第7章 光學(xué)信息處理技術(shù)

1、第七章第七章 光學(xué)信息處理技術(shù)光學(xué)信息處理技術(shù) 第第七七章章 光學(xué)信息處理技術(shù)光學(xué)信息處理技術(shù) 概述概述 光波可以是大量信息的攜帶者，不僅光波的位相，光波可以是大量信息的攜帶者，不僅光波的位相， 顏色、偏振態(tài)等都是光信息，而且在光波照明下，顏色、偏振態(tài)等都是光信息，而且在光波照明下， 二維圖像具有大量信息。二維圖像具有大量信息。 以底片為例，設(shè)黑白底片最小分辨率單元為以底片為例，設(shè)黑白底片最小分辨率單元為0.5 m （完全可以達(dá)到），每個(gè)單元按黑度分為（完全可以達(dá)到），每個(gè)單元按黑度分為6個(gè)等級(jí)個(gè)等級(jí) （人眼分辨率，計(jì)算機(jī)可更多），則（人眼分辨率，計(jì)算機(jī)可更多），則1cm2面積的底面積的底 片

2、包含的信息量為片包含的信息量為102 106 4 3=1.2 Gbit。 光學(xué)系統(tǒng)作為線性系統(tǒng)，能快速、并行地對(duì)圖像信光學(xué)系統(tǒng)作為線性系統(tǒng)，能快速、并行地對(duì)圖像信 息進(jìn)行處理。息進(jìn)行處理。 圖像信息處理的主要技術(shù)領(lǐng)域圖像信息處理的主要技術(shù)領(lǐng)域 光學(xué)處理（相干光處理、非相干光處理、白光處理等）光學(xué)處理（相干光處理、非相干光處理、白光處理等） 優(yōu)點(diǎn)：快速，并行性，信息處理容量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作優(yōu)點(diǎn)：快速，并行性，信息處理容量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作 方便，特別適合于二維的方便，特別適合于二維的F.T.、卷積、相關(guān)等運(yùn)算、卷積、相關(guān)等運(yùn)算 缺點(diǎn)：專用系統(tǒng)不夠靈活，難編程，模擬系統(tǒng)精度不高缺點(diǎn)：專用系統(tǒng)不夠

3、靈活，難編程，模擬系統(tǒng)精度不高 數(shù)字圖像處理：計(jì)算機(jī)對(duì)圖像掃描、抽樣量化成數(shù)字信息數(shù)字圖像處理：計(jì)算機(jī)對(duì)圖像掃描、抽樣量化成數(shù)字信息, 串行逐點(diǎn)處理串行逐點(diǎn)處理 優(yōu)點(diǎn)：靈活，可編程，精度高優(yōu)點(diǎn)：靈活，可編程，精度高 缺點(diǎn)：基本屬于慢速處理，不易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理缺點(diǎn)：基本屬于慢速處理，不易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理 混合處理：二者結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，是當(dāng)前的發(fā)展方向?；旌咸幚恚憾呓Y(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，是當(dāng)前的發(fā)展方向。 本章主要介紹光學(xué)或光本章主要介紹光學(xué)或光/電混合信息處理的基本光學(xué)技術(shù)的原電混合信息處理的基本光學(xué)技術(shù)的原 理和系統(tǒng)。理和系統(tǒng)。 7-1 空間濾波基本原理空間濾波基本原理 1、阿貝（、阿貝（Abbe)成像

4、理論（成像理論（1673） “二次衍射成像理論二次衍射成像理論”：相干照明下，成像過(guò)程可分作兩相干照明下，成像過(guò)程可分作兩 步步 物平面上發(fā)出的光波經(jīng)物鏡，在其后焦面上產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)物平面上發(fā)出的光波經(jīng)物鏡，在其后焦面上產(chǎn)生夫瑯和費(fèi) 衍射，得到第一次衍射像衍射，得到第一次衍射像； 該衍射像作為新的相干波源，由它發(fā)出的次波在像平面上干涉而構(gòu)該衍射像作為新的相干波源，由它發(fā)出的次波在像平面上干涉而構(gòu) 成物體的像，稱為第二次衍射像。成物體的像，稱為第二次衍射像。 頻譜面上的光場(chǎng)分布與物的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，原點(diǎn)附近分布著物的低頻譜面上的光場(chǎng)分布與物的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，原點(diǎn)附近分布著物的低 頻信息；離原點(diǎn)較遠(yuǎn)處，

5、分布著物的較高的頻率分量。頻信息；離原點(diǎn)較遠(yuǎn)處，分布著物的較高的頻率分量。 7-1 空間濾波基本原理空間濾波基本原理 2、阿貝、阿貝波特（波特（AbbePorter）實(shí)驗(yàn)）實(shí)驗(yàn)（1906） 相干單色平行光照明相干單色平行光照明 頻譜面頻譜面 放置放置濾波器濾波器 物平面物平面 細(xì)絲網(wǎng)格狀物細(xì)絲網(wǎng)格狀物 （正交光柵）（正交光柵） 像面像面 觀察到各種觀察到各種 不同的像不同的像 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置 改變物的改變物的 頻譜結(jié)構(gòu)頻譜結(jié)構(gòu) 7-1 空間濾波基本原理空間濾波基本原理 2、阿貝、阿貝波特實(shí)驗(yàn)波特實(shí)驗(yàn) (1) 如果不在頻譜平面作任何操作，則在輸出如果不在頻譜平面作任何操作，則在輸出 平面得到原

6、物的像平面得到原物的像 二次成像（不考慮光二次成像（不考慮光 學(xué)系統(tǒng)的有限孔徑）學(xué)系統(tǒng)的有限孔徑） 通過(guò)的頻譜綜合出的圖像 原物 通過(guò)的頻譜 綜合出的圖像 原物 原物 綜合出的圖像 濾波器: 放置在頻 譜面中心的孔, 僅 讓0級(jí)譜通過(guò) 零頻分量是一個(gè)直流分量，它只代表像的本底 綜合出的像綜合出的像: 僅有邊框僅有邊框, 不不 出現(xiàn)條紋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)條紋結(jié)構(gòu) 原物原物 綜合出的圖像綜合出的圖像 通過(guò)的頻譜通過(guò)的頻譜 通過(guò)的頻譜通過(guò)的頻譜綜合出的圖像綜合出的圖像 原物原物 7-1 空間濾波基本原理空間濾波基本原理 2、阿貝、阿貝波特實(shí)驗(yàn)：結(jié)論波特實(shí)驗(yàn)：結(jié)論 2實(shí)驗(yàn)充分證明了傅里葉分析和綜合的正確性：實(shí)驗(yàn)

7、充分證明了傅里葉分析和綜合的正確性： （1）頻譜面上的橫向分布是物的縱向結(jié)構(gòu)的信息（圖）頻譜面上的橫向分布是物的縱向結(jié)構(gòu)的信息（圖B）；）； 頻譜面上的縱向分布是物的橫向結(jié)構(gòu)的信息（圖頻譜面上的縱向分布是物的橫向結(jié)構(gòu)的信息（圖C）；）； （2）零頻分量是直流分量，它只代表像的本底（圖零頻分量是直流分量，它只代表像的本底（圖D）；）； （3）阻擋零頻分量，在一定條件下可使像的襯度發(fā)生反轉(zhuǎn)）阻擋零頻分量，在一定條件下可使像的襯度發(fā)生反轉(zhuǎn) （圖（圖E）；）； （4）僅允許低頻分量通過(guò)時(shí)，像的邊緣銳度降低；僅允許僅允許低頻分量通過(guò)時(shí)，像的邊緣銳度降低；僅允許 高頻分量通過(guò)時(shí)，像的邊緣效應(yīng)增強(qiáng)；高頻分量

