устройство для идентификации объектов

Формула изобретения

Устройство для идентификации объектов, содержащее источник излучения сложного спектрального состава и расположенные последовательно по ходу отраженного от объекта излучения оптическую систему и блок регистрации, а также блок анализа, отличающееся тем, что оптическая система выполнена в виде двух последовательно установленных линейных поляризаторов, между которыми расположена по крайней мере одна линейная или циркулярная фазовая пластинка с фазовым сдвигом, переменным в плоскости, перпендикулярной оптической оси системы, а блок регистрации выполнен в виде одно- или двумерной матрицы фотоприемников.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для идентификации объектов по их оптическим признакам и может быть использовано при сортировке исходного сырья и готовой продукции в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, а также в тех случаях, когда необходимо обнаружить тот или иной объект на фоне оптических помех, например при наблюдении поверхности Земли аэрокосмическими методами.

Известны устройства для распознавания объектов по их оптическим признакам (а. с. СССР NN 1315034, 1389881, 1311793), содержащие источник излучения сложного спектрального состава, и блок анализа отраженного от анализируемого объекта излучения. Их недостатками является отсутствие универсальности, т. к. все они используют анализ отраженного света в конкретных узких спектральных диапазонах, характеристики которых определяются заранее, исходя из оптических свойств конкретных анализируемых объектов, и поэтому все эти устройства могут применяться лишь для сортировки конкретных объектов, спектр отражения (пропускания) которых заранее известен. Как правило, в подобных устройствах свет от объекта пропускают через один или несколько цветных светофильтров, спектры пропускания которых подбирают заранее и зачастую неоптимально, поскольку создание цветного светофильтра с любым наперед заданным спектром пропускания представляет собой очень сложную техническую задачу. Кроме того, такая фиксация спектров пропускания при серийном производстве подобных устройств приводит к снижению их эффективности, поскольку одни и те же объекты (например, фрукты, выращенные в разных местах) имеют несколько различные оптические характеристики. В результате, зачастую вообще отказываются от применения подобных устройств, заменяя их ручной сортировкой.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, реализующее способ идентификации объектов по патенту РФ N 2012430, содержащее источник излучения сложного спектрального состава, светофильтр с полосой пропускания не уже 380 - 770 нм и регулируемым спектром пропускания, блок-анализ интенсивности прошедшего через светофильтр света и блок-идентификацию объекта по результатам этого анализа.

Данное устройство работает следующим образом.

Идентифицируемый объект освещают потоком света сложного спектрального состава, отраженный от объекта (или прошедший сквозь объект) свет пропускают через специальную оптическую систему, состоящую по край ней мере из двух линейных поляризаторов, между которыми расположена по крайней мере одна линейная фазовая пластинка с электрически управляемым сдвигом фаз. Спектр пропускания такой системы может быть весьма разнообразным и плавно меняется при изменении управляющего напряжения. На пластинку (или пластинки) последовательно подают ряд управляющих напряжений и измеряют соответствующие им интенсивности света на выходе оптической системы. Измеренные значения и являются признаками идентифицируемых объектов. Алгоритм разделения конкретных объектов вырабатывается на основе обучения по прецедентам.

Для работы устройства не требуется никакой априорной информации об оптических свойствах объектов, оно достаточно универсально и в принципе на его основе можно создать даже самообучающееся распознающее устройство. Возможна быстрая перенастройка одного и того же устройства на решение различных задач идентификации и сортировки, а также плавной подстройки характеристик распознающего устройства в соответствии с флуктуациями оптических характеристик конкретных объектов в процессе работы.

Недостатком этого устройства является недостаточная стабильность идентификации, вызванная нестабильностью во времени спектра пропускания управляемого светофильтра, вызванной в свою очередь различного рода помехами, которые в той или иной мере всегда присутствуют в схемах регулирования. Кроме того, в электрически управляемом светофильтре, использованном в прототипе, наблюдается весьма заметный переходный процесс, в конечном счете заметно снижающий стабильность идентификации объекта и точность идентификации в условиях даже небольших помех, если не применять дополнительных методик стабилизации спектра пропускания управляемого светофильтра. Возникновение этого переходного процесса вызвано физическими процессами, протекающими в ЦТСЛ-керамике - материале, из которого изготовлены управляемые линейные фазовые пластинки. Применить же другой материал практически невозможно, поскольку ЦТСЛ-керамика обладает уникальными электрооптическими свойствами.

Настоящее изобретение направлено на повышение точности и стабильности идентификации объекта при сохранении универсальности, обеспечиваемой прототипом.

Это достигается тем, что в устройстве для идентификации объектов, содержащем источник излучения сложного спектрального состава и расположенные по ходу отраженного от объекта излучения оптическую систему и блок регистрации, а также блок анализа, оптическая система выполнена в виде двух последовательно установленных линейных поляризаторов, между которыми расположена по крайней мере одна линейная или циркулярная фазовая пластинка с фазовым сдвигом, переменным в плоскости, перпендикулярной оптической оси системы, а блок регистрации выполнен в виде одномерной или двумерной матрицы фотоприемников. При этом линейные или циркулярные фазовые пластинки могут быть, в частности, выполненные в виде клиньев из монокристалла кварца.

