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1、光学的发展?北航仪器光电学院仪器科学与光电工程学院Different people had different version on what is optics.What is optics?To a layman,its just a piece of glass.?To a student,its physics and chemistry.?To an optician,its a piece of art.?To a designer,its challenge and achievement.?To a scientist,it is a piece of aid.?And fin
2、ally,dont be surprise that many users dont even know the existent of optics.仪器科学与光电工程学院?光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到2000多年前。?狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到 X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。仪器科学与光电工程学院牛顿根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流牛顿根据光的直线传播性，认为光是一种
3、微粒流?1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布光谱。?牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。仪器科学与光电工程学院光的波动说的创立光的波动说的创立?惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立了光的波动说。提出“光同声一样，是以球形波面传播的”。?19世纪初，波动光学初步形成。今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。?在
4、进一步的研究中，观察到了光的偏振和偏振光的干涉。为了解释这些现象，菲涅耳假定光是一种在连续媒质(以太)中传播的横波。仪器科学与光电工程学院光就是一种电磁现象光就是一种电磁现象?1846年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年，韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。?1860年前后，麦克斯韦的指出，电场和磁场的改变，不能局限于空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为赫兹的实验证实。仪器科学与光电工程学院光的量子论光的量子论?
5、1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。?1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。?这样，在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性微粒性。仪器科学与光电工程学院光的研究中产生的重要成就光的研究中产生的重要成就?光学的发展历史表明，现代物理
6、学中的两个最重要的基础理论量子力学和狭义相对论都是在关于光的研究中诞生和发展的。?最重要的成就，就是发现了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射，并且创造了许多具体的产生受激辐射的技术激光。?1960年，梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器。仪器科学与光电工程学院由成像光学、全息术和光学信息处理组成的光学的另一个重要的分支由成像光学、全息术和光学信息处理组成的光学的另一个重要的分支?1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法，并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜，为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖；?1948年
7、伽柏提出的现代全息照相术的前身波阵面再现原理，为此，伽柏获得了1971年诺贝尔物理学奖。仪器科学与光电工程学院?自20世纪50年代以来，人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所谓“博里叶光学”。?形成了一个新的学科领域光学信息处理。光纤通信就是依据这方面理论的重要成就，它为信息传输和处理提供了崭新的技术。仪器科学与光电工程学院光学的研究内容光学的研究内容?几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。?物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称
8、为波动光学。?量子光学是从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。?应用光学 光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。从成像原理浅谈DC光学变焦与数码变焦从成像原理浅谈DC光学变焦与数码变焦?生活中的光电知识仪器科学与光电工程学院光学变焦和数码变焦存在着本质上的区别光学变焦和数码变焦存在着本质上的区别?数码相机的许多机型都会出现光学变焦以及数码变焦的概念?两者的区别不但体现出它们的工作原理上，而且也体现在最终的成像效果上。?从成像质量来说，光学变焦比数码变焦优秀很多；但是数码
9、变焦由于成本低廉，也广泛配备在消费级数码相机中。仪器科学与光电工程学院光学变焦原理光学变焦原理?上面是相机成像简单的平面图，光学变焦就是通过移动镜头内部镜片来改变焦点的位置，改变镜头焦距的长短，并改变镜头的视角大小，从而实现影像的放大与缩小。仪器科学与光电工程学院数码变焦原理数码变焦原理?现在的主流技术来看，数码变焦是利用影像处理器将感光元件中某一区域的感光单元所获得的图象信息进行单独的放大。仪器科学与光电工程学院光学变焦和数码变焦的优势和缺陷光学变焦和数码变焦的优势和缺陷?光学变焦的优势：（1）通过光学变焦所获得的影像不但使被摄物体变大了，同时也相对更加清晰。这是光学变焦的主要优势。（2）通