8、通過(guò)時(shí)，像的邊緣效應(yīng)增強(qiáng)； （5）采用選擇型濾波器，可望完全改變像的性質(zhì)（圖）采用選擇型濾波器，可望完全改變像的性質(zhì)（圖F）。）。 1實(shí)驗(yàn)充分證明了阿貝成像理論的正確性：實(shí)驗(yàn)充分證明了阿貝成像理論的正確性：像的結(jié)構(gòu)直接像的結(jié)構(gòu)直接 依賴于頻譜的結(jié)構(gòu)依賴于頻譜的結(jié)構(gòu)，只要改變頻譜的組分，便能夠改變像，只要改變頻譜的組分，便能夠改變像 的結(jié)構(gòu)；的結(jié)構(gòu)；像和物的相似程度完全取決于物體有多少頻率成像和物的相似程度完全取決于物體有多少頻率成 分能被系統(tǒng)傳遞到像面。分能被系統(tǒng)傳遞到像面。 7-2 空間濾波系統(tǒng)與濾波器空間濾波系統(tǒng)與濾波器 1、空間頻率、空間頻率濾波系統(tǒng)濾波系統(tǒng) (1)(1)三透鏡系統(tǒng)三透鏡

9、系統(tǒng) 4f系統(tǒng)系統(tǒng) 準(zhǔn)直準(zhǔn)直變換變換成像成像 濾波器濾波器 空間濾波空間濾波：改變物的空間頻譜結(jié)構(gòu)：改變物的空間頻譜結(jié)構(gòu), ,進(jìn)而改變像分布進(jìn)而改變像分布 頻譜分析頻譜分析：觀察和記錄物的空間頻率特性：觀察和記錄物的空間頻率特性 7-2 空間濾波系統(tǒng)與濾波器空間濾波系統(tǒng)與濾波器 1、空間頻率濾波系統(tǒng)、空間頻率濾波系統(tǒng) 令三透鏡焦距均相等，設(shè)物的透過(guò)率為令三透鏡焦距均相等，設(shè)物的透過(guò)率為t(x1 , y1)， 濾波器透過(guò)率為濾波器透過(guò)率為F(fx , fy), 則頻譜面后的光場(chǎng)復(fù)振幅為：則頻譜面后的光場(chǎng)復(fù)振幅為： u2 = T ( fx , fy ) F (fx , fy ) t ( x1 ,

10、y1 ) x2 /l lf2 單色光源波長(zhǎng)單色光源波長(zhǎng) 輸出平面（反射坐標(biāo)系）得到輸出平面（反射坐標(biāo)系）得到u2 2的傅里葉逆變換：的傅里葉逆變換： 變換透鏡變換透鏡L2的焦距的焦距 y2 /l lf2 u3 = 1 u2 = 1 T ( fx , fy ) F ( fx , fy ) = 1 T ( fx , fy ) * 1 F ( fx , fy ) = t ( x3 , y3 ) * 1 F ( fx , fy ) 濾波器濾波器 脈沖響應(yīng)脈沖響應(yīng) 物的幾何像物的幾何像 改變?yōu)V波器的振幅改變?yōu)V波器的振幅 透過(guò)率函數(shù)，可改透過(guò)率函數(shù)，可改 變像的結(jié)構(gòu)。變像的結(jié)構(gòu)。 7-2 空間濾波系統(tǒng)與濾

11、波器空間濾波系統(tǒng)與濾波器 2、空間濾波的傅里葉分析、空間濾波的傅里葉分析 討論一維情況，并利用討論一維情況，并利用4 f 系統(tǒng)進(jìn)行濾波操作系統(tǒng)進(jìn)行濾波操作 利用透鏡的傅里葉變換性質(zhì)分析阿貝利用透鏡的傅里葉變換性質(zhì)分析阿貝- -波特實(shí)驗(yàn)波特實(shí)驗(yàn) t (x1) = (1/d) rect (x1/a) * comb (x1/d) 其透過(guò)率函數(shù)為矩形函數(shù)陣列：其透過(guò)率函數(shù)為矩形函數(shù)陣列： / )rect()( 11 amdxxt m 物物:一維柵狀物一維柵狀物Ronchi光柵光柵 縫寬縫寬 縫間距縫間距 可看成矩形函數(shù)可看成矩形函數(shù)rect (x1/a )和梳狀函數(shù)和梳狀函數(shù)comb (x1/d)的的

12、 卷積：卷積： t ( x1 ) = (1/d) rect(x1/a) * comb(x1/d) rect (x1/B) 若柵狀物總寬度為若柵狀物總寬度為B， t (x1)還應(yīng)多乘一個(gè)因子還應(yīng)多乘一個(gè)因子: 7-2 空間濾波系統(tǒng)與濾波器空間濾波系統(tǒng)與濾波器 2、空間濾波的傅里葉分析、空間濾波的傅里葉分析 t ( x1 ) = (1/d) rect(x1/a) * comb(x1/d) rect (x1/B) 將物置于將物置于4f 系統(tǒng)輸入面上，可在頻譜面上得到系統(tǒng)輸入面上，可在頻譜面上得到 它的傅里葉變換它的傅里葉變換柵狀物的夫瑯和費(fèi)衍射圖樣?xùn)艩钗锏姆颥樅唾M(fèi)衍射圖樣: . 1 sincsinc

13、 1 sincsincsinc d fB d a d fB d a Bf d aB xxx T ( fx ) = t ( x1 ) 高級(jí)頻譜高級(jí)頻譜 零級(jí)譜零級(jí)譜 正、負(fù)一級(jí)譜正、負(fù)一級(jí)譜 強(qiáng)度強(qiáng)度 中心分別位于中心分別位于fx = m/d （m = 0 , +1 , +2 ） 強(qiáng)度呈現(xiàn)為一系列亮點(diǎn)，每個(gè)強(qiáng)度呈現(xiàn)為一系列亮點(diǎn)，每個(gè) 亮點(diǎn)是一個(gè)亮點(diǎn)是一個(gè)sinc2函數(shù)函數(shù) 幅值受單縫衍射限制，包絡(luò)幅值受單縫衍射限制，包絡(luò) 是單縫夫瑯和費(fèi)衍射圖樣是單縫夫瑯和費(fèi)衍射圖樣 7-2 空間濾波系統(tǒng)與濾波器空間濾波系統(tǒng)與濾波器 2、空間濾波的傅里葉分析、空間濾波的傅里葉分析 (1) 濾波器是單一通光孔，濾波

