非相干光學信息處理

非相干光學信息處理第一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五

輸入為，輸出為，則

10.1相干光處理與非相干光處理的比較即：輸出的合成復振幅滿足復振幅疊加原則。1）相干光系統(tǒng)而光強為：在相干處理系統(tǒng)中，輸出光強除了是輸入光強的疊加外，還存在相干項的影響。第二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五對于非相干光系統(tǒng)，由于輸入圖像各點的光互不相干，所以上式中的互相關項（第二項）的平均值為零。即即：非相干光處理系統(tǒng)是強度的線性系統(tǒng)，滿足強度疊加原理。

2）非相干光系統(tǒng)比較：相干——振幅疊加——可正可負可完成加、減、乘、除、微分、卷積等運算非相干——光強疊加——實函數(shù)無上述運算第三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五3）相干光處理系統(tǒng)存在的不足

1）

噪聲太大相干噪聲：由光路中的塵埃，指紋，擦痕，元件的缺陷，氣泡等引起得干涉。

散班噪聲：由漫射物體表面的起伏粗糙而引起的無規(guī)干涉。2）只能處理透明圖片（復振幅分布）而不能利用光強接收器得到的信號做為輸入信號，（如CRT、LED、CCD）3）只能處理單色圖象，對彩色圖象則無能為力。4）而非相干系統(tǒng)正好可彌補相干系統(tǒng)的上述不足，即不存在上述不足。第四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五S：自發(fā)光物，P(x,y)：光瞳透明物片，Io(x,y)：物面的強度分布，Ii(x,y)：成像面的強度分布，

10.2基于衍射的非相干空間濾波系統(tǒng)圖10.2.1用自發(fā)光物體的非相干空間濾波系統(tǒng)。第五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五(10.2.1)(10.2.2):非相干空間強度脈沖響應或點擴展函數(shù)(PSF)，K是比例常數(shù)；(10.2.3)式中：--幾何光學像第六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五假設系統(tǒng)的放大率為1，即把像面上+x軸和+y軸的方向反轉，則方程(10.2.2)呈簡單形式(10.2.4)對上式兩邊進行傅里葉變換(10.2.5)叫做成像系統(tǒng)的空間頻率傳遞函數(shù)。第七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五當用p(x,y)表示系統(tǒng)的光瞳函數(shù)，即表示孔徑的復振幅透過率時，則規(guī)定PSF的后焦面夫瑯和費強度圖樣由下式給出(10.2.6)此處(10.2.7)第八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五如果作變量變換，令則(10.2.8)(10.2.9)第九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五(10.2.10)(10.2.11)★即是非相干傳遞函數(shù)是約化坐標光瞳函數(shù)的自相關。作簡單的變量變換，令(10.2.12)得：第十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五(10.2.13)當用零頻分量進行歸一化時，就得到通常所稱的光學傳遞函數(shù)也簡稱OTF,即這個公式稱為杜裴克(Duffieux)公式，是實際的光瞳函數(shù)的傅里葉變換。第十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五

10.3非相干空間濾波的特征識別圖10.3.1非相干空間濾波的特征識別系統(tǒng)。

g－毛玻璃;PH-針孔前半部是一個簡單的相干傅里葉變換系統(tǒng)，后半部是一個非相干空間濾波系統(tǒng)。第十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五此處是的傅里葉變換。處理器的后半部是一個非相干空間濾波系統(tǒng)，非相干匹配濾波器

把光瞳函數(shù)作為它的主要部分，這個匹配濾波器把輸入轉化為輸出光強為：第十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五

10.3.1用空間匹配濾波的圖形識別輸入圖形的識別可以通過下述實驗得到:(1)由光學傳遞函數(shù)(OTF)為Hm(fx)的成像系統(tǒng)產(chǎn)生輸入In(x)的像；(2)把一個針孔放在像面的中央處(在光軸上，x=0處)，在針孔后面放一個光電探測器；(3)通過把系統(tǒng)的OTFHm(fx)(m=0,1,2,…,N)(n=0,1,2,…,N)調整為N個不同的狀態(tài)，把“相關率”Smn(m=0,1,2,…,N)(n=0,1,2,…,N)作為光電池的信號，用針孔后的光電探測器相繼的測量這個相關率。第十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五選擇一組OTF的Hm(fx)，使得自相關率Smn(m≠n)大，即Smn/Snm<1[m;n=1,2,…,N;但(m≠n)].相關率Smn的計算方法，首先把輸入In(x)的傅里葉積分表示(10.3.1)式中(10.3.2)第十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五在空域表示為(10.3.3)在孔針x=0處，上式變?yōu)?10.3.4)或者用縮寫的形式匹配濾波器集作為系統(tǒng)的傳輸函數(shù)。根據(jù)Schwartz不等式可以證明這些匹配濾波器滿足識別不等式Smn/Snm<1(m=1,2,…,N),即第十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五(10.3.5)這個不等式對和明顯不同的所有情況，即對(c為任意常數(shù)因子)都有效。換言之，用濾波器對的任何錯誤估計所產(chǎn)生的相關率都小于由匹配濾波器所產(chǎn)生的相關率。第十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五從傅里葉變換的相移定理可以得出結論：

