光信息处理精选PPT.ppt

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1、关于光信息处理第1页，讲稿共78张，创作于星期日光学信息的分类光学信息的分类光学信息处理通常有两种分类方法。光学信息处理通常有两种分类方法。一一种种是是根根据据处处理理系系统统是是否否满满足足线线性性叠叠加加性性质质，而分而分为线性处理和非线性处理；为线性处理和非线性处理；另另一一种种是是根根据据使使用用光光源源的的时时间间和和空空间间相相干干性性分分为为相相干干光光处处理理，非非相相干干光光处处理理和和白白光光处处理理，不不同同的的照明方式，系统将具有照明方式，系统将具有完全不同的性质。完全不同的性质。第2页，讲稿共78张，创作于星期日简要历史简要历史 18731873：阿贝提出的二次成像理

2、论，信息光学的基础：阿贝提出的二次成像理论，信息光学的基础19351935：泽尼克发明相衬显微镜，用光学方法实现图像处理：泽尼克发明相衬显微镜，用光学方法实现图像处理19461946：杜弗把光学成像系统看作线性滤波器，成功地用傅里叶方法：杜弗把光学成像系统看作线性滤波器，成功地用傅里叶方法分析成像过程，认识到光学滤波和网络滤波之间存在某种分析成像过程，认识到光学滤波和网络滤波之间存在某种相似性相似性 19631963：范德拉戈特提出复数空间滤波的概念，使光学信息处：范德拉戈特提出复数空间滤波的概念，使光学信息处理技术进入广泛应用的新阶段理技术进入广泛应用的新阶段19651965：罗曼和布劳恩使

3、用计算机及计算机控制的绘图仅制作空：罗曼和布劳恩使用计算机及计算机控制的绘图仅制作空间滤波器，从而克服了制作复空间滤波器的重大障碍间滤波器，从而克服了制作复空间滤波器的重大障碍 第3页，讲稿共78张，创作于星期日七七十十年年代代以以来来，为为了了克克服服相相干干噪噪声声，人人们们的的注注意意力力又又有有转转向向非非相相干干光光处处理理、白白光光处处理理的的趋趋势势。这这方方面面的的研研究究亦亦十分活跃。十分活跃。随随着着计计算算机机的的发发展展，把把电电子子数数字字计计算算机机与与光光学学模模拟拟处处理理器器结结合合起起来来，构构成成混混合合处处理理系系统统的的重重要要意意义义愈愈加加明明显显

4、。为为了了扩扩大大光光学学处处理理的的灵灵活活性性，非非线线性性处处理理和空间变的处理也同时受到重视。和空间变的处理也同时受到重视。简要历史简要历史第4页，讲稿共78张，创作于星期日阿贝成像理论阿贝成像理论二次成像理论二次成像理论 相干照明下显微成像过程可分为两步：相干照明下显微成像过程可分为两步：第一步：物光波经透镜后在后焦面上获得衍射像。第一步：物光波经透镜后在后焦面上获得衍射像。第二步：后焦面上衍射像作为新的相干光源，发出光波在像面上干涉构成物体像。第二步：后焦面上衍射像作为新的相干光源，发出光波在像面上干涉构成物体像。5.2 5.2 相干滤波的基本原理相干滤波的基本原理第5页，讲稿共7

5、8张，创作于星期日 5.2 5.2 相干滤波的基本原理相干滤波的基本原理 阿贝一波特实验阿贝一波特实验 阿贝阿贝(1873(1873年年)和波特和波特(1906(1906年年)分别作实验验证了阿贝分别作实验验证了阿贝的成像理论，是显示空间滤波原理的富有说服力的实验的成像理论，是显示空间滤波原理的富有说服力的实验 物面物面频谱面频谱面像面像面第6页，讲稿共78张，创作于星期日阿贝一波特实验阿贝一波特实验 在物面放置透明物体，用相干光源照明，各级衍射光经透在物面放置透明物体，用相干光源照明，各级衍射光经透镜镜2 2在的后焦面（频谱面）分离开，形成一些亮点，即物体的在的后焦面（频谱面）分离开，形成一

6、些亮点，即物体的空间频谱。空间频谱。物体空间频谱分布对于透镜物体空间频谱分布对于透镜3 3为物分布，再其经变换成不为物分布，再其经变换成不同方向的平面波分量，在像平面重新相干叠加，产生物体的像同方向的平面波分量，在像平面重新相干叠加，产生物体的像 像和系统传递的空间频谱之间存在一一对应的关系。像像和系统传递的空间频谱之间存在一一对应的关系。像和物的相似程度完全取决于物体有多少频率成分能被系统传递到和物的相似程度完全取决于物体有多少频率成分能被系统传递到像面。像面。5.2 5.2 相干滤波的基本原理相干滤波的基本原理第7页，讲稿共78张，创作于星期日阿贝一波特实验阿贝一波特实验 物体物体频谱频谱