14、器是單一通光孔， 只允許零級(jí)通過(guò)只允許零級(jí)通過(guò) 為其他值 x x x f Bf fF 0 11 濾波器采用狹縫或開(kāi)孔式二進(jìn)制濾波器采用狹縫或開(kāi)孔式二進(jìn)制(0 , 1)光闌，置于頻譜面上光闌，置于頻譜面上 在濾波器后，僅有在濾波器后，僅有T ( fx )中的第一項(xiàng)通過(guò)，其余項(xiàng)均被擋住，中的第一項(xiàng)通過(guò)，其余項(xiàng)均被擋住， 因而頻譜面后的光振幅為因而頻譜面后的光振幅為 . 1 sincsinc 1 sincsincsinc)( d fB d a d fB d a Bf d aB fT xxxx T ( fx ) F ( fx ) = ( aB / d ) sinc ( B fx ) 在未進(jìn)行空間濾波前

15、，輸出面上得到的是在未進(jìn)行空間濾波前，輸出面上得到的是 -1T( (fx) ) （取反射（取反射 坐標(biāo)）坐標(biāo)） ，它應(yīng)是原物的像，它應(yīng)是原物的像 t( (x3) ) 7-2 空間濾波系統(tǒng)與濾波器空間濾波系統(tǒng)與濾波器 2、空間濾波的傅里葉分析、空間濾波的傅里葉分析 t ( x3 ) = -1 T ( fx ) F ( fx ) = -1 ( aB / d ) sinc ( Bfx ) = ( a / d ) rect ( x3 / B ) 輸出平面上得到輸出平面上得到T ( fx ) F ( fx )的傅里葉逆變換的傅里葉逆變換 表示一個(gè)表示一個(gè)強(qiáng)度均勻的亮區(qū)強(qiáng)度均勻的亮區(qū)，其，其振幅衰減為振幅

16、衰減為a/d，亮區(qū)寬度為亮區(qū)寬度為B， 與柵狀物寬度相同，柵狀結(jié)構(gòu)完全消失，這與柵狀物寬度相同，柵狀結(jié)構(gòu)完全消失，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符 零頻分量零頻分量是一個(gè)直流分量，它只代表是一個(gè)直流分量，它只代表像的本底像的本底 7-2 空間濾波系統(tǒng)與濾波器空間濾波系統(tǒng)與濾波器 2、空間濾波的傅里葉分析、空間濾波的傅里葉分析 (2) 濾波器是單縫，僅使零級(jí)和正、負(fù)一級(jí)頻譜通過(guò)濾波器是單縫，僅使零級(jí)和正、負(fù)一級(jí)頻譜通過(guò) )/2exp(rectsinc)/2exp(rectsincrect)( 3 3 3 3 33 dxj B x d a dxj B x d a B x d a xt )/2cos(

17、sin21 3 3 dx d a c B x rect d a 像像與與物物的的周期相同周期相同，但，但振幅分布不同振幅分布不同， 這是由于失去高頻信息而造成邊緣銳這是由于失去高頻信息而造成邊緣銳 度消失的緣故度消失的緣故 對(duì)比對(duì)比 7-2 空間濾波系統(tǒng)與濾波器空間濾波系統(tǒng)與濾波器 2、空間濾波的傅里葉分析、空間濾波的傅里葉分析 (4) 濾波器為一光屏，只阻擋零級(jí)，允許其它頻譜通過(guò)濾波器為一光屏，只阻擋零級(jí)，允許其它頻譜通過(guò) 經(jīng)過(guò)傅里葉變換后，像的經(jīng)過(guò)傅里葉變換后，像的 分布是物分布減去物的平分布是物分布減去物的平 均值。有均值。有三三種可能的情況：種可能的情況： 像的振幅分布具有周期性，像的

18、振幅分布具有周期性， 其周期與物周期相同其周期與物周期相同，但但 強(qiáng)度是均勻的強(qiáng)度是均勻的 (i)當(dāng)當(dāng)a=d/2時(shí)，即柵狀物的時(shí)，即柵狀物的 縫寬等于縫間隙時(shí)縫寬等于縫間隙時(shí) 7-2 空間濾波系統(tǒng)與濾波器空間濾波系統(tǒng)與濾波器 2、空間濾波的傅里葉分析、空間濾波的傅里葉分析 (ii)當(dāng)當(dāng)ad/2時(shí)時(shí) 像的振幅像的振幅 分布向下分布向下 錯(cuò)位錯(cuò)位 強(qiáng)度分布出現(xiàn)襯度強(qiáng)度分布出現(xiàn)襯度 反轉(zhuǎn)，原來(lái)的亮區(qū)反轉(zhuǎn)，原來(lái)的亮區(qū) 變?yōu)榘祬^(qū)，原來(lái)的變?yōu)榘祬^(qū)，原來(lái)的 暗區(qū)變?yōu)榱羺^(qū)暗區(qū)變?yōu)榱羺^(qū) 理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符。 可見(jiàn)利用空間濾波技術(shù)可以成功地可見(jiàn)利用空間濾波技術(shù)可以成功地 改變像

19、的結(jié)構(gòu)。改變像的結(jié)構(gòu)。 (iii)當(dāng)當(dāng)ad/2時(shí)時(shí)? ? 7-3 空間濾波應(yīng)用空間濾波應(yīng)用 濾波器的種類及應(yīng)用舉例濾波器的種類及應(yīng)用舉例 濾波器分為振幅型和相位型兩類濾波器分為振幅型和相位型兩類 (1)振幅型濾波器：振幅型濾波器： 只改變傅里葉頻譜的振幅分布，不改變它的位相分布，通常用只改變傅里葉頻譜的振幅分布，不改變它的位相分布，通常用 F ( fx , fy )表示。它是一個(gè)振幅分布函數(shù)，其值可在表示。它是一個(gè)振幅分布函數(shù)，其值可在01的范圍的范圍 內(nèi)變化內(nèi)變化 孔外 孔內(nèi) 0 1 , yx ffF 根據(jù)不同的濾波頻段又可分為低通、高通和帶通三類根據(jù)不同的濾波頻段又可分為低通、高通和帶通三

20、類 二元振幅型濾波器二元振幅型濾波器 低通濾波器：低通濾波器： 用于濾去頻譜中的高頻部用于濾去頻譜中的高頻部 分，只允許低頻通過(guò)分，只允許低頻通過(guò) 7-3 空間濾波應(yīng)用空間濾波應(yīng)用 (1)振幅型濾波器振幅型濾波器 例如電視圖像照片、新聞傳真照片等往往含有密度較高的網(wǎng)點(diǎn)，例如電視圖像照片、新聞傳真照片等往往含有密度較高的網(wǎng)點(diǎn)， 由于周期短、頻率高，它們的頻譜分布展寬。用低通濾波器可由于周期短、頻率高，它們的頻譜分布展寬。用低通濾波器可 有地阻擋高頻成分，以消除網(wǎng)點(diǎn)對(duì)圖像的干擾，但由于同時(shí)損有地阻擋高頻成分，以消除網(wǎng)點(diǎn)對(duì)圖像的干擾，但由于同時(shí)損 失了物的高頻信息而使像邊緣模糊失了物的高頻信息而使像

