Diseño de procesadores ópticos multicanales. Aplicación al procesado de texturas

Abstract

En aquest treball s'estudia l'adaptació de tres processadors óptics, per aplicar-los a tasques de caracterització, classificació i seudo-coloració de textures. Gràcies a la velocitat i paral.lelisme de les arquitectures proposades les diferents aplicacions han pogut ser implementades en temps real. <br/>El primer processador óptic adaptat es el difractómetre convergent, arquitectura basada en la del correlador de transformades conjuntes (JTC). El processador óptic construït permet obtenir ópticament l'espectre de potencia de las imatges de les diferents textures utilitzades. Per tal de poder canviar les imatges en forma dinámica en el procesador s'ha utilitzat una pantalla de cristall liquid, configurada per modular en amplitut. El front d'ona al atravessar l'escena representada en amplitud en el modulador, es perturbat. En el pla on es forma l'imatge de la font puntual, junt amb aquesta, apareix l'espectre de potència de l'escena. Una càmera CCD situada en aquest pla i una tarja digitalitzadora es l'encarregada de capturar l'imatge de l'espectre, imatge que es analitzada per l'ordinador. <br/>La principal modificació realiztada l'arquitectura, respecte a un difractómetre convencional, consiteix en situar un filtre pasa-alts davant de la cámara CCD amb la finalitat de bloquejar l'imatge de la font puntual juntament amb les frequencies mes baixes del espectre de potencia. D'aquesta manera s'aconsegueix evitar la saturació de la càmera, augmentant el contrast en la resta del espectre de potència. En aquest cas, les caracteristiques considerades per realiztzar la clasificació va ser directament la totalitat de l'imatge de la distribució de l'energía del espectre de potències captat per la CCD. <br/>La resta de processadors utilizats consisteixen en dos adaptacions de la arquitectura del correlador convergent. Aquest tipus de processadors permeten conservar la localització de l'informació en el domini espacial, fet que ens ha permes desenvolupar, a més de la classificació de textures, dues aplicacions més; la seudo-coloració i la segmentació. Per poder representar les imatges de les escenes i dels filtres en forma dinámica s'utilitzaren dos moduladors espaials de llum de cristall líquid nemàtic. <br/>A diferéncia del difràctómetre convergent, en les arquitectures del correlador convergent, les característiques de les diferents textures son calculades a partir de l'energía de les imatges filtrades. Per tal de poder obtenir el conjunt de caracteristiques d'una determinada imatge en temps real fou necessari modificar l'arquitectura del correlador de forma que fos posible proccesar més d'un canal de frequències en paralel. Producte de l'esmentada necessitat es van desenvolupar dos métodes que permenten convertir un procesador óptic monocanal en un processador multicanal.<br/>El primer mètode proposat consisteix en aprofitar el paral.lelisme inerent de la llum per multiplexar espacialment un conjunt de canals de frequència en un sol filtre de fase. Cada canal de frequència es codificat utilitzant com a support una determinada fase lineal. La llum, al atravessar el filtre, es desviada en diverses direccións, obtenint en el pla de correlació un conjunt d'imatges filtrades separades espaialment.<br/>El segon métode proposat consistex en multiplexar els canals utilitzant diverses longituds d'ona. El sistema óptic es iluminat utilitzant una font de llum blanca. Per tal de poder representar filtres en color es sitúa una diapositiva en color darrera del modulador del pla de Fourier. En aquest mateix modulador, configurat en mode amplitut, es representa un filtre amb tres canals de frequència. La llum al atravessar el filtre es modulada en amplitud per el modulador i en longitud d'ona per la diapositiva en color. Una càmera en color de 3 CCD, situada en el pla de correlació, es l'encarregada de demultiplexar les imatges filtrades en tres canals de color R, G i B. <br/>En les aplicacions de processat de textures desenvolupades fòren utilitzats tres bancs de filtres passa-banda; el primer basat en les funcions de Gabor, el segón format per sectors circulars i el darrer disenyat específicament per aplicacions de seudo-colorejat en frequències. En totes les aplicacions desenvolupades s'obitngueren excel.lents resultats, resultats que mostren l'eficàcia tant de les arquitectures óptiques com dels mètodes proposats a l'hora de processar imatges de textures en temps real.