7、像像 采用水平狭缝，只允许采用水平狭缝，只允许水平方向分布的一行谱点水平方向分布的一行谱点透过，它们仅代表网格中透过，它们仅代表网格中垂直线条结构的信息，因垂直线条结构的信息，因而相应平面波分量在平面而相应平面波分量在平面综合出垂直线条的像。综合出垂直线条的像。如果在频谱面上安放如果在频谱面上安放可变光阑，当其直径由可变光阑，当其直径由小变大，可观察到网格小变大，可观察到网格像由低频成分开始，直像由低频成分开始，直到高频成分的傅里叶综到高频成分的傅里叶综合。合。5.2 5.2 相干滤波的基本原理相干滤波的基本原理第8页，讲稿共78张，创作于星期日空间滤波的傅里叶分析空间滤波的傅里叶分析 假定假

8、定 B/2d B/2d 是为了避免各级谱重叠，以便于对每一级谱实现是为了避免各级谱重叠，以便于对每一级谱实现单独处理。单独处理。以一维光栅物体为例进行傅里叶分析，了解改变系统以一维光栅物体为例进行傅里叶分析，了解改变系统透射频谱对于像的结构的直接影响。光栅的透过率为：透射频谱对于像的结构的直接影响。光栅的透过率为：a a为缝宽，为缝宽，d d为光栅常数，为光栅常数，B B为光栅沿为光栅沿x x1 1方向的尺寸。方向的尺寸。采用单位振幅平面波垂直照明采用单位振幅平面波垂直照明 频谱面上的光场分布正比于物体的频谱频谱面上的光场分布正比于物体的频谱第9页，讲稿共78张，创作于星期日空间滤波的傅里叶分

9、析空间滤波的傅里叶分析在频谱面上放置不同的孔径或屏，作频域处理，像面将在频谱面上放置不同的孔径或屏，作频域处理，像面将给出完全不同的输出像：给出完全不同的输出像：像面上输出场分布为像面上输出场分布为(1)(1)选择适当宽度的狭缝，仅选择适当宽度的狭缝，仅让零级谱通过，挡掉其余频让零级谱通过，挡掉其余频率成分。紧靠狭缝后的透射率成分。紧靠狭缝后的透射光场为光场为系统仅让零频成分通过，像面系统仅让零频成分通过，像面上不再有周期条纹结构。上不再有周期条纹结构。x0t(x0）adx1t(x1）x2T(x2/f）T(x2/f)H(x2/f）x2H(x2/f）x21x3g(x3）1第10页，讲稿共78张，

10、创作于星期日H(x2/f）x21空间滤波的傅里叶分析空间滤波的傅里叶分析(2)(2)适当放宽狭缝，仅让零级和正、负一级谱通过。适当放宽狭缝，仅让零级和正、负一级谱通过。透射频谱为透射频谱为 像面上输出复振幅分布为像面上输出复振幅分布为 像面虽然也是周期为像面虽然也是周期为d d的条纹，但已不是线光栅，的条纹，但已不是线光栅，而是对比不同的余弦振幅光栅结构。而是对比不同的余弦振幅光栅结构。x2T(x2/f）x2T(x2/f)H(x2/f）g(x3)x3第11页，讲稿共78张，创作于星期日空间滤波的傅里叶分析空间滤波的傅里叶分析(3)(3)采用双缝，仅让正、负二级谱通过。系统透射的频谱为采用双缝，

11、仅让正、负二级谱通过。系统透射的频谱为对应像面输出场分布为 像面余弦条纹的周期为像面余弦条纹的周期为d/2d/2，只是物光栅周期的一半。只是物光栅周期的一半。H(x2/f）x21x2T(x2/f)H(x2/f）g(x3)x3第12页，讲稿共78张，创作于星期日 阿贝一波特实验系统中，在物平面放置一个正弦光栅，其振阿贝一波特实验系统中，在物平面放置一个正弦光栅，其振幅透过率为：幅透过率为：（1 1）在频谱面的中央设置一个小圆盘挡住物的零级谱。求像的强）在频谱面的中央设置一个小圆盘挡住物的零级谱。求像的强度分布和可见度。度分布和可见度。（2 2）移动小圆盘挡住）移动小圆盘挡住+1+1级谱，像的强度

12、分布和可见度又如何？级谱，像的强度分布和可见度又如何？解解：（：（1）物的频谱：物的频谱：滤波后：滤波后：像复振幅分布：像复振幅分布：强度分布：强度分布：例题例题1 1第13页，讲稿共78张，创作于星期日（2 2）滤波后频谱：滤波后频谱：像复振幅分布：像复振幅分布：强度分布：强度分布：强度分布中除直流成份外，交流成分为空间频率为强度分布中除直流成份外，交流成分为空间频率为0 0 ，条纹对比度下降为：条纹对比度下降为：解（续）解（续）（1 1）强度分布中除直流成份外，交流成分为空间频率为）强度分布中除直流成份外，交流成分为空间频率为2 20 0 ，条纹对比度为：条纹对比度为：第14页，讲稿共78