21、邊緣模糊 低通濾波器主要用于消除圖像中的高頻噪聲低通濾波器主要用于消除圖像中的高頻噪聲 帶有高頻噪聲的照帶有高頻噪聲的照 片，經(jīng)低通濾波后片，經(jīng)低通濾波后 這種噪聲被成功地這種噪聲被成功地 消除了消除了 7-3 空間濾波應(yīng)用空間濾波應(yīng)用 (1)振幅型濾波器振幅型濾波器 低通濾波低通濾波: : 激光用空間濾波器激光用空間濾波器 w0 wf 擴(kuò)束準(zhǔn)直濾波系統(tǒng)擴(kuò)束準(zhǔn)直濾波系統(tǒng) 擴(kuò)束器擴(kuò)大光束直徑，壓縮發(fā)散角。在物鏡聚焦后，焦平擴(kuò)束器擴(kuò)大光束直徑，壓縮發(fā)散角。在物鏡聚焦后，焦平 面上的腰斑處放置針孔濾波器面上的腰斑處放置針孔濾波器(pinhole filter)，使之與激光，使之與激光 腰斑大小相匹配

22、，可去除噪音和雜散光腰斑大小相匹配，可去除噪音和雜散光(高頻分量高頻分量)。 激光器激光器 7-3 空間濾波應(yīng)用空間濾波應(yīng)用 (1)振幅型濾波器振幅型濾波器 高通濾波器：高通濾波器： 濾除頻譜中的低頻部分，以增強(qiáng)像的邊緣，或?qū)崿F(xiàn)襯度反轉(zhuǎn)濾除頻譜中的低頻部分，以增強(qiáng)像的邊緣，或?qū)崿F(xiàn)襯度反轉(zhuǎn) 高通濾波器主要用于增強(qiáng)模糊圖像的邊緣，以提高對(duì)圖像的高通濾波器主要用于增強(qiáng)模糊圖像的邊緣，以提高對(duì)圖像的 識(shí)別能力。由于能量損失較大，所以輸出結(jié)果一般較暗。識(shí)別能力。由于能量損失較大，所以輸出結(jié)果一般較暗。 帶通濾波器：帶通濾波器： 用于選擇某些頻譜分量通過(guò)，阻擋另一些分量用于選擇某些頻譜分量通過(guò)，阻擋另一些

23、分量 例例6.1 正交光柵上污點(diǎn)的清除正交光柵上污點(diǎn)的清除 濾波后可在像面濾波后可在像面 上得到去除了污上得到去除了污 點(diǎn)的正交光柵點(diǎn)的正交光柵 7-3 空間濾波應(yīng)用空間濾波應(yīng)用 例例: 疵點(diǎn)檢查疵點(diǎn)檢查方向?yàn)V波器方向?yàn)V波器 印刷電路掩膜的印刷電路掩膜的 頻譜沿軸分布，頻譜沿軸分布， 疵點(diǎn)的頻譜比較疵點(diǎn)的頻譜比較 分散。分散。 此濾波器可提取此濾波器可提取 出疵點(diǎn)的信息出疵點(diǎn)的信息 在輸出面上得到在輸出面上得到 疵點(diǎn)的圖像疵點(diǎn)的圖像 7-3 空間濾波應(yīng)用空間濾波應(yīng)用 例例: 組合照片上接縫的去除組合照片上接縫的去除 航空攝影得到的航空攝影得到的 組合照片往往留組合照片往往留 有接縫，接縫的有接

24、縫，接縫的 頻譜分布在與之頻譜分布在與之 垂直的軸上垂直的軸上 利用條形濾波器利用條形濾波器 將該頻譜阻擋將該頻譜阻擋 在像面上得到理在像面上得到理 想的照片想的照片 7-3 空間濾波應(yīng)用空間濾波應(yīng)用 例例: 地震記錄中強(qiáng)信號(hào)的提取地震記錄中強(qiáng)信號(hào)的提取 由地震檢測(cè)記錄的弱由地震檢測(cè)記錄的弱 信號(hào)起伏很小，總體信號(hào)起伏很小，總體 分布是橫向線條，因分布是橫向線條，因 此其頻譜主要分布在此其頻譜主要分布在 縱向上縱向上 采用的濾波器采用的濾波器將強(qiáng)信號(hào)提取出來(lái)，將強(qiáng)信號(hào)提取出來(lái)， 以便分析震情以便分析震情 7-3 空間濾波應(yīng)用空間濾波應(yīng)用 （2）相位型濾波器）相位型濾波器相襯顯微鏡相襯顯微鏡 相

25、位型濾波器只改變傅里葉頻譜的位相分布，不改變它相位型濾波器只改變傅里葉頻譜的位相分布，不改變它 的振幅分布，其主要功能是用于觀察位相物體的振幅分布，其主要功能是用于觀察位相物體 相位物體相位物體 t0 ( x1 , y1 ) = exp j ( x1 , y1 ) 物體各部分都是透明的，其位相變化反映為厚度或折射物體各部分都是透明的，其位相變化反映為厚度或折射 率的變化率的變化, 其透過(guò)率只包含位相分布函數(shù)：其透過(guò)率只包含位相分布函數(shù)： 一般無(wú)法通過(guò)成像進(jìn)行觀察和測(cè)量一般無(wú)法通過(guò)成像進(jìn)行觀察和測(cè)量. . 只有將相位信息變換只有將相位信息變換 為振幅信息，才有可能用肉眼直接觀察到物體。為振幅信息

26、，才有可能用肉眼直接觀察到物體。 1935年澤尼克（年澤尼克（Zernike）發(fā)明了相襯顯微鏡）發(fā)明了相襯顯微鏡 解決了解決了相位相位到到振幅振幅的變換，因此而獲得的變換，因此而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)。 位相濾波位相濾波: :澤尼克相襯顯微鏡澤尼克相襯顯微鏡 要觀察到與位相變化成正比的強(qiáng)度變化，必須改變二部分光要觀察到與位相變化成正比的強(qiáng)度變化，必須改變二部分光 場(chǎng)之間的位相正交關(guān)系。場(chǎng)之間的位相正交關(guān)系。 方法：在譜面上用位相濾波器，改變零頻與其它頻率成分之方法：在譜面上用位相濾波器，改變零頻與其它頻率成分之 間的相對(duì)位相關(guān)系。間的相對(duì)位相關(guān)系。 P2平面上得到頻譜分布：平面上得到頻譜分布：

27、 yxyxyx ffjffffF, 如果不作濾波，在如果不作濾波，在P3平面上得到物體的像：平面上得到物體的像： 3333 ,1,yxjyxg 而觀察到的強(qiáng)度分布為：而觀察到的強(qiáng)度分布為： 1,1,1, 33 2 2 3333 yxyxjyxI( ( 21) ) 弱的衍射項(xiàng)弱的衍射項(xiàng) (x3,y3)湮沒(méi)在強(qiáng)的非相干背景中。湮沒(méi)在強(qiáng)的非相干背景中。 式中：式中： ( fx , fy ) = ( x1 , y1 ) f x fx l 2 f y f y l 2 且且： 位相濾波位相濾波: :澤尼克相襯顯微鏡澤尼克相襯顯微鏡 如果在中心鍍層中不但有位相變化而且有吸收如果在中心鍍層中不但有位相變化而且

