DE2304232A1 - Optisches filter - Google Patents

Description

Optisches Filter

Die Erfindung betrifft ein optisches Filter zur Informationsverarbeitung.

izis ist bekannt, daß optische Filter in Form von Filtermasken zur Objekterkennung in optischen Verarbeitungsstrecken verwendet werden. Diese Masken befinden sich hinter dem eingegebenen Objekt bzw, hinter den vervielfachten Bildern des eingegebenen Objekts. Als Filtermasken werden Positiv- und Negativmasken der möglichen Objekte verwendet.

Es ist auch bekannt, Masken zu verwenden, die in eine Anzahl parallel zueinander verlaufender Streifen unterteilt sind. Hinter jedem solchen optischen Korrelator ist ein lichtempfindlicher Empfänger angebracht. Der Wachteil dieser Masken und ihres Standortes im Verarbeitungssystem ist, daß bei einer Verschiebung des Objekts die Position der Maske ebenfalls geändert werden muß. -Es ist somit keine Verschiebungsinvarianz vorhanden.

Weiterhin ist bekannt, daß für die Objekterkennung mittels einer optischen Verarbeitungsstrecke auch holografische Filter verwendet werden, die das Wellenfeld filtern, das durch kollimierte monochromatische Bestrahlung des zu erkennenden Objekts und anschließender Fouriertransiormation mittels einer Linse entsteht, Es ist bekannt, daß holografische Filter mit beliebiger passiver übertragungsfunktion versehen sein können. Es ist auch bekannt, daß diese Filter durch binäre Easken realisiert v/erden Können. Eine weitere Fouriertransformation er-

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zeugt In einem der beiden Beugungsbilder erster Ordnung die Korrelationsfigur des zu erkennenden Objekts mit dem Objekt des Filters. Das Maximum dieser Korrelationsfigur wird mit Hilfe eines Fotoempfängers in ein elektrisches üignal umgewandelt, das nach einer Normierung auf die Intensität des im Filter enthaltenen Objekts registriert wird. Man filtert entweder nacheinander oder parallel mit den holografischen Filtern aller Objekte des Vorrats und sucht das größte Ausgangssignal. Das zu erkennende Objekt gehört zur Klasse des in dem holografischen Filter enthaltenen Objekts, das dieses größte Signal liefert. In bekannter Weise stellt man diese Filter her, indem man die Intensität des Vellenfeldes aufzeichnet, das aus einer Überlagerung der Fouriertransformierten eines Objekts mit einer schräg einfallenden ebenen Welle entsteht; das Filter besteht also aus einem modulierten Gitter. Die Herstellung binärer'Maskenfilter erfolgt auf synthetischem Wege.

Ein Nachteil ist, daß nur der Korrelationspeak (eine kleine Umgebung des Korrelationsmaximums) die für dieses Erkennungsverfahren objekttypische Information enthält und zur Objekterkennung verwendet wird. Bei einer Veränderung der Position des eingegebenen Objekts verschiebt sich auch die Korrelationsfigur. Diese beiden Nachteile bringen mit sich, daß keine bzw. nur eine begrenzt verschiebungsinvariante Auswertung des Korrelationsmaximums möglich ist. Dieses Verfahren und die Notwendigkeit einer Peakisolation

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bringen einen großen Verlust an Lichtintensität mit sich.

Es werden so viele Filter benötigt, wie Objekte in einem Objektvorrat vorhanden sind. Ist die Zahl der Objekte groß, so wird eine große Anzahl optischer Filter benötigt, so daß eine parallele Verarbeitung eine weitere starke Herabsetzung der Lichtintensität, eine sequentielle Verarbeitung eine starke Verringerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit mit sich bringen. Außerdem ist ein hoher Aufwand an Auswerteelektronik zu verzeichnen. Trotz einer Normierung auf die Gesamtintensität der im Filter enthaltenen Objekte unteracheiden sich ähnliche Objekte nicht genügend.