13、张，创作于星期日5.3 空间滤波器系统空间滤波系统空间滤波系统 双透镜系统（双透镜系统（1）L L1 1起照明作用；起照明作用；透镜透镜L L2 2同时起到同时起到傅里叶频谱变换傅里叶频谱变换和成像作用。和成像作用。第15页，讲稿共78张，创作于星期日5.3 空间滤波器系统空间滤波系统空间滤波系统 双透镜系统（双透镜系统（2）透镜透镜L L1 1既起既起照明作用，照明作用，又起傅里叶又起傅里叶变换作用。变换作用。透镜透镜L L2 2起第起第二次傅里叶二次傅里叶变换和成像变换和成像作用。作用。x1第16页，讲稿共78张，创作于星期日5.3 空间滤波器系统空间滤波系统空间滤波系统 单透镜系统（单透

14、镜系统（3）透镜透镜L L既起照明既起照明作用，又起傅里作用，又起傅里叶变换作用以及叶变换作用以及 第二次傅里叶变第二次傅里叶变换和成像作用。换和成像作用。这三种系统，结构简这三种系统，结构简单，可以改变输出频单，可以改变输出频谱的大小比例，可灵谱的大小比例，可灵活方便进行滤波操作。活方便进行滤波操作。对于后两种系统，在频谱面上给出的是物函数的准对于后两种系统，在频谱面上给出的是物函数的准傅里叶变换，即附带有球面相位因子；在有些情况傅里叶变换，即附带有球面相位因子；在有些情况下对滤波操作有影响。下对滤波操作有影响。第17页，讲稿共78张，创作于星期日滤波器的种类以及应用滤波器的种类以及应用滤波

15、函数一般是复函数，即滤波函数一般是复函数，即根据滤波函数的特点，可以把滤波器分为以下几种：根据滤波函数的特点，可以把滤波器分为以下几种：(1)(1)振幅滤波器：振幅滤波器仅改变各频率成分的相对振幅分布，而不改振幅滤波器：振幅滤波器仅改变各频率成分的相对振幅分布，而不改变其位相分布。滤波函数仅有变其位相分布。滤波函数仅有 ，其值在，其值在0 0l l范围内连续变化。范围内连续变化。通常按一定函数控制底片盼曝光量分布或者在玻璃片基上蒸镀的金属通常按一定函数控制底片盼曝光量分布或者在玻璃片基上蒸镀的金属膜制作滤波器。膜制作滤波器。当滤波函数只取当滤波函数只取1 1和和0 0两个值，允许某些空间频率成

16、分透过，而阻挡其余空闻频两个值，允许某些空间频率成分透过，而阻挡其余空闻频率成分，这是二元振幅滤波器。率成分，这是二元振幅滤波器。(2)(2)位相滤波器：位相滤波器仅改变各频率成分的相对位相分布，不改位相滤波器：位相滤波器仅改变各频率成分的相对位相分布，不改变其相对振幅分布。滤波函数可以表示为变其相对振幅分布。滤波函数可以表示为 第18页，讲稿共78张，创作于星期日(3)(3)复数滤波器：复数滤波器：这种滤波器对各种频率成分的振幅和位相都同时起调制作用，滤波函数是复这种滤波器对各种频率成分的振幅和位相都同时起调制作用，滤波函数是复函数。虽然可以用振幅滤波器和位相滤波器组合成一个复数滤波器，函数

17、。虽然可以用振幅滤波器和位相滤波器组合成一个复数滤波器，用镀膜等方法去产生连续变化的位相调制总是极为困难的。用镀膜等方法去产生连续变化的位相调制总是极为困难的。用计算机制作的计算全息图可以解决这一困难，计算全息图的复振用计算机制作的计算全息图可以解决这一困难，计算全息图的复振幅透过率将具有所期望的振幅和位相调制因子。幅透过率将具有所期望的振幅和位相调制因子。滤波器的种类以及应用滤波器的种类以及应用第19页，讲稿共78张，创作于星期日5.4 空间滤波应用举例(1)位相滤波相衬显微镜 位相滤波是指改变各种频率成分的相对位相分布，位相滤波是指改变各种频率成分的相对位相分布，1935年荷兰物理学家泽尼

18、克发明的相衬法是位相滤波的杰年荷兰物理学家泽尼克发明的相衬法是位相滤波的杰出范例。出范例。人眼只能感受光强度的变化，不能辨别位相变化。人眼只能感受光强度的变化，不能辨别位相变化。由由于位相型物体于位相型物体(如生物切片，油膜、位相光栅等如生物切片，油膜、位相光栅等)不改变不改变入射光的振幅，仅因厚度或折射率的变化，改变入射光波的位入射光的振幅，仅因厚度或折射率的变化，改变入射光波的位相分布，人眼无法观察到它的位相结构。相分布，人眼无法观察到它的位相结构。把位相变化转化为强度把位相变化转化为强度(或振幅或振幅)的变化，的变化，即把空间即把空间位相调制的信息变换为空间强度位相调制的信息变换为空间强

19、度(或振幅或振幅)调制的信息可调制的信息可解解决这一问题决这一问题。第20页，讲稿共78张，创作于星期日位相滤波相衬显微镜 采用采用4f4f滤波系统。透明的位相型物体置于物平面，其滤波系统。透明的位相型物体置于物平面，其复振幅复振幅透过率为：透过率为：单位振幅相干平面波垂直照明时，物光波场分布为：单位振幅相干平面波垂直照明时，物光波场分布为：假定相移很小，假定相移很小，幂级数表达式中二次方，幂级数表达式中二次方以上的高阶项可以略去，有以上的高阶项可以略去，有 第21页，讲稿共78张，创作于星期日位相滤波位相滤波相衬显微镜相衬显微镜，频谱面上得到频谱分布频谱面上得到频谱分布若不作滤波处理，像面上

