利用形状对图象进行表征、编码、存储及搜索的设备和方法

专利名称：利用形状对图象进行表征、编码、存储及搜索的设备和方法
背景技术：
有关专利申请的交叉参考本专利申请是1999年6月4日在美国专利及商标办公室提出申请的序号为09/326,362的美国专利申请的后续部分。
于1999年6月4日提出申请的美国序号09/326,362的申请人共同未决专利申请描述了如何在利用或通过互联网可以访问的各种数据库、服务器、网站等中能够找到图象，以及利用光学相关技术将图象与一个参考图象进行比较。然而，每次寻找针对不同参考图象的匹配物时，必须搜索所有这些现有的资源并不是十分满意或有效率的。当然，从所有这些现有的资源中找到的所有图象可以放入一个单个的或中央数据库，然后对参考图象的匹配物的每次搜索可以在那个数据中进行。这样一种方法将避免每次搜索都必须前往所有现有的源。然而，许多图象需要成百或上千个千字节的数据，所以，就需要一个巨大数据存储器将成亿或上十亿个图象集中并存储在一个数据库中，而且即使所有图象都在一个单个数据库中，但是针对每个参考图象而搜索所有这些图象仍将是低效率的。可是，通过任意分类来限制搜索时间和资源要求的意图，其虽然可能在有限程度上将是有利的，但是却强加给与ditto.com类型图象搜索引擎有关的至少上述某些限制和低效率。序号为09/326,362的申请人共同未决的专利申请没有说明在这些各种数据库、服务器、网站等中找到的图象如何以需要最少的信息数据的字节的方式加以表征以实现便宜、可管理的数据库存储、快速搜索以及用于匹配比较的迅速检索。
存在这样一种要求，即要求有一种更自动化的、高速的设备和方法用于以一种可存储、搜索、检索并能与参考图象比较的方式对图象进行表征，而人为的介入或参与(如果有的话)最少。
本发明的公开内容所以，本发明的一般目的是提供一种利用每个图象唯一的而且适合在数据库中编码、存储和搜索的信息对图象进行表征的改进设备和方法。
本发明的一个更具体的目的是提供一种方法，所述方法用于快速地对一个图象中的形状进行表征而且利用最少的数据对这种与形状有关的特性进行编码，以便数据的存储、搜索及检索能够快速进行，而无需特别的计算机处理功率和存储容量。
本发明的另一个具体的目的是提供基于参考图象从图象数据库中对一个图象的自动搜索和检索。
本发明的这个及其它目的、优点及新奇的特征将在接下来的描述中得到部分阐述，并且部分地对于该领域的技术人员在查看了下面的描述之后将显而易见，或者通过本发明的实践可以了解。这些目的和优点可借助各种手段及在所附的权利要求中特别指出的组合得以实现并达到。
为了达到上述的目的及其它目的，并根据如这里所具体化并且广义地叙述的本发明的目的，本发明的方法包括通过下述方法对用于形状内容的图象进行表征利用光能量建立图象的光学傅立叶变换图形；用一个旋转狭缝将对来自傅立叶变换图形的光能量进行空间滤波，以产生一个经滤波的光能量图形；当光能量在狭缝的分立的角方位上被分布在经滤波的图形中时，探测其强度；并且存储在空间图形中所探测的光能量强度以及狭缝的分立的角方位，在所述狭缝的分立的角方位处光能量的这种强度被探测出。该发明还包括将分布在滤波图形的光能量分裂成两束，用于通过两个单独探测器阵列进行探测，所述两个单独探测器阵列实际上相对滤波图形是相互偏离的，以免在跨接探测器阵列之一中的两个或多个单独光敏元件相互之间边界上的光能量点或区中损失光能量强度。处理与存储光能量强度包括将单独光敏元件的强度与狭缝的角方位组合起来用于存储于在探测器阵列中与单独光敏元件位置相对应的数据阵列的空间中。只有当强度至少与强度阈值一样高时，它们才可根据强度阈值被测量，并存储在数据库中。如一个或多个失真级的一个标志能够添加到存储在数据阵列中的旋转和强度信息上。
为更进一步达到上述目的，本发明的设备包括一个光学图象形状内容的表征器，所述表征器包括一个傅立叶变换透镜，其用于在透镜的焦平面上产生一个来自图象的光能量傅立叶变换图形；一个空间滤波器，其具有定位在透镜焦平面上的旋转狭缝，以便在该狭缝的角方位上只通过来自该傅立叶变换图形的光能量；一个光探测器，其被放置用于探测空间滤波器所通过的光；以及一个具有相关相干光源的空间光调制器。该空间光调制器可编址以利用来自相关相干光源的相干光产生一个图象，并利用相干光通过傅立叶变换透镜投射图象。光探测器优选地包括单独光敏元件的两个探测器阵列，而且束分裂器将滤波的图形一部分投射到其中一个探测器阵列上，另一部分投射在另一个探测器阵列上。探测器阵列相对滤波的图形实际上是互相偏离的。一种比较器电路(或执行比较器功能的软件)从一个阵列中的一个单独光敏元件和另一个阵列中实际上部分地并置的一串光敏元件中选择强度。RIXe1数据库阵列用于将强度连同旋转方位及一个任选的可搜索的标志，如失真系数存储在一起。
附图的简要说明被插入的并构成本说明书的一部分的


了本发明的优选实施例，并与说明书共同解释本发明的原理。
图1是根据本发明的一个光学图象表征器的示意简图；图2a-c表示了空间滤波器中狭缝的垂直角方位(图2a)与图象中的形状特征(图2b)的关系及所生成的光能量的滤波图形(图2c)；图3a-c与图2a-c类似，只是狭缝角方位距垂直位置大约50°；图4a-c也与图2a-c类似，只是狭缝旋转成水平位置；图5是被用于探测光能量滤波图形的本发明的偏离的、实际并置探测器格栅的图解说明；图6是实际并置探测器阵列的放大部分，其图解说明了跨接在相邻光敏元件之间边界上光能量点或区的探测；图7是一个功能简图，其图解说明对图象同一性和用于RIXe1数据阵列的RIXe1旋转和强度数据的采集；图8是一个强度信号比较器电路的示意性图解说明，该电路用于从一个探测器阵列的一个光敏元件和另一个探测器阵列的四个部分地并置的光敏元件中间选择强度，用于将其包含到RIXe1数据库中；以及图9a-b图解说明了RIXe1数据库的一部分，其具有填充有用于精确搜索的旋转、强度和失真信息的空间，以及附加的填充有用于较低精确搜索的不同失真值标志的空间。
执行本发明的最佳模式图1示意性示出根据本发明通过形状内容对光学图象进行表征、存储及搜索的光学图象表征器10，该表征器10根据包括该图象的几何形状表征一个图象，而且该特征将对于该图象是唯一的。该图象的其它特征，如利用本发明以外的不同光学设备所产生的颜色及/或组织，可以同本发明所获得的形状特征一起使用，进一步表征和搜索图象。然而，根据本发明这个说明将主要地集中在图象形状内容表征上。
基本上，采样图象12被输入到光学图象形状表征器10中，该采样图象可从任一源(例如互联网、电子数据库、网站、图书馆、扫描器、照片、电影胶片、雷达图象、电子静止或运动视频相机以及其它来源)获得，下面将详细描述。任何数量n的其它采样图象14，…，n如图所示排列，如箭头16、18指示按顺序输入到光学图象表征器10中。任何数量n的这种有顺序的图象12，14，…，n的输入可以手动进行，或优选地采用自动方式，如机械幻灯处理器、计算机图象生成器，电影胶片投影机、电子静止或视频相机等。图1中的框20示意性地表示能将图象12，14，…，n排列并移入图象表征器10中的任何设备。为方便和简单起见，随后的描述决大部分只参照第一个图象12，但是要明白它也适用于任何图象12，14，…，n。
同样，在垂直于从图象照明器21所发出光束22的一个平面内，即，在垂直于图1视图的平面内，几个采样图象12，14，…，n，也被插入到光学图象表征器10中。然而，为便于解释、说明及理解本发明，图象12，14，…，n，被示为投射在与图1视图平面平行的平面内，即，平行于纸的平面内。为了解释、说明以及理解，这种同样的惯例也用来将图象12’、傅立叶变换图形32、空间滤波器10、滤波图形60以及探测器光栅82、92从其垂直于光束的相应平面投射到纸面中。下面将详细解释本发明的这些部件及其功能。