28、有吸收, ,則可進(jìn)則可進(jìn) 一步提高像的對(duì)比度。一步提高像的對(duì)比度。 經(jīng)濾波后頻譜為：經(jīng)濾波后頻譜為： yxyxyxyx ffjffjffHffF, 像面復(fù)振幅分布為：像面復(fù)振幅分布為： 3333 ,)( yxjj,yxg 強(qiáng)度分布為：強(qiáng)度分布為： 3333 ,21,yxyxI 濾波器函數(shù)濾波器函數(shù): : 1 其它其它 j fx=fy=0附近附近 H( (fx,fy)=)= + + 號(hào)代表正位相反襯和負(fù)位相反襯，前者表示位相越大，號(hào)代表正位相反襯和負(fù)位相反襯，前者表示位相越大， 像強(qiáng)度越大，后者則相反。像強(qiáng)度越大，后者則相反。 強(qiáng)度變化反映了位相變化，并且變化的幅度相對(duì)背景而言加強(qiáng)度變化反映了位

29、相變化，并且變化的幅度相對(duì)背景而言加 倍，但仍為線性變化。倍，但仍為線性變化。 位相濾波：澤尼克相襯顯微鏡位相濾波：澤尼克相襯顯微鏡 位相濾波器主要用于將位相型物轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度型像位相濾波器主要用于將位相型物轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度型像 的顯示。例如用相襯顯微鏡觀察透明生物切片；的顯示。例如用相襯顯微鏡觀察透明生物切片； 利用位相濾波系統(tǒng)檢查透明光學(xué)元件內(nèi)部折射率利用位相濾波系統(tǒng)檢查透明光學(xué)元件內(nèi)部折射率 是否均勻，或檢查拋光表面的質(zhì)量等等。是否均勻，或檢查拋光表面的質(zhì)量等等。 7-4 相干光學(xué)信息處理相干光學(xué)信息處理 1、相干光學(xué)信息處理系統(tǒng)、相干光學(xué)信息處理系統(tǒng) 相干光學(xué)信息處理：相干光學(xué)信息處理：采用的方

30、法多為頻域調(diào)制，即對(duì)輸入光信號(hào)采用的方法多為頻域調(diào)制，即對(duì)輸入光信號(hào) 的頻譜進(jìn)行復(fù)空間濾波，得到所需要的輸出。的頻譜進(jìn)行復(fù)空間濾波，得到所需要的輸出。 相干點(diǎn)光源相干點(diǎn)光源 準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直透鏡 輸入面輸入面 （物面）（物面） 輸出面輸出面 （像面）（像面） FTL1 FTL2 頻譜面頻譜面 基本系統(tǒng)基本系統(tǒng) 基本運(yùn)算基本運(yùn)算 t(x, y) 1 t(x, y) T(fx, fy) F(fx, fy) T(fx,f y) F(fx , fy) t(x, y) * f(x, y) f(x,y)= -1F(fx , fy) 7-4 相干光學(xué)信息處理相干光學(xué)信息處理 2、多重像的產(chǎn)生、多重像的產(chǎn)生 利用

31、正交光柵調(diào)制輸入圖像的頻譜，有望得到多重像的輸出利用正交光柵調(diào)制輸入圖像的頻譜，有望得到多重像的輸出 設(shè)輸入圖像為設(shè)輸入圖像為g ( x , y )置于置于P1平面；平面；P2 平面放置一正交朗奇平面放置一正交朗奇 （Ronchi）光柵，其振幅透過(guò)率為）光柵，其振幅透過(guò)率為 n y m x yx d ndf d mdf ffF 22/ rect / rect, 寫(xiě)成卷積形式寫(xiě)成卷積形式 d f d f dd f d f d ffF yy xx yx comb / rectcomb / rect, 2 1 2 1 P2平面后的光場(chǎng)將是圖像頻譜和光柵透過(guò)率的乘積：平面后的光場(chǎng)將是圖像頻譜和光柵透過(guò)

32、率的乘積： u2 = g ( x , y ) F ( fx , fy ) 光柵常數(shù)光柵常數(shù) P3平面得到的輸出光場(chǎng)為兩者逆變換的卷積平面得到的輸出光場(chǎng)為兩者逆變換的卷積 u3=g(x,y)* -1F(fx, fy) nm d n y n d m x m yxgu 2 sinc 2 sinc, 3 形成了形成了 函數(shù)二維函數(shù)二維 陣列，物函數(shù)與之陣列，物函數(shù)與之 卷積的結(jié)果是在卷積的結(jié)果是在P3 平面上構(gòu)成輸入圖平面上構(gòu)成輸入圖 形的多重像形的多重像 略去無(wú)關(guān)緊要的常系數(shù)，最終可得到略去無(wú)關(guān)緊要的常系數(shù)，最終可得到 7-4 相干光學(xué)信息處理相干光學(xué)信息處理 2、多重像的產(chǎn)生、多重像的產(chǎn)生 7-4

33、 相干光學(xué)信息處理相干光學(xué)信息處理 3、圖像的相加和相減、圖像的相加和相減 （1）用一維光柵調(diào)制用一維光柵調(diào)制 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果：實(shí)驗(yàn)及結(jié)果： 3、單光柵濾波器、單光柵濾波器用于圖像相加和相減用于圖像相加和相減：分析分析 實(shí)際上是二個(gè)平面波干涉的干涉條紋實(shí)際上是二個(gè)平面波干涉的干涉條紋；或者傾斜平面波的全息圖或者傾斜平面波的全息圖 ：條紋初位相：條紋初位相(x2 = 0處的位相處的位相)， 取決于光柵平面上坐標(biāo)原點(diǎn)的選取取決于光柵平面上坐標(biāo)原點(diǎn)的選取 濾波器函數(shù)：濾波器函數(shù)： ll 2 , 2cos 2 1 2 1 , 22 xfffF f y f f x f yx yx 振幅型振幅型 余弦光柵余弦

34、光柵 = 0：余弦條紋余弦條紋 0 x = /2：正弦條紋正弦條紋 0 x 它們作為濾波器函數(shù)它們作為濾波器函數(shù)，其衍射級(jí)的相對(duì)位相有區(qū)別其衍射級(jí)的相對(duì)位相有區(qū)別 3、單光柵濾波器、單光柵濾波器用于圖像相加和相減用于圖像相加和相減：分析分析 它們作為濾波器函數(shù)它們作為濾波器函數(shù),其衍射級(jí)的區(qū)別其衍射級(jí)的區(qū)別 ( 1級(jí)的相對(duì)位相級(jí)的相對(duì)位相)： 改變光柵的位相可由移動(dòng)光柵（改變光柵的位相可由移動(dòng)光柵（1/4個(gè)條紋）來(lái)實(shí)現(xiàn)。個(gè)條紋）來(lái)實(shí)現(xiàn)。 222 2exp 4 1 2exp 4 1 2 1 2cos 2 1 2 1 xfjxfjxfF 0: 0級(jí)級(jí)+1級(jí)級(jí)-1級(jí)級(jí) 同位相同位相 0級(jí)級(jí)+1級(jí)級(jí)-

