(48-4) 07 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Многопорядковые оптические пространственные вихревые фильтры для одновременного выделения контуров различных частей объекта
С.Н. Хонина 1,2, А.П. Порфирьев 1,2, П.А. Хорин 1, А.П. Дзюба 1, Д.П. Серафимович 1,2, Р.В. Скиданов 1,2

1 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34;
2 Институт систем обработки изображений, НИЦ «Курчатовский институт»,
443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151

  PDF, 4310 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1497

Страницы: 525-534.

Аннотация:
Проведено исследование преобразования анализируемого объекта набором из нескольких пространственных фильтров, включая полосовые, дифференциальные, радиальные и вихревые различных типов, а также фильтры Гильберта. Численно продемонстрированы преимущества и недостатки различных фильтров по четкости, инвариантности направления выделения краев, а также энергетической эффективности. На основе полученных результатов разработаны многопорядковые оптические пространственные вихревые фильтры для одновременного выделения контуров различных частей объекта. При этом показано, что многопорядковый фильтр позволяет в одной плоскости формировать набор картин с чётко выделенным полным контуром, углами объекта и различными частями контура. Проведена численная и экспериментальная апробация 4- и 5-канальных пространственных вихревых фильтров различных типов на тестовых объектах. Показана возможность использования предложенных фильтров для одновременного выделения краёв всего изображения и различных частей изображения с целью извлечения большего числа особенностей из анализируемого изображения.

Ключевые слова:
пространственная фильтрация, выделение краёв, многопорядковые оптические фильтры.

Благодарности
Исследование выполнено в рамках научной программы Национального центра физики и математики, направление № 1 «Национальный центр исследования архитектур суперкомпьютеров. Этап 2023-2025» в части численного моделирования, а также в рамках Государственного задания НИЦ «Курчатовский институт» в теоретической части.

Цитирование:
Хонина, С.Н. Многопорядковые оптические пространственные вихревые фильтры для одновременного выделения контуров различных частей объекта / С.Н. Хонина, А.П. Порфирьев, П.А. Хорин, А.П. Дзюба, Д.П. Серафимович, Р.В. Скиданов // Компьютерная оптика. – 2024. – Т. 48, № 4. – С. 525-534. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1497.

Citation:
Khonina SN, Porfirev AP, Khorin PA, Dzyuba AP, Serafimovich DP, Skidanov RV. Multi-order optical spatial vortex filters for simultaneous contour extraction of various parts of an object. Computer Optics 2024; 48(4): 525-534. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1497.