输入到光学图象表征器10中的一个图象12光学地通过数个光学部件，下面将更详细地描述。然而，当图象12通过薄的正透镜30，也称傅立叶变换(FT)透镜时，其就会经历重大的变换。采样图象12’的傅立叶变换将图象12’的光能量重新排列成图象12’的傅立叶变换图形32，所述傅立叶变换图形32对于图象12’是唯一的，尽管人眼对此识别不出来，并且所述傅立叶变换图形32可以通过强度，即分布在图形32各空间位置上的光能量振幅进行表征。正如下面将详细描述的那样，光能量34在图形32中的复振幅分布就是在图象12’中的复光分布的傅立叶变换，这是将图象12用单色、优选为相干光能量进行再建立。在傅立叶变换(FT)图形32中强光能量的集聚一般地与图象12’的空间频率相对应，即图象12’的特征是如何紧密地在一起或如何远地分开来变化或保持不变。例如在一个图象中，一件用方格化纤布做成的衬衫(未示出)，即有许多小方格，要比该图象中平纹单色衬衫(未示出)具有较高的空间频率，即每单位距离的变化。此外，一个图象的部分，如图象12’中汽车的保险杠或护栅部件35，会比汽车图象12’的侧板36部分具有较高的空间频率。因为保险杠和护栅部件35包括许多带有各种边缘、曲线和其它在小空间距离内具有复杂变化的小件，而侧板36在一个大的空间距离上相当平滑、均匀。来自图象的更精细细节，如图象12’的更复杂的保险杠和护栅部件35的光能量要比来自图象更粗糙，或更简单的细节，如图象12’的侧板36的光能量趋向于从傅立叶变换图形的轴线40或光学中心径向地向外分散。在傅立叶变换图形32中径向向外分散的光能量34的振幅与发出这种光能量的图象12’的相应部分的光能量有关，除了这种光能量经FT透镜30折射后被集聚在傅立叶变换图形32的平面上的区或带34中，即，被集聚在由少光能量或无光能量的带所分隔的强光能量的带中。如果图象12’的高空间频率部分，如保险杠和护栅部分35是亮的，那么来自图象12’的那些被FT透镜30分散到傅立叶变换图形32中径向更加向外的光能量带上的高空间频率部分的光能量强度或振幅将会更高，即更亮。另一方面，如果图象12’的高空间频率部分是暗的，那么来自图象12’的那些被FT透镜30分散到傅立叶变换图形32中径向更加向外的光能量34带上的高空间频率部分的光能量强度或振幅将会更低，即，不太亮。同样，如果图象12’的低空间频率部分，如侧板部分36是亮的，那么来自图象12’的那些被FT镜分散到傅立叶变换图形32中径向较少地向外的光能量带上的低空间频率部分的光能量强度或振幅将会更高，即更亮。然而，如果图象12’的低空间频率部分是暗的，那么来自图象12’的那些被FT透镜分散到傅立叶变换图形32中径向较少地向外的光能量带上的低空间频率部分的光能量强度或振幅将更低，即，不太亮。
总而言之，从图象12’发出的光的傅立叶变换图形32(i)对于图象12”是唯一的，(ii)包括从中心或光轴40径向分散的光能量34集聚的区或带，其代表空间频率，即图象12’中细节的精细度，(iii)在傅立叶变换图形32中的每个空间频率区或带上光能量34的强度或振幅均与从图象12’相应的精细或粗糙特征发出的光能量亮度或强度相对应，以及(iv)在傅立叶变换图形32的区或带中的这种光能量34的强度和空间位置都是可探测的。
然而，因为本发明的该光学图象表征器10设计用于利用包括图象12的形状来表征图象12，所以，傅立叶变换光能量图形32的附加空间滤波被用来探测并捕捉从图象12’中的较精细细节或这些较精细细节的部件发出的光能量，其在各种特定的角方位上是线性对准的。这种空间滤波可以多种不同方式完成，下面还要详细描述，但是用于这个功能的一个典型空间滤波器50配置是一个在不透明转子54上的细长狭缝52，所述不透明转子54可绕光轴40旋转。在图1中被示意性表示为电机56及围绕空间滤波器转子54延伸的驱动皮带58的旋转驱动装置如箭头159所示，围绕光学轴线40旋转空间滤波器转子54，并由此旋转狭缝。实际上，这样的一种电机56和皮带58驱动装置可以使用，但是其它更有效率的转子设备，如空气驱动装置和空气轴承(未显示)也可以使用。
在傅立叶图形32中只有与狭缝52对准的光能量34部分才能通过空间滤波器50。正如下面还要详细描述的那样，这些通过空间滤波器40的光能量部分54，即大部分从图象12’的细节或特征所发出的，表示如与狭缝52的角方位是线性对准的直线和曲线的短线段。结果是一个光能量带62的经滤波的图形60，其表示与空间滤波器50中狭缝52线性对准的图象12’中的特征或线的唯一组合。
当然，当如箭头59指示狭缝52绕光学轴线52旋转时，狭缝52将与在图象12’中具有不同角方位的特征或线对准。因此，在滤波图形60中的衍射光能量带62将随狭缝52的旋转变化，从而在各种不同角方位、复杂性或精细度及亮度方面表示出图象12’的不同特征、细节或线，下面将更详细地描述。
滤波图形60的带62中的空间滤波的光能量能够由一个或多个光探测器80a，80b在狭缝任一角方位上探测出，并电子馈入一个计算机100或其它微处理器中进行处理及编码，下面将更详细地描述。本发明的一个重要的，但不是最基本的特征包括分别使用单独光敏能量变送器84a、84b的两个探测器阵列82a、82b，但是上述阵列82a、82b之一，实际上相对于光学轴线40与另一个偏离。该特征便于详细且更快速地探测及记录经滤波的图形60，并且比一个光探测器阵列需要更少的数据处理容量或功率，下面将更详细地解释。空间滤波的光束61被束分裂器64分裂，从而将束61送至两个光探测器80a，80b，以便经滤波的图形60由两个探测器阵列82a、82b探测。
利用输入的来自一个或两个探测器阵列82a、82b关于滤波图形60的光学信息，即光能量强度(I)分布、和来自图象处理设备20关于图象12的信息(例如，识别号，源定位器等)，以及来自空间滤波器50关于狭缝52的角方位(R)的信息，计算机100可以进行编程以便给与图象12形状内容有关的图象特性进行编码。给这种信息编码的一种有用的格式是利用滤波图形60的象素，其中包括关于每个象素的X、Y座标位置的信息，旋转(即，狭缝52的角方位，由此与这样的角方位对准的图象12的线性特征)以及强度(即，来自滤波图形60的光能量振幅，它在每个象素的角方位R上被探测到。还可提供一个搜索标记，如失真系数X，下面将详细介绍。每个象素的角方位或旋转R，光能量强度I以及失真系数X的这样组合可以简称为“RIXe1”。这样每个RIXe1可以与图象12派生出来的图象12的某个标识符(例如，编号、名称等)、图象12的源位置(例如，互联网URL、数据库、文档、书标题、图象12的拥有者等)，以及关于图象的任何其它所需的信息，如格式，分辨率、颜色、组织等相关连。这样一些其它信息，如颜色及/或组织可以是从另一个数据库或者甚至从另一个光学表征器输入的信息，该光学表征器根据凡是搜索及寻找图象12或将图象12与其它图象比较时所用的颜色、组织等信息自动地表征相同的图象12。
如上所述，关于每个用形状表征且编码的图象12，14，…，n的这种信息的某些、全部或附加组合可以由计算机100送入到一个或多个数据库102。图1示出了几个用于存储有关每个图象12，14，…，n的RIXe1信息的实例数据库结构104、106、108，但是也可以使用许多其它的信息组合及结构。
在图1所示的光学图象表征器10中，图象12必须利用单色，优选为相关光能量实现再建立，例如，在图象12’处，利用一个用来自激光源23，如激光二极管、或气体二极管的一束相干光24照明的空间光调制器(SLM)26。本发明这个特征也能够用白光实施，尽管所带来的傅立叶变换和空间滤波的图形会比单色光的模糊。所以，虽然本发明以单色光，优选为相干光为基础继续进行描述，但是应该明白白光是适合的，但不是优选的替代品。空间光调制器(SLM)26可光学编址，如图1所示的那种，或者它也可电编址或电驱动，例如用视频像机(未示出)或一个计算机(未示出)驱动。正如本领域的技术人员知道的那样，空间光调制器能够通过在空间基础上将光偏振平面旋转过光束25以便将一个图象“写”入光25的偏振束中，从而根据以单色光生成图象12’的所需，既能吸收或传递偏振光，也能部分地吸收或传递偏振光。在光编址的SLM26中，在空间基础上由入射光能量将图象平面编址到与偏振旋转材料(通常是一种液晶材料)相邻的半导体材料上，而在电编址的SLM(未示出)上，液晶偏振旋转材料以象素为基础被电编址在象素上。无论在那种情况中，相干光25的偏振束部分被SLM26中的液晶材料吸收或传递。在一些SLM中，如图1示出的光编址的SLM26，偏振光的被传递部分具有偏振平面，当它一旦通过液晶材料时，就旋转45度，随后，它被反射并再次通过液晶返回时使之再旋转45度。因此，偏振束25内未在SLM26中吸收的光被反射并沿同样的光学通道27从SLM发出，但是以图象12’的形式，而且其偏振平面旋转了90度。有些电编址的SLM以几乎同样方式工作，即，偏振光通过液晶传递两次，而在两次通过之间有一次反射，而其它的只通过液晶仅在一个方向上将偏振光传递一次。
在图1的实施例中，来自激光源23的相干光束24首先通过一个偏振镜28产生光25的偏振束，而所有光都在一个平面上被偏振，如，例如，但并不限制于在如25(s)所指示的S平面上。然后S-偏振束25(s)通过空间滤波器110，所述空间滤波器110基本上包括针孔112和将束25(s)聚集在针孔112上的透镜114。这个空间过滤波器110主要地被提供用于调节束25(s)，以得到一个良好的高斯波前，而且必要时，可限制束25(s)的功率。然后透镜114a聚焦该光。
然后束25(s)通过一个偏振束分裂器116，其将偏振的光在平面118上以一个方向反射，并且在正交方向上传递偏振光。在这个例子中，偏振束分裂器116反射S-偏振光，并传递P-偏振光，而且其被方位于将S-偏振束25(s)反射向光编址的空间光调制器(SLM)16。
同时，来自照明器21如激光二极管或气体激光器的光束22照亮了图象12。正如上面提到过的，有许多把图象12放入光学图象表征器12中的其它方式，如利用阴极射线管，SLM视频显示器，机械幻灯投影仪，放影机及许许多多对本领域的技术人员显而易见的方式。为了简单起见，在图1中图象12被示例位于束22通道中支架122上的。幻灯片或胶片120上。光漫射片板124，如一个磨砂玻璃或毛玻璃可以固定在胶片120的前面以获得图象12的一个均匀的照明。然后携带图象12的束22被透镜126投射(聚焦)到光编址的空间光调制器(SLM)26上。光谱镜128是任选的。这里它用于将束22折叠起来以为把光学装置安排在一个更紧凑的排列中。
