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1、第三部分 基本技术篇基本技术篇1:光信息的采集和显示技术基本技术篇2:光信息传输技术基本技术篇3:光信息存储技术基本技术篇4:光信息的加工及处理技术I基本技术篇5:光信息的加工及处理技术II基本技术篇4光信息的加工及其处理技术I光信息的加工及其处理技术I7.1空间滤波7.1.1阿贝-波特实验7.1.2空间频率滤波系统7.1.3空间滤波器的种类及其功能7.2照相图像的恢复7.2.1离焦图像的复原7.2.2模糊图像的消模糊光信息的加工及其处理技术I 光学信息是指光波的强度、复振幅、位相、色彩偏振态等内容，信息处理则是指对已获得的信息进行加工或变换，以达到提取所需信息的目的。按照光波的相干性、光源的
2、单色性、处理系统是否线性等方面，光学信息处理通常分为相干处理和非相干处理、单色光处理和白光处理、线性处理和非线性处理等。这些处理方法是在空间域进行还是在频率域进行，又分为空间域处理和频域处理。阿贝成像原理 着眼于频谱的转换相干成像过程分两步完成着眼于频谱的转换相干成像过程分两步完成:第一步是入射光经物平面第一步是入射光经物平面 发生夫琅和费衍射，在透发生夫琅和费衍射，在透镜后焦面上形成一系列衍射斑；镜后焦面上形成一系列衍射斑；第二步是干涉，即各衍射斑发出的球面次波在像平第二步是干涉，即各衍射斑发出的球面次波在像平面面(x，y)上相干迭加，像就是干涉场。上相干迭加，像就是干涉场。阿贝成像原理阿贝
3、成像原理是把成像过程分成两步：阿贝成像原理是把成像过程分成两步：第一步衍射起第一步衍射起“分频分频”作用，作用，第二步干涉起第二步干涉起“合成合成”作用。作用。成像光学仪器要求成像光学仪器要求：图像尽可能与原物相似。：图像尽可能与原物相似。阿贝成像原理的观点要求阿贝成像原理的观点要求：在分频与合成的过程：在分频与合成的过程中尽量不使频谱改变。有限口径的透镜是一个中尽量不使频谱改变。有限口径的透镜是一个低通滤波器低通滤波器”，丢失了高频信息，图像的，丢失了高频信息，图像的细节变得有所模糊。因此要提高系统成像的质细节变得有所模糊。因此要提高系统成像的质量，就应该扩大透镜的口径。量，就应该扩大透镜的
4、口径。4f 光学系统系统物平面物平面物平面物平面焦平面焦平面焦平面焦平面象平面象平面象平面象平面L L1 1L L2 2f ff ff ff f4f 光学系统系统若挡住焦平面上的亮点，在象平面上出现消除了光栅若挡住焦平面上的亮点，在象平面上出现消除了光栅线条的图形。线条的图形。若只让焦平面上的亮点透过，在象平面上出现清洁的若只让焦平面上的亮点透过，在象平面上出现清洁的光栅图形，其它图形滤掉。光栅图形，其它图形滤掉。4f 光学系统系统 通过衍射屏的光发生夫琅禾费衍射，在透镜通过衍射屏的光发生夫琅禾费衍射，在透镜后焦平面上得到傅里叶频谱；频谱图上各发光点后焦平面上得到傅里叶频谱；频谱图上各发光点发
5、出的球面波在象平面上相干叠加而形成象。第发出的球面波在象平面上相干叠加而形成象。第一部是一部是信息分解信息分解，第二部是，第二部是信息合成信息合成。空间滤波 在焦平面上的一个水平狭缝消除了网格在焦平面上的一个水平狭缝消除了网格像的水平线条像的水平线条 阿贝阿贝-波特实验结论波特实验结论由实验可归纳出以下几点结论：实验充分证明了阿贝成像理论的正确性，像的结构直接依赖于频谱的结构，只要改变频谱的构成，便可改变像的构成。实验充分证明了傅立叶分析的正确性：谱面上横向分布，是物的纵向结构的信息；谱面上的纵向分布，是物的横向结构信息。零频分量是一个直流分量，它只代表像的本底挡住零频分量，在一定条件下可使像
6、发生衬度反转仅允许低频分量通过时，像的边缘锐度降低；仅允许高频分量通过时，像的边缘效应增强采用选择性滤波器，可望完全改变像的性质近代光学信息处理系统近代光学信息处理系统 FTL2FTL1SLM2SLM1LSTMCRTSFLA计算机数字图象处理系统ffffCCDLALA，激光器；激光器；激光器；激光器；ST,ST,光束升降器；光束升降器；光束升降器；光束升降器；MM，反光镜；反光镜；反光镜；反光镜；L L1 1，准直镜；准直镜；准直镜；准直镜；FTLFTL1 1FTLFTL2 2，傅里叶变换透镜；傅里叶变换透镜；傅里叶变换透镜；傅里叶变换透镜；SFSF，空间（针孔）滤波器；空间（针孔）滤波器；空
