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1、光信息处理概述光信息处理概述用改变频谱的手段来处理信息。用改变频谱的手段来处理信息。信息光学信息光学也称为也称为变换光学变换光学或或付里叶光学,付里叶光学,代激光问世后,迅速发展为一门新的光学学科。代激光问世后,迅速发展为一门新的光学学科。基本思想:基本思想:用频谱的语言分析物面的信息,用频谱的语言分析物面的信息,物物面面空间空间频谱频谱分析分析系统系统空空间间频频谱谱频谱频谱处理处理系统系统处理处理后的后的物像物像20世纪世纪60年年它的基本概念起源于它的基本概念起源于19世纪后期。世纪后期。信号1信号2信号叠加叠加信号频谱滤波后频谱逆变换后信号一个透镜就是一个光学模拟计算机。一个透镜就是一
2、个光学模拟计算机。付氏分析,付氏分析,给了数学上的付氏变换的运算提给了数学上的付氏变换的运算提供了一个新技术供了一个新技术 光学计算术。光学计算术。光学模拟计算机的优点:光学模拟计算机的优点:1)能直接处理连续函数,不需要抽样离散化)能直接处理连续函数,不需要抽样离散化2)能直接处理二元函数)能直接处理二元函数 f(x,y)。3)是并行输入,光束交叉可独立传播。是并行输入,光束交叉可独立传播。4)速度快,不受电路时间常数)速度快,不受电路时间常数 RC 的限制。的限制。5)装置简单,价格低。)装置简单,价格低。总是要丢掉较高频的信息。总是要丢掉较高频的信息。由于透镜的孔径有限,使物光通过透镜后
3、,由于透镜的孔径有限,使物光通过透镜后,F0+1+2 1 2S S物点物点像点像点对应于截对应于截止频率止频率 fc丢失了高丢失了高频的信息频的信息L改变频谱可改变物光的信息改变频谱可改变物光的信息使用透镜会丢失高频信息,使用透镜会丢失高频信息,在频谱面上放置空间滤波器,可改造空间频谱。在频谱面上放置空间滤波器,可改造空间频谱。低通低通滤波器滤波器F 高通高通滤波器滤波器F带通带通滤波滤波器器F从另一角度说明,从另一角度说明,空间滤波。空间滤波。早在早在1873年,著名德国科学家阿贝年,著名德国科学家阿贝(E.Abbe,18401905)提出了二次成像理论及提出了二次成像理论及其相应的实验,就
4、已经为光学信息处理打下其相应的实验,就已经为光学信息处理打下了一定的理论基础,是空间滤波与光学信息了一定的理论基础,是空间滤波与光学信息处理的先导。处理的先导。L yx物物像像保留保留 fy 的频谱:的频谱:保留保留 fx 的频谱:的频谱:yx保留保留 f 的频谱:的频谱:方向方向Fyx 空间滤波的应用低通滤波轮廓突出和低对比度图形的识别轮廓突出和低对比度图形的识别(边缘增强)(边缘增强)I背景背景信号信号对比度高对比度高背景背景I背景背景信号信号对比度低对比度低背景背景以内及背景以内及背景光强变化较慢,光强变化较慢,勾出物体轮廓,勾出物体轮廓,是识别低对比度图形或物体的有效是识别低对比度图形
5、或物体的有效方法。方法。边缘边缘亮度变化剧烈,亮度变化剧烈,高频成分丰富。高频成分丰富。物体某部分的亮度与背景亮度之比叫物体某部分的亮度与背景亮度之比叫对比度。对比度。主要是低频和直流成分。主要是低频和直流成分。物体物体边缘边缘从而从而突出轮廓亮度突出轮廓亮度 形成亮的镶边。形成亮的镶边。方法:方法:在物的频谱面在物的频谱面F上放一个高通滤波器上放一个高通滤波器(玻璃片中心镀个不透明的斑),(玻璃片中心镀个不透明的斑),挡掉挡掉0级和低频级和低频成分,成分,高频滤波和轮廓突出高频滤波和轮廓突出F大大头头针针LP1P2扩束扩束亮亮边边轮廓突出前轮廓突出前轮廓突出后轮廓突出后光学去污光学去污带污点
6、的网格带污点的网格纯纯净净网网格格污污点点用纯净网格谱的用纯净网格谱的正片正片滤波,滤波,纯净网格的频谱纯净网格的频谱 用纯净网格谱的用纯净网格谱的负片负片滤波,滤波,可得到可得到纯净网格。纯净网格。可得到可得到污点。污点。光学去污光学去污主要用于工业制版主要用于工业制版(大规模集成电路)大规模集成电路)检查模版上的污点(噪声)或复制模版。检查模版上的污点(噪声)或复制模版。光学特征识别是把已知物的付氏谱和待测物光学特征识别是把已知物的付氏谱和待测物的付氏谱进行比较,从而找出待测目标。的付氏谱进行比较,从而找出待测目标。特征识别系统可以做到:特征识别系统可以做到:从卫星照片中检测军事目标从卫星
7、照片中检测军事目标 从文件中检测某个字从文件中检测某个字 从细胞中检测癌细胞从细胞中检测癌细胞 进行航空测量进行航空测量 光学特征识别光学特征识别 光学侦破(指纹识别)光学侦破(指纹识别)例如指纹识别:例如指纹识别:x平面波平面波指指纹纹指指纹纹平面波平面波x带有指纹信带有指纹信息的衍射波息的衍射波带有指纹信带有指纹信息的会聚波息的会聚波反过来反过来L1P2L2亮亮点点若若 x*=x 或或x*与与 x 相关相关x平面波平面波P1参照指纹参照指纹x*频谱面频谱面待查指纹待查指纹出现亮点出现亮点即被识别即被识别 调制实验的彩照头发的头发的电子显电子显微镜黑微镜黑白