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Correlador óptico para el reconocimiento de objetos basado en las propiedades de modulación de los dispositivos de cristal líquido

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Universitat de Barcelona. Departament de Física Aplicada i Òptica

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[spa] Este trabajo se inscribe en el ámbito del reconocimiento óptico de objetos o, en un marco más amplio, del procesado óptico de la información. El objetivo es, dado un cierto motivo a detectar, determinar su presencia y posición dentro de una escena compleja que pueda contenerlo. Un procedimiento que resulta sencillo de implementar con montajes ópticos se basa en el cálculo del producto de correlación entre la escena y el motivo (o referencia), operación que da una idea del grado de similitud entre ambas. Existen dos arquitecturas con las que es posible obtener la correlación ópticamente: el correlador de VanderLugt y el correlador de transformadas conjuntas (JTC). La incorporación a estos montajes de los denominados moduladores espaciales de luz, que permiten controlar de manera dinámica y precisa la amplitud y la fase de la luz, acompañada de la disponibilidad de otros dispositivos optoelectrónicos como los detectores de intensidad, permite diseñar correladores versátiles, fiables y operando a velocidades muy altas, que vienen limitadas únicamente por el tiempo de respuesta de los elementos optoelectrónicos. Las aplicaciones de estos dispositivos son múltiples, y se dan principalmente en campos como la robótica o visión artificial, la tecnología industrial en controles de calidad e inspección automática en cadenas de producción, la seguridad, la medicina, el reconocimiento de caracteres y la detección de blancos.  En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un correlador óptico de transformadas conjuntas que incorpora una pantalla de cristal líquido para modular la luz y una cámara CCD para registrar la intensidad. El objetivo es estudiar y caracterizar los diferentes elementos y material de que se dispone y construir un sistema de reconocimiento de objetos que sea operativo, flexible y fiable. La metodología que resulte de este trabajo debe ser útil para aplicarla en el futuro, en el que la evolución de la tecnología aportará dispositivos de mejores prestaciones y permitirá el diseño de correladores más compactos, veloces y versátiles. El trabajo se divide en dos bloques: el de caracterización de los dispositivos y diseño del correlador y el de aplicaciones, es decir, utilización del sistema para casos prácticos y obtención de resultados experimentales. En lo que se refiere a la caracterización, se desarrolla en primer lugar un modelo teórico que demuestra las propiedades de modulación de los dispositivos de cristal líquido, controlados eléctricamente, como la pantalla de cristal líquido de que se dispone. El modelo se basa en el cálculo de las matrices de Jones del sistema, que describen cómo éste afecta al estado de polarización de la luz. A continuación, se describe el sistema optoelectrónico empleado para introducir las imágenes en dicha LCD, que incluye las especificaciones de la pantalla y su caracterización como modulador de la amplitud y de la fase de la luz. Asimismo, se presenta un nuevo método de medida de dicha fase, basado en el análisis de las franjas de interferencia obtenidas mediante un interferómetro de Mach-Zehnder. Por último, se ajustan las curvas de modulación experimentales con el modelo teórico descrito anteriormente. Una vez caracterizada la pantalla, es posible diseñar y analizar las condiciones óptimas de funcionamiento de un correlador de transformadas conjuntas que opera con un solo brazo difractor, teniendo en cuenta las especificaciones de los diferentes elementos, que incluyen, aparte de la LCD, una cámara CCD para registrar intensidades. Al utilizar el correlador diseñado para aplicaciones prácticas, es necesario que su capacidad de discriminación sea elevada, de manera que los resultados que se obtengan sean fiables. Ello requiere la introducción de efectos no lineales sobre el sistema, que puede realizarse de diversas formas. En este trabajo se estudian y comparan los resultados obtenidos con diferentes técnicas, donde se ve cómo la detección es, en todos los casos, satisfactoria. Aún más, aprovechando la capacidad de modulación de la fase de la LCD, es posible diseñar el denominado JTC sólo de fase, que mejora la eficiencia óptica del sistema. Por último, se adapta el correlador para un caso real en el que las escenas empleadas sufran dos tipos de degradación: un movimiento relativo o un desenfoque. Se analizan los problemas asociados y posibles soluciones.

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[eng] A joint transform correlator (JTC) for object recognition practical applications is designed and implemented. The correlator gives real-time resu1ts by using a liquid crystal display to modu1ate the light beam in a controlled and accurate way, and a CCD camera that registers the intensity light distributions. The goal is to study and characterise the different e1ements and piece of equipment available, in order to build a flexible and reliable pattern recognition system. The methodology and experience derived from this work will be used in the future, when the technology development will bring better devices and will make possible that faster, more compact and versatile corre1ators are designed, with lots of applications. The characterisation consists mainly on obtaining the liquid crystal display complex modulation curves, which describe how the device modu1ates the amplitude and the phase of light. A new method to measure the phase modulation has been developed and presented. A correlator has been designed and used in pattern recognition applications. Specifically, a non-linear joint transform correlator has been implemented, in order to improve the system performance and discrimination capability. Moreover, the correlator has been adapted to realistic situations in which the scenes used suffered from two kinds of degradation: a relative movement and a blurring.

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Tesis Doctorals - Departament - Física Aplicada i Òptica

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Correlador óptico para el reconocimiento de objetos basado en las propiedades de modulación de los dispositivos de cristal líquido