35、1級(jí)級(jí) 反位相反位相 = /2: 222 2exp 4 2exp 42 1 2sin 2 1 2 1 xfj j xfj j xfF 3、單光柵濾波器、單光柵濾波器用于圖像相加和相減用于圖像相加和相減：分析分析 tA tB 0 l l x1 物平面物平面:放置待處理的兩個(gè)物體放置待處理的兩個(gè)物體A與與B。 沿沿x1方向相對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱放置方向相對(duì)原點(diǎn)對(duì)稱放置,與原點(diǎn)距離均為與原點(diǎn)距離均為l。 條件條件: : l = l lf f,f 為透鏡焦距為透鏡焦距 tA(x1,y1)和和tB(x1,y1)：兩物兩物A,B各自放在坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)各自放在坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)的復(fù)振幅透過(guò)率的復(fù)振幅透過(guò)率 物分布為物分布為: :

36、 111111 ,ylxtylxtyxt BA 光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng): 頻譜面：放置空頻頻譜面：放置空頻 為為 f 的光柵濾波器的光柵濾波器 3、單光柵濾波器、單光柵濾波器用于圖像相加和相減用于圖像相加和相減：分析分析 22 2exp,2exp,xfjffTxfjffT yxByxA 2 2 , xflf f x fffl x x l l TA(fx,fy), TB(fx,fy)： 兩物兩物A,B各自放在坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)各自放在坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)的頻譜。的頻譜。 tA(x1,y1)和和tB( (x1 1, ,y1 1):):兩物兩物A,B各自放在坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)的復(fù)振幅透過(guò)率各自放在坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)的復(fù)振幅透過(guò)率 物分布為

37、物分布為: : 111111 ,ylxtylxtyxt BA 輸入頻譜輸入頻譜: : xyxBxyxAyx lfjffTlfjffTffT2exp,2exp, 3、單光柵濾波器、單光柵濾波器用于圖像相加和相減用于圖像相加和相減：分析分析 jTjxfjT jxfjTjT xfjTxfjT BA BA BA exp 4 1 exp4exp 4 1 exp4exp 4 1 exp 4 1 2exp2exp 2 1 2 2 22 繼續(xù)整理，得：繼續(xù)整理，得： jTjTFT BA expexp 4 1 22 2exp2exp 2 1 xfjTxfjT BA 22 4exp4exp 4 1 xfjTxfj

38、T BA 經(jīng)光柵濾波后的頻譜經(jīng)光柵濾波后的頻譜: : jxfjjxfjffTffFffT yxyxyx exp2exp 4 1 exp2exp 4 1 2 1 , 22 22 2exp,2exp,xfjffTxfjffT yxByxA T(fx,fy) 重點(diǎn)關(guān)注重點(diǎn)關(guān)注 3、單光柵濾波器、單光柵濾波器用于圖像相加和相減用于圖像相加和相減：分析分析 =0(=0(或或 的整數(shù)倍的整數(shù)倍) ) 得到得到: : tA(x3, y3) + tB(x3, y3) = = /2/2，得到得到: : tA(x3, y3) - tB(x3,y3) 經(jīng)傅里葉逆變換經(jīng)傅里葉逆變換,在在P3平面得到的輸出光場(chǎng)分布為平

39、面得到的輸出光場(chǎng)分布為: jylxtjylxt ylxtylxt jyxtyxtjyxg BA BA BA exp,2exp,2 4 1 , 2 1 2exp, , exp 4 1 , 根據(jù)根據(jù) 值的不同值的不同,在原點(diǎn)附近可得到不同的結(jié)果：在原點(diǎn)附近可得到不同的結(jié)果： 處于處于P3平面原點(diǎn)附近平面原點(diǎn)附近 分列兩邊，距原點(diǎn)為分列兩邊，距原點(diǎn)為l，位相相同位相相同 分列兩邊，距原分列兩邊，距原 點(diǎn)點(diǎn)2l，位相不同，位相不同 思考：在實(shí)驗(yàn)中，思考：在實(shí)驗(yàn)中， “原點(diǎn)原點(diǎn)”是什么？是什么？ 7-4 相干光學(xué)信息處理相干光學(xué)信息處理 3、圖像的相加和相減、圖像的相加和相減 物理解釋物理解釋 余弦型光

40、柵有三個(gè)衍射級(jí)：余弦型光柵有三個(gè)衍射級(jí)：0級(jí)和級(jí)和 1 級(jí)，故對(duì)每個(gè)物可成三個(gè)像。級(jí)，故對(duì)每個(gè)物可成三個(gè)像。 （1）用一維光柵調(diào)制）用一維光柵調(diào)制 x= lx= 2l 對(duì)于中心在對(duì)于中心在x = l 的圖像的圖像A，零級(jí)零級(jí)、正正 一級(jí)一級(jí)和和負(fù)一級(jí)負(fù)一級(jí)分別位于：分別位于： 原點(diǎn)原點(diǎn) x= -l 原點(diǎn)原點(diǎn) 對(duì)于中心在對(duì)于中心在x = - l 的圖像的圖像B, 零級(jí)、正零級(jí)、正 一級(jí)和負(fù)一級(jí)分別位于：一級(jí)和負(fù)一級(jí)分別位于： x= -2l 只要只要tA, tB的間隔的間隔l與光柵空頻匹配與光柵空頻匹配, A的的 +1級(jí)像與級(jí)像與B的的-1級(jí)像在像面原點(diǎn)重疊。級(jí)像在像面原點(diǎn)重疊。 采用的光學(xué)系統(tǒng)是

41、采用的光學(xué)系統(tǒng)是線性空不變的相干線性空不變的相干 成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)。相加還是相減取決于此二相加還是相減取決于此二 個(gè)像的位相關(guān)系。個(gè)像的位相關(guān)系。 位相關(guān)系取決于光柵濾波函數(shù)的位相位相關(guān)系取決于光柵濾波函數(shù)的位相 ?？赏ㄟ^(guò)微調(diào)光柵位置實(shí)現(xiàn)?？赏ㄟ^(guò)微調(diào)光柵位置實(shí)現(xiàn)。 7-4 相干光學(xué)信息處理相干光學(xué)信息處理 3、圖像的相加和相減：、圖像的相加和相減：用復(fù)合光柵調(diào)制用復(fù)合光柵調(diào)制 復(fù)合光柵復(fù)合光柵:指兩套取向一致、但空間頻率有微小差異的一維正弦光指兩套取向一致、但空間頻率有微小差異的一維正弦光 柵，用全息方法可在同一張底片上迭合二套光柵制成復(fù)合光柵。柵，用全息方法可在同一張底片上迭合二套光柵制成

42、復(fù)合光柵。 復(fù)合光柵的制作復(fù)合光柵的制作 干板干板 能在水平面內(nèi)作能在水平面內(nèi)作 微小轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)微小轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái) 第一次曝光：兩束光對(duì)稱入射，得到光柵的頻率為第一次曝光：兩束光對(duì)稱入射，得到光柵的頻率為fg0 第二次曝光：轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過(guò)微小角度第二次曝光：轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過(guò)微小角度 ，得到光柵頻率為得到光柵頻率為fg = fg0 .cos 當(dāng)擴(kuò)束鏡與干板的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，當(dāng)擴(kuò)束鏡與干板的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)， 干板上接收到的可近似看成平行光干板上接收到的可近似看成平行光 7-4 相干光學(xué)信息處理相干光學(xué)信息處理 復(fù)合光柵的制作復(fù)合光柵的制作 曝光后經(jīng)處理便得到復(fù)合光柵。復(fù)合光柵的振幅透過(guò)率應(yīng)正比曝光后經(jīng)處理便得到復(fù)合光柵