7、间（针孔）滤波器；空间（针孔）滤波器；SLMSLM1 1SLMSLM2 2，电寻址空间光调制器。电寻址空间光调制器。电寻址空间光调制器。电寻址空间光调制器。空间滤波器系统空间滤波器系统1、两透镜系统空间滤波的傅立叶分析空间滤波的傅立叶分析利用透镜的傅里叶变换性质可对空间滤波做傅立叶分析。为叙述方便，仅讨论一维情况，并利用4f系统进行滤波操作。设物为一维栅状物-朗奇光栅，如图所示，其透过率函数为一组矩形函数：空间滤波的傅立叶分析空间滤波的傅立叶分析空间滤波的傅立叶分析空间滤波的傅立叶分析空间滤波的傅立叶分析空间滤波的傅立叶分析滤波器采用狭缝或开孔式二进制(0，1)光阑，置于频谱面上。现分四种情况
8、讨论：1、滤波器是一个通光孔只允许零级通过，其透过率函数为空间滤波的傅立叶分析空间滤波的傅立叶分析空间滤波的傅立叶分析空间滤波的傅立叶分析3、滤波器为双狭缝，只允许正、负二级频谱通过空间空间滤波滤波的傅的傅立叶立叶分析分析空间滤波器的种类及其功能空间滤波器的种类及其功能空间滤波器的种类空间滤波器的种类：振幅型振幅型低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器方向滤波器方向滤波器位相型位相型低通滤波器低通滤波器 低低通通滤滤波波器器主主要要用用于于消消除除图图像像中中的的高高频频噪噪声声。例例如如，电电视视图图像像照照片片、新新闻闻传传真真照照片片等等往往往往含含有有密密度度较较高高的的网网点点，由
9、于周期短、频率高，它们的频谱分布展宽。由于周期短、频率高，它们的频谱分布展宽。方向滤波器方向滤波器例例1：印印刷刷电电路路中中掩掩模模疵疵点点的的检检查查 印印刷刷电电路路掩掩模模的的构构成成是是横横向向或或纵纵向向的的线线条条见见图图(a)，它它的的频频谱谱较较多多分分布布在在x、y轴轴附附近近。而而疵疵点点的的形形状状往往往往是是不不规规则则的的，线线度度也也较较小小，所所以以其其频频谱谱必必定定较较宽宽，在在离离轴轴一一定定距距离离处处都都有有分分布布。可可用用图图(b)所所示示的的十十字字形形滤滤波波器器将将轴轴线线附附近近的的信信息息阻阻挡挡，提提取取出出疵点信息，输出面上仅显示出疵
10、点的图像，如图疵点信息，输出面上仅显示出疵点的图像，如图(c)所示。所示。例例2：组合照片上接缝的去除：组合照片上接缝的去除 航航空空摄摄影影得得到到的的组组合合照照片片往往往往留留有有接接缝缝，如如图图(a)所所示示。接接缝缝的的频频谱谱分分布布在在与与之之垂垂直直的的轴轴上上，利利用用如如图图(b)所所示示的的条条形形滤滤波波器器，将将该该频频谱谱阻阻挡挡，可可在在像像面面上上得得到到理理想想的的照照片片，如如图图(c)所所示。示。例例3：地震记录中强信号的提取：地震记录中强信号的提取 由由地地震震检检测测记记录录特特点点可可知知，弱弱信信号号起起伏伏很很小小，总总体体分分布布是是横横向向
11、线线条条，如如图图(a)所所示示，因因此此其其频频谱谱主主要要分分布布在在纵纵向向上上。采采用用图图(b)所所示示的的滤滤波波器器，可可将将强强信信号号提提取取出出来来，见见图图(c)，以以便便分分析析震震情。情。位相型空间滤波器位相型空间滤波器 位相型滤波器的透过率与前面所介绍的不同，它的振幅分布是均匀的，而位相分布尊从一定的规律，其主要功能是改变频谱的位相结构，用于观察位相物体。所谓位相物体，是指物体本身只存在折射率的不均匀或表面高低不均匀。当用相干光照明时，物体各部分都是透明的、无振幅变化，因而它的透过率只包含位相分布函数：位相型空间滤波器位相型空间滤波器 用普通显微镜观察位相物，将无所
12、获。如能将位相变换成振幅信息，就能显现出物体来。1935年泽尼克提出相衬显微镜，解决了体相一振幅的变换手段，泽尼克也因此而获得诺贝尔奖。当位相的变化小于1弧度时，透过率函数可作如下近似：位相型空间滤波器位相型空间滤波器不加滤波器时，像的强度分布：因而根本看不到物的实际结构，像面上是均匀的光场。在频谱面上置一滤波器，使零级谱的位相增加2(或32)，则像的强度将与物的位相成线性关系。位相型空间滤波器位相型空间滤波器物的频谱：上式中第一项为零频；第二项为衍射项。经滤波后，频谱改变为如下形式：位相型空间滤波器位相型空间滤波器像的强度分布为：像的强度的大小随物的位相分布线性地分布，这就把物的位相分布变换