References:
  1. Gillespie WA. Optical information processing. Phys Educ 1999; 127(3): 29. DOI: 10.1088/0031-9120/29/3/003.
  2. Goswami D. Optical computing. Resonance 2003; 8(6): 56-71. DOI: 10.1007/BF02837869.
  3. Ambs P. Optical computing: A 60-year adventure. Adv Opt Technol 2010; 2010: 372652. DOI: 10.1155/2010/372652.
  4. Minzioni P, Lacava C, Tanabe T, et al. Roadmap on all-optical processing. J Opt 2019; 21(6): 063001. DOI: 10.1088/2040-8986/ab0e66.
  5. Kazanskiy NL, Butt MA, Khonina SN. Optical computing: Status and perspectives. Nanomaterials 2022; 12(13): 2171. DOI: 10.3390/nano12132171.
  6. Weaver CS, Goodman JW. A technique for optically convolving two functions. Appl Opt 1966; 5(7): 1248-1249. DOI: 10.1364/AO.5.001248.
  7. Kasana RS, Bhatnagar GP, Dubey MC. A review of mathematical operations by optical data processing. IEE-IERE Proc India 1975; 13(4): 134-144. DOI: 10.1049/iipi.1975.0034.
  8. Javidi B, Hornder JL. Real-time optical information processing. Boston: Academic Press; 1994.
  9. Goodman JW. 4 decades of optical information processing. Opt Photonics News 1991; 2(2): 11-15. DOI: 10.1364/OPN.2.2.000011.
  10. Heanue JF, Bashaw MC, Hesselink L. Volume holographic storage and retrieval of digital data. Science 1994; 265(5173): 749-752. DOI: 10.1126/science.265.5173.74.
  11. Goodman J. Introduction to Fourier optics. San Francisco, CA: McGraw Hill; 1968.
  12. Bracewell RB. The Fourier transform and its application. McGraw Hill; 1965.
  13. Stark H. Applications of optical Fourier transforms. Elsevier; 2012.
  14. Zernike F. How I discovered phase contrast. Science 1955; 121(3141): 345-349. DOI: 10.1126/science.121.3141.345.
  15. Casasent D, Furman A. Determining optimal matched filter parameters. Appl Opt 1976; 15(7): 1690-1691. DOI: 10.1364/AO.15.001690.
  16. Yu FTS, Gregory DA. Optical pattern recognition: architectures and techniques. Proc IEEE 1996; 84(5): 733-752. DOI: 10.1109/5.488743.
  17. Glückstad J, Mogensen PC, Eriksen RL. The generalized phase contrast method and its applications. DOPSNYT 2001; 1: 49-54.
  18. Juday R. Correlation filter basics. In Book: Vijaya Kumar BVK, Mahalanobis A, Juday RD. Correlation pattern recognition. Ch 5. Cambridge University Press; 2005: 130-195. DOI: 10.1017/cbo9780511541087.006.
  19. Yelleswarapu CS, Kothapalli S-R, Rao DVGLN. Optical Fourier techniques for medical image processing and phase contrast imaging. Opt Commun 2008; 281(7): 1876-1888. DOI: 10.1016/j.optcom.2007.05.072.
  20. Schausberger SE, Heise B, Maurer C, Bernet S, Ritsch-Marte M, Stifter D. Flexible contrast for low-coherence interference microscopy by Fourier-plane filtering with a SLM. Opt Lett 2010; 35(24): 4154-4156. DOI: 10.1364/OL.35.004154.
  21. Maurer C, Jesacher A, Bernet S, Ritsch-Marte M. What spatial light modulator can do for optical microscopy. Laser Photon Rev 2011; 5(1): 81-101. DOI: 10.1002/lpor.200900047.
  22. Zheng GA, Horstmeyer R, Yang CH. Wide-field, high-resolution Fourier ptychographic microscopy. Nat Photon 2013; 7(9): 739-745. DOI: 10.1038/nphoton.2013.187.
  23. Xiong Y, He A, Quan C. Cryptanalysis of an optical cryptosystem based on phase-truncated Fourier transform and nonlinear operations. Opt Commun 2018; 428: 120-130. DOI: 10.1016/j.optcom.2018.07.058.
  24. Zhu X, Yao H, Yu J, Gbur G, Wang F, Chen Y, Cai Y-j. Inverse design of a spatial filter in edge enhanced imaging. Opt Lett 2020; 45(9): 2542-2545. DOI: 10.1364/OL.391429.
  25. Kato H, Goodman JW. Nonlinear filtering in coherent optical systems through halftone screen processes. Appl Opt 1975; 14(8): 1813-1824. DOI: 10.1364/AO.14.001813.
  26. Babkina TM, Voloshinov VB. A new method of acousto-optic image processing and edge enhancement. J Opt A: Pure Appl Opt 2001; 3(4): S54. DOI: 10.1088/1464-4258/3/4/359.
  27. Popescu G, Deflores LP, Vaughan JC, Badizadegan K, Iwai H, Dasari RR, Feld MS. Fourier phase microscopy for investigation of biological structures and dynamics. Opt Lett 2004; 29(11): 2503-2505. DOI: 10.1364/OL.29.002503.
  28. Khonina SN, Kotlyar VV, Shinkaryev MV, Soifer VA, Uspleniev GV. The phase rotor filter. J Mod Opt 1992; 39(5): 1147-1154. DOI: 10.1080/09500349214551151.
  29. Hahn SL. Hilbert transforms in signal processing. Boston, London: Artech House; 1996.
  30. Davis JA, McNamara DE, Cottrell DM, Campos J. Image processing with the radial Hilbert transform: Theory and experiments. Opt Lett 2000; 25(2): 99-101. DOI: 10.1364/OL.25.000099.
  31. Guo C-S, Han Y-J, Xu J-B, Ding J. Radial Hilbert transform with Laguerre-Gaussian spatial filters. Opt Lett 2006; 31(10): 1394-1396. DOI: 10.1364/OL.31.001394.
  32. Jesacher A, Furhapter S, Bernet S, Ritsch-Marte M. Shadow effects in spiral phase contrast microscopy. Phys Rev Lett 2005; 94(23): 233902. DOI: 10.1103/PhysRevLett.94.233902.
  33. Maurer C, Bernetand S, Ritsch-Marte M. Refining common path interferometry with a spiral phase Fourier filter. J Opt A: Pure Appl Opt 2009; 11(9): 094023. DOI: 10.1088/1464-4258/11/9/094023.
  34. Ananin MA, Khonina SN. Modelling of optical processing of images with use of the vortical spatial filter. Computer Optics 2009; 33(4): 466-472.
  35. Davis JA, Smith DA, McNamara DE, Cottrell DM, Campos J. Fractional derivatives – analysis and experimental implementation. Appl Opt 2001; 40(32): 5943-5948. DOI: 10.1364/AO.40.005943.
  36. Wang J, Zhang W, Qi Q, Zheng S, Chen L. Gradual edge enhancement in spiral phase contrast imaging with fractional vortex filters. Sci Rep 2015; 5: 15826. DOI: 10.1038/srep15826.
  37. Situ G, Pedrini G, Osten W. Spiral phase filtering and orientation-selective edge detection/enhancement. J Opt Soc Am A 2009; 26(8): 1788-1797. DOI: 10.1364/JOSAA.26.001788.
  38. Sharma MK, Joseph J, Senthilkumaran P. Selective edge enhancement using anisotropic vortex filter. Appl Opt 2011; 50(27): 5279-5286. DOI: 10.1364/AO.50.005279.
  39. Sharma MK, Joseph J, Senthilkumaran P. Selective edge enhancement using shifted anisotropic vortex filter. J Opt 2013; 42: 1-7. DOI: 10.1007/s12596-012-0089-6.
  40. Khonina SN, Porfirev AP. Generation of multi-contour plane curves using vortex beams. Optik 2021; 229: 166299. DOI: 10.1016/j.ijleo.2021.166299.
  41. Kazanskiy NL, Khonina SN, Karpeev SV, Porfirev AP. Diffractive optical elements for multiplexing structured laser beams. Quantum Electron 2020; 50(7): 629-635. DOI: 10.1070/QEL17276.
  42. Kotlyar VV, Kovalev AA, Porfirev AP. Asymmetric Gaussian optical vortex. Opt Lett 2017; 42(1): 139-142. DOI: 10.1364/OL.42.000139.
  43. Khonina SN, Ustinov AV. Focusing of shifted vortex beams of arbitrary order with different polarization. Opt Commun 2018; 426: 359-365. DOI: 10.1016/j.optcom.2018.05.070.
  44. Vickers J, Burch M, Vyas R, Singh S. Phase and interference properties of optical vortex beams. J Opt Soc Am A 2008; 25(3): 823-827. DOI: 10.1364/JOSAA.25.000823.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: journal@computeroptics.ru; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20