43、。復(fù)合光柵的振幅透過(guò)率應(yīng)正比 于兩次曝光強(qiáng)度之和，即：于兩次曝光強(qiáng)度之和，即： G ( xf , yf ) = 2+exp(j2 f g0 xf )+exp(- j2 f g0 xf )/4 +2+exp(j2 fgxf)+exp(- j2 f g xf)/4 =1+cos(2 f g0 xf ) /2+ cos2 (f g0 fg)xf /2 兩套光柵的空間頻率分別為兩套光柵的空間頻率分別為fg0和和fg0 - fg， 復(fù)合的結(jié)果，會(huì)在其表面產(chǎn)生明顯的復(fù)合的結(jié)果，會(huì)在其表面產(chǎn)生明顯的莫莫 爾條紋爾條紋，條紋密度取決于，條紋密度取決于 fg = fg0 - fg的的 大小，大小， fg越大，莫

44、爾條紋越密。越大，莫爾條紋越密。 在頻譜面上用復(fù)合光柵取代上例在頻譜面上用復(fù)合光柵取代上例 中的一維光柵，亦可在適當(dāng)條件下得中的一維光柵，亦可在適當(dāng)條件下得 到圖像的相加或相減輸出。到圖像的相加或相減輸出。 莫爾條紋莫爾條紋 （Moir Fringes) 2 )2cos( 2 )(2cos 1),( xx yx bffb ffF fx=x2/l lf, b= l lffg0, = l lf fg 坐標(biāo)原點(diǎn)處于莫爾暗紋中心時(shí)，復(fù)合光柵的濾波函數(shù)可表達(dá)為：坐標(biāo)原點(diǎn)處于莫爾暗紋中心時(shí)，復(fù)合光柵的濾波函數(shù)可表達(dá)為： 在頻譜面后得到復(fù)合光柵透過(guò)率在頻譜面后得到復(fù)合光柵透過(guò)率F與圖像頻譜的乘積：與圖像頻譜

45、的乘積：u2 = T F T : 將將A、B看成同一幅圖像時(shí)的頻譜看成同一幅圖像時(shí)的頻譜 故輸入函數(shù)表示為：故輸入函數(shù)表示為：t = tA(x+ /2) + tB(x- /2) 將圖像將圖像A、B對(duì)稱置于輸入面上坐標(biāo)原點(diǎn)兩側(cè)，間距為對(duì)稱置于輸入面上坐標(biāo)原點(diǎn)兩側(cè)，間距為 x， 并使它滿足關(guān)系式并使它滿足關(guān)系式: x = fgl lf = 7-4 相干光學(xué)信息處理相干光學(xué)信息處理 3、圖像的相加和相減、圖像的相加和相減 根據(jù)傅里葉變換原理，根據(jù)傅里葉變換原理，P3平面上的光擾動(dòng)應(yīng)為平面上的光擾動(dòng)應(yīng)為 u3 = -1 T * -1 G 因?yàn)橐驗(yàn)镚是兩套光柵復(fù)合而成，因而它的傅里葉逆變換應(yīng)包括六項(xiàng)，是

46、兩套光柵復(fù)合而成，因而它的傅里葉逆變換應(yīng)包括六項(xiàng)， 即每套光柵都各有一個(gè)零級(jí)，一個(gè)正一級(jí)和一個(gè)負(fù)一級(jí)衍射斑。即每套光柵都各有一個(gè)零級(jí)，一個(gè)正一級(jí)和一個(gè)負(fù)一級(jí)衍射斑。 像面將出現(xiàn)六重圖像，其位置由兩套光柵的空間頻率、透鏡焦距像面將出現(xiàn)六重圖像，其位置由兩套光柵的空間頻率、透鏡焦距f 和波長(zhǎng)決定。和波長(zhǎng)決定。 空頻較低的光柵產(chǎn)空頻較低的光柵產(chǎn) 生的三重像生的三重像 空頻較高的光柵產(chǎn)空頻較高的光柵產(chǎn) 生的三重像生的三重像 7-4 相干光學(xué)信息處理相干光學(xué)信息處理 3、圖像的相加和相減、圖像的相加和相減 原圖像原圖像原圖像原圖像相減結(jié)果相減結(jié)果 當(dāng)復(fù)合光柵相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)的當(dāng)復(fù)合光柵相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)的 位移量

47、恰等于半個(gè)莫爾條紋時(shí)位移量恰等于半個(gè)莫爾條紋時(shí) （原點(diǎn)處在暗紋中心），兩個(gè)正（原點(diǎn)處在暗紋中心），兩個(gè)正 一級(jí)像的位相差等于一級(jí)像的位相差等于 ，該處得到，該處得到 圖像圖像A、B的相減結(jié)果的相減結(jié)果 當(dāng)復(fù)合光柵亮紋中心恢復(fù)到坐標(biāo)原點(diǎn)位置時(shí)，兩個(gè)像當(dāng)復(fù)合光柵亮紋中心恢復(fù)到坐標(biāo)原點(diǎn)位置時(shí)，兩個(gè)像 的位相差為的位相差為0，得到圖像，得到圖像A、B的相加的結(jié)果的相加的結(jié)果 注意待處理圖像的尺寸注意待處理圖像的尺寸 不得大于不得大于 x，否則會(huì)出現(xiàn)圖，否則會(huì)出現(xiàn)圖 像的重疊而干擾相減結(jié)果像的重疊而干擾相減結(jié)果 思考思考: 用一維光柵濾波器和復(fù)合光柵濾波器用一維光柵濾波器和復(fù)合光柵濾波器 作圖像相減各有

48、什么優(yōu)缺點(diǎn)？作圖像相減各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 7-4 相干光學(xué)信息處理相干光學(xué)信息處理 3、圖像的相加和相減、圖像的相加和相減 (4)(4)應(yīng)用應(yīng)用 圖圖 像像 的的 相相 加加 和和 相相 減減 應(yīng)應(yīng) 用用 對(duì)衛(wèi)星拍攝的照片對(duì)衛(wèi)星拍攝的照片 的圖像相減處理的圖像相減處理 監(jiān)測(cè)海洋面積的改變監(jiān)測(cè)海洋面積的改變 監(jiān)測(cè)陸地板塊移動(dòng)的速度監(jiān)測(cè)陸地板塊移動(dòng)的速度 監(jiān)測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)的變遷監(jiān)測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)的變遷 監(jiān)測(cè)各種自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)各種自然災(zāi)害 對(duì)偵察衛(wèi)星發(fā)回的對(duì)偵察衛(wèi)星發(fā)回的 照片進(jìn)行相減操作照片進(jìn)行相減操作 提高監(jiān)測(cè)敵方軍事部署提高監(jiān)測(cè)敵方軍事部署 變化的敏感度和準(zhǔn)確度變化的敏感度和準(zhǔn)確度 對(duì)不同時(shí)期的對(duì)不同時(shí)期的