20、将得到物体的像，像面光场复振若不作滤波处理，像面上将得到物体的像，像面光场复振幅分布为：幅分布为：直接可观察到的是强度分布：直接可观察到的是强度分布：相对于常数项来说，相对于常数项来说，很小，可以忽略。因而输出面上很小，可以忽略。因而输出面上近似为均匀的光强分布，看不出位相变化。近似为均匀的光强分布，看不出位相变化。第22页，讲稿共78张，创作于星期日位相滤波相衬显微镜分析：分析：物光波实际可看作两部分：直接透射光和由于位相物光波实际可看作两部分：直接透射光和由于位相起伏造成的弱衍射光。起伏造成的弱衍射光。这两部分光之间位相差为这两部分光之间位相差为/2 要使像的强度产生可观测的变化，必须改变

21、这两部要使像的强度产生可观测的变化，必须改变这两部分光之间的位相正交关系！分光之间的位相正交关系！在谱面上，直接透射光集中在焦点附近，衍射光由在谱面上，直接透射光集中在焦点附近，衍射光由于包含较多高频成分，在谱面上能量较为分散。于包含较多高频成分，在谱面上能量较为分散。在谱面上用位相滤波器改变零频与其它频率成分之间在谱面上用位相滤波器改变零频与其它频率成分之间的相对位相分布。的相对位相分布。第23页，讲稿共78张，创作于星期日位相滤波相衬显微镜 位相滤波器的结构：位相滤波器的结构：用一块玻璃基片，在其上焦平面中用一块玻璃基片，在其上焦平面中心位置镀上一定厚度的膜层，使零频成分通过它后，其心位置

22、镀上一定厚度的膜层，使零频成分通过它后，其位相相对于衍射光位相延迟位相相对于衍射光位相延迟/2/2 或或 3 3/2/2 。滤波函数为：经滤波后的频谱变为：像面复振幅分布：观察的强度分布观察的强度分布:未经过滤波处理未经过滤波处理的强度：的强度：第24页，讲稿共78张，创作于星期日位相滤波相衬显微镜 由于直接透射光太强，衍射光太弱，像的对比很低。如果使移由于直接透射光太强，衍射光太弱，像的对比很低。如果使移相板中心膜层在产生相移的同时，也能产生部分吸收，衰减零频的相板中心膜层在产生相移的同时，也能产生部分吸收，衰减零频的背景光，可以提高像面光强的对比。背景光，可以提高像面光强的对比。泽尼克的成

23、功的启示：泽尼克的成功的启示：光波携带物体信息传播时，信息可能是空间的振幅和位相调制、光波携带物体信息传播时，信息可能是空间的振幅和位相调制、空间强度调制或空间的波长调制。我们不仅可通过滤波或其它方法空间强度调制或空间的波长调制。我们不仅可通过滤波或其它方法就每一种调制方式本身作出各种变化，还可以在信息的不同调制方就每一种调制方式本身作出各种变化，还可以在信息的不同调制方式之间实现变换，也就是改变编码方法。式之间实现变换，也就是改变编码方法。第25页，讲稿共78张，创作于星期日5.4 空间滤波应用举例(2)振幅型滤波器 振幅型滤波器只改变频谱的振幅分布，为振幅分布函数，振幅型滤波器只改变频谱的

24、振幅分布，为振幅分布函数，取值可在取值可在0101范围。很多情况下使用的是二元振幅型滤波器，范围。很多情况下使用的是二元振幅型滤波器，其透过率函数为：其透过率函数为：孔内孔外 根据不同的滤波频段，振幅型滤波器又可分为低通、根据不同的滤波频段，振幅型滤波器又可分为低通、高通和带通三类。下面分别举例。高通和带通三类。下面分别举例。第26页，讲稿共78张，创作于星期日(1)低通滤波器 主要用于消除图像中的高频噪声。例如带有高频噪声主要用于消除图像中的高频噪声。例如带有高频噪声的照片，经低通滤波后可有效消除其噪声。的照片，经低通滤波后可有效消除其噪声。第27页，讲稿共78张，创作于星期日(2)高通滤波

25、器 主要滤除频谱中的低频部分，以增强像的边缘或实主要滤除频谱中的低频部分，以增强像的边缘或实现衬度的反转。中央光屏尺寸由物体低频分布的宽度而现衬度的反转。中央光屏尺寸由物体低频分布的宽度而定。定。第28页，讲稿共78张，创作于星期日(3)带通滤波器 主要使频谱中的某些频率成分通过，而滤除另外一主要使频谱中的某些频率成分通过，而滤除另外一些频率成分。带通滤波器形式很多。些频率成分。带通滤波器形式很多。例例1 抑制周期性信号中的噪声。抑制周期性信号中的噪声。周期性信号频谱具有规律性的点阵列，而噪声信号频谱周期性信号频谱具有规律性的点阵列，而噪声信号频谱是随机的，可用有规律的针孔阵列做为滤波器，以消