10、过光学变焦，我们还可以获得景深更加小的图片。?光学变焦的劣势：（1）光学变焦镜头相比非光学变焦镜头来说，制造成本要高很多。（2）光学变焦镜头在进行长焦拍摄时，由于身体或者手部震动而对画面的影响就将会更加大，因此长焦拍摄时画面模糊的几率往往更加大。仪器科学与光电工程学院光学变焦效果光学变焦效果仪器科学与光电工程学院?数码变焦优势数码变焦优势（1）数码变焦极少甚至无需增加相机制造的成本。因此，配备数码变焦并不会对数码相机的售价产生影响，在某些无法进行光学变焦的数码相机中，通过配备数码变焦可以在不增加售价时具有更大的实用性。（2）数码变焦实际使用时，并不会存在光学变焦在高倍率变焦时抖动加剧的问题。（
11、3）数码变焦比光学变焦更加省电。（4）经过数码变焦以后，图象的分辨率虽然和数码变焦前一样，但是它单张画面的体积大大缩小。这事实上也可以减少存储卡的负担。仪器科学与光电工程学院?数码变焦劣势数码变焦劣势数码变焦的负面问题是非常明显，也是非常致命的。它是通过后期的放大来实现影像的放大，虽然某些厂商的数码变焦技术会通过独特的插补运算来提高变焦后的图象质量，但是最后的图象效果仍然是模糊不清，特别是高倍率数码变焦时，效果将会更加惨不忍睹（如下图）仪器科学与光电工程学院光学变焦与数码变焦的比较仪器科学与光电工程学院光学变焦和数码变焦的具体应用光学变焦和数码变焦的具体应用?一般来说，光学变焦倍率越大，价格往
12、往就越高。3倍光学变焦镜头往往囊括了广角风景到中焦人像的种种拍摄题材已广泛应用。镜头焦距越长，景物的成像也越大，同时背景也能够得到很好的虚化仪器科学与光电工程学院?在消费级数码相机中，数码变焦的应用比光学变焦更加广泛。它无需增加硬件，应用成本低廉，事实上现在几乎所有的消费级数码相机都配备了数码变焦功能。而数码变焦在定焦镜头中的应用不但可以祢补无法直接进行影像放大的缺陷，同时也不会增加相机的制作成本。因此数码变焦技术在定焦距镜头中往往就显得比较重要了。（见下图）仪器科学与光电工程学院在没有进行数码变焦前拍摄的图片的100局部截图2.7倍数码变焦拍摄的图片的100局部截图5.7倍数码变焦拍摄的图片
13、的100局部截图没有数码变焦时拍摄的图片在图象处理软件中放大5.7倍后的截图可变焦摄像机的自动聚焦研究?课题研究举例仪器科学与光电工程学院课题解决思路?调焦评价函数可以根据图像给出数值描述光学系统的聚焦程度，基本的假定就是离焦图像是由物方影像和点扩散函数作卷积的结果，这往往导致图像中高频分量的减少或缺失。?现在已有多种算法实现聚焦判断，但各种方法在计算速度和对图像清晰度的敏感程度上各不相同，而且对具体的图像也有不同的敏感性，因而在选择清晰度函数时须根据具体要求选择函数。仪器科学与光电工程学院?物体成像可以描述为物方影像与光学系统的PSF作卷积的结果。光学系统的PSF等价于一个低通滤波器，不同散
14、焦情况下该滤波器的截止频率不同。聚焦越准确，截至频率越高；散焦越厉害，截至频率越低?从频域来讲，高频分量的流失造成图像细节的模糊。从而可以用图像高频分量的损失来衡量散焦程度聚焦原理概述仪器科学与光电工程学院自动聚焦实现流程?在计算机上实现整个聚焦过程可以描述如下：摄像机拍摄模拟图像，通过图像采集卡采集到计算机中，控制软件对采集到的图像进行实时处理，并给出摄像机调焦信号，由计算机通过RS232串口将此消息发送解码器，解码器识别消息后即向摄像机发送相应的控制指令，驱动摄像机调节焦距，反复进行此过程，直到采集到的图像符合要求，此时即完成自动聚焦。仪器科学与光电工程学院硬件连接图摄像头摄像头图像采集卡
15、图像采集卡计算机计算机解码器解码器串口通信串口通信景物景物主要参数摄像头：Relong 乐荣 CCTV RL160H图像采集卡：OK-C30A型图像采集卡解码器：JMQ-804解码器仪器科学与光电工程学院传统爬山法框图及典型搜索过程比较A、B两幅图，调整下次调焦方向及步长，同时图像B变为图像A采集图像B，计算判据值按照调焦方向和步长调节焦距是否已完成聚焦采集图像A，计算判据聚焦结束聚焦开始,设置调焦方向和步长是否仪器科学与光电工程学院评价函数要求：无偏性、单峰性、灵敏度高、对噪声敏感度低等，计算量尽可能小算法比较分析?图像变换法：即对图像进行傅里叶变换，提取其中的高频成分作为焦距评价函数。这种
16、方法计算量大，不适于一般情况下的快速、实时测量?灰度差分法：形式简单但很有效的焦距评价函数,它是利用图像的相邻像素差的绝对值之和作为焦距评价函数?图像熵法：根据香农信息理论，熵最大时信息最多，以此来判断成像是否清晰。但由于对图片的纹理及光照等条件敏感性太大,需进行加权处理仪器科学与光电工程学院算法比较分析?聚焦评价函数要求：无偏性、单峰性、灵敏度高、抗干扰性强、计算量尽可能小?对两组不同的图像进行处理（各13幅，均按“模糊清晰模糊”的趋势变化）测试靶标自然场景仪器科学与光电工程学院FFT、DCT变换法?基于图像变换的算法，计算图像高频分量，以此来评价图像清晰度?可根据图像频谱分布特征滤除低频分
17、量，提高评价性能仪器科学与光电工程学院FFT变换法DCT变换法测试靶标自然场景仪器科学与光电工程学院结论分析?灰度差分法：运算量小，能满足实时、快速的聚焦要求；在聚焦位置附近，判断效果不佳，尤其是对测试靶标进行处理时，容易产生误判；利用此特性，可用于做全局的粗略扫描?FFT、DCT：对各类图像都能取得较好的评价效果；可根据图像频谱分布特征进行处理，提高评价性能；计算量大?能量熵：传统的熵函数算法局限性大，影响因素多，改进后的能量熵算法一致性较好，适于各种场景，抗干扰性强；此算法基于二维离散Fourier变换，运算量较大?小波变换法：根据小波分析的特点，可利用丰富的小波系及分解层次，对具有固定图
18、像特征的场景寻找到合适的设置，从而达到良好的聚焦效果；小波系的选取较为困难总而言之，各种分析方法都有其优缺点，需根据各自应用领域的特点，选取与之相适应得算法，才能达到较理想的聚焦评价效果仪器科学与光电工程学院测试结果?经测试表明，本课题所实现的自动聚焦达到了较好的预期效果，在现有硬件条件下可以准确定位在聚焦位置，时间控制在35s（根据所选策略及初始位置不同，会有所差别）初始位置图像聚焦结束图像仪器科学与光电工程学院目前课题组研究的课题：?基于图像序列3D运动跟踪的DSP实现?视觉导引的摄像机标定?激光深熔焊等离子光焰图象信息识别提取的研究?可变焦摄像机的自动聚焦研究?摄像机自动聚焦的DSP实现?基于光流的运动估计研究仪器科学与光电工程学院完