《信息光學(xué)》第八章-光學(xué)信息處理-課件

《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理1、引言2、相干濾波的基本原理3、簡(jiǎn)單振幅和位相濾波的例子4、光柵濾波器的應(yīng)用5、光學(xué)圖像識(shí)別6、圖像復(fù)原7、非相干光處理8、白光信息處理9、其他《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理

什么是光學(xué)信息處理？所謂的光學(xué)信息處理，是指用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信息的各種變換和處理。1）這些輸入信息可以是光信息，也可以是電信號(hào)或聲信號(hào)，但這些信號(hào)需要使用電光或聲光轉(zhuǎn)換器件，把它們變?yōu)楣庑盘?hào)，再輸入光學(xué)系統(tǒng)處理。2）用光學(xué)方法可以實(shí)現(xiàn)各種變換和處理，例如菲涅耳變換、傅里葉變換、卷積運(yùn)算，以及去噪、編碼與解碼等。

光學(xué)信息處理通常有兩種分類(lèi)方法1）根據(jù)系統(tǒng)是否滿足線性疊加性質(zhì)，分為線性處理和非線性處理；2）根據(jù)使用光源的時(shí)間和空間相干性分為相干光處理、非相干光處理和白光處理?！缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理1859年，佛科(Foucault)的刀口檢驗(yàn)；

1873年，阿貝(E.Abbe)提出顯微鏡成像理論；

1935年，澤尼克提出了相襯原理，獲1953年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；

1948年，伽柏發(fā)明全息術(shù)，獲得了1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；

50年代通訊理論和光學(xué)的結(jié)合，產(chǎn)生了傅里葉光學(xué)

—光學(xué)信息處理的理論和技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

60年代，激光器誕生，全息術(shù)獲得重大發(fā)展，相干光處理進(jìn)入蓬勃發(fā)展的階段；

70年代，為克服相干噪聲，轉(zhuǎn)向非相干光處理、白光處理；

90年代，迅速發(fā)展的分?jǐn)?shù)傅里葉光學(xué)是傅里葉光學(xué)的發(fā)展和延拓，為光學(xué)信息處理開(kāi)辟了更廣的領(lǐng)域。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子數(shù)字計(jì)算機(jī)和光學(xué)模擬處理器將結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成混合處理系統(tǒng)；同時(shí)，光計(jì)算也將成為非常重要的研究領(lǐng)域。