26、除噪是随机的，可用有规律的针孔阵列做为滤波器，以消除噪声，改善照片质量。声，改善照片质量。第29页，讲稿共78张，创作于星期日相干光学信息处理系统相干光学信息处理系统5.5 5.5 相干光学信息处理相干光学信息处理 如前面介绍，相干光学信息处理系统的结构需根据具体的图像处理如前面介绍，相干光学信息处理系统的结构需根据具体的图像处理要求而定，种类繁多。通常采用三透镜系统要求而定，种类繁多。通常采用三透镜系统物面物面频谱面频谱面像面像面第30页，讲稿共78张，创作于星期日设输入图像振幅透过滤为设输入图像振幅透过滤为当单位振幅平面波垂直照明，频谱面上光场：当单位振幅平面波垂直照明，频谱面上光场：在频

27、谱面上放置振幅透过律为在频谱面上放置振幅透过律为 的滤波器，的滤波器，滤波后光波场：滤波后光波场：在像平面上光波场为在像平面上光波场为h h 是的是的H H 傅里叶逆变换式，称为滤波器的脉冲响应。傅里叶逆变换式，称为滤波器的脉冲响应。系统实现了输入信息与滤波器脉冲响应的卷积运算。系统实现了输入信息与滤波器脉冲响应的卷积运算。常根据这一原理实现对输入信息所需的变换或滤波。常根据这一原理实现对输入信息所需的变换或滤波。相干光学信息处理原理相干光学信息处理原理第31页，讲稿共78张，创作于星期日1.光栅滤波器用于图像加减光栅滤波器用于图像加减实现图像加减的方法很多，下面介绍其中的一种：余弦光栅滤波器

28、可用全息方法来制作，它是一种振幅滤波余弦光栅滤波器可用全息方法来制作，它是一种振幅滤波器。把它安放在系统中的谱面位置上，忽略光栅的有限尺寸，器。把它安放在系统中的谱面位置上，忽略光栅的有限尺寸，滤波函数为：滤波函数为：表示条纹的初位相，它决定了光栅相对原点的位表示条纹的初位相，它决定了光栅相对原点的位置，置，f fx0 x0 为光栅频率。为光栅频率。第32页，讲稿共78张，创作于星期日 在物平面沿在物平面沿x1方向相对原点对称放置图象方向相对原点对称放置图象E和和F，它们的中，它们的中心离开原点距离都等于心离开原点距离都等于b。取。取1.光栅滤波器用于图像加减光栅滤波器用于图像加减物面物面频谱

29、面频谱面像面像面第33页，讲稿共78张，创作于星期日输入光波场分布可以表示为输入光波场分布可以表示为输入物光波频谱为输入物光波频谱为经光栅滤波后频谱为经光栅滤波后频谱为 1.光栅滤波器用于图像加减数学原理光栅滤波器用于图像加减数学原理第34页，讲稿共78张，创作于星期日经傅里叶变换，像面上输出光波场分布为：经傅里叶变换，像面上输出光波场分布为：当当0 0，在像平面中心部位实现了图像相加。假如光栅，在像平面中心部位实现了图像相加。假如光栅的最大透过率偏离光轴的最大透过率偏离光轴1/4 1/4 周期周期 ，即，即 则得到图像相减的结果。其它四项分列光轴两侧，中心则得到图像相减的结果。其它四项分列光

30、轴两侧，中心位于位于 和和 ，它们不会重叠。，它们不会重叠。1.光栅滤波器用于图像加减数学原理光栅滤波器用于图像加减数学原理第35页，讲稿共78张，创作于星期日1.光栅滤波器用于图像加减光栅滤波器用于图像加减 光栅滤波器的作用很明显，透射光波能产生零级和光栅滤波器的作用很明显，透射光波能产生零级和11级衍级衍射光，相当于用三个不同方向传播的载波来传递信息，因而它可射光，相当于用三个不同方向传播的载波来传递信息，因而它可以使位于物面的物体产生三个像。在本例中，图像的以使位于物面的物体产生三个像。在本例中，图像的+1+1级像和图级像和图像的一像的一l l级像恰好在面中心重叠。当它们相位相同，实现相

31、加；位级像恰好在面中心重叠。当它们相位相同，实现相加；位相相反，实现相减。相对于光轴移动光栅，可以很方便地控制位相。相相反，实现相减。相对于光轴移动光栅，可以很方便地控制位相。两幅图像相加，突出了两物体的共同结构，相减则可提取二者的两幅图像相加，突出了两物体的共同结构，相减则可提取二者的差异，这对于我们研究事物的变化是很有用的。例如，不同时间拍摄差异，这对于我们研究事物的变化是很有用的。例如，不同时间拍摄两张病理照片，图像相减后，可更直观地发现病情变化。用于军事上，两张病理照片，图像相减后，可更直观地发现病情变化。用于军事上，则有利于发现基地新增添的工程设施。则有利于发现基地新增添的工程设施。