10.3.2對空間不變性的預處理強度與無關。如果物用平面波照明，強度分布是對振幅物沿著光軸的位移不變，這可用描述在物后面的平面波傳播方程來證明復振幅為：其中：第十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五如果物沿光軸的方向移動，即則此處，因此所以強度與無關，即與zn無關。此處第十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五

10.3.3非相干匹配濾波器的綜合非相干濾波器函數(shù)(或OTF)和光瞳函數(shù)之間的關系由Duffieux導出:(10.3.6)匹配濾波的條件是

(10.3.7)此處第二十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五把這兩個式子代入(10.3.7)則得它具有任意位移.匹配濾波器的條件化為:10.3.8的一個簡單解(10.3.8)(10.3.9)第二十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五

10.5基于幾何學的成像處理

10.5.1基本的處理系統(tǒng)圖10.5.1實現(xiàn)兩個函數(shù)乘積的積分系統(tǒng)第二十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五若把強度透過率為的一張透明片在強度透過率為的另一張透明片上成像，那么在第二張透明片后面每點的光強都正比于乘積,所以用光電探測器來測量透過兩塊透明片的總強度時，給出的光電流I為(10.5.1)第二十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五10.5.2空間掃描處理器最簡單的空間掃描線性處理器可用來計算一維卷積或相關積分圖10.5.2用于一維處理的多通道系統(tǒng)第二十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五和列陣、或成像透鏡在ｘ方向平移x0，可取得ｎ個通道的互相關，(10.5.4)(10.5.５)系統(tǒng)的輸出為：第二十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五若使在x和y的方向分別移動x0和y0(10.5.８)二維信號在ｙ范圍的積分來取得一維的互相關(10.5.７)第二十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五圖10.5.3用于兩個變量函數(shù)的多通道系統(tǒng)(10.５.９)第二十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五10.5.3時間掃面處理器圖10.５.４使用調制光源作一維處理的多通道系統(tǒng)(10.5.10)(10.5.11)第n個通道的輸出為：探測器的輸出陣列為：第二十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五10.６基于幾何光學的投影法處理圖10.6.1有透鏡的投影幾何光學非相干處理系統(tǒng)

探測器上的強度為:可完成下列矩陣運算:(10.6.1)(10.6.2)第二十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五10.7調制

調制是在阿貝二次衍射成像原理上進行分光濾波實驗，它用不同方向的光柵對圖像的不同部分進行調制（亦稱為編碼），是通過改變用來調制用的光柵的方位角使圖像色調重現(xiàn)的一種方法。1、光路

第三十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五2、

調制過程：i)將一幅圖片按密度分成幾部分，如：第三十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五

ii）用互為60度的一維光柵分別調制圖像的三部分房子/天空/草地iii)在焦點處濾波A若用單色光照明：單色像B若用白光照明，則一、二級譜有色帶

天空：讓紅色通過房子：讓黃色通過草地：讓藍綠色通過

實現(xiàn)假彩色圖像第三十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五物面調制后的像調制后的頻譜面頻譜面第三十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五10.８假彩色編碼

人眼的分辨率：

灰度：15～20層次

彩色

100種以上光學假彩色編碼與計算機假彩色編碼的比較：（1）

保持被彩色編碼像的空間分辨率（2）

操作簡單（3）

價格低第三十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五1、光路（系統(tǒng)）

圖10.8.2白光假彩色編碼器第三十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五2、編碼過程：

i)輸入片的制作用二次曝光法在一張底片上將正、負片與相互正交的光柵重疊后翻拍下來。光柵的±1級光強透過率為：二次曝光后感光片的透過率為：

(10.8.1)(10.8.2)第三十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五

ii)譜面上：

放上兩板濾色片(10.8.6)第三十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五iii)像面上

振幅為：光強為：(不相干)可見：輸出像是綠的負片像和紅的正片像合成的彩色像。

則譜面上只剩下：(10.8.7)(10.8.8)(10.8.9)第三十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五10.８.３實時假彩色編碼

1.空間頻率假彩色編碼圖10.8.6實時白光假彩色編碼器第三十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五將一復振幅透過率S(x1,y1)的黑白透明片與正交光柵一起放入圖示的白光處理系統(tǒng)的輸入平面P1處，為分析簡單起見，假定正交光柵在兩個正交方向上是相加性的，其振幅透過率可以記為(10.8.15)第四十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五(10.8.16)第四十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期五可見，沿x2和y2軸共有四個彩虹色信號的一級衍射譜。由于空間濾波只有在沿著垂直于顏色彌散的方向上才有效，所以