發(fā)展簡(jiǎn)史《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理

光學(xué)處理和數(shù)字處理的比較1）光學(xué)處理是并行處理，處理系統(tǒng)是二維的，特別適用于對(duì)圖像的快速和實(shí)時(shí)處理；數(shù)字圖像處理主要指計(jì)算機(jī)圖像處理，它對(duì)數(shù)據(jù)的處理方式是逐點(diǎn)的、一維的，原理上講處理速度慢。2）光學(xué)處理系統(tǒng)的信息處理容量大，運(yùn)算速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可實(shí)現(xiàn)一些二維信息處理，例如二維傅里葉變換、二維復(fù)函數(shù)的卷積和相關(guān)運(yùn)算等。3）光學(xué)信息處理的缺點(diǎn)主要是缺少靈活性。因此，可以把光學(xué)處理和數(shù)字處理結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，組成混合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最佳性能，如下圖所示。《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理2.1阿貝—波特實(shí)驗(yàn)阿貝—波特實(shí)驗(yàn)證明了阿貝的成像理論，是顯示空間濾波原理的富有說(shuō)服力的實(shí)驗(yàn)，如下圖所示(4f系統(tǒng))：其中，L1是準(zhǔn)直透鏡，L2和L3是傅里葉變換透鏡，焦距均為f。P1、P2和P3分別是物面、頻譜面和像面，P3平面采用反射坐標(biāo)系?！缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理若在物面放置細(xì)絲網(wǎng)格，用相干光源照明，各級(jí)衍射光在L2的后焦面P2分離開(kāi)，形成一些亮點(diǎn)，即物體的空間頻譜（圖a）；在經(jīng)L3變換成不同方向的平面波分量，在P3平面重新相干疊加，產(chǎn)生網(wǎng)格的像(圖b)?！缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理像和系統(tǒng)傳遞的空間頻譜之間存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。在頻譜面上通過(guò)狹縫、小孔等光闌改變透射的頻譜，輸出像的結(jié)構(gòu)也將發(fā)生變化?！缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理2.2空間濾波的傅里葉分析為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，以一維光柵物體為例進(jìn)行傅立葉分析，以更透徹的了解改變系統(tǒng)透射頻譜對(duì)于像的結(jié)構(gòu)的直接影響。假設(shè)光柵的透過(guò)率為其中，a為縫寬，d為光柵常數(shù)，L為光柵沿x1方向的尺寸。采用單位振幅平面波垂直照明，P2面上的光場(chǎng)分布正比于物體的頻譜，即：其中，在P2面上放置不同的孔徑光闌，作頻域處理，將給出完全不同的輸出像?！缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理1)選擇適當(dāng)寬度的狹縫，僅讓零級(jí)譜通過(guò)，擋掉其余頻率部分。緊靠狹縫后的透射光場(chǎng)為P3面輸出光場(chǎng)分布為《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理2)適當(dāng)放寬狹縫，僅讓零級(jí)和正、負(fù)一級(jí)譜通過(guò)。狹縫后的透射光場(chǎng)：P3面輸出光場(chǎng)分布為《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理3)采用雙縫，僅讓正、負(fù)二級(jí)譜通過(guò)。狹縫后的透射光場(chǎng)：P3面輸出光場(chǎng)分布為《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理4)采用不透光的小圓屏擋掉零級(jí)譜，而讓其余頻率成份都能通過(guò)雙縫。狹縫后的透射光場(chǎng)：P3面輸出光場(chǎng)分布為《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理2.3相干濾波的基本原理和運(yùn)算相干濾波包括兩個(gè)過(guò)程：從輸入面到頻譜面的頻率分解過(guò)程和從頻譜面到輸出面的頻率合成過(guò)程。若在頻譜面放置一特定的濾波器，則實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信息的變換處理！利用透鏡的傅立葉變換性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)相干光處理或相干濾波。前面介紹的4f系統(tǒng)是非常典型的相干濾波系統(tǒng)?！缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理2.4其他的相干濾波系統(tǒng)和濾波器相干濾波系統(tǒng)需要完成從空域到頻域，又從頻域還原到空域的兩次傅立葉變換以及在頻域的乘積運(yùn)算。系統(tǒng)應(yīng)該具有與空域想對(duì)應(yīng)的輸入、輸出平面，以及和頻域相對(duì)應(yīng)的確定頻譜面。相干成像系統(tǒng)都可以用來(lái)構(gòu)成相干濾波系統(tǒng)，物、像面就是輸入、輸出平面，并在頻譜面上放置所需的濾波器。其他典型的相干濾波系統(tǒng)如右圖所示?！缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理根據(jù)濾波器的特點(diǎn)，可以將濾波器分成以下幾種：1)振幅濾波器2)位相濾波器3)復(fù)數(shù)濾波器二元振幅濾波器a)低通b)高通c)帶通d)方向?yàn)V波器《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理3.1低通濾波——消除圖像上周期性網(wǎng)格網(wǎng)點(diǎn)圖像復(fù)振幅分布頻譜面產(chǎn)生的頻譜為《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理3.2位相濾波

位相濾波是指改變各種頻率成份的相對(duì)位相分布，其中1935年荷蘭物理學(xué)家澤尼克發(fā)明的相襯法就是位相濾波的杰出范例。相襯法的基本原理：采用上圖所示的濾波系統(tǒng)。透明位相物體置于P1平面，其復(fù)振幅透過(guò)率為《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理單位振幅相干平面波垂直照明時(shí)，物場(chǎng)分布為假定相移很小，，上式冪級(jí)數(shù)表達(dá)式中二次方以上的項(xiàng)就可以忽略去，得到P2面上得到頻譜分布為其中，《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理物光波包括兩部分：直接透射光和由于位相起伏造成的弱衍射光。由于j表示這兩部分光之間位相差為/2，它們相干疊加時(shí)干涉項(xiàng)為零。這正是在背景光上觀察不到衍射光的根本原因。要使像的強(qiáng)度產(chǎn)生可觀測(cè)的變化，必須改變這兩部分光之間的位相正交關(guān)系。

譜面上直接透射光會(huì)聚在焦點(diǎn)，衍射光由于包含較多高頻成分，在譜面上較為分散。很適合在譜面上焦點(diǎn)附近放置位相濾波器，改變零頻與其它頻率成分之間的位相關(guān)系。濾波函數(shù)為《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理濾波后的頻譜變?yōu)槭街效叮ǎ榈母道锶~變換，。像面復(fù)振幅分布為