当图象12被聚焦在SLM26上时，SLM26将图象12赋予或“写”入从SLM26发出的单色光束25(s)中，如上所述，其偏振平面旋转90°。所以，携带着图象12’的相干光的发射束27(p)是p-偏振的而不是s-偏振的。所以具有图象12’的单色光束27(p)是被偏振束分裂器116传递到FT透镜30上，而不是由其反射。
正如上面解释的那样，FT透镜30将图象12中单色光能量重新分配到出现在FT透镜30焦平面上的傅立叶变换图形32中。所以，如图1焦距F所指示，具有旋转狭缝52的空间滤波器50必须定位在FT透镜30的焦平面中。同样正如上面解释的那样，在FT透镜30焦平面上的傅立叶变换图形32内光能量34的复振幅分布是图象12’内复振幅分布的傅立叶变换。傅立叶变换图形32基于图象12’的空间频率将来自图象12’的所有光能量分布在对称图形32内，使在各种空间频率分布34中具有的光能量强度是基于其中出现那些相应空间频率的图象12’对应部分内的光能量。正如上面提到过，傅立叶变换图形32从上到下，从左到右是对称的，这样傅立叶图形32的每个半圆都准确地包含了光能量的相同分布和强度。来自图象12’中较低空间频率的光能量朝向傅立叶图形32的光轴40和中心被分布，而来自图象12’较高空间频率的光能量则朝向图形32的外边缘远离光轴40被分布。来自于图象12’中垂直分布以产生那些各种空间频率的图象12’中特征的光能量同样垂直地分布在傅立叶变换图形32中。同时，来自于图象12’中水平分布以产生那些各种空间频率的图象12’中特征的光能量，水平地分布在傅立叶变换图形32中。因此，一般来说，来自图象12’中相对于光轴40以任何角方位分布以在图象12’中产生各种空间频率的图象12’特征的光能量被分布在傅立叶变换图形32内那些相同角方位上。所以，通过只探测在傅立叶变换图形32中相对光轴40的特定角方位上分布的光能量，这种探测便是图象12’中在这种特殊角方位上被线性对准的特征或细节的特征。在每个这种角方位上这种所探测的光能量的径向分布表明图象12’内的这些线性特征或细节的复杂性和清晰度，而这种所探测的光能量强度表明了图12’内的这些特征和细节的亮度。
所以，在傅立叶变换图形32中所有角方位上光能量探测的合成就产生了形状即包括图象12’的角方位及线性特征的复杂性及清晰度的合成记录。然而，对于大部分实际需要，如用于对图象12、14、…、n的形状特性进行编码以用于数据库的存储、搜索及检索，没有必要记录傅立叶变换图形12’中所有角方位的这些光能量探测。为了得到用于特定图象12、14、…、n的数据库存储、搜索及检索的足够形状特性，一般来说探测并记录在傅立叶变换图形32中只在一些角方位上的这种光能量分布和强度就足够了。为了解释，但不是为了限制的目的，使用11.25度的角增量，因为在180°旋转中有16个11.25度的增量，其具有数据处理和数据存储的效率，下面将要进行解释。然而，其它包括恒增量或变增量在内的分立的角增量也可以使用。当然，变增量就需要更多的计算机容量和更复杂的软件来管理数据处理、存储和搜索功能。
在本发明的优选实施例中，带有其狭缝52的空间滤波器50用于只允许在傅立叶变换图形32中来自特定角方位的光能量在任一瞬间及时通过距空间滤波器50一个焦距F被定位的探测器阵列82a、82b上。带有狭缝52的转子54如箭头59指示旋转。这样，探测器阵列82a、82b能够在狭缝52的任一角方位(R)上探测傅立叶图形32中的光能量分布及强度(I)。为了本发明的目的，这个功能也能以各种其它方式被提供。例如，如本领域的技术人员将会理解的那样，通过按一定顺序接通及断开电编址的空间光调制器中的象素，就会在所选的方位角上产生一个带有狭缝的空间滤波器，这种空间光调制器(未示出)可以用作空间滤波器50。
空间滤波器50中的狭缝52所优选的，但不是基本的形状是一个窄而细长的矩形，有可能如下所述中心53被堵住。狭缝52的宽度将取决于现有的或所需的光能量。较宽的狭缝52会让更多的光能量34通过，但是图象的线或特征分辨率的精度将降低。较窄狭缝52将能得到较好的线分辨率，但是相应增加了所产生图形形状的一般性和复杂性的复杂化。所以，在选择狭缝52尺寸时必须权衡考虑分辨率和可探测性。此外，不同形状，如椭圆或其它形状的狭缝也可用于捕捉图像12中非线的形状。
当狭缝52旋转时，只要狭缝52处在选定的角方位增量R上，则计算机100或一些其它适合的微处理器电路可以记录由探测器阵列82a，82b所探测出的光能量分布和强度。例如，11.25°、22.5°……、180°这样的11.25 °增量会有效地探测出在整个360°圆周上角方位的所有11.25°增量。不需要时，可能理想地是挡住光轴40附近狭缝52的中心，因为在傅立叶变换图形32内中心40附近的光能量通常是最强的。但是它不代表图像12中表征包括在图像12中的形状的线性特征及细节。所以，为了便于使用在探测器阵列84，84b中准确而精确地探测傅立叶变换图形32的径向更向外分散区域内的较小强度光能量所必需的灵敏度级，而所述较小强度光能量确实表明了图像12’的形状内容，遮住或滤出傅立叶变换图形32中心40附近较强的光能量也许是有利的。
上面叙述的旋转空间滤波方法在图2a-c，3A-c及4a-c中做了更详细的图解说明。例如，当滤波器50的转子54如箭头59指示旋转时，以便狭缝52有一个垂直角方位，其在图2a中指示的是0°，狭缝52只允许傅立叶变换图形32(图1-图2a视图中被转子54挡住)中与狭缝52对准的光能量54部分通过到探测器阵列82a，82b(图1)上。垂直分散到傅立叶变换图形32(图1)中的光能量34最初由图像12’中基本上被垂直定位的所有特征或细节中发出并与其相对应，如图2b中基本上垂直的线66、66’。正如上面解释的那样，来自较复杂或紧密相间的垂直部件或线66(即，较高的空间频率)，如图12’的前保险杠和护栅部分35的那些光能量34，从光学中心或轴线40径向地更加向外分散，而来自不太复杂或间隔较远的垂直部件或线66’(即，低空间频率)，如图2b中图像12’的后备箱及后保险杠部分内基本上垂直的部件或线66’的光能量，距离光学中心或轴线40分散得不太远。正如上面解释的那样，在那些相应分散带中的光能量34的强度取决于图像12’中对应的相应垂直特征66，66’的亮度。另外，如果需要的话，转子54的中央部份53可以被挡住，因为在傅立叶变换32(图1)的中心40内及附近光能量是以很低的空间频率从图12’中的特征发出的，这样图像的整个亮度对于定义形状即使起到作用也只是非常小的作用。
还正如上面简要解释的那样，当狭缝52被垂直取向时，通过狭缝52以及表征图像12’的垂直方位的特征、部件或线条66，66’的光能量被狭缝52衍射并经过束分裂器64投射到两个探测器阵列82a、82b上，这两个阵列被定位在距空间滤波器50的FT透镜30的焦距F处。在探测器阵列82a，82b(图1)上，如2c所图解说明，通过狭缝52的光能量34衍射将通过狭缝52的光能量34重新分布到衍射图形60中基本上垂直定位的带62中。当光能量重新分布到光带62中时，如图2c所示，它仍然是唯一地表示被包括图像12’内的形状。所以，图2c中的光能量带62被探测器阵列82a，82b探测出来用于记录图象12’的垂直方位形状特征，下面要详细叙述。
正如上面提到，空间滤波器50的狭缝如箭头59指示旋转。图3a所示的狭缝52的角度位置大约距垂直方向45°。在该旋转的45°角方位R上，如图3b所图解说明，穿过狭缝52的光能量34与图像12’中所有定位在距垂直方向大约45°的特征、部件或线67相对应。如图3a所示，当狭缝旋转到大约距垂直方向45°时，图像12’中在距垂直方向45 °上定位的曲线特征、部件或线67’的部分也对穿过狭缝52的光能量34有所贡献。由图3a中狭缝52的45°角方位产生的滤波图形60中的光能量带62，如图3c所示，也在距垂直方向大约45°上被定位，而且表示图像12’的被定位在距垂直位置大约45°的形状特性67、67’。因此，如下面将要描述的那样，用探测器阵列82a，82b探测图3c中的光能量带62便利于对图像12’的45°方位形状特性进行编码及记录。
以类似的方式，如图4a所示，当狭缝52旋转到距垂直位置90度方位位置，即水平时，穿过狭缝52的光能量34代表了如图4b所示的图像12’中的所有基本上水平的特征、部件及线68。图像12’中基本上水平的曲线特征、部件或线68’部分也对穿过图4a中水平狭缝52的光能量34有所贡献。如图4c所示，由图4a中狭缝52的水平方位产生的滤波图形60中的光能量带62也基本是水平方位，并且表示图像12’中基本上被水平定位的形状特性68、68’。因此，如下面将要描述的那样，用探测器阵列82a，82b探测图4c中的光能量带62便利于对图像12’的水平形状特性进行编码和记录。