In this work we purpose the adaptation of three optical processors for real time texture images processing. We develop three applications: texture identification, texture segmentation, and colour frequency encoding. The optical processors are powerful 2-D image processors systems. The information can be processed in parallel and more fast than digital processors. The modifications introduced in the optical processors allows us to develop the texture applications in real time. The results obtained in all of the applications were very satisfactory. These results show the powerful of the optical processors designed in that kind of tasks.<br/>The first optical processor adapted was a convergent diffractometer. The architecture of the processor was based in the joint transform correlator (JTC). A liquid crystal device working in amplitude mode was used to display the texture images. With the optical processor was possible to obtain the power spectrum of a given texture image displayed on LCTV at the speed of light. A CCD camera and a frame-grabber capture the power spectra of texture images that are analyzed by a computer to perform the classification. A high-pass filter is used to avoid the CCD saturation. The optical system allows us to develop a very fast texture classification process. 99% of the images were well classified in the process. <br/>The other optical processors designed are based on the convergent correlator architecture. With this kind of processors is possible preserve the local information of the processed signal. That allows developing more applications of texture image processing than classification. Particularly, we purpose a texture segmentation and texture frequency colour encoding applications. To do these applications in real time it was necessary modify the classical convergent correlator architecture to increase its processing speed. We suggest two different ways to do it. The first one is multiplexing several channels in the space of the optical processor. The other way is multiplexing three channels using different wavelengths. In both cases the modifications allowed us to obtain several channels in parallel at the same time. <br/>The method that we purpose to multiplexing spatially several channels use a phase only filter. First, we split the frequency domain in several channels (or zones). To codify one channel (or zone) onto the filter, we draw that zone with a determinate linear phase in it. Using different linear phases we can codify different channels into the phase filter. When the light pass through the filter, in frequency domain, is tilted in several directions, one direction for each codified channel. In correlation plane we obtain a composition of displaced images. Each of these images is the original image filtered by one of the frequency channels codified into the filter. With this method it was possible codify 8 frequency channels in a phase filter, increasing the processing speed in this factor.<br/>To multiplexing channels using different wavelengths, we added a color film transparency to LCTV filter display, and change the laser by white light. In this case, the LCTV filter display allows to modulate the amplitude of the light and the color film modulate the colour of the light. The correlation plane is captured with a 3-CCD color camera that decompose the signal in the color channels R, G and B. That allows increase the speed of the processor in a factor three. <br/>The results obtained in all of the developed applications were excellent, and they show the very good performance of all the optical systems that were purposed.

En este se ha trabajo se ha estudiado la adaptación de tres procesadores ópticos, ampliamente utilizados en el área para aplicarlos a tareas de caracterización, clasificación, segmentación y seudocoloración de texturas. Gracias a la velocidad de procesado de las arquitecturas propuestas dichas aplicaciones han podido implementarse para que operen en tiempo real. <br/>El primer procesador óptico adaptado fue un difractómetro convergente, arquitectura basada en la del correlador de transformadas conjuntas (JTC). El procesador óptico construido permitió obtener ópticamente el espectro de potencia de las imágenes de texturas utilizadas para los procesos de caracterización y clasificación. Con el fin de poder cambiar dinámicamente las imágenes en el procesador se utilizó un modulador de luz, configurado en amplitud, para su representación. Los espectros de potencias, captados mediante una cámara CCD, fueron digitalizados para realizar su análisis y procesado en el ordenador. Los otros dos procesadores utilizados fueron dos adaptaciones del correlador convergente. A diferencia del difractómetro convergente, este tipo de procesadores permiten conservar la localización en el domino espacial de la información procesada, lo que permitió desarrollar además de aplicaciones de caracterización y clasificación de texturas, aplicaciones de seudocoloración y segmentación. La utilización de moduladores espaciales de luz para representar tanto la escena como los filtros permitieron cambiar ambas imágenes de forma dinámica. Con el fin de poder realizar las aplicaciones de procesado de texturas propuestas en tiempo real fue necesario modificar la arquitectura del correlador para que permitiera procesar más de un canal de forma paralela. Producto de esa necesidad se desarrollaron dos métodos que permiten convertir un correlador óptico en multicanal. <br/>El primer método propuesto utiliza luz monocromática y se basa en aprovechar el paralelismo inherente de la luz para multiplexar espacialmente varios canales de frecuencia en un único filtro de fase. Cada canal de frecuencia es codificado utilizando una fase lineal distinta. La luz, al atravesar el filtro, es desviada en distintas direcciones, obteniendo en el plano de correlación los distintos canales demultiplexados espacialmente. El segundo método propuesto consiste en mutiplexar los canales utilizando tres longitudes de onda distintas. Para ello, el sistema óptico es iluminado con una fuente de luz blanca. La adaptación del filtro se realiza adosando una diapositiva en color al modulador del plano de Fourier. En el modulador del filtro, configurado en amplitud, se representan simultáneamente un conjunto de tres canales de frecuencia. La luz al atravesar el filtro es modulada en amplitud por el modulador y en longitud de onda por la diapositiva en color. Una cámara CCD en color situada en el plano de correlación es el dispositivo encargado de realizar la demultiplexión de los tres canales.<br/>En las aplicaciones de procesado de texturas desarrolladas fueron utilizados tres bancos de filtros distintos, un banco de filtros pasa-banda basado en funciones de Gabor, otro formado por sectores anulares y dos bancos diseñados específicamente para aplicaciones de seudocoloreado de frecuencias espaciales. Con todos ellos se obtuvieron excelentes resultados en las diversas aplicaciones desarrolladas.