der binarisierten translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbilder in koordinatengewandelte Bilder;

wobei der Korrelator für eine gemeinsame Transformierte umfaßt:

Mittel (48, 413) zum Umwandeln der vom optischen Koordinatenwandler erzeugten koordinatengewandelten Bilder in koordinatengewandelte Intensitätsverteilungsbilder und anschließendem Anzeigen der koordinatengewandelten Intensitätsverteilungsbilder auf einem räumlichen Lichtmodulator (413) für die koordinatengewandelten Bilder;

Mittel (101, 102, 103) zum Umwandeln der auf dem räumlichen Lichtmodulator (413) für die koordinatengewandelten Bilder angezeigten koordinatengewandelten Bilder in kohärente Bilder;

eine Linse (104) zum Fourier-transformieren der kohärenten Bilder in ein gemeinsames Fourier-transformiertes Bild;

Mittel (105) zum Umwandeln des gemeinsamen Fourier-transformierten Bilds in ein Fourier-transformiertes Intensitätsverteilungsbild; wobei diese Mittel einen räumlichen Lichtmodulator (105) für das Fourier-transformierte Bild umfassen, um das Fourier-transformierte Intensitätsverteilungsbild anzuzeigen;

Mittel (201, 202, 203) zum Umwandeln des auf dem räumlichen Lichtmodulator (105) für das Fourier-transformierte Bild angezeigten Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbilds in ein kohärentes Fourier-transformiertes Intensitätsverteilungsbild;

Mittel zum Erhalten eines Korrelationssignals, wobei diese Mittel eine Linse (204) zum Fourier-transformieren des Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbildes in ein Korrelationsausgabebild umfassen, und die Mittel weiterhin ein photographisches Gerät oder ein lichtempfangendes Element (205) zum Umwandeln des Korrelationsausgabebilds in das Korrelationssignal enthalten; und

Mittel (206) zum Erzeugen des Korrelationssignals, um zweidimensionale Korrelationskoeffizienten zwischen dem Referenzbild und dem Eingabebild zu ermitteln.

2. Optisches Mustererkennungsgerät, welches automatisch mittels optischer Korrelationsbearbeitung unter Verwendung von kohärentem Licht bestimmte Muster erkennt und vermißt, und zwar aus von photographischen Mittel (402) gelieferten zweidimensionalen Bildern,

wobei das optische Mustererkennungsgerät umfaßt:

eine optische Koordinatenwandlereinheit zum Wandeln von zumindest einem Referenzbild und zumindest einem einzugebenden Eingabebild von einem Koordinatensystem in ein gewünschtes Koordinatensystem, um koordinatengewandelte Bilder zu erzeugen,

einen Korrelator für eine gemeinsame Transformierte zum Erzeugen von Korrelationskoeffizienten zwischen zumindest einem koordinatengewandelten Referenzbild und zumindest einem koordinatengewandelten Eingabebild, welche beide von dem optischen Koordinatenwandler bereitgestellt werden,

wobei die optische Koordinatenwandlereinheit umfaßt:

Mittel zum Erzeugen von zumindest einem zweidimensionalen Referenzbild und zumindest einem zweidimensionalen Eigabebild,

einen ersten räumlichen Lichtmodulator für ein Objektbild (403), welcher geeignet ist, das zumindest eine Referenzbild und das zumindest eine Eingabebild anzuzeigen,

eine erste kohärente Lichtquelle (461, 462) zum Ausleuchten des räumlichen Lichtmodulators für ein Objektbild (403) und zum Erzeugen kohärenter Bilder des zumindest einen Referenzbildes und des zumindest einen Eingabebilds,

Mittel zur optischen Umwandlung des zumindest einen Referenzbildes und des zumindest einen Eingabebilds in binarisierte translationsinvariante Intensitätsverteilungsbilder, wobei diese Mittel umfassen:

eine Linsenanordnung (464) um die kohärenten Bilder in translationsinvariante Bildsignale umzuwandeln,

Mittel (466) zum Umwandeln der translationsinvarianten Bildsignale in binarisierte translationsinvariante Bildsignale, und

zumindest einen zweiten räumlichen Lichtmodulator (468) zum Umwandeln der binarisierten translationsinvarianten Bildsignale in binarisierte translationsinvariante Intensitätsverteilungsbilder und Anzeigen dieser binarisierten translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbilder;

Lichtumwandlungsmittel zum Umwandeln der binarisierten translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbilder in kohärente Intensitätsverteilungsbilder, wobei die Lichtumwandlungsmittel eine zweite kohärente Lichtquelle (405, 406) zum Ausleuchten des zumindest eines räumlichen Lichtmodulator (468) für translationsinvariante Bilder umfassen; und