像面強(qiáng)度分布為在均勻背景上出現(xiàn)由產(chǎn)生的強(qiáng)度的亮暗變化。它們之間的關(guān)系是線性的。公式中取加號(hào)，稱(chēng)為正相襯（或亮相襯）；公式中取減號(hào)，稱(chēng)為負(fù)相襯（或暗相襯）。

《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理光柵濾波器是一種振幅濾波器，可用全息方法來(lái)制作，利用光柵濾波器可實(shí)現(xiàn)圖像加減和微分運(yùn)算。4.1光柵濾波器——用于圖像加減將光柵濾波器放置在4系統(tǒng)譜面位置，在P1面放置兩物體A和B，距離原點(diǎn)都為b，在P3面上得到濾波后的場(chǎng)為其中，是光柵條紋的初位相，A

和B表示圖像A和B的復(fù)振幅透過(guò)率。《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理如果=0，在P3平面中心部位就實(shí)現(xiàn)了圖像的相加；如何實(shí)現(xiàn)圖像相減呢？其他四項(xiàng)分別位于（b，0）和（2b，0）的位置。P3面上得到濾波后的場(chǎng)為《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理4.2光柵濾波器——用于圖像微分

按如下光路制作一復(fù)合光柵濾波器

把該光柵濾波器放置在4系統(tǒng)的頻譜面上，可實(shí)現(xiàn)圖像的微分，使低對(duì)比的圖像邊緣增強(qiáng)。具體參考教材315-317頁(yè)?！缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理5.1全息濾波器的制作和工作原理1963年，美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室的Vanderlugt繼他的同事提出離軸全息后不久，用全息方法綜合出所需要的復(fù)數(shù)濾波器(Vanderlugt濾波器)；復(fù)數(shù)濾波器可改變輸入頻譜中各成分的振幅和位相，從而大大拓寬了相干光學(xué)處理的應(yīng)用范圍。全息濾波器記錄光路S：點(diǎn)光源，L1：準(zhǔn)直透鏡，M：模片，L2：傅立葉變換透鏡，P：棱鏡(模片的復(fù)振幅透過(guò)率等于所需濾波器的脈沖響應(yīng))《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理經(jīng)過(guò)顯影后，膠片的復(fù)振幅透過(guò)率正比于曝光強(qiáng)度，即其中，上式中的三、四項(xiàng)包含了所需的濾波函數(shù)H和H*，只要參考光傾角足夠大，在濾波運(yùn)算時(shí)，各項(xiàng)的作用互不干擾。若濾波函數(shù)H是復(fù)函數(shù)，則則該濾波器同時(shí)實(shí)現(xiàn)了振幅和位相調(diào)制?！缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理在4f系統(tǒng)的譜面上放置上述全息濾波器(為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假定變換透鏡的焦距f與記錄時(shí)相同)，輸入函數(shù)為f(x1,y1)，則P3面上輸出復(fù)振幅分布為我們關(guān)心的是第三、四項(xiàng)，它們分別是輸入函數(shù)與濾波器脈沖響應(yīng)的互相關(guān)和卷積，中心在(0,b)。全息濾波器可以實(shí)現(xiàn)卷積和相關(guān)運(yùn)算，所以它是一種多功能的濾波器?！缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理上式各項(xiàng)可分離的條件：其中，Wh和Wf分別是h和f沿y3方向的空間寬度?；颉缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理5.2匹配濾波器所謂的圖像識(shí)別是指檢測(cè)和判斷圖像中是否包含某一特定信息；可以利用光學(xué)相關(guān)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別。(為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，仍然使用4f系統(tǒng))輸入圖像中包含待檢測(cè)的特定信號(hào)s(x1,y1)和噪聲或其他并不關(guān)心的信號(hào)n(x1,y1)，假定它們是彼此相加的，輸入場(chǎng)分布為P2面上的輸入頻譜為若用待測(cè)信號(hào)s制作濾波器，使濾波函數(shù)正比于信號(hào)的頻譜的共軛，即略去常數(shù)，經(jīng)濾波后的頻譜為《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理傅里葉逆變換后，在P3面上輸出復(fù)振幅分布為上式中第一項(xiàng)為待檢信號(hào)的自相關(guān)，將給出一個(gè)峰值輸出；第二項(xiàng)為其他信號(hào)(或噪聲)與待檢信號(hào)的互相關(guān)，由于兩者的差異，能量是彌散的。因而，可根據(jù)輸出平面是否出現(xiàn)亮點(diǎn)，判斷輸入信息中是否包含待檢信號(hào)s。滿足關(guān)系的濾波器稱(chēng)為匹配濾波器，它的脈沖響應(yīng)為思考題：為什么稱(chēng)這樣的濾波器叫“匹配”濾波器呢？Answer：該濾波器在頻域內(nèi)對(duì)待檢信號(hào)進(jìn)行了位相補(bǔ)償。具體參考教材P319-320《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理匹配濾波器操作的光學(xué)解釋若信號(hào)頻譜為則濾波函數(shù)可表示為則信號(hào)頻譜經(jīng)過(guò)濾波器后變?yōu)椤缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理應(yīng)用例子：光電混合式實(shí)時(shí)圖像識(shí)別系統(tǒng)LCLV：液晶光閥，PH：針孔BS：半透半反棱鏡，M：反射鏡，RB：反射光束，MSF：匹配濾波器，L1、L2、L3和L4：透鏡《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理5.3聯(lián)合變換相關(guān)器(JointTransformCorrelator，JTC)聯(lián)合變換相關(guān)器是另一種實(shí)現(xiàn)卷積和相關(guān)運(yùn)算的相關(guān)光處理器，最早是由Weaver和Goodman提出的。如右圖(a)，L為傅立葉變換透鏡，它的前焦面上并排放置待識(shí)別和參考圖像f(x,y)和h(x,y)，它們的中心位于(b,0)。若采用準(zhǔn)直激光束照明兩透明片，則輸入函數(shù)為：經(jīng)過(guò)透鏡進(jìn)行傅里葉變換后，透鏡后焦面P2上的復(fù)振幅分布為G(,)稱(chēng)為f(x,y)和h(x,y)的聯(lián)合傅里葉譜?！缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理在P2平面用記錄介質(zhì)或其他平方律探測(cè)器進(jìn)行光強(qiáng)記錄，得到聯(lián)合傅里葉變換的功率譜：在線性記錄條件下，忽略透過(guò)率函數(shù)中的均勻衰減，用單位振幅平面波讀出，經(jīng)相同焦距f的透鏡L進(jìn)行傅里葉逆變換，如圖b)，在輸出平面P3得到的輸出為：前兩項(xiàng)是各自的自相關(guān)，而后兩項(xiàng)則是彼此的互相關(guān)，中心位于(2b,0)