Работа предлагаемого устройства для идентификации объектов будет понятна из следующего описания и графического материала.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для идентификации объектов, где 1 - источник излучения сложного спектрального состав, 2 - идентифицируемый объект, 3, 6 - линейные поляризаторы, 4, 5 - линейные фазовые пластинки переменной толщины, выполненные из монокристалла кварца, 7 - матрица фотоприемников, 8 - блок аналого-цифровых преобразователей, 9 - микроЭВМ.

На фиг. 2 приведены примеры распределения интенсивности света на выходе созданного светофильтра при анализе различных объектов.

На фиг. 3 приведены координаты цветности идентифицируемых объектов двух классов, измеренные в системе координат цветности МКО 1931 г в отсутствие оптических помех.

На фиг. 4 приведены координаты цветности идентифицируемых объектов двух классов, измеренные в системе координат цветности МКО 1931 г в наличии оптических помех.

На фиг. 5 приведен пример распределения информативности полученных оптических признаков идентифицируемых объектов.

На фиг. 6 графически изображены наиболее информативные из найденных оптических признаков объектов.

На фиг. 7 приведены результаты рабочего распознавания объектов на основе найденного решающего правила.

Устройство работает следующим образом. Посредством осветителя (1) (см. фиг. 1) анализуемый объект (2) освещается потоком света сложного спектрального состава. Отраженный от поверхности объекта свет проходит через светофильтр, образованный линейными поляризаторами (3) и (6), между которыми расположены линейные фазовые пластинки (4) и (5) переменной толщины, выполненные из монокристалла кварца. Интенсивность прошедшего через светофильтр света регистрируют матрицей фотоприемников (7), электрические сигналы с фотоприемников преобразуются в цифровой вид при помощи блока АЦП (8) и передаются в микроЭВМ (9), где происходит анализ распределения интенсивности и последующая идентификация объекта.

Материалы, из которых изготовлены все оптические элементы вышеописанной системы, прозрачны в диапазоне длин волн света не уже 380 ... 770 нм, что обеспечивает необходимую согласно изобретению ширину полосы пропускания светофильтра.

Описанная оптическая система работает следующим образом. Проходящий через поляризатор (3) свет с непрерывным спектром линейно поляризуется и проходит через первую линейную фазовую пластинку (4). Выходящий из нее свет имеет поляризацию, вид которой зависит от длины волны света, от оптического пути, пройденного им внутри пластинки и от угла между плоскостью поляризации света на выходе поляризатора и направлением оси наибольшей скорости пластинки. Этот свет проходит через вторую линейную фазовую пластинку (5), где его поляризация претерпевает изменения, зависящие от длины волны света, от оптического пути, пройденного внутри пластинки и от угла между направлениями осей наибольшей скорости в пластинках (4) и (5). Далее свет проходит через поляризатор 6. Интенсивность света на его выходе для каждой длины волны зависит от вида поляризации, который оно имело на его входе, а поскольку этот вид разный для разных длин волн и для разных точек в плоскости поперечного сечения описанной системы, на выходе поляризатора (6) присутствует свет со спектром, значительно отличающимся от спектра на входе поляризатора (3) и имеющим функциональную зависимость от координат точки в плоскости поперечного сечения светофильтра.

Был испытан вариант светофильтра, образованного двумя линейными поляризаторами, между которыми располагали две циркулярные фазовые пластинки переменной толщины. При этом для создания двумерного распределения интенсивности света на выходе светофильтра между указанными циркулярными фазовыми пластинками помещали дополнительный линейный поляризатор.

Примеры получаемого распределения интенсивности прошедшего света в плоскости поперечного сечения созданного светофильтра на его выходе приведены на фиг. 2, где видно, что данное распределение различается для объектов см разными спектральными характеристиками. Только с целью иллюстрации здесь показаны сильно различающиеся по своим спектральным свойствам объекты.

Была проведена идентификация близких по цвету объектов двух классов на фоне искусственно созданных сильных оптических помех. В качестве первого класса были взяты образцы листьев березы, а в качестве второго - образцы листьев тополя. Координаты цветности этих объектов, измеренные в системе координат МКО 1931 г. , приведены на фиг. 3. Оптические помехи создавали помещая цветные светофильтры различных цветовых тонов и насыщенностей между идентифицируемым объектом и распознающей системой. Таким образом, была создана ситуация, когда ни визуально, ни каким-либо известным оптическим способом данные объекты не могли быть различены из-за сильных оптических помех. Действительно, как видно из сравнения фиг. 3 и 4, величина наложенного шума в несколько раз превышала величину полезного сигнала - расстояние между точками, соответствующими объектам первого и второго класса на графике цветности.

Идентифицируемые объекты освещались светом с непрерывным спектром, исходящим от лампы накаливания типа КГМ-12/40, и фокусируемым на идентифицируемый объект при помощи линзы (на схеме не показана). Свет, рассеянный объектом, собирали при помощи объектива (также не показан) и пропускали через вышеописанный светофильтр. На выходе светофильтра располагали матрицу фотоприемников, которой регистрировали распределение интенсивности прошедшего через светофильтр света в плоскости его поперечного сечения. Электрические сигналы от отдельных фотоприемников матрицы преобразовывали в цифровой вид и передавали в микроЭВМ, где производилось сначала обучение по прецедентам, а затем и рабочее распознавание объектов.