到现在为止，应该清楚的是狭缝52的任一特殊角方位R将允许探测基本上具有相同角方位R的图像12’的所有形状特性。因此，所有图像12’的形状特性均可通过探测狭缝52在所有角方位上时后滤波图形60的带62而被探测。然而，正如上面提到，对于大部分目的，通过在某个选定的旋转R增量，即狭缝52的角方位上选择探测滤波图形60的光能量带62足以探测图像12’的一些、优选大多数，但不必要全部的形状特性。很明显，其中光能量带62被探测出的狭缝52的角方位增量越大，则被探测出的图12’的形状特性精度就越低。另一方面，角方位增量越小，就会有更多的数据要被处理。所以，当选择其中光能量带60将被探测并记录的狭缝52的角增量时，最好在所需的或所想要的形状精度与处理这种精度所需的数据处理和存储的速度和效率之间权衡利弊。例如，但不是为了限制，人们认为对于大多数目的，以狭缝52的旋转增量在约5至20度范围内，优选约在11.25°探测并记录形状特性将是适合的。
当然，只需要探测和记录狭缝52在180°内，即旋转半圈所选择的角增量内的光能量带62，因为如图2a、3a和4a所示，狭缝52径向地以相反方向从光轴40向外伸长。所以，当狭缝52的一端从0°旋转到180°时，狭缝52的相对端从180°旋转到360°。所以，通过在180°内所选定的旋转增量上探测光能量带62，则探测出图象12’在由选定旋转增量所定义的选定角方位上的所有形状特性。
在本发明的一个优选实施例中，带有其狭缝52的转子54可以连续旋转。在每圈的头半圈，即180°内，在每个选定的增量或角方位上，如在每11.25°的旋转增量上光能量带62被探测并记录。然后，在每圈的后半圈，如图1中箭头16指示，图像处理设备20将下一个图像14切换到光学图像表征器10中。然后，当狭缝52旋转半圈时，上述的形状表征及探测过程在图像14上进行。在旋转下半圈的过程中，下一个图像被切换到光学图像表征器10中，只要有附加图象n用于表征、编码及记录，则这个过程会以此方式无限地循环下去。
正如上面提到的，在狭缝52的每个角方位上滤波图形60中光能量带62的探测可以用任何光探测器完成，该光探测器具有探测及输出表示基于空间(如基于象素接象素)的光能量强度的电信号的能力。例如，可以使用视频相机或带CCD(电荷耦合装置)的静止相机阵列，因为这是在本领域的技术人员能力之内。
然而，本发明的另一个特点是两个光探测器80a，80b的使用，如图1所示，每个光探测器都分别具有光敏元件或变送器84a，84b的小阵列82a、82b，其构成象素。为方便起见，这两个光探测器80a，80b有时可以总起来被称为光探测器。光探测器阵列92之一以光轴40为基准相对另一个光探测器82阵列在垂直方向上实际偏离半个象素，水平方向上偏离半个象素。两个小光探测器阵列82a，82b的这种排列再结合适当的软件便利于以最少数据处理要求得到精确的强度和空间位置光能量探测。
现在主要参看图1，本发明的该优选实施例使用两个探测器阵列82a、82b来探测滤波图形60中的光能量62，尽管也可以使用一个具有一个光探测器元件阵列的光探测器。图1中两个探测器阵列82a、82b是作为两个分开的光探测器80a，80b的部分而加以说明的，尽管带有其阵列82a，82b的光探测器80a，80b的整个组件可以是一个光探测器设备，而且在一般意义上有时在本说明书中被总起来称为一个光探测器以包涵单个和多个光电测设备。两个探测器阵列82a，82b的优点是通过以光轴40或滤波图形60为基准将阵列82a，82b的光敏元件84a，84b相互间实际偏离，并且利用一个相当简单的比较器电路或简单的软件算法，在滤波图形60中各个位置上的光能量62强度足以准确地且精确地探测出来，用于根据本发明的图像形状表征目的，但是比惯用的单个光探测器阵列所需的数据要少。
正如上面解释的那样，携载滤波图形60的衍射束61被一个束分裂器64，如半银镜分裂，以便优选地，但不是基本地，衍射束61中约一半光能量，作为束段61a被传递到第一个探测器阵列82a上，而滤波束61的另一个半光能量作为束段61b被反射到第二个探测器阵列82b上。束段61a，61b都携载着滤波图形60，正如上面所解释，所述滤波图形60具有被滤入带中、对图像12’为唯一的光能量。如果束61中的光能量没在束段61a，61b中被分裂成各半，那么阵列82a、82b的一个或另一个的光敏元件84a，84b的强度输出就要电子地或在软件中上、下调整，来进行强度比较和选择以便用于数据存储，下面要详细描述比较和选择。两个探测器阵列82a，82b都被定位在距空间滤波器50的相同光学距离F，所以，实际上相同光能量62分布入射到两个探射器阵列82a，82b上。然而，光探测器80a，80b之一以光轴40为基准实际相对另一个是偏离的。例如，如图1所示，光探测器80a的中心线86a与束段61a的光轴40是对准的，而如箭头88，89所指示，光探测器80b中心线86b与束段61b的光轴40是偏离的。具体地，如所示意的探测器阵列82a，82b被投射成实际上彼此相互并置(在图1的纸平面内，第一个探测器阵列82a实际上“重叠”在第二个光探测器阵列82b上)，如箭头88所指示，第二个探测器阵列82b在垂直方向上偏离一个等于光敏元件84a，84b半个宽度的距离，而且如箭头89所指示，它在水平方向上又偏离一个等于光敏元件84a，84b半个高度的距离。所以，阵列82a的一个单独光敏元件81a实际上部分地与探测器阵列82b的四(4)个相邻光敏元件84b并置。
所以，如图5中实际上并置的探测器阵列82a，82b放大图示连同滤波图形60所示，相同的光能量62没有入射在相应探测器阵列82a，82b的对应单独光敏元件84a和84b上。例如，当图3c中的滤波图形60(即图3a中狭缝52旋转到45度)入射在探测器阵列82a，82b上时，如图5图解说明，入射在探测器阵列82a的列7a，行6a中光敏元件84a上的光能量62将不同于探测器阵列82b的列7b，行6b中对应光敏元件84b上的光能量62。事实上，如图5实例所示，入射在探测器阵列82a的列7a，行6a中光敏元件84a上的光能量62将低于入射在探测器阵列82b的列7b，行6b中光敏元件84b上的光能量62。当然，每个光敏元件84a，84b有关的入射光能量情况将对于不同的滤波图形60随同一图象12’下狭缝52不同的角方位而改变，而且对于不同的滤波图形60也将随由光学图象表征器10所表征的不同原始图象12，14，…，n(图1)而改变。然而，根据本发明，相应的实际上偏离的探测器阵列82a，82b的部分并置的光敏元件84a，84b上的不同入射光能量强度被用于有效地及伴有充分的数据对图象12，14，…，n的形状特性数据进行编码和存储，下面将详细地描述。
为了解释，而不是为了限制的目的，接下来的描述将使用分别包括光敏元件84a，84b的16列和16行的探测器阵列以便有效地使用字节和数据库存储。光敏元件84a，84b可以是光二极管、光电池或任何能够产生电信号，如电压的其它光敏装置，该电信号代表入射在光敏元件的光能量强度。正如该领域的技术人员所熟知的，在每个阵列中每个光敏元件84a，84b的电压或其它信号输出可单独读取，而且用于对这种来自光敏元件阵列的信号进行读取、处理及记录的电子信号处理电路是该领域的技术人员所熟知的。所以，对于描述或理解本发明不需要进一步解释用于从光敏元件的阵列中读取、处理及记录信息的光敏元件或电路。
此外，为了解释但不是为了限制的目的，入射在光敏装置上的光能量62的强度可以但并非必须如上所述在180°旋转范围内的空间滤波器50的狭缝52的11.25度角增量处被记录。11.25°角增量的使用足以为每个图象12，14，…，n采集足够的与形状有关的数据，以便提供快速、有意义、高效的图象表征、存储、搜索及检索，而且，180°除以11.25度得16，因此，可充分利用信息的位及数据存储字节。然而，形状表征中具有或多或少准确度的其它角增量及形状表征中具有或多或少准确度的光敏阵列的其它尺寸当然可以用于本发明中。
实际上偏离的探测器阵列82a、82b利用在探测器阵列82a中相对少、大的光敏元件84a，例如，在一个16×16探测器阵列82a中只有256个光敏元件84a，基于元件到元件提高了光能量探测的精度。根据本发明的优选实施，只有256个位置的光能量强度即一个16×16阵列，才有针对狭缝52每个角方位被记录的潜力。由于16×16探测器阵列82a中光敏元件84a的数量相对较少，从中每个光敏元件84a探测出光能量62的滤波图形60的表面面积段相对较大。如果较少光敏元件84a与用许多光敏元件探测器阵列，如256×256 CCD阵列的惯用光探测比较，其每个元件均是从滤波图形60相对较大面积段探测光能量的，所以其最明显优点是产生的数据少得多，因此要处理的数据就少得多。本应用即由形状内容表征图象的一个缺点可能是滤波图形60中的某个小面积，但却是高强度光点或能量分布可以入射到一个以上光敏元件84a的小部分或表面面积上，因此，将强光能量扩展到几个而不是一个光敏元件84a上。这样的高强度点或区域对探测是非常重要的。但是，当光能量扩展到几个光敏元件84a上时，由此将强光能量分裂在两个或多个光敏元件84a中，这种强度信号输出则要低于所有光能量入射到一个光敏元件的情况。这种从几个光敏元件84a所产生的较低强度信号输出及随后的不能捕捉及记录实际入射到探测器阵列上的高强度光能量将导致图象12’的重要形状信息丢失，即图象12’中的亮的、尖锐的细节或线。