?！缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理應(yīng)用例子：光電混合式實(shí)時(shí)聯(lián)合變換相關(guān)器LCLV：液晶光閥，BS：半透半反棱鏡，M：反射鏡，F(xiàn)TL：傅里葉變換透鏡，L1：成像透鏡《信息光學(xué)》第八章光學(xué)信息處理

攝影時(shí)，由于成像系統(tǒng)的像差、目標(biāo)和底片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、離焦、大氣擾動(dòng)等因素，記錄下的是模糊像。這種模糊像是成像過(guò)程中傳遞函數(shù)不完善所致。在相干濾波系統(tǒng)中的頻譜平面上采用相應(yīng)濾波器，對(duì)成像系統(tǒng)傳遞函數(shù)作合理的補(bǔ)償或修正，改善圖像質(zhì)量以便在輸出面上得到清晰的像，這就是所謂的“圖像復(fù)原”。采用逆濾波器式中為造成模糊的傳遞函數(shù)。逆濾波器可以補(bǔ)償造成模糊的

傳遞函數(shù)的MTF和PTF?！缎畔⒐鈱W(xué)》第八章光學(xué)信息處理

非相干光處理是指采用準(zhǔn)單色擴(kuò)展光源產(chǎn)生的非相干光作為信息的載體，系統(tǒng)傳遞和處理的基本物理量是強(qiáng)度分布。7.1基于衍射的非相干空間濾波——OTF或PSF綜合非相干空間濾波是改變輸入光強(qiáng)頻譜中各頻率余弦分量的對(duì)比度和位相關(guān)系。只要根據(jù)所需的輸入-輸出關(guān)系，在頻域綜合所需光學(xué)傳遞函數(shù)OTF或等效地在空域綜合點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF，就可以實(shí)現(xiàn)濾波。

OTF等于光瞳函數(shù)的歸一化自相關(guān)函數(shù)，所以可以根據(jù)所需OTF或PSF設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓馔瘮?shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波。典型例子是切趾術(shù)。采用高斯型透過(guò)率代替光瞳的階躍透過(guò)率，可削去點(diǎn)擴(kuò)散