Zweck der Erfindung ist es, die Geschwindigkeit und die Sicherheit der Objekterkennung zu erhöhen und die ochwächung der Lichtintensität während der Filterung und den Aufwand an Auswerteelektronik zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Filter zur Informationsverarbeitung anzugeben, mit dem durch zweckentsprechende Ausgestaltung binärer Filteriiiasken die Zugehörigkeit eines Objekts zu einer von zwei Gruppen aus einem Vorrat von Objekten bestimmt werden kann.

iß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß jeweils ein das optische Filter darstellendes Paar binärer Filtermasken, die sich in den Fourierebenen einer optischen Vergleicasstrecke befinden, solche lichtdurchlässige Gebiete aufweist, daß für ein zu erkennendes Objekt die Intensität des Fourierspektrums über die

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lichtdurchlässigen Gebiete der einen Filtemiaske integriert entweder größer oder kleiner ist als die Intensität des Fourierspektrums über die lichtdurchlässigen Gebiete der anderen Filtermaske integriert, je nachdem, ob das Objekt der einen oder der anderen von zwei Gruppen aus einem vorgegebenen Objektvorrat von Objekten angehört. Die beiden durch die Filtermasken durchgelassenen Lichtintensitäten werden von zwei Fotoempfängeranordnungen in elektrische Signale umgewandelt. Durch elektronischen Vergleich wird bestimmt, welches der beiden Signale größer ist. Zur Erkennung eines angebotenen Objekts wird eine bestimmte Anzahl von Paaren binärer Filtermasken benötigt, die den Vorrat der Objekte unterschiedlich in Gruppenpaare einteilt und zwar so, daß zwei beliebige Objekte des Vorrats nicht immer gemeinsam in diesen Gruppen auftreten. Es können also im günstigsten Fall mit IST dieser optischen Filter 2 Objekte erkannt werden. Wird der Vorrat der Objekte in unterschiedlich große Gruppen eingeteilt oder werden andererseits bei dieser Einteilung Objekte unberücksichtigt gelassen oder besteht drittens der Wunsch nach Redundanz in der Ausgangsinformation, so werden entsprechend mehr optische Filter benötigt. Jedes dieser optischen Filter liefert somit eine binäre Information. Alle Filter bilden demzufolge einen binären Code.

Da sich bei einer Veränderung der Position des eingegebenen Objekts die Intensität seines Fourierspektrums nicht ändert und nur diese Intensität für die Objekterkennung verwendet wird, beeinflußt eine solche Positionsänderung die Erkennung nicht. Die Erkennung erfolgt somit verschiebungsinvariant.

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Den Fourierebenen der optischen Vergleichsstrecke v/erden genügend fein gewählte Raster aufgeprägt. Zuerst werden mit diesem Raster die auf die jeweilige Gesamtintensität des Fourierspektrums normierten Intensitäten der Fourierspektren sämtlicher Objekte des Vorrats ermittelt. Danach wird für jeden Rasterpunkt (i,j) der Pourierebene der Quotient d.. aus der Summe der normierten Intensitätswerte aller Objekte der einen Gruppe durch die Summe der normierten Intensitätswerte aller Objekte der anderen Gruppe (Quotientenkriterium) gebildet. Alle Rasterelemente (i,j), für die der Quotient d. · größer als eine Konstante d₁ ist, werden in der einen Filtermaske lichtdurchlässig gemacht, die restlichen Elemente werden geschwärzt. Die Elemente der anderen Filtermaske, für die der Quotient d·- kleiner als eine Konstante d₉ ist, werden transparent gestaltet und die restlichen werden geschwärzt. Je größer die Konstante d. und je kleiner die Konstante d₂ gewählt werden, desto kleiner werden die lichtdurchlässigen Gebiete und desto größer werden die Unterschiede in der Lichtdurchlässigkeit beider Filter beim Anbieten eines Objekts; vorteilhafterweise wird do^i/d. gesetzt. Der Wert für die Konstante d.. wird etwas über 1 liegen, jedoch kann es in einigen Fällen der Filtergestaltung günstig sein, für die Konstante d^ Werte um eine Größenordnung höher oder auch werte kleiner als 1 zu wählen.

Zur Beurteilung der erhaltenen lichtdurchlässigen Gebiete in beiden Filterniasken werden für jedes Objekt die beiden Werte für die von den beiden Filtermasken durchgelassenen Intensitäten berechnet, indem die Intensitätswerte für jeden lichtdurchlässigen Rasterpunkt einer Fourierebene addiert v/erden. Danach wird für jedes Objekt der Quotient oder beispielsweise die Differenz D aus diesen beiden Werten gebildet, wobei

