Теоретичні методи оптичного розпізнавання образів, захисту та цифрової обробки інформації

Переважна більшість сучасних систем оптичної обробки інформації базується на використанні методів фур’є-оптики та інтегральних перетворень типу згортки, дискретних ортогональних перетворень Фур’є, Адамара та ін. Останнє десятиліття в оптиці харак­теризується інтенсивним розвитком теорії дробового фур’є-пере­тво­рення (ДФП), яка повніше розкриває закономірності перетворення оптичної інформації і відкриває можливості для створення принципово нових методів та систем оптичної обробки інформації.

З 2000 р. в Інституті вперше в Україні розпочалися наукові дослідження з теорії ДФП на основі методу розподілу сигналів (М.В.Шовгенюк., Ю.М.Козловський). Теоретично доведено, що в процесі ДФП відбувається поворот розподілу вхідного сигналу на інформаційній діаграмі спряжених координат – координата, просторова частота. Виведено ядро ДФП із врахуванням оптичних констант, що дозволило дослідити закономірності формування спряжених зображень ДФП в реальних оптичних системах.

На основі теорії ДФП для задач розпізнавання образів вперше розроблена оптична система узагальненого корелятора спільного ДФП еталонного та досліджуваного зображень. Система дозволяє записувати висококонтрастну інтерференційну картину оптично суміщених зображень у довільній площині області ДФП. Розроблена кореляційна схема розпізнавання образів дозволяє суттєво підвищити надійність ідентифікації зображень. Спосіб розпізнавання та пристрій ідентифікації захищені патентом та міжнародною заявкою РСТ.

Розвинуто теорію формування самозображень періодичних фазових елементів (ефект Тальбота) в області ДФП для інтерферометричних вимірювань. Визначені інваріантні умови формування самозображень. Для різних інваріантних умов отримані аналітичні розв’язки і показано, що процес формування самозображень відбувається в результаті інтерференції скінченного числа елементарних комірок фазового елемента.

Запропонована модель дозволяє точно розраховувати значення інтенсивності рівнів самозображень та експериментальним шляхом визначити різницю фаз періодичних оптичних елементів. Для прикладних задач інтерферометрії ці дослідження проводяться спільно з Інститутом фотоніки і мікромеханіки Варшавської політехніки. На основі ефекту Тальбота теоретично вивчено умови формування самозображень фазовими решітками з контрастом 100% в області дифракції Френеля та ДФП, які мають перспективи використання для мікролітографії, рентгенівської томографії та атомної інтерферометрії.

Теоретично обґрунтовано принципову можливість використання ефекту Тальбота для оптичного зондування середовища з поглинаючими світло мікрочастинками. Врахування показника заломлення середовища приводить до повздовжнього зміщення еквідистантних площин формування самозображення фазової решітки, а наявність поглинаючих мікрочастинок (< 1%) у середовищі стимулює появу самозображень у дробових площинах Тальбота.

Розроблені нові методи цифрової обробки зображень на основі дискретного перетворення Адамара для сучасних технологій захисту цінних паперів та документів (М.В.Шовгенюк, М.П.Козловський, Т.Є.Крохмальський, Т.В.Фітьо, Л.А.Дідух). На основі використання ортогональних матриць Адамара розроблено методи та алгоритми кодування зображень, запропоновано принципово новий тип графічного елемента захисту цінних паперів, що складається із кодованого зображення та його ключа, які виготовляються за допомогою спеціалізованої комп’ютерної програми “ГрафіКод 4”.

Вікно програми “ГрафіКод 4”.

Перевагою запропонованого способу кодування графічного зображення впорядкованими неперіодичними структурами є: абсолютна візуальна нероз­різнимість кодованого зображення, велика кількість різних ключів (біля 2х10⁸ варіантів) для розко­довування графічної інформації; можливість розкодовування зображення високої роз­дільної здатності з мінімальними шумами; надійність ідентифікації та високий рівень захисту. Розроблена Інститутом технологія захисту цінних паперів захищена патентами України та США, міжнародною патентною заявкою РСТ.

У рамках інноваційного проекту НАН України у 2007 р. проведено дослідження з промислового освоєння спеціалізованого програмного забезпечення та впровадження нової технології захисту цінних паперів на державному підприємстві поліграфічний комбінат “Україна” із виготовлення цінних паперів та в Національному банку України. Технологія оптичного захисту цінних паперів демонструвалася на виставках в Україні, США та Німеччині.

Розробляються нові методи цифрової обробки кольорового зображення для видавничо-поліграфічних систем (М.В.Шовгенюк, Н.С.Писанчин, Т.В.Фітьо, Н.В.Занько). На основі дискретного перетворення Хартлі запропоновано новий кольоровий простір ICaS, який використано для розробки цифрових методів кольороподілу зображень із врахуванням реальних параметрів і характеристик процесу друку, що дозволяють моделювати умови синтезу кольорів реальними фарбами на друкарському відбитку. В рамках інноваційного проекту НАН України 2008 р. розроблено спеціалізовану комп’ютерну програму “ICaS Колір Друк-1”, що базується на новій технології кольороподілу зображень, та пакет програмного забезпечення для проектування оптимальних технологічних процесів відтворення кольорового зображення у видавничо-поліграфічних системах.