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1、第四章 白光信息处理,（ White light Information Processing ）,相干光处理和非相干光处理各有利弊，能否有一种方法：在光学处理中降低对光源相干性的要求，但又同时保持对复振幅的线性运算性质？,一种新的光信息处理方法：白光信息处理。,优点： 不存在相干噪声，又保留了相干光学处理系统对复振幅进行运算的能力，灵活性好。 采用宽谱带光源，适合处理彩色图像。,嫦娥一号卫星拍摄的月面地形黑白图像,月面地形色彩编码图像,万户撞击坑,白 光 信 息 处 理,实时假彩色编码,位相调制假彩色编码,空间假彩色编码 （ 调制技术）,等空间频率假彩色编码,等密度假彩色编码,4.1 白光信
2、息处理的基本原理,光栅的作用：,当单色光照射到光栅常数为d 的光栅上时，光会产生衍射。,白光信息处理系统,信号(透明胶片) t ( x1 , y1 ) 置于输入平面 P1 上, 在其后紧贴一正弦光栅 Gr , 其振幅透射率为,在单位振幅的准直白光照射下, 光栅后表面上的复振幅 分布为,在频谱面 P2 上的空间频谱分布为,零级频谱 +1级频谱 1级频谱,1级谱中心位于（lff0，0）,对于间隔为的两种色光1 和2 ,其1 级谱的中心在 x2 轴上的偏移量为,设输入信号的空间频率带宽为Wt ，则其在 x2 轴上的空间宽度为,不同波长的物体频谱能够分离的条件是,结论： 只要光栅频率 f0 远大于输入
3、信号的带宽 Wt ，就可以不考虑各波长频谱间的重叠。从而可在频谱面 P2 上对一系列取离散值的波长，像相干处理系统那样进行滤波操作。,白光信息处理技术能否处理复振幅信号？,在输出平面 P3 上，波长为ln 的像场复振幅为,对于波长为n 的物频谱，若在频谱面上采用滤波器， 设其滤波函数为,对于波长ln ，滤波后的频谱为,波长为ln 的像场的相对强度分布为,其中,通过滤波器 Hn 的是包含ln 的某一窄波段ln 的光波，由于ln比 ln小得多，故可作为准单色光处理。 通过 Hn 滤波后的像强度分布为,是第 n 个滤波器的脉冲响应。,白光信息处理系统利用光栅的色散特性使各波长产生的信号频谱分离而对各
4、波长的谱独立滤波，因而能进行复数信号的处理；并且输出强度是互不相干的窄带光强度之和，所以又能同时抑制相干噪声。,当有 N 个离散滤波器同时作用于频谱面时，在输出平面上得到的是不同波长输出的非相干叠加，即,白光信息处理系统,4.2 实时假彩色编码,如果能把一幅黑白图像的灰度分布转化为彩色分布，则可大大提高人眼对图像的分辨能力，从而获得更多的信息，这就是光学图像的假彩色编码。,假彩色处理后的图像,黑白图像,一.等空间频率假彩色编码,等空间频率假彩色编码是对图像的不同的空间频率赋予 不同的颜色，从而使图像按空间频率的不同显示不同的色彩。,白光信息处理系统,将复振幅透过率为 的黑白透明片与正交光栅叠加
5、在一起放在输入平面上。,正交光栅的复振幅透过率为,式中，fa ，fb 分别是光栅沿 x1 轴和 y1 轴方向上的空间频率。,P2 平面上相应于该波长的频谱为,对某一种波长，光栅后表面上的复振幅分布为,白光照明下 ，有如图频谱面。沿 x2，y2方向各有 2 个彩虹颜色的信号一级谱。,于是频谱面后经过滤波的函数为,滤波器只有沿着垂直颜色弥散的方向才有效,式中， Tb 和Tr 分别是所选择的蓝色和红色信号谱；H1 和 H2 分别是一维低通滤波器和一维高通滤波器的滤波函数。,在输出面 P3 上相应的复振幅分布为,输出像的强度分布可近似表示为,式中，b 和r 分别是信号的蓝色和红色的光谱宽度； h1 和
6、h2 分别是 H1 和 H2 的点扩展函数。,两个非相干像在输出面上合成了彩色编码像。在此滤波操作中,像的低频结构呈蓝色,高频结构呈红色。,通过上述方法，在输出平面上将得到合成彩色编码像，由于空间频率结构相同的地方呈现相同的颜色，称为等空间频率假彩色编码。,二.等密度假彩色编码,在2平面上安放滤波器,反转滤波片的函数表达,滤波后的频谱函数为,白光处理的输出平面P3上，复振幅分布为,如果光栅频率足够高，则上式可以近似为,是绿色的对比度反转像，即,由于像tr 和tgn 分别来自光源中不同颜色的光谱带，它们之间是非相干的，所以输出平面强度分布为,红色正像,绿色负像,输出像面上，绿色负像和红色正像重合
7、，强度叠加的结果是得到等密度的假彩色编码像。,在操作前不需要对物图像作任何预处理, 也不需要任何滤色片, 颜色直接来自白光光源, 可得到自然的假彩色, 从而具有实时处理的特点。,小结,等空间频率假彩色编码是对图像的不同的空间频率赋 予不同的颜色，从而使图像按空间频率的不同显示不同的色彩；等密度假彩色编码是对图像的不同灰度赋予不同的颜色。前者用以突出图像的结构差异；后者用以突出图像的灰度差异，以提高对黑白图像的目视判读能力。,光学图像假彩色编码的特点,4.3 空间假彩色编码技术,（ 调制技术）,一.q 调制原理,调制是在阿贝二次衍射成像原理基础上进行分光滤波实验，它用不同方向的光栅对图像的不同部