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sich im allgemeinen für verschiedene Objekte unterschiedliche Werte für D ergeben. Diese Werte D sind ein Liaß für die Unterscheidbarkeit der Ausgangssignale und damit ein Maß für die Erkennbarkeit bzw. Erkennungssicherheit der Objekte. Das angewendete Unterscheidungskriterium stellt ein integrales Kriterium dar. Es wird gefordert, daß die Werte D grosser als eine Konstante D₁ für alle Objekte der einen Gruppe und die Werte D kleiner als eine Konstante D₂ für alle Objekte der anderen Gruppe sind, wobei D₂ < D.. gilt, bzw. daß die V/erte D ungefähr gleich der Konstanten D. für alle Objekte der einen Gruppe und die Werte D ungefähr gleich der Konstanten D_?. für alle Objekte der anderen Gruppe sind. Diese Forderungen werden sowohl im Mittel als auch für die einzelnen Werte D noch nicht erfüllt sein. Die mittleren Abweichungen bilden ein Maß dafür, um wieviel die Konstanten D₁ und D_? anders zu wählen sind, während die Abweichungen für die einzelnen Werte D als Maß für eine Umwichtung der einzelnen Zeichen zu nehmen sind. Mit den neu gewichteten V/er ten können die Rechnungen erneut durchgeführt und diese Schritte so oft wie notwendig wiederholt v/erden. Dies führt zu einem iterativen Verfahren.

Zu einer besseren Wichtung kann von vornherein gekommen v/erden, v/enn berücksichtigt wird, daß sich Objekte der einen Gruppe gegenseitig "unterstützen" und Objekte aus verschiedenen Gruppen gegenseitig "abwerten" können, z.B. durch ihre Ähnlichkeit. Es ist deshalb vorteilhaft, ähnliche Objekte möglichst oft in dieselbe Gruppe zu nehmen.

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Das angegebene Quotientenkriterium ist nicht die einzige Möglichkeit, Filtermasken zu gestalten. Vielmehr kann es in Abhängigkeit von der fotoelektronischen Auswertung und von den vorgegebenen Parametern günstiger sein, andere Kriterien auszuwählen. Es kann z. B. beim Quotientenkriterium von Nachteil sein, daß große miteinander verglichene Werte nicht mehr Gewicht haben als kleine. V/ird statt des Quotientenkriteriums ein Differenzkriterium verwendet, so haben jetzt die kleinen Intensitätswerte zu wenig Bedeutung. Deshalb ist es in einigen Fällen vorteilhaft, beide Kriterien miteinander zu verbinden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, während des Iterationsprozesses mehrere Kriterien anzuwenden. Die auf einer Filtermaske vorhandene Anordnung lichtdurchlässiger und lichtundurchlässiger Gebiete werden auch als Filterfunktion bezeichnet.

Das durch die Filtermaske hindurchgelassene Licht kann in der Filterebene registriert werden. Andererseits kann eine weitere Fouriertransformation angeschlossen und dann das Licht registriert werden. Dadurch wird es möglich, die Phase in die Filterung einzubeziehen und die Objektlage zu berücksichtigen.

In einer xnreiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform können auf Filtermaskenpaare verzichtet und dafür einzelne Filtermasken verwendet werden. Dementsprechend werden nicht die von zwei Filtermasken durchgelassenen Lichtintensitälen Miteinander verglichen, sondern es wird die durch eine i-'iltermaske durchgelassene Lichtintensität mit einem ochv/ellwert verglichen, der sowohl optisch als aucii elekxronisch vorgegeben werden kann. Die Filtermasse v/eist lichtdurchlässige Gebiete auf, so daß

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für ein zu erkennendes Objekt die Intensität des 1''Ourierspektrums über die lichtdurchlässigen Gebiete der Filtermaske integriert entweder größer oder kleiner ist als ein bestimmter Wert, der ochwellwert, je nachdem, ob das Objekt der einen oder der anderen von zwei Gruppen aus einem Vorrat von Objekten angehört. Die Filtermaske kann analog zur obigen Darstellung der Kriterien gewonnen v/erden mit dem Unterschied, daß jetzt nur eine der beiden Masken gestaltet werden muß.

In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die in einem Paar oder mehreren Paaren binärer Filtermasken und/oder die in einzelnen oder mehreren binären auf einem Schwellwertvergleich beruhenden Filtermasken vorhandenen lichtdurchlässigen Gebiete und/oder Teile von diesen auf einer Filtermaske angeordnet werden. Dabei können sich Gebiete überlappen. Das von der auf die Filtermaske aufgebrachten Anordnung lichtdurchlässiger Gebiete durchgelassene Licht muß daher voneinander getrennt werden, da sonst unerwünschte Überlagerungen auftreten können.

Erfindungsgemäß kann die Trennung des Lichtes erreicht werden, wenn die nach den einzelnen Filterfunktionen gestalteten lichtdurchlässigen Gebiete mit unterschiedlich beugenden und/oder brechenden und/oder reflektierenden Elementen versehen sind. Das können z. B. Amplituden- und/oder Phasengitter sein, die das Licht in verschiedene Richtungen ablenken. Schwächen die aufgebrachten Elemente in den sich überlappenden Gebieten gegenseitig die Lichtintensität, so muß in den restlichen Gebieten eine entsprechende Schwächung vorgenommen werden.