32、1.光栅滤波器用于图像加减数学原理光栅滤波器用于图像加减数学原理第36页，讲稿共78张，创作于星期日2.2.复合光栅滤波器一用于图像微分复合光栅滤波器一用于图像微分 用全息方法在一块全息干板上拍摄两组栅线平行、空间频率稍有用全息方法在一块全息干板上拍摄两组栅线平行、空间频率稍有差别差别(例如例如100100线线mmmm和和102102线线mm)mm)的余弦振幅光栅，并使两光栅在原的余弦振幅光栅，并使两光栅在原点处位相差为点处位相差为，就得到了所需的复合光栅滤波器。，就得到了所需的复合光栅滤波器。复合光栅的制作光路（还有其他光路）复合光栅的制作光路（还有其他光路）改变改变L2和和L3的间距，的间

33、距，可以控制光栅的频率。可以控制光栅的频率。制作复合光栅需要两制作复合光栅需要两次或多次曝光，在每次或多次曝光，在每次曝光前，适当移动次曝光前，适当移动胶片的横向位置，以胶片的横向位置，以使各组条纹之间具有使各组条纹之间具有不同的初始位相。不同的初始位相。第37页，讲稿共78张，创作于星期日2.2.复合光栅滤波器一用于图像微分复合光栅滤波器一用于图像微分 复合光栅滤波器可用于图像微分，使低对比的图像边缘增强。复合光栅滤波器可用于图像微分，使低对比的图像边缘增强。把它放在把它放在 4f 系统中的频谱面上，滤波函数为系统中的频谱面上，滤波函数为:滤波器的脉冲响应是滤波器的脉冲响应是 第38页，讲稿

34、共78张，创作于星期日2.2.复合光栅滤波器一用于图像微分复合光栅滤波器一用于图像微分对于物面的输入函数，系统在像平面给出的输出是对于物面的输入函数，系统在像平面给出的输出是当当很小时，公式的后两项正比于输入函数沿很小时，公式的后两项正比于输入函数沿x x3 3方向的微分，方向的微分，它们的中心位置在它们的中心位置在 。注意到注意到第39页，讲稿共78张，创作于星期日2.2.复合光栅滤波器一用于图像微分复合光栅滤波器一用于图像微分 构成复合光栅的两组光栅条纹，由于频率的差别构成复合光栅的两组光栅条纹，由于频率的差别以及位相差，使得输入物体经系统产生的同一级像以及位相差，使得输入物体经系统产生的

35、同一级像(正正一级或负一级一级或负一级)位置稍稍错开后相减，从而实现微分。位置稍稍错开后相减，从而实现微分。根据完全类似的分析，制作二维的复合光栅滤波器，根据完全类似的分析，制作二维的复合光栅滤波器，使其脉冲响应中包含使其脉冲响应中包含 当时当时 ，在输出平面将得到图像二维微分，在输出平面将得到图像二维微分 第40页，讲稿共78张，创作于星期日5.6 5.6 匹配滤波器与图像识别匹配滤波器与图像识别 利用光学图像的利用光学图像的特征特征进行图像的识别，是图像处进行图像的识别，是图像处理中极其重要的应用方向。理中极其重要的应用方向。图像特征识别是利用图像自相关时相对其他信图像特征识别是利用图像自

36、相关时相对其他信号必然出现较强的峰值进行判断。号必然出现较强的峰值进行判断。特征识别的关键是需要特定的匹配滤波器。特征识别的关键是需要特定的匹配滤波器。图像识别的方法有很多种，下面重点介绍傅里图像识别的方法有很多种，下面重点介绍傅里叶变换方法。叶变换方法。第41页，讲稿共78张，创作于星期日1.匹配滤波器工作原理匹配滤波器工作原理设函数设函数s(x,y)s(x,y)和和f(x,y)f(x,y)的卷积和相关运算分别为的卷积和相关运算分别为相关运算与卷积运算的关系为：相关运算与卷积运算的关系为：两个函数的卷积运算在频域对应相乘运算，若要进行两个函数的卷积计算，可先用全息方法制作 的频谱函数 。将

37、作为4f 系统的物，作为滤波器，则输出面上分布为(卷积运算)(相关运算)第42页，讲稿共78张，创作于星期日将 称为 的匹配滤波器。两个函数的相关运算可根据相关与卷积的关系，可先用全息方法制作 的滤波器，当信号 在输入平面时，其频谱为信号频谱经匹配滤波器后变为1.匹配滤波器工作原理匹配滤波器工作原理第43页，讲稿共78张，创作于星期日所所谓谓“匹配匹配”实质实质上是在上是在频频域域对对待待检检信号的位相信号的位相补偿补偿。是正的是正的实实函数，函数，这这意味着一个弯曲的波前意味着一个弯曲的波前经过滤经过滤波器波器变为变为振幅加振幅加权权、但位相均匀的平面波前。匹配、但位相均匀的平面波前。匹配滤