8、分进行调制（亦称为编码） ，是通过改变用来调制用的光栅的方位角使图像色调重现的一种方法。,1. 被调制物（编码片）的制备,编码物片,若要使物中屋顶、房子和背景3个区域呈现3种不同的颜色, 可在一张胶片上作3次曝光, 每次只曝光其中一个区域( 其他区域被挡住 ), 并在其上覆盖某一取向的朗奇光栅, 3次曝光分别取3个不同的取向。,2. 空间滤波,q 调制光路,将制备好的调制片经显影、定影处理后, 置于4 f 系统输入平面 P1 , 用白色平行光照明。,屋顶红色 房子黄色 背景蓝色,由于物被不同取向的光栅所调制，所以在频谱面 P2 上得到的将是取向不同的带状谱，物的 3个不同区域的信息分布在 3个
9、不同的方向上，互不干扰，这就为空间滤波创造了方便条件；又由于采用白光照明，所以各级频谱呈现出色散的彩带，由中心向外按波长从短到长的顺序排列，这就使赋予图像以特定的不同色彩成为可能。,二.光学图像的彩色增强和存储,彩色胶片不耐保存,可否用黑白胶片替代？,将彩色胶片通过编码和解码在黑白胶片上进行存储和恢复,1. 彩色图像的编码和存储,最基本的编码方法是用取向不同的光栅对颜色进行编码,2. 解码 彩色图像的恢复和增强,4f 解码光学系统,S 扩展白光光源,T(x , y) 黑白胶片,所谓解码是指在白光信息处理系统中利用空间滤波操作，将存储在黑白胶片上的图像进行彩色恢复和增强。,频谱面上摄制的彩色带状
10、谱图,三幅分色像 精确复合,4.4 位相调制假彩色编码,位相调制假彩色编码方法经过对信息的调制与解调，实现了空间强度调制信息与空间波长调制信息的转换。它实际上是另一种等密度假彩色编码方法。,一.光栅调制,将作为输入的与周期为 d、缝宽为a 的朗奇光栅密接， 在一张感光底片上均匀曝光。,准直白光,朗奇光栅（d = 2a ）的透过率为,设输入图像的光密度为 Di (x, y)，入射的曝光量为 Ei (x, y) , 则原片 (黑白图像) 的强度透过率 ti (x, y) 与光密度 Di (x, y) 的关系为,1,底片的光密度为 D(x, y) 与曝光量 E(x, y) 的关系 由 D lgE 曲
11、线决定,D lgE 曲线,在线性工作区内有,D0 底片的灰雾密度 g 底片的反差系数,AB 线性曝光区段 BC 称为灰雾区段 AD 过度曝光区段,输入光强经原片衰减和光栅取样后，到达感光底片的曝光量为,底片经处理后的光密度为,经光栅调制（抽样）后所得的负片的密度分布 D(x,y) 为,D10 是可通过改变曝光条件来控制的常数，得到的一张矩形光 栅，其底片光密度可表示为,二.漂白处理,漂白的目的是将密度变化转换为相位变化。 将经抽样所得的负片进行漂白处理，适当控制漂白工艺，可以得到近似满足光程正比于底片光密度的效果，即,其相位分布为,复振幅透过率为,或,图像的密度信息转化成位相信息,由于密度变化
12、速率远低于调制光栅频率，故可认为在某一局部，位相延迟 相对恒定，可近似将上述结果按矩形位相光栅来处理。,最后得到编码的矩形位相光栅的振幅透过率为,式中,，并记位相延迟 为,与相位差 对应的光程差,三.滤波解调,将编码相位光栅放在白光信息处理系统的输入平面上，设入射单色光强度 A (l)，频谱平面 P2(x2,y2) 上的复振幅为,是空间频率坐标，f 是傅里叶变换透镜焦距。,将,F,代入上式，计算化简得,如果滤波器分别让零级谱和 m 级频谱通过，则在输出平面上的复振幅分布为,当 m = 0 时,当 m 0 时,其对应的强度只与相位差 Df 和 l 有关，即,结论：对于每一个衍射级次，输出图像的强
13、度随波长和光程差而变化。,图(a)和(b)分别为零级和1级的输出强度随光程差 Dd 而变化的曲线，其中A(l) =1，l作为参变量。,由于不同波长到达输出面具有各自不同的强度分布，对应各波长的暗区不会重叠在空间同一位置，因此输出面便呈现一幅彩色图像。,若光源中仅有红、绿、蓝三种色光，则输出图像的强度是三种色光输出的非相干叠加,即得到随 Dd 而变化的色彩输出。 当采用白光光源时，各色光的非相干叠加变成下列积分：,图像色度丰富、色饱和度好，在低衍射级次（包括 0 级）输出的情况下，也能得到彩色化效果很好的输出图像，因此光强度利用率高，图像亮度好。,仍然是随 Dd 而变化的彩色输出。 由于在编码和
14、漂白处理中，已使光程差随密度而改变，因此得到按输入图像密度变化的假彩色编码。,位相调制假彩色编码的特点,彩色胶片的存储（电影胶片、图片资料）,假彩色编码技术的应用,褪色图像的恢复（远距离摄影、军事侦察）,临床医学（疾病早期诊断）,遥感、气象（监测自然灾害）,第四章 作 业,讨论相干光学处理、非相干光学处理和白光光学处理的特点和局限性。 什么是等空间频率假彩色编码？什么是等密度假彩色编码？二者对图像的处理各有何特点？ 光栅在位相调制假彩色编码中的作用是什么？ 如图所示，为了得到红花、绿叶、黄底的效果，在4f 系统的频谱面上应如何设计滤波器？设花、叶、底上的光栅空间频率均为100线/mm，红、绿、黄光波长分别为633nm、515nm和589nm，透镜焦距为 f = 50cm。,