为了说明这个问题及根据本发明的一个解决办法，主要参照图6，即如上所述与探测器阵列82a的几个偏离光敏元件84a实际上重叠的探测器阵列82a几个光敏元件84a的一个放大视图。图6解释中将辅助参考图1到图5所示且已介绍过的一些组件或特征，所以，参考这些图还是有帮助的。在图6中，光能量带62具有一个强光能量的聚集或区域63，它正好跨接在探测器阵列82a的4个单独光敏元件84a之间的边界92，94，96及98上，那4个光敏元件84a在第5a列、第3a行；第6a列、第3a行；第5a列、第4a行及第6a列、第三行内。为方便起见那4个光敏元件84a被表示为C5a-R3a，C6a-R3a，C5a-R4a，及C6a-R4a，C表示列，R表示行。因此当非常少的光能量入射到那4个光敏元件的剩余表面面积上时，那些光敏元件84a中的每个在C3a-R3a，C6a-R3a，C5a-R4a及C6a-R4a上产生的电信号将指示出比实际入投射到区域63那点上少得多的光能量强度。
然而，正如上面所解释的，束61(图1)中只有一半通过空间滤波器50的光能量以束61a被投射到探测器阵列82a上，束61中的另一半光能量通过束分裂器64以束61b投射到探测器阵列82b上。此外，正如上面所解释的那样，探测器阵列82b实际上在垂直及水平方向偏离光敏元件84a，84b的一半大小，正如图1所指示的那样，垂直偏离88，水平偏离89。因此，正如分别由相应探测器阵列82a、82b的放大的实际并置部分所示，在束61中强光能量的对应点或区域63大部分入射在探测器阵列82b中处于第5b列、第3b行的单一光敏元件84b(即C5b-R3b)内。所以，探测器阵列82b的光敏元件C5b-R3b的电信号输出则比探测器阵列82a的C5a-R3a，C6a-R3a，C5a-R4a或C6a-R4a上4个光敏元件中任一个所产生的电信号将更多地表示在点或区域63中的高强度光能量。这一点对捕捉并记录在滤波图形60的区或点内这种较高强度光能量是非常重要的，因为当该探测器阵列82a，82b探测到点或区63内的光能量时，这种较高强度光能量代表与狭缝52(图2-4)角方位对准的图象12’中一个特定的明亮特征、细节或线(图1)。
根据本发明的一个优选实施，正如图7、图5和图6所看到的，一个数据阵列130(此处被称做一个RIXe1阵列)与探测器阵列82a，82b中任一个具有相同的配置。为了解释，该RIXe1阵列130为一个16×16阵列，与光敏元件84a的16×16探测器阵列82a相匹配。因此，存在与探测器阵列82a中的每个光敏元件84a相对应的RIXe1空间和位置131(有时被称做一个仓)。这样，例如，一个与在探测器阵列82a的C7a-R5a上的光敏元件84a有关的强度I就会被记录在RIXe1阵列130的C7-R5上相应的空间或仓131内。上一句指的是与一个特定的光敏元件“有关”的强度I，而不是“由…产生的”，因为记录在一个RIXe1阵列空间131中的强度I可以，但并非必须是由探测器阵列82a中对应光敏元件84a产生的强度。如果那些部分并置的光敏元件84b中的一个或多个产生的强度高于探测器阵列82a的对应光敏元件84a产生的强度，则可能是由探测器阵列82b的实际上部分并置光敏元件84b中的一个产生的强度。
在该狭缝52的每个选定角方位上，在RIXe1阵列130中只提供足够的数据空间或仓131，来接收来自与在阵列82a中有相同数量的光敏元件84a中的强度信号。然而，为了捕捉可能否则会丢失的高强度信息，在探测器阵列82a中每个光敏元件84a的电信号输出值被永久地记录下来以前，其要同探测器阵列82b每个部分并置的光敏元件84b所产生的信号进行比较。通过比较所发现的最高强度信号就是所选择的可能永久记录在RIXe1阵列130中一个。例如，图6所示的高强度点或区63将会使探测器阵列82b中在C5-R3的光敏元件84b产生一个高强度信号，而探测器阵列82a中在C5a-R3a，C6a-R3a，C5a-R4a及C6a-R4a上的4个光敏元件84a中的每个将产生较低强度信号。因此，在由位于C5a-R3a上的光敏元件84a所产生信号被选为永久记录在RIXe1阵列130中位于C5-R3的空间131内之前，其要同阵列82b中4个光敏元件84b的每一个所产生的强度信号进行比较，所述4个光敏元件部分地与元件C5a-R3a并置，即位于C4b-R2b、C5b-R2b、C4b-R3b及C5b-R5b的阵列82b的光敏元件84b。根据图6，可以看出，在此实例中，那五个光敏元件(即C5a-R3a，C4b-R3b，C5b-R2b，C4b-R3b及C5b-R3b)当中最高的强度输出就将被认为是永久记录在RIXe1数据库阵列130中C5-R3上的空间131内的强度信号。图6中还可以看到，将被选择用于记录在RIXe1内C5-R3上的那个空间131内的强度I信号将是一个不是由探测器阵列82a的C5a-R5a上对应的光敏元件84a所产生的信号，而是由探测器阵列的82b内C5b-R3b上的光敏光件84b所产生的较高强度信号。根据这种比较所选择的每个强度信号，如上一个实例中由C5b-R3b上的光敏元件84b所产生的强度，只被认为是用于永久记录，而不是被自动记录，其原因是只有满足或超过某个强度阈值的强度信号才被保留为一个永久形状表征记录。未满足阈值强度的强度不表示图象12’中重要形状表征内容，因此，不被记录下来，下面将进行更详细的解释。在如上所述的图6实例中，来自C5b-R3b上光敏元件84b的强度信号将很可能会超过这一阈值，而且会在RIXe1阵列130(与探测器阵列82a内C5a-R3a上的光敏元件84a相对应)的C5-R3处的空间131内被记录为强度I，用于图象12的永久形状表征记录。
在图6实例中，点或区63中的光能量在此入射的阵列82a内的另外三个光敏元件84a(即在C6a-R3a，C5a-R4a及C6a-R4a的那些)的每个均要同部分地与那些光敏元件84a并置的阵列82b的相应光敏元件84b进行比较。这样，C6a-R3a上元件的信号输出要同C5b-R2b，C6b-R2b，C5b-R3b及C6b-R3b上的部分地并置的元件84b的相应输出信号进行比较；C5a-R4a上元件84a的信号输出要同C4b-R3b，C5b-R3b，C4b-R4b，及C5b-R4b上的部分地并置的元件84b的相应输出信号进行比较；而且C6a-R4a上的元件84a的信号输出要同C5b-R3b，C6b-R3b，C5b-R4b，及C6b-R4b上部分地并置的元件84b的相应输出信号进行比较。在图6实例这些所有的比较中，由C5b-R3b上的光敏元件84b所产生的强度信号将是最高的。因此，该高强度信号就会被用于RIXe1数据库130位置131上，其不仅与上述探测器阵列82a中C5a-R3a上的光敏元件84a相对应，而且与探测器阵列82a中C6a-R3a，C5a-R4a及C6a-R4a上的光敏元件84a相对应。
另一方面，图6中探测器阵列82a的C7a-R5a上的光敏元件84a的强度信号输出同C6b-R4b、C7b-R4b、C6b-R5b或C7b-R5b上4个部分地并置的光敏元件84b进行的比较，将不会从那4个光敏元件84b的任何一个中找到一个更大的强度信号。因此，C7a-R5a上的光敏元件84a的强度信号输出就将是被认作用于记录在RIXe1数据库130中C7-R5处空间131内的信号输出，而不是来自4个部分地并置元件84b中任何一个的信号。如果所选择的强度信号满足或超过了阈值强度，它就将是被记录在RIXe1阵列130中C7-R5处空间131内的强度I。
因此，正如从上述描述中看到的，通过利用两个并置的探测器阵列82a、82b，以及其相应的以滤波图形60为基准实际上彼此之间部分偏离的光敏元件84a，84b，可使用一个小阵列(例如16×16)来探测、记录高强度形状表征数据。这种排列通过捕捉将一个探测器阵列82a中的一个或多个光敏元件边界92，94，96，98与另一个探测器阵列82b中一个或多个部分地并置的光敏元件84b跨接的点或区63的能，可以清楚地探测到高强度光能量的这些点或区63。既使光敏元件84a，84b的面积比点或区63的尺寸大，但这种偏离的实际上并置使用的两个探测器阵列82a、82b，便利于非常快速地探测该滤波图形60特定位置上聚集在点或区63内的高强度光能量62。这种排列的不足之处包括无法在间隔非常近的高强度点或区之间区分，无法确定这种高能量点或区63的精确形状，而且在RIXe1阵列130中多个空间131内记录来自这样的点或区的高强度值，表示滤波图形60的面积比在如此高强度点或区63跨接在两个光敏元件84a之间界线情况下实际上所包括的点或区63要大。然而，这些缺点对此应用并不重要，重要的是捕捉表征光能量集聚或分布的这种形状，并利用位置信息以一种稳定、可再生成及可搜索的方式记录它们，但是，这种高强度区与其在滤波图形中所占据的实际面积大小的密切关系并不重要。