13、成了强度分布。相衬显微镜的功能就是实现这种变换。上式中的正、负号代表正位相反衬和负位相反衬。在正位相反衬情况下，位相变化越大的部位，像的强度也越大，负位相反衬情况相反。位相型空间滤波器位相型空间滤波器总结：位相滤波器的应用主要在于使位相型物转换成振幅型的像显现出来。例如用相衬显微镜观察透明的生物切片；利用位相滤波手段检查光学元件内部折射率的不均匀，还可检查抛光表面的质量。7.2照相图像的恢复离焦图像的复原模糊图像的消模糊离焦图像的复原 照片的复原可以说是空间滤波的第个应用。我们加道，图像是点的集合，由于衍射效应，透镜的像是弥散光斑的集合。如果透镜的像形成在理想成像位置上，也是清晰的，具有较高的
14、反差。如果成像的位置偏离理想橡面(又称“离焦”)，光斑就将更加弥散，使像变得更加模糊，在照相时，由于未准确对焦，经常会照出模糊的相片。离焦的模糊图像可以借助于空间滤波技术加以恢复。离焦图像的复原还原始图像为f(x,y)，由于离焦，像点变成了一个光斑，用h(x,y)表示。结果，输出图像为输入图像和点扩散函数h(x，y)的卷积：离焦图像的复原近似认为点扩散函数为一个圆形的光斑，由于其对称的，故可以表示为h（r），h（r）的傅里叶变换为H（p），如果成像就是理想平面，则h(x，y)近似为函数，圆对称函数h(r)也成为函数其傅立叶变换为常数。离焦图像的复原设理想平面上的橡为f(x,y)，其傅立叶变换则
15、为F(u，v)，离焦像为f(x，y)*h(x，y)，其傅立叶变换则为F(u，v)H(u，v)。为了获得清晰图像，频谱函数必须是F(u，v)，那么F(u，v)H(u,v)必须乘以1H(u，v)以产少F(u，v)。我们首先构造一个振幅滤波器和一个相位滤波器，振幅滤波器的不同透过率可以用镀膜方法实现。离焦图像的复原 相位滤波器则仅提供符号+1和-l，使H(p)与两个滤波器的连乘积为常数，则两个滤波器的乘积就表示1H(p)(差一个常数因子)。当我们用这一复合的滤波器(称“逆滤波器”)对F(u，v)进行滤波后，在离焦的像面上将生成清晰图像f(x，y)。离焦图像的复原 逆滤波器逆滤波器=振幅滤波器振幅滤波
16、器+位相滤波器位相滤波器振振幅幅滤滤波波器器位位相相滤滤波波器器H()逆滤波器逆滤波器 常数常数逆滤波器逆滤波器逆滤波器逆滤波器=振幅滤波器振幅滤波器振幅滤波器振幅滤波器+位相滤波器位相滤波器位相滤波器位相滤波器 当我们用这一复合的滤波器对当我们用这一复合的滤波器对当我们用这一复合的滤波器对当我们用这一复合的滤波器对 F F(u,vu,v)进行滤波进行滤波进行滤波进行滤波后，在离焦的像面上将生成清晰图像后，在离焦的像面上将生成清晰图像后，在离焦的像面上将生成清晰图像后，在离焦的像面上将生成清晰图像 f f(x x,y y)。离焦图像的复原 将逆滤波器将逆滤波器H(p)置于相干光学处理器置于相干
17、光学处理器的空间频率平面上。的空间频率平面上。离焦图像的恢复实例离焦图像的恢复实例(a)离焦像离焦像 (b)经过校正复原后的像经过校正复原后的像模糊图像的消模糊模糊图像的消模糊使模糊图像变清晰，这在实际中是有意义的。例如摄影中发生了移动，或由于云层或雾的干扰等都会引起照片的模糊。利用图像消模糊操作，可得到清晰的图像。我们把模糊图像看成是理想像与一个点扩展函数的卷积：模糊图像的消模糊模糊图像的消模糊它们的频谱满足下列关系式：制作一个逆滤波器H-1，置于频谱而上，则与G模糊相乘的结果可得到理想的频谱，必然能得到g理想的输出。模糊图像的消模糊模糊图像的消模糊消模糊的光学装置仍为4f系统，g模糊置于输入面，H-1置于频谱面，在输出面得到理想的消模糊像。模糊图像的恢复实例模糊图像的恢复实例但是完全得到h并不是很容易的，如果事先已知形成模糊的原因（例如位移速度或转动情况）便可用数学方法得到h。如果不知道模糊原因及有关数据，则无法得到h。