38、滤波器在波器在频频域消域消除了信号各种空除了信号各种空间频间频率成分的相率成分的相对对位相位相变变化。携化。携带带 信信息息的平面波前继续传播，在输出面上产生信号自相关光斑的平面波前继续传播，在输出面上产生信号自相关光斑物物面面频谱频谱面面像像面面第44页，讲稿共78张，创作于星期日2.全息滤波器的制作全息滤波器的制作全息滤波器的记录光路如图所示。所记录的是傅里叶变换全息图。点光源发出的光经透镜准直，一部分光照射膜片，其复振幅透过率等于所需滤波器的脉冲响应h。SffL1第45页，讲稿共78张，创作于星期日，,曝光后所得全息图的复振幅透过率正比于曝光光强曝光后所得全息图的复振幅透过率正比于曝光光

39、强三、四两项包含了所需的滤波函数三、四两项包含了所需的滤波函数H和和H*。只要参考光只要参考光倾角足够大，在滤波运算时，各项的作用互不干扰。倾角足够大，在滤波运算时，各项的作用互不干扰。2.2.全息滤波器的制作全息滤波器的制作 第46页，讲稿共78张，创作于星期日 若在系统的谱面上放置上述全息滤波器若在系统的谱面上放置上述全息滤波器(为简单起见，假定变换透为简单起见，假定变换透镜的焦距，与记录时相同镜的焦距，与记录时相同)，输入函数为，输入函数为f(x,y),输出函数为输出函数为g(x,y)我们关心的是三、四两项，它们分别是输入函数与滤波器脉我们关心的是三、四两项，它们分别是输入函数与滤波器脉

40、冲响应的互相关和卷积，中心在。由于全息滤波器可以同时实现卷冲响应的互相关和卷积，中心在。由于全息滤波器可以同时实现卷积和相关运算，它是一种多功能的滤波器。对于不同用途，注意力积和相关运算，它是一种多功能的滤波器。对于不同用途，注意力通常集中在某一个功能上。通常集中在某一个功能上。3.3.图像识别图像识别第47页，讲稿共78张，创作于星期日2.2.全息滤波器的制作全息滤波器的制作 在记录滤波器时，参考光倾角在记录滤波器时，参考光倾角(取小角度近似取小角度近似)应满足。应满足。(假定h和f 沿y方向空间频带宽度分别为Wh和Wf)产生复数滤波器的另一个重要方法是计算全息方法，即用计算产生复数滤波器的

41、另一个重要方法是计算全息方法，即用计算机制作复数滤波器。假如我们只有滤波器脉冲响应机制作复数滤波器。假如我们只有滤波器脉冲响应 h h 的数学表达的数学表达式，而难于得到它的物理图像，此时不便用光学全息方法，计算式，而难于得到它的物理图像，此时不便用光学全息方法，计算全息方法就具有明显的优越性。全息方法就具有明显的优越性。目前，各种计算全息图作为滤波器在图像识别、消模糊、图像微分目前，各种计算全息图作为滤波器在图像识别、消模糊、图像微分等方面有了很多应用。等方面有了很多应用。第48页，讲稿共78张，创作于星期日3.3.利用匹配滤波器作图像识别利用匹配滤波器作图像识别 图像识别是指检测和判断图像

42、中是否包含某一特定的信息。图像识别是指检测和判断图像中是否包含某一特定的信息。例如，在大量指纹档案中检查出罪犯的指纹，在病理照片中识别例如，在大量指纹档案中检查出罪犯的指纹，在病理照片中识别出癌变细胞；在军事侦察照片中检出特定目标；以及文字识别等出癌变细胞；在军事侦察照片中检出特定目标；以及文字识别等等。等。可以用光学相关系统来实现图像识别。可以用光学相关系统来实现图像识别。仍仍用用 4f 系统。输入图像中包含待检测的特定信号系统。输入图像中包含待检测的特定信号 和和 噪声或其它我们并不关心的信号，噪声或其它我们并不关心的信号，假定它们彼此是相加性的，输入场分布为假定它们彼此是相加性的，输入场

43、分布为 第49页，讲稿共78张，创作于星期日2.2.利用匹配滤波器作图像识别利用匹配滤波器作图像识别频谱面上输入频谱为频谱面上输入频谱为 用待检信号用待检信号s s制作滤波器，使滤波函数正比于信号的频谱的共轭，即制作滤波器，使滤波函数正比于信号的频谱的共轭，即经滤波后的频谱为经滤波后的频谱为 傅里叶逆变换后，输出面上输出复振幅分布为傅里叶逆变换后，输出面上输出复振幅分布为第50页，讲稿共78张，创作于星期日3.3.利用匹配滤波器作图像识别利用匹配滤波器作图像识别 上式中第一项为待检信号的自相关，将给出一个峰值输出。上式中第一项为待检信号的自相关，将给出一个峰值输出。第二项为噪声与信号的互相关，

44、由于二者的差异，能量是弥散第二项为噪声与信号的互相关，由于二者的差异，能量是弥散的。因而，可根据输出平面是否出现亮点，判断输入信息中是的。因而，可根据输出平面是否出现亮点，判断输入信息中是否包含待检信号。否包含待检信号。这里所使用滤波器称为匹配滤波器。它的脉冲响应为这里所使用滤波器称为匹配滤波器。它的脉冲响应为 光学匹配滤波系统也可用于测量。即通过相关值的变化，测定光学匹配滤波系统也可用于测量。即通过相关值的变化，测定物体或图像尺寸、形状的变化。例如，测量螺钉等小零件的尺寸物体或图像尺寸、形状的变化。例如，测量螺钉等小零件的尺寸误差并进行分类；在金属疲劳试验中测量试件的微小变形等。误差并进行分