Для реализации данного способа производили следующую последовательность операций.

1. В микроЭВМ загружали обучающую программу, которая управляет дальнейшей последовательностью операций (пп. 2 - 5). Целью выполнения этой программы являлось создание обучающей выборки.

2. Образец, относящийся к 1 классу (образец листвы березы), помещали в держатель и освещали потоком света.

3. Запоминали значения электрических сигналов на выходах фотоприемников. Эту операцию повторяли 50 раз. При этом в держатель последовательно устанавливали различные образцы, заведомо относящиеся к этому же классу, а между анализируемым объектом и светофильтром располагали различные комбинации цветных светофильтров. Это было проделано для имитации в процессе обучения оптических помех и учета электрических шумов, а также флуктуаций оптических признаков различных образцов.

4. В держатель помещали образец, относящийся ко 2 классу (образец листвы тополя).

5. Повторяли операции, описанные в п. 3.

6. Полученные данные записывали в файл в виде таблицы, именуемой обучающей выборкой. Эта таблица содержит 100 строк и 3600 колонок, в которых записаны значения электрических сигналов от разных фотоприемников, поскольку в данном случае использовали матрицу из 60 х 60 фотоприемников. Каждая строка этой таблицы содержит признаки, соответствующие одному объекту, и она называется признаковым вектором.

7. Обучающую выборку переносили на ПЭВМ типа IBM PC, где она обрабатывалась программой, анализирующей информативность полученных оптических признаков.

Пример получаемого распределения информативности признаков от различных фотоприемников, т. е. в зависимости от координат точки в плоскости поперечного сечения светофильтра приведен на фиг. 5.

9. В результате анализа информативности полученных признаков выбирали несколько (до десяти) наиболее информативных из них и преобразовывали первоначально полученный файл, оставляя в нем лишь столбцы, соответствующие выбранным признакам. На фиг. 6 приведены четыре проекции обучающей выборки по наиболее информативным признакам. Из сравнения фиг. 4 и 6 видно, что созданная система значительно ослабляет созданные оптические помехи (все точки сгруппированы в два почти не пересекающиеся кластера).

10. Модифицированную обучающую выборку обрабатывали программой, реализующей стандартный метод обучения по прецедентам. В результате работы этой программы было выдано сообщение об успешном завершении процесса обучения и о построении решающего правила. Решающее правило, сформированное в данном случае, представляет собой гиперплоскость в многомерном признаковом пространстве, разделяющую все пространство на две части так, что в каждой из них остаются только векторы, принадлежащие одному и тому же классу.

11. Файл с информацией о решающем правиле, полученный в результате обучения, переносили на микроЭВМ, где ранее проводили создание обучающей выборки.

12. В держатель устанавливали образец, относящийся к 1 классу, который не анализировался при создании обучающей выборки.

13. В микроЭВМ загружали программу распознавания, которая осуществляла измерение электрических сигналов с фотоприемников и анализ полученных данных в соответствии с полученным решающим правилом.

14. В результате работы программы на экран дисплея выдавалось сообщение о принадлежности данного образца к 1 классу.

15. В держатель устанавливали образец, относящийся ко 2 классу, который не анализировался при создании обучающей выборки.

16. Повторялись действия, описанные в п. 13.

17. В результате работы программы на экран дисплея выдавалось сообщение о принадлежности данного образца ко 2 классу. При выполнении действий по пп. 13 и 16 между идентифицируемым объектом и светофильтром помещали различные комбинации цветных светофильтров, которые использовали и при создании обучающей выборки, проверяя таким образом устойчивость идентификации.

Результаты, полученные в п. 14 и 17, говорили о том, что обучение завершено успешно и, используя программу распознавания и найденное решающее правило, можно распознавать подобные объекты.

Такое распознавание было проведено для 50 образцов листвы березы и стольких же образцов листвы тополя, причем они никак не подбирались и не использовались при обучении.

В результате проведенного распознавания зафиксировано пять случаев неправильной идентификации: в трех из них образец листвы березы был отнесен ко второму классу, и в двух образец листвы тополя был отнесен к первому. Результаты распознавания изображены в виде гистограммы на фиг. 7, где по горизонтали отложен так называемый индекс принадлежности - величина, показывающая, насколько далеко отстоит данный признаковый вектор от разделяющей гиперплоскости.

Были проведены испытания прототипа в аналогичной ситуации, которые не дали положительного результата - правильная идентификация происходила весьма нестабильно.

Сравнительные результаты идентификации при помощи предлагаемого устройства и при помощи прототипа приведены в таблице.

Полученные результаты показывают, что предлагаемое устройство для идентификации объектов дает точность идентификации по крайней мере на 30% больше, чем прототип в случае сильных оптических помех, обеспечивает необходимую стабильность идентификации и является не менее универсальным.