实际上，本发明可以仅用一个探测器阵列82a，特别是在图1优选实施例中，其中，傅立叶变换图形32是通过一个狭缝52被滤波的，所述狭缝52衍射经滤波的光。这种衍射趋向于分散光能量而不是将其聚集成点。尽管如此，重要地是通过这两个偏离、并置的探测器阵列82a，82b提供更多的精确性，且附带无关紧要的附加处理以如上所述比较及选择强度I。为此，由两个以上的偏离、并置的探测器阵列，如三个或四个，特别是既使使用更小的阵列如8×8阵列时，甚至可以提供更高的精确性。
如上所述，在比较部分地并置的光敏元件84a，84b的过程中，最高强度信号的选择可以多种方式进行，这些方式均未超出本领域技术人员的能力，如通过电压比较器电路网络或通过软件比较及选择方法发送每个光敏元件84a，84b的信号输出。因此，这些细节并不是为描述或理解本发明所必须的。然而，为了便于解释强度输出信号是怎样用在本发明中，以便利用形状内容来表征图象12，14，…，n，现在参照图7来说明，其又示出了两个16×16探测器阵列82a，82b来探测在例如，但并不局限于狭缝52旋转的11.25度角增量51处的光能量。正如上面简单介绍的，该计算机100聚集并协调强度信号(I)，当转子54在其轴线57上旋转时，这些信号表示在狭缝52旋转的特定角增量51处图象12的形状内容。该旋转R信息及相关强度I被一起放到“RIXe1”数据阵列130中，下面将详细解释。基本上，计算机100与图象处理设备20之间的信息链132处理计算机100与图象处理设备20之间的信息。例如，计算机100可以向图象处理设备发送信号，将一特殊图象12，14，…，n插入光学表征器10中。来自图象处理设备20的信号可以向计算机100传递图象12的同一性，并确认已被插入。该图象的同一性可以是一个通过计算机100可能与RIXe1数据阵列130或与如在哪里(例如，URL地址，数据库地址，图书馆目录号，拥有者、博物馆采集等)它可以被发现等有关图象12的信息相关的任意数或任何其它符号或信息。在计算机100内有了图象12的标识，而且当转子54旋转时，编码器134探测狭缝52的角位置并通过通讯链136将一个信号发送给计算机100，该信号表示狭缝52的一个特殊角旋转位置R。正如本领域的技术人员可以理解的那样，例如，编码器134可以是设备，其中的光电元件(未示出)探测出来处发光二极管LED或其它光源(未示出)的光，所述光穿过转子54周边的编码器孔138。如果编码器孔138是以11.25度增量51相间隔，那么每当转子54再转过一个11.25度，编码器134即可通过通讯链136发送一个信号。计算机100可用来自编码器134的信号来触发对一个来自探测器阵列82a，82b或来自探测器阵列82a，82b与计算机100之间的一个单独强度信号处理电路150的强度信息I的读取，而且对于每个这种强度I的读取，可以始终监视狭缝52的角旋转R。另外，一个单独的旋转R信号处理电路140可用于根据编码器134信号计算狭缝52角旋转位置R，而且每当转子54再转过一个11.25度角增量时，或者每当转子54转过任意一个所需角增量时，其可被用于将狭缝52的那个旋转位置R信息连同一个信号输出给计算机100，以读取强度I。该编码器孔138并非必须匹配所需旋转R的角增量，在所述角增量处将由计算机100读取强度I。无论计算机100还是微处理器140均可被编程以便始终监视旋转速度，即角速度，以及具有任一编码器孔138间距的旋转位置R，同时在旋转的任一所需角增量R处产生强度读取信号。因此，无论是在信号处理电路140上还是在计算机100上均可提供控制，以便改变其中强度I被读取的狭缝52的旋转角增量R。然而，如在确定了所需角增量之后对于大批量生产图象表征器设备10，将编码器孔138放在所需的旋转R角增量上是简单又方便。当然强度I被读出时的旋转角增量R越小，则数据越精确，但是需要更多的数据处理及更多的存储容量。再次，此实例已选定了强度I被读取时的旋转的11.25度增量R，因为在狭缝52的一个180度旋转中正好有16个11.25度增量。因此，每个图象12将得到用于记录旋转R及强度I的16个RIXe1数据阵列130。如上所述，每个图象只需狭缝52旋转180度，因为当转子54转过180度时，狭缝52的两个半部一起扫过滤波图形60的一个360度。当然，本领域的技术人员知道有许多始终监视一个转子的角旋转的其它方法可用于实施本发明。
如前所述，空间滤波器50内狭缝52所通过的滤波束61投射在偏离探测器阵列82a、82b上，在此在一实时基础上，由探测器阵列82a、82b的单独光敏元件84a，84b探测到光能量分分布62。此外，还如上所解释的，在阵列130内每个角旋转增量R上的每个RIXe1的强度I将从探测器阵列82a的一个对应光敏元件84a的最高强度中选择，或从探测器阵列82b的四个光敏元件84b之一中选择，其与所述对应的光敏元件84a部分地并置。
如上简述，从光敏元件84a中或从四个部分地并置的光敏元件84b之一中选择强度I可利用计算机100中的软件进行，但是优选地利用位于探测器阵列82a、82b与计算机100之间的一个单独强度I信号处理电路150进行选择。此外，如前简述，强度I图象处理电路150可以与电压比较器电路152的一个阵列硬线连接，其中一个实例如图8图解所示，或者与一个微处理器电路(未示出)硬线连接，这是本领域的技术人员熟知的。如图8所示，与实例光敏元件84a相关的强度I是由该单独光敏元件84a或4个部分地并置的光敏元件84b中任何一个元件所产生的最高强度，所述强度I被馈送给计算机100，以便被放入RIXe1阵列130内的一个对应RIXe1空间131内。在图8的图解中，前面讨论过的相同光敏元件84a，即位于探测器阵列82a的第7a列，第5a行(C7a-R5a)(图5，6，7)被用做一个实例。正如前面所解释的，在使用由一个光敏元件84a所产生的通常是电压电平用于输入到RIXe1数据阵列130上的强度信号之前，其同探测器阵列82b中与探测器阵列82a内的C7a-R5a元件84a部分并置的4个光敏元件84b进行比较。正如前面所解释的，那四个部分并置元件84b是在探测器阵列82b内的C6b-Rb，C7b-R4b，C6b-R5b及C7b-R5b处。如图8所示，处于C6b-R4b及C7b-R4b上的两个元件84b的输出电压是通过比较器电路152进行比较的，所述比较器电路152输出那两个电压的最高值，而与此同时在C6b-R5b及C7b-R5b上的另外两个元件84b的输出电压是通过比较器电路154进行比较的，所述比较器电路154输出那两个电压的最高值。然后比较器电路152，154相应的输出电压通过比较器电路156进行比较，所述比较器电路156从4个特殊元件84b输出最高电压。然后来自元件84b的最高电压由比较电路158同元件84a(C7a-R5a)所产生的输出电压进行比较。无论来自C7a-R5a上的单个光敏元件84a以及C6b-R4b，C7b-R4b，C6b-R5b，C7b-R5b上部分并置的光敏元件84b集组中的哪个电压是最高电压，其都将是被发送给放大器及模拟/数字转换电路160用于通过通讯链162作为强度I处理并馈送给计算机100的电压。当然，在信号处理电路150中还有其它的信号调节及处理部件，本领域的那些技术人员对这些是非常了解的，并且在其技术范围内，因此为了描述和理解本发明，不需要详细讨论。此外，还有一些其它的能够产生相同结果的比较器序列。此外，应该记住按上述讨论所确定的，与探测器阵列82a的C7a-R5a处的一个光敏元件84a有关的强度I，只是来自16×16探测器阵列82a的强度I之一，如上所述，所述强度I由比较器电路150处理，而且在实时基础上通过通讯链162馈送给计算机100。
主要参考图8，其次参考图7，当计算机100由编码器134及/或旋转R信号处理电路140发出这样的信号，即通过狭缝52已实现一个所需角增量时，计算机100从比较器电路150中读取与16×16探测器阵列82a中的所有256个光敏元件84a有关的256个强度I，同时将它们馈入到RIXe1数据阵列130的对应空间或仓131内。例如，如图8所示，与光敏元件84a，即位于探测器阵列82a的C7a-R5a处有关的强度I，由计算机100分类，与相应旋转角R一起被放入16×16 RIXe1阵列130中第7列第5行的RIXe1空间131内。同样，与16×16探测器阵列82a其余的256个光敏元件84a有关的其余256个强度I(假定它们均满足了上面讨论的阈值强度)均要由计算机100分类并随与那些强度I有关的旋转R一起馈入到RIXe1阵列130内相应的对应RIXe1位置或仓131内。因此，对于每一个所选定的狭缝52角旋转增量R，均有256个强度I，它们均要随那个特殊旋转角R被分类进入RIXe1数据库130。另外，当使用11.25度旋转增量R时，每个图象12有16个RIXe1阵列130，而且这16个RIXe1阵列130中的每一个均有一个具有与探测器阵列82a中256个光敏元件84a有关的256个可能强度I的旋转方位R。