45、类；在金属疲劳试验中测量试件的微小变形等。第51页，讲稿共78张，创作于星期日第52页，讲稿共78张，创作于星期日3.3.利用逆滤波器作图像消模糊利用逆滤波器作图像消模糊 摄影时，由于成像系统像差、目标和底片之问相对运动、摄影时，由于成像系统像差、目标和底片之问相对运动、离焦、大气扰动等因素，记录下的是模糊像。这种模糊是成离焦、大气扰动等因素，记录下的是模糊像。这种模糊是成像过程中传递函数不完善所致。在相干滤波系统中频率平面像过程中传递函数不完善所致。在相干滤波系统中频率平面上采用补偿滤波器，对成像系统传递函数作合理的补偿或修上采用补偿滤波器，对成像系统传递函数作合理的补偿或修正，将在输出面上

46、得到清晰像。这一处理称为图像恢复或消正，将在输出面上得到清晰像。这一处理称为图像恢复或消模糊。模糊。第53页，讲稿共78张，创作于星期日3.3.利用逆滤波器作图像消模糊利用逆滤波器作图像消模糊 例如严重离焦的情况，点目标的像近似为均匀的圆形光斑，光斑大小与离焦量有关。设光斑直径为 ,则几何光学近似下，点扩散函数为用用H(H()表示光学传递函数，则表示光学传递函数，则第54页，讲稿共78张，创作于星期日3.3.利用逆滤波器作图像消模糊利用逆滤波器作图像消模糊 利用如右图所示利用如右图所示组合滤波器组合滤波器，放，放在在 4f 系统的谱面上补偿这个带缺系统的谱面上补偿这个带缺陷的传递函数。陷的传递

47、函数。吸收板用来衰减很强的低频峰值，吸收板用来衰减很强的低频峰值，以便提高像的对比，突出细节。以便提高像的对比，突出细节。移相板使移相板使H(H()的第一个负瓣相的第一个负瓣相移，以纠正对比反转。下图表示出原移，以纠正对比反转。下图表示出原来的以及补偿后的传递函数。输入图来的以及补偿后的传递函数。输入图像的像质因而获得改善。像的像质因而获得改善。组合滤组合滤波器波器吸收位相板补偿前后补偿前后传递函数传递函数 未经补偿的H()经补偿的01第55页，讲稿共78张，创作于星期日 原始物体光强分布，原始物体光强分布，为造成模糊像的系统的点扩散函数为造成模糊像的系统的点扩散函数 模糊像的强度分布模糊像的

48、强度分布:消模糊就是由消模糊就是由 去恢复去恢复 ,正是解卷积过程正是解卷积过程 在空域实现解卷积十分困难，但作频域处理，在空域实现解卷积十分困难，但作频域处理，却异常简单却异常简单!3.利用逆滤波器作图像消模糊利用逆滤波器作图像消模糊第56页，讲稿共78张，创作于星期日对模糊像的记录作线性处理对模糊像的记录作线性处理,并并作为作为 4f 4f 系统的物，在谱面上得系统的物，在谱面上得到到 选择滤波函数为选择滤波函数为滤波后的谱变为滤波后的谱变为 右图分别给出离焦的传递函数、振幅和右图分别给出离焦的传递函数、振幅和位相滤波函数、补偿后的传递函数曲线。位相滤波函数、补偿后的传递函数曲线。高频传递

49、能力大大改善，纠正了对比反高频传递能力大大改善，纠正了对比反转的现象。转的现象。lH()l0()0F0()lH()lej()00F0()第57页，讲稿共78张，创作于星期日3.3.利用逆滤波器作图像消模糊利用逆滤波器作图像消模糊逆滤波器的制作逆滤波器的制作逆滤波器是复数滤波器。制作的方法是先利用逆滤波器是复数滤波器。制作的方法是先利用 制作制作一个全息滤波器，滤波函数为一个全息滤波器，滤波函数为 H H*,然后用普通照相方法然后用普通照相方法制作一个振幅滤波器，滤波函数为制作一个振幅滤波器，滤波函数为1/lHl1/lHl2 2 。两个滤波器。两个滤波器叠合，总的滤波函数为叠合，总的滤波函数为就

50、得到所需的逆滤波器。就得到所需的逆滤波器。对于模糊像要能确定造成模糊的原因对于模糊像要能确定造成模糊的原因和点扩展函数，才能制作逆滤波器。和点扩展函数，才能制作逆滤波器。第58页，讲稿共78张，创作于星期日5.7 5.7 非相干光处理非相干光处理 非相干光处理是指采用非相干光处理是指采用准单色扩展光源准单色扩展光源产生的非相产生的非相干光作为信息的载体，系统传递和处理的干光作为信息的载体，系统传递和处理的基本物理量是基本物理量是强度分布强度分布。早期的光学信息处理多属于非相干光处理。六十年代早期的光学信息处理多属于非相干光处理。六十年代以来，由于激光可供作为高质量相干光源以及全息术的推动，以来