49、X光光 片進(jìn)行相減處理片進(jìn)行相減處理 及時(shí)發(fā)現(xiàn)病變的所在及時(shí)發(fā)現(xiàn)病變的所在 對(duì)加工工件與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)加工工件與標(biāo)準(zhǔn) 件圖片的相減件圖片的相減 檢查工件外形加工是否合格檢查工件外形加工是否合格 7-4 相干光學(xué)信息處理相干光學(xué)信息處理 5、光學(xué)圖像識(shí)別、光學(xué)圖像識(shí)別 一、匹配濾波與圖像識(shí)別一、匹配濾波與圖像識(shí)別 1. 匹配濾波器的概念匹配濾波器的概念: 在噪聲中檢測(cè)信號(hào)的最佳濾波器在噪聲中檢測(cè)信號(hào)的最佳濾波器 仍考慮仍考慮4f系統(tǒng)，輸入光場(chǎng)包含待檢測(cè)信號(hào)系統(tǒng)，輸入光場(chǎng)包含待檢測(cè)信號(hào)s(x0,y0)和噪聲和噪聲n(x0,y0)， 彼此是可加的。彼此是可加的。 輸入光場(chǎng)：輸入光場(chǎng)： t0 (x0,y0)

50、= s(x0,y0) + n(x0,y0) 輸入頻譜：輸入頻譜：T0 (fx,fy) = S(fx,fy) + N(fx,fy) S: 信號(hào)譜信號(hào)譜, N: 噪音譜噪音譜 如果濾波器函數(shù)正比于信號(hào)頻譜的復(fù)共軛：如果濾波器函數(shù)正比于信號(hào)頻譜的復(fù)共軛： F(fx,fy) = S*(fx,fy) 則濾波后的頻譜為：則濾波后的頻譜為： T0(fx,fy) S*(fx,fy) = SS* + NS* 經(jīng)經(jīng)F.T.-1后，后，P3平面上的輸出復(fù)振幅分布為：平面上的輸出復(fù)振幅分布為： u3 (x, y) = t0 (x, y) * s*(- x, -y) = t0 (x, y) s (x, y) = s(x

51、, y) s (x, y) + n(x, y) s (x, y) 自相關(guān)峰自相關(guān)峰互相關(guān)互相關(guān)( (彌散彌散) ) 5、光學(xué)圖像識(shí)別、光學(xué)圖像識(shí)別 光學(xué)理解：濾波器函數(shù)光學(xué)理解：濾波器函數(shù)S*(fx,fy)是信號(hào)頻譜是信號(hào)頻譜S(fx,fy)的復(fù)共軛，即與的復(fù)共軛，即與 信號(hào)譜有相同的振幅分布，但位相分布正好相反。信號(hào)譜有相同的振幅分布，但位相分布正好相反。不論信號(hào)譜不論信號(hào)譜 的位相分布如何復(fù)雜，在通過(guò)濾波器后位相抵消，成為位相均的位相分布如何復(fù)雜，在通過(guò)濾波器后位相抵消，成為位相均 勻的平面波，繼續(xù)經(jīng)過(guò)勻的平面波，繼續(xù)經(jīng)過(guò)F.T-1后形成亮點(diǎn)（自相關(guān)峰）后形成亮點(diǎn)（自相關(guān)峰）。 根據(jù)輸出中

52、是否出現(xiàn)自相關(guān)峰而判斷信息中是否包含待測(cè)信號(hào)。根據(jù)輸出中是否出現(xiàn)自相關(guān)峰而判斷信息中是否包含待測(cè)信號(hào)。 F(fx,fy) = S*(fx,fy) 稱為稱為匹配濾波器匹配濾波器（Matched Filter） 它的脈沖響應(yīng)為：它的脈沖響應(yīng)為： F.T.-1F(fx,fy) = s*(- x, -y) 5、光學(xué)圖像識(shí)別、光學(xué)圖像識(shí)別 2. 匹配濾波器的制作匹配濾波器的制作Van der Lugt濾波器濾波器 平面平面x0-y0: 放置濾波函數(shù)的脈放置濾波函數(shù)的脈 沖響應(yīng)，實(shí)際上可沖響應(yīng)，實(shí)際上可 以用待識(shí)別的目標(biāo)以用待識(shí)別的目標(biāo) 函數(shù)函數(shù)s(x0,y0). 全息方法全息方法: 傅里葉變換全息圖的光

53、路傅里葉變換全息圖的光路: 離軸參考光與光軸夾角為離軸參考光與光軸夾角為 ： s 在記錄平面得到在記錄平面得到s(x0,y0)的頻譜的頻譜 S(fx,fy)作為物光：作為物光：T= S(fx,fy) R = R0exp(j2 bfx), b = fsin , , fx= = xf/ /l lf F(f x , f y ) = (T+R)(T+R)* = |S (f x , f y )|2 + R02 + R0S ( f x , f y )exp( - j2 fxb ) + R0S* ( fx , fy )exp( j2 fxb ) 全息圖的振幅透過(guò)率全息圖的振幅透過(guò)率 函數(shù)與曝光強(qiáng)度成正函數(shù)與

54、曝光強(qiáng)度成正 比，可表達(dá)為：比，可表達(dá)為： 需要的匹配濾波需要的匹配濾波 器的振幅透過(guò)率器的振幅透過(guò)率 由于參考由于參考 光離軸，光離軸， 各項(xiàng)在空各項(xiàng)在空 間可以分間可以分 開(kāi)。開(kāi)。 參考點(diǎn)源的參考點(diǎn)源的 位置參數(shù)位置參數(shù) 5、光學(xué)圖像識(shí)別、光學(xué)圖像識(shí)別 采用匹配濾波器的卷積和相關(guān)運(yùn)算采用匹配濾波器的卷積和相關(guān)運(yùn)算 采用傾斜平面波作參考光采用傾斜平面波作參考光,記錄目標(biāo)物記錄目標(biāo)物s 的傅里葉變換的傅里葉變換S(fx,fy) 的全息圖的全息圖, 作為濾波器。作為濾波器。 將此濾波器放置在將此濾波器放置在4 f 系統(tǒng)的頻譜平面，系統(tǒng)的頻譜平面， 設(shè)設(shè)4f 系統(tǒng)的焦距系統(tǒng)的焦距f 與記錄時(shí)用的與

55、記錄時(shí)用的f 相同。相同。 輸入平面：輸入平面：t(x0,y0) 頻譜平面：頻譜平面： yxyxyx ffFffTffG, xyxyxyx bfjffSffTRffTSR2exp, 0 2 2 0 xyxyx bfjffSffTR2exp,*, 0 F(f x , f y ) = |S (f x , f y )|2 + R02 + R0S ( f x , f y )exp( - j2 fxb ) + R0S* ( fx , fy )exp( j2 fxb ) 輸出平面的復(fù)振幅分布為：輸出平面的復(fù)振幅分布為： yx ffGyxu, , 1 3 （注意注意|S|2不是常數(shù)不是常數(shù)） 5、光學(xué)圖像識(shí)別、