Mittel zum Umwandeln der kohärenten Intensitätsverteilungsbilder in die koordinatengewandelten Bilder, wobei diese Mittel zumindest zwei optische Koordinatenumwandlungsfilter (44) umfassen, die nahe an den räumlichen Lichtmodulator (465) für translationsinvariante Bilder gebracht sind, sowie zumindest zwei Linsen (47) zum Fourier-Transformieren der binarisierten translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbilder in koordinatengewandelte Bilder;

wobei der Korrelator für eine gemeinsame Transformierte umfaßt:

Mittel (48, 413) zum Umwandeln der vom optischen Koordinatenwandler erzeugten koordinatengewandelten Bilder in koordinatengewandelte Intensitätsverteilungsbilder und anschließendem Anzeigen der koordinatengewandelten Intensitätsverteilungsbilder auf einem räumlichen Lichtmodulator (413) für koordinatengewandelte Bilder;

Mittel zum Erhalten eines Korrelationssignals, wobei diese Mittel eine Linse (204) umfassen zum Fourier-Transformieren des Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbildes in ein Korrelationsausgabebild, und die Mittel weiterhin ein photographisches Gerät oder ein lichtempfangendes Element (205) zum Umwandeln des Korrelationsausgabebilds in das Korrelationssignal umfassen; und

Mittel (206) zum Bearbeiten des Korrelationssignals, um zweidimensionale Korrelationskoeffizienten zwischen dem Referenzbild und dem Eingabebild zu ermitteln.

3. Optisches Mustererkennungsgerät, welches automatisch mittels optischer Korrelationsbearbeitung unter Verwendung von kohärentem Licht bestimmte Muster erkennt und vermißt, und zwar aus von photographischen Mittel (402) gelieferten zweidimensionalen Bildern,

wobei das optische Mustererkennungsgerät umfaßt:

wobei die optische Koordinatenwandlereinheit umfaßt:

Mittel (402, 469, 442, 43) zum Erzeugen von zumindest einem zweidimensionalen Referenzbild und zumindest einem zweidimensionalen Eigabebild,

einen räumlichen Lichtmodulator (468) für ein Objektbild, welcher geeignet ist, das zumindest eine Referenzbild und das zumindest eine Eingabebild anzuzeigen,

eine erste kohärente Lichtquelle (405, 406) zum Ausleuchten des räumlichen Lichtmodulators (468) für Objektbilder und zum Erzeugen kohärenter binarisierter translationsinvarianter Intensitätsverteilungsbilder der translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbilder;

Mittel zur Umwandlung der kohärenten binarisierten translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbilder in koordinatengewandelte kohärente binarisierte translationsinvariante Intensitätsverteilungsbilder, wobei diese Mittel zumindest zwei Linsen (44) umfassen, wobei diese zumindest zwei Koordinatenumwandlungsfilter jeweils ein computergeneriertes Hologramm enthalten und in einem vorbestimmten Abstand (L) voneinander angebracht sind, und zumindest zwei Linsen (47) zum Fourier-Tansformieren der binarisierten translationsinvarianten Intensitätsverteilungsbilder in koordinatengewandelte Bilder;

wobei der Korrelator für eine gemeinsame Transformierte umfaßt:

Mittel (201, 202, 203) zum Umwandeln des auf dem räumlichen Lichtmodulator (105) für das Fourier-transformierte Bild angezeigten Fourier-transformierten In tensitätsverteilungsbilds in ein kohärentes Fourier-transformiertes Intensitätsverteilungsbild;

Mittel zum Erhalten eines Korrelationssignals, wobei diese Mittel eine Linse (204) zum Fourier-Transformieren des Fourier-transformierten Intensitätsverteilungsbildes in ein Korrelationsausgabebild umfassen, und die Mittel weiterhin ein photographisches Gerät oder ein lichtempfangendes Element (205) zum Umwandeln des Korrelationsausgabebilds in das Korrelationssignal um fassen; und

4. Optisches Mustererkennungsgerät nach Anspruch 1, wobei der räumliche Lichtmodulator (403) für das Objektbild ein elektrisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator ist, welcher einen ferroelektrischen Flüssigkristall mit bistabiler Speicherkapazität verwendet.

5. Optisches Mustererkennungsgerät nach Anspruch 2, wobei der räumliche Lichtmodulator (403, 468) für das Objektbild ein elektrisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator ist, welcher einen ferroelektrischen Flüssigkristall mit bistabiler Speicherkapazität verwendet.

6. Optisches Mustererkennungsgerät nach Anspruch 3, wobei der räumliche Lichtmodulator (468) für das Objektbild ein elektrisch ansprechbarer räumlicher Lichtmodulator ist, welcher einen ferroelektrischen Flüssigkristall mit bistabiler Speicherkapazität verwendet.