然而，如上简述，为了避免存储及处理无用数据，计算机100只将满足一个具体强度阈值的强度I放2入RIXe1阵列130中。例如，参照图5及图7探测器阵列82a中存在具有少量或没有入射光能量的光敏元件84a，如位于滤波图形60外边的处于第0a，1a，14a及15a行中的那些。同样，可能在两个光能量62带之间有些光敏元件84a，例如，在C9a-R9a及C10a-R8a处的那些，其具有不足的入射光能量62以致于无法表征图象12的形状内容。因此，在RIXe1阵列130内不需要存储或者其中缺少这样的强度I。所以，对于与探测器阵列82a中光敏元件84a有关的、低于某一个阈值强度极的强度I，R、I或X数据均不输入到RIXe1阵列130内的对应RIXe1位置或仓131内。对于超出了阈值的强度I，根据所优选的实施，强度I分为四(4)个级，即0，1，2或3。因此，只需要两位来在RIXe1阵列130内记录每个强度，即00，01，10，或11。当然，利用4个以上或4个以下强度I级肯定在本发明的范围之内。然而，较多强度I级需要较多的数位。例如，八(8)个强度I级需要三(3)个位进行记录，且十六(16)个强度级则需要四(4)位。
每个RIXe1内的“X”数据空间用于一个失真系数，以帮助搜索并找到具有差不多但不完全相同形状特征的图象，或帮助找到具有相同形状特性的图象，但其可能在视场内稍有变动。下面将详细描述。然而，“X”数据空间还可以是一个在数据库搜索中用于其它目的，或用于较高旋转R精度或用于较高强度I精度的标记。在本发明的优选但非基本的实施中，“X”可有多达4个值-0，1，2，3，所以可它可以用两位数据信息来存储。
在该优选实施中，RIXe1中的R值中有四(4)位给旋转R编码，其对于在180度旋转中每个为11.25度的16个旋转R增量已足够。正如上面所解释的，两(2)位用于强度I编码，同样如上面所解释的，两(2)位用于对X失真系数或其它标记使用编码。因此，每个RIXe1只有八(8)位，即一个信息字节。进一步讲，有256个RIXe1，即每个RIXe1阵列130中有256个可能的信息字节，而且对于每个图象12来说，16个11.25度旋转增量R中的每个均有一个RIXe1阵列130。因此，根据本发明优选的、但非基本的实施，当使用16×16探测器阵列82a、82b，狭缝52的11.25度旋转R增量及16×16 RIXe1阵列130时，最多需要4,096个字节来表征一个图象12的形状内容。
如上简述，为了在可搜索的数据中提供几个不同的可搜索失真级，RIXe1中的“X”空间优选地被用做一个失真系数，所述失真系数可分配给RIXe1阵列130中的RIXe1，这些RIXe1均由于强度I低于阈值强度级而未被在其它方面使用或未被填充。因此，如果一个搜索者具有一个图象，他/她想要为此图象找到一个匹配，但是在搜索该数据库中，在使用准确的RIXe1信息时，其无法从在该数据库中为图象12，14，…，n而存储的RIXe1信息中找到一个相匹配的图象，这时，该搜索者通过规定RIXe1中的一个不同的X值可以扩大搜索来寻找不准确的匹配。
为了说明这一特点，现在主要参考图9a和9b，其次参考图7和图8。在图9a中主要包括第0-8列，第9-15行的RIXe1阵列130的一部分被示例，其带有在RIXe1阵列130中几个RIXe1位置和空间处的实例RIXe1值R、I及X。在此实例中，阵列130中的有些RIXe1位置或空间是空的，因为与探测器阵列82a中对应光敏元件84a相关的强度I未满足最小强度阈值。换句话说，有少许或没有光能量入射在那些对应光敏元件84a上或探测器阵列82b的部分并置的任何光敏元件84b上。因此，计算机100开始未在阵列130中的那些空间或位置内做出RIXe1输入，使第9，10，11，12，13，14，15行中的第0，1，2，8列；第3列，第9，10，11，14，15行；第4列，第9，10，13，14，15行；第5列，第9，12，13，14，15行；第6列，第11，12，13，14，15行及第7列，第10，11，12，13，14，15行全部是空的。现在，更仔细地检查RIXe1阵列130内的那些实例RIXe1空间或位置，对其来说强度I足够高能够被记录，即至少与阈值一样高，对于每个这样的RIXe1空间输入的值有R、I及X。该实例中，如图7所示，当狭缝52是在一个分立的旋转角R上时，如在一个45度角方位上时，因为对于该实例RIXe1阵列130的强度I来自一个滤波图形60中的光能量带62，所以在所填入的所有空间中R＝4。根据上面讨论，一个45度角方位是4个自垂直起始方位的11.25度角增量。因此，对于在狭缝52的那个45度方位处的每个强度I值来说R＝4，所以，在每个RIXe1空间131内输入R＝4，对所述的每个RIXe1空间131有一个可记录的强度I。当狭缝52再旋转11.25度增量达到56.25度时，一个新的RIXe1阵列就会被新的强度I值所填充。然而，对于图9a的实例而言，狭缝52方位为45度，所以每个其强度I足够高能够被记录的RIXe1来说，R＝4。
图9a和9b实例所记录的强度级I是按照从R＝0变化到R＝3即四(4)个不同强度I级分类被随机说明的。失真系数X均被列在最高精度级，即X＝3，因为正如上面所解释的那样，这些填入的RIXe1是基于由探测器阵列82a，82b中光敏元件84a或84b所产生的准确强度I。因此R＝3表示精度的最高级，即最小失真。
为了理解这个问题，例如如前所述，假定根据本发明一个原始图象12的形状内容已经被表征，而且这种形状内容的RIXe1表征已被存入图9a的RIXe1阵列130中。图9a中旋转R＝4的RIXe1阵列130连同图象12的旋转R＝1-3及5-16的其它RIXe1阵列和一个唯一的图象标志号(ID#)一起被存入一个数据库内，所述标志号与图象12可被发现的源位地址相关连。另外假定用户已经具有图象12的拷贝，但想知道原始图象的位置。然而拷贝图象在视场内向上或向下，或左或向右稍有移位。尽管如此，该用户把该图象的拷贝放在本发明的光学图象表征器10内，而且获得表征该拷贝形状内容的RIXe1数据。但是对于在视场内该拷贝图象的移动，该拷贝表征形状内容的RIXe1信息将与原始图像12的表征形状内容的RIXe1信息是一样或几乎一样。然而，在视场内该拷贝图象的这种移位造成拷贝在RIXe1阵列130内不同的要被填入的RIXe1空间131，即也许相对于图9a所示的原始图象12RIXe1向左，向右，向上或向下移动一个或几个RIXe1空间。这样，当拷贝形状内容的RIXe1表征(即参考图象)被用于搜索数据库以与存储于原始图象12数据库内的RIXe1信息进行精确的RIXe1匹配时，即当X＝3失真级时，图9a中原始图象12的RIXe1数据同相应图象拷贝RIXe1信息相比在RIXe1阵列130的列及行上略有不同，在搜索时可能未被识别成一个匹配。
为了解决这个问题，当原始图象12的RIXe1数据被装入RIXe1阵列130中时，计算机100可以被编程，以便如图9a所示，将RIXe1阵列130以前未填入的一些RIXe1空间131中同样填入相同的旋转R值及强度I值，但是，填入较小的“X”值，即更多失真。例如，参见图9b，原来已填充的RIXe1空间131的地方，即具有X＝3值的地方，从外形上看更加重，以有助于那些原来已填充的RIXe1空间被定位之处的视觉化。然后，如图9b所示，该计算机100已经用R、I及X RIXe1值填充了一些以前空的RIXe1空间131，达到距最近的原来已填充空间131水平三个空间131及垂直三个空间131的程度。
具体地，在图9b图解中，每个新填入RIXe1空间131仍然保留相同的旋转R＝4，这样新的RIXe1信息仍要根据来自狭缝52的那个角方位即在45度方位的RIXe1值被搜索。然而，每个从原来已填充空间131中在垂直或水平方向被移动的附加RIXe1空间131被赋予低一步的X值，即增加失真，则RIXe1空间131被从原来已填入RIXe1空间131移动得越远。因此，当原来已填充RIXe1空间131具有X＝3失真值时，一个新填入的RIXe1具有X＝2，其从原来已填充RIXe1空间131被移动一个空间131。从原来填入131空间被移动两个空间131则具有X＝1，被移动三个空间131具有X＝0。尽管在填入新的RIXe1空间时分配I值的特定算法可以变化，但是被分配在具有不同失真值X＝2、1、或0的新RIXe1空间131中的强度I值，一般来说几乎与附近原始的强度I值一样。既使存储那些强度I值的RIXe1的空间位置在RIXe1阵列130中略有偏离，但是这种想法还是能够为一个特定旋转R搜索并找到一样或几乎一样的RIXe1强度I图形。因此，上述实例中的用户可能通过搜索更精确的RIXe1数据(即对于其中X＝3的RIXe1)找不到该图象拷贝的匹配，这时，可以规定一个较小精度的搜索。这种较小精度的搜索可以寻找相同R及I值、但是X值即失真值不同(例如X＝2或X＝1或X＝0)的匹配。对于用X＝2或X＝1或X＝0的拷贝图象的形状内容表征，可以找到RIXe1信息的一个匹配，而采用更精确的X＝3则无法找到一个匹配，由此，使用户能够仍然访问原始图象12的标志及位置信息。