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Vorbeil dieses optischen Filters besteht darin, daß eine verschiebungsinvariante Objekterkennung, auch, sehr ähnlicher Objekte, mit hoher Verarbeitungsgeschv/indigkeit bei guter Ausnutzung der Lichteingangsleistung und geringem Aufwand an Elektronik ermöglicht wird.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuhrungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Pig, 1: Optische Vergleichsstrecke zur Erkennung von vier Objekten,

Pig. 2: Paar binärer Filtermasken eines optischen Pilters zur Unterscheidung der Zeichen -; i von = ;T,

Im AusfUhrungsbeispiel v/erden als Objekte die Zeichen -j I 5 =;T verwendet. Pig. 1 zeigt das Schema einer optischen Vergleichsstrecke, mit der bestimmt v/erden kann, um welches der vier möglichen Zeichen es sich bei dem zu erkennenden, eingegebenen Zeichen handelt. Das eingegebene Zeichen 3 wird von einem Laser mit Strahlaufweiter 1 über eine Kollimationslinse 2 beleuchtet. Eine zweite Linse 4 bewirkt die Fouriertransformation des eingegebenen Zeichens 3. Ein Bildvervielfacher 5 teilt den Strahl in vier Strahlen, die in der Pourierebene von den vier Piltermasken 6, 7, und 9 der zwei Filter 6/7 und 8/9 gefiltert werden. Das durchgelassene Licht fällt auf die hinter den Masken befindlichen Potoempfängeranordnungen 10, 11, und 13. Die vier Signale dieser Potoempfängeranordnungen werden in den beiden Vergleichskreisen 14 und zu den zwei Aussagen verarbeitet, ob das Signal von größer ist als das von 11 oder umgekehrt und ob das

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Signal von 12 größer ist als das von 13 oder umgekehrt. KLn Codeumsetzer 16 stellt den Anschluß für die v/eiterverarbel tung her. In dieser optischen Vergleichsstrecice betrifft die Erfindung die beiden Filter 6/7 und ö/3, v/elche eine für die Erkennung geeignete optische Inf orraationsreduktion bewirken» -als Beispiel für ein Filter zeigt Pig, 2 die beiden l''iltermasken 6 und 7 zur Zuordnung eines eingegebenen Zeichens aus dem Zeichenvorrat - ; = ; i ; T zu einer der beiden Gruppen - ; \ oder = ;T.

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Claims (1)

1. Pat entansprüche

   Optisches PiIter zur Informationsverarbeitung, bestehend aus einem Paar binärer Filtermasken, die in Fourierebenen einer optischen Vergleichsstrecke" angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß für ein zu erkennendes Objekt die Intensität des Fourierspektrums über die lichtdurchlässigen Gebiete einer Filtermaske integriert entweder größer oder kleiner ist als die Intensität des Fourierspektrums über die lichtdurchlässigen Gebiete der anderen Filtermaske integriert, je nachdem, ob das Objekt der einen oder der anderen von zwei Gruppen aus einem Vorrat von Objekten angehört.

   Optisches Filter zur Informationsverarbeitung, bestehend aus einer binären Filtermaske, die in der Fourierebene einer optischen Verarbeitungsstrecke angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß für ein zu erkennendes Objekt die Intensität des Fourierspektrums über die lichtdurchlässigen Gebiete dieser Filtermaske integriert entweder größer oder kleiner ist als ein Schwellwert, je nachdem, ob das Objekt der einen oder der anderen von zwei Gruppen aus einem Vorrat von Objekten angehört.

   Optisches Filter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in einem Paar oder mehreren Paaren binärer Filtermasken und/oder die in einzelnen oder mehreren binären auf Schwellwertvergleich basierenden Filtermasken vorhandenen lichtdurchlässigen Gebiete und/oder Teile von diesen auf einer Filtermaske angeordnet sind.

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   4. Optisches Filter nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung der lichtdurchlässigen Gebiete von verschiedenen Filtermasken auf einer Filtermaske die zu den verschiedenen Filtermasken gehörenden lichtdurchlässigen Gebiete und/ oder Teile von diesen mit unterschiedlich beugenden und/oder brechenden und/oder reflektierenden Elementen versehen sind, die das einfallende Licht zu den den jeweiligen lichtdurchlässigen Gebieten bzw. Teilen von diesen zugeordneten Empfängern lenken.

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