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1、第八章光学信息处理什么是光学信息处理?用光学方法实现对输入信息的各种变换或处理。如进行一些数学运算:乘法、菲涅耳变换、傅立叶变换、卷积运算、相关运算等。例如：乘法运算 /1（兀）几（兀）单位振 幅平面 波入射II.输出g（x）=/l（x）/2（X）光学信息处理是基于光学频谱分析，通过空域或 频域调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理的 过程，较多用于对二维图像的处理。从噪声中提取信号、图象复原、特征提取（特征识别）等。Original imageFilterFiltered imageOriginal imageF 订 terFiltered ima.ge历史背景飞1873年，德国科学家阿贝
2、(Abbe)创建了二次 衍射成像理论(显微镜成像理论)；1935年，物理学家泽尼克发明了相衬显微镜;1963年，范德拉格特(A. Vander Lugt)提出 了复数空间滤波的概念，使光学信息处理进入了 一个广泛应用的新阶段；光信息处理的优越性：速度快、抗干扰能力强、可大量并行处理。光学信息处理的两种分类:1根据处理系统是否线性叠加，分为线性处理 和非线性处理。2根据使用光源的时间和空间相干性分为相干 光处理、非相干光处理和白光处理。81变同遠发的羞本康理几何光学描述： 光线，透镜折射波动光学描述： 光波，波前变换阿贝（Em$t Abbe，1873年，德国）在研究如信息光学描述？何提高显微镜的
3、分辩本领时，提出了阿贝成像 理论，为现代成像光学、信息光学奠定了基础。ObjectFocal PlaneImage plane相干成像过程分两步完成：第一步入射光经物平面发生夫琅和费衍射，在透镜后棗 面上形成一系列衍射斑（分频过程）；第二步 各衍射斑发出的球面次波在像平面X, W）上相干 迭加产生干涉，像就是干涉场（合成过程）。different spatial frequency 意义；晉法引入空间频谱概念，启发人们用频谱的语言分析成像 可用改造频谱的方法改造信息。1 基本光路物平面光频谱面像平面p2Pl阿贝波特实验是阿贝成像理论的实验验证。1. 空间滤波概念：若物面上所有空间频谱都能参与成
4、象，则象面的复振幅分布 将与物面相同，将得到与原物完全相似像（放大或缩小）。若在空间频谱面上插入滤波器（如狭缝、圆孔等），则某些频谱 成分将被除去或改变（振幅减小或相位改变），所成的像就会发生 变化。这与电信号的滤波处理类似，因此常称为空间滤波。凡是能够改变频谱，从而改变输出信息的操作都可称之I 为空间滤波。实现滤波操作的器件空间滤波器。.空间滤波的具体作法：先经FT在频谱面上得到物信息的频谱，在频谱面上放置滤 波器，以改变或提取某些频段的振幅或相位；再经IFT，在输 出面上即可得到滤波后的输出信息。空间滤波数学描述：飞f(x,y) FT F(u,v)严J fXx.y)F (y)在频域中,滤波
5、操作是乘积:F (“川)=Fuv)H(uv)在空域中，滤波操作是卷积：f (x,y) =f(x,y)*h(x,y)滤波函数；h(x,y)t脉冲响应(xj)二 H(u.v)2 基本原理物函数为g (x, y)频谱面的光振动分布为= JJg(兀)“+如必亦诃为频谱面坐标，称为空间频率.像平面光振动分布为g(0 ,/) = JJ G 讥叫叶=F F g (x, y)=g( Mx, My) 是物函数的两次傅立叶变换. 阿贝一波特(AbbePorter)实验现象WOTmW馋面oooo OOB Q DHF空间滤波的傅立叶分析以一维矩形光栅作为输入图像为例，采用4/系统。 巾 山|l kdT(u) =a s
6、ine (gm) comb (“) Lsinc(S) 00asinc(an)工 8d ooaL=sine d J加=-00amsine)* sinc()L n- 丿乎 sine ( 2“)+sinc C) sineL厶时，可忽略各项之 间的交叠2.滤波器是一个适当宽度的狭缝，只允许U级和土 1级通过弐1.滤波器是一个适当宽度的狭缝，只允许0级通过Tu) = T(u)H(u) = sinc(Zw)uH(u) = rectAn J只有一个频率成分通过，像面一片均匀,因此不能成像。且强度下降。振幅 为仏aid越小强度越弱。Aw11LL_4aid-1仏 1仏T (u) = T(u)H(u)(1、sin
7、e L u+ sincsinesine(S)+sine 像的周期仍为么 但变成余弦振 幅光栅，且衬比度下降。这是 因为高频丢失，边沿变平滑了。 若让更多高频通过，则衬比度 增大，边沿变锐利，逐渐变为 矩形光栅。1 + 2sincdCOS一 f t 3) Md/4/44 |(3)|2sinecos3.滤波器是一个适当宽度的双狭缝，只允许土 2级通过 冒彳“T严*(“+扌瓜像的振幅分布出现负值，是周期 变为/2的余弦振幅光栅。像的强度分布的周期为力4,衬 比度为1。tXx3) = FT-Tu) la=rect4.滤波器是适当宽度的不透光屏，挡掉U级，其余通过T (u) = T(u)H(u) = T
8、(w)-sinc(Zw)/（）=尸厂（）卜心3）一rect=Z(x3)- rectA 当 a/d=l/2直流成分=1/2,像面振幅分布： 周期仍为d, 矩形，有负值。像面强度分布： 均匀分布，1/4。 衬比度为0。1/2（心3）B-EtBf 3）1/2二FLR=千l/2直流成分1/2,像面振幅分布： 周期仍为d， 矩形，有负值。像面强度分布：不是均匀分布，反转，衬比度下降。a x7 l节丿if心3) aLL1/21111 rn3)1 1 1 1 1 u ua L丄u丨dMf IMJFi(x3) = FT-T(u)L Jz 、 a=心3)rectA 当 a/dl/2直流成分1/2,像面振幅分布：
9、 周期仍为d， 矩形，有负值。像面强度分布： 不是均匀分布， 不反转，衬比度下降。TTa LIif 心3)l厶arect cl1/2f畑)F上述讨论说明了利用空间滤波技术，可以改变成 像系统中像场的光分布。因此，它具有十分重要的 应用价值。应用：采用低通滤波器，可以滤掉高频噪声，去掉图 片上的污迹，图444显示了这一过程。图444应用低通滤波器消除图片污迹(a)原物(b)低通滤波器(c)处理后的像当然，这种滤波器的缺点是将物的高频成分也滤掉, 使得像与无噪声的物并不完全相同，像的分辨率有 所降低。利用低通和高通滤波器对任意具有非周期结构的 输入图像分别进行了低通和高通滤波处理，输出结果 如图所示。(b)图447普通非周期结构图像的滤波处理结果.伍）输入图像；（b）低通输出；（c）高通输出.学习要A1 什么是光学信息处理？光学信息处理的分类；2. 空间滤波的基本原理：“分频”和“合成”的概 念；3. 阿贝滤波实验（实验光路、实验现象）。