既使拷贝中的视场内原始图象12的扫描拷贝未移位，希望存储在数据库内原始图象12的所有RIXe1可能得到匹配可能是不现实的。因此，该搜索者可通过搜索软件来规定所需要的RIXe1匹配级。例如，用户可以寻找比如说RIXe1 70％的一个匹配并获得为此在搜索中70％的RIXe1得到匹配的所有原始图象12，14，…，n的识别信息。如果该搜索在70％级上返回太多的匹配，该用户就可以另外做一个搜索，该搜索规定一个较高或更精确的匹配级，如只报告图象的识别信息，比如说80％或90％的RIXe1匹配。
根据用户对存储、搜索及检索有关图象12，14，…，n信息所要求的标准，如图1所示，图象12的RIXe1信息可由计算机100分配，以建立一个以任何数量的排列并具用任何主题或其它各种信息的形状矢量数据库170。例如，一个数据库结构172除了可以列出该图象的位置信息(如图象12在因特网上所处的URL地址)、格式及分辨率信息(如旋转增量、探测器阵列尺寸等)、颜色信息(可以手动提供或通过自动化的光学颜色表征器(不是本发明的部分)提供)、组织信息(也可从其它自动化的光学组织表征器得到(例如，美国专利申请序号09/326,362))等以外，还可以在一特定图象标识符(如关于一个图象的一个ID#)下列出RIXe1数据。另外一个数据库排列174可以通过形状内容的RIXe1表征列出所有图象12，14，…，n的名称或标识符号。
上述介绍被认为仅是对本发明原理的示例说明。此外，由于在本领域的技术人员随时可想到大量的改进及更改，所以不需要将本发明局限于如图所示及如上所述的准确构造及方法。因此，所有属于按以下权利要求定义的本发明范围之内的适当改进及等效方法均可被采用。当词“comprise，”“comprises，”“comprising，”“include，”“including，”及“ includes”被用在本说明书中时其旨在确定所述的特征、整体、部件或手段的存在，但不会防碍其一个或多个其它特征、整体、部件、手段或其组的存在或增加。
权利要求
1.一种为表征图象形状内容的方法，包括用光能量产生一个该图象的光学傅立叶变换图形；用一个旋转狭缝将来自傅立叶变换图形的光能量进行空间过滤，以产生一个光能量的滤波图形；当光能量在狭缝分立角方位处被分布在滤波图形中时，探测光能量强度；及将在滤波图形中探测到的光能量强度与狭缝分立角方位一起存储起来，在该狭缝处探测出所述光能量强度。
2.根据权利要求1的方法，包括通过将光能量分裂成两个等同的成对滤波图形探测分布在该滤波图形中光能量的上述强度，每个成对的滤波图形具有与另外一个大致相等的光能量分布强度，将该成对滤波图形的每个投射在光敏元件的两个成对探测器阵列中的一个上，但是，使入射在该成对探测器阵列中一个上的成对滤波图形，实际相对于另一个成对探器阵列及相对于滤波图形在水平及垂直方向上偏离大约半个光敏元件尺寸，这样成对探测器阵列之一中的一个光敏元件实际上部分地与另一成对探测器阵列中的四个光敏元件部分并置；探测入射在两个成对探测器阵列内的单独光敏元件上的光能量强度；将由成对探测器阵列之一内的单独光敏元件所探测到的光能量强度同另一成对探测器阵列中每个实际上部分地并置的光敏元件所探测的光能量进行比较；在对比中选择一个由一个光敏元件所探测的光能量强度，其至少与另外光敏元件中任何一个所探测到的光能量强度一样高，用于将光能量强度级记录在一个数据库中。
3.根据权利要求2的方法，包括将所选强度记录在一个大小及布置与另一个成对探测器阵列相对应的数据库阵列中，这样所选用于记录在数据库内的强度对于在上述成对探测器阵列之一的单独光敏元件是可识别的。
4.根据权利要求3的方法，包括当所选强度被探测到时，将与狭缝角旋转位置有关这种强度记录在数据库阵列中。
5.根据权利要求4的方法，包括只针对满足或超过强度阈值的所选强度，将所选择的强度及相关的狭缝角旋转位置记录在数据库阵列中。
6.根据权利要求5的方法，包括将满足或超过该强度阈值的所选强度分成强度等级类别，以便记录在该数据库阵列中。
7.根据权利要求5的方法，包括与被记录在数据库阵列内的每个角旋转位置及所选强度组合一道，记录一个可搜索标记。
8.根据权利要求7的方法，包括将一个失真级值赋予上述可搜索的标记。
9.根据权利要求8的方法，包括将数据库阵列中由于所选强度低于强度阈值而原来空下来的空间填充上与相邻空间内旋转值及强度值相对应的旋转值和强度值，但填充上不同的失真级值。
10.根据权利要求6的方法，包括将上述至少与阈值强度一样高的所选强度分成四个强度级。
11.根据权利要求6的方法，包括在11.25度的旋转角增量处记录该强度级。
12.根据权利要求11的方法，包括在狭缝180度旋转内的十六(16)个11.25度旋转角增量处记录该强度级。
13.根据权利要求9的方法，包括对于从原来已填充空间中移走的每个附加空间，将分配4个失真级值，所述4个失真级值从由于为这些空间所选强度高于强度阈值而原来填充有旋转及强度值的数据库阵列空间处的最小失真级扩展到较大失真级。
14.根据权利要求6的方法，其中每个探测器阵列为单独光敏元件的一个16×16阵列。
15.根据权利要求14的方法，其中数据库阵列为单独空间的一个16×16阵列。
16.根据权利要求1的方法，包括探测每个图象在狭缝旋转180度内角增量处在所述分立狭缝角方位上分布在滤波图形中的光能量强度，而且当狭缝旋转另一个180度时，转换到另一个图象。
17.一个光学图象形状内容表征器，包括一个具有在一焦距处的一个焦平面的傅立叶变换透镜；一个具有定位于傅立叶变换透镜焦平面内的一个可旋转狭缝的空间滤波器，用于在焦平面内在狭缝的各种角方位处通过光能量；一个光探测器，其被放置来探测在狭缝各种角方位处通过狭缝的光能量强度的滤波图形；以及一个具有相关单色光源的空间光调制器，其中该空间光调制器可编址以利用来自相关单色光源的光产生一个图象，上述空间光调制器被放置以利用相干光通过傅立叶变换透镜投射图象，从而利用所述光在傅立叶变换透镜的焦平面上形成该图象空间频率的一个傅立叶变换图形。
18.根据权利要求18的光学图象形状内容表征器，其中该光探测器包括独立光敏元件的多个单独光探测器阵列，以及至少一个处于空间滤波器所通过的光中的光束分裂器，以将通过空间滤波器的光投射到单独的光探测器阵列上，而且其中上述单独光探测器阵列相对光能量强度的滤波图形彼此实际相互偏离地被定位。
19.根据权利要求18的光学图象形状内容表征器，包括光敏元件的两个成对探测器阵列，该成对探测器阵列之一实际上在垂直和水平方向偏离大约半个光敏元件尺寸，这样成对探测器阵列之一中的单独光敏元件实际上与另一探测器阵列中的4个光敏元件部分地并置。
20.根据权利要求19的光学图象形状内容表征器，包括一个这样的被连接到成对探测器阵列中单独光敏元件上的强度比较器电路，以便于成对探测器阵列之一中的一个光敏元件所探测到的强度同另一成对探测器阵列中四个实际上部分地并置的光敏探测器所探测到的强度进行比较，从而产生一个强度信号，该强度信号表示在所比较的强度中最高的探测强度。
21.根据权利要求20的光学图象形状内容表征器，包括一个数据库阵列，该数据库阵列包括与探测器阵列中单独光敏元件相对应的RIXe1空间，其中与探测器内单独光敏元件相关的强度连同产生这一强度时狭缝角方位一起被存储在数据库阵列内的对应RIXe1空间内。
22.一个光学图象形状内容表征器，包括一个具有在一焦距处的一个焦平面的傅立叶变换透镜；一个具有定位于傅立叶变换透镜焦平面内的一个可旋转狭缝的空间滤波器，用于在焦平面内在狭缝的各种角方位处通过光能量；一个光探测器，其被放置来探测在狭缝各种角方位处通过狭缝的光能量强度的滤波图形；以及一个具有相关白光源的空间光调制器，其中该空间光调制器可编址以利用来自相关白光源的光产生一个图象，上述空间光调制器被放置以利用所述光通过傅立叶变换透镜投射图象，从而利用所述光在傅立叶变换透镜的焦平面上形成该图象空间频率的一个傅立叶变换图形。
全文摘要
一种光学图象表征器(10)根据定位在傅立叶变换透镜焦平面内的一个旋转空间滤波器中一个狭缝的分立的角方位探测光能量，其中一个图象的空间频率的傅立叶变换图形被形成。通过分裂包含经滤波能量图形的束，并将其投射到两个相互偏离、实际并置的光探测器阵列上，提高了利用一个小阵列(例如，16×16)光探测器对光能量的探测。在分立的角方位R上探测的光强度I被存储在具有或不具有可搜索标记X，如失真系数的RIXe1数据阵列中。
文档编号H04N5/76GK1454366SQ00819595
公开日2003年11月5日 申请日期2000年5月23日 优先权日2000年3月27日
发明者R·克里尔 申请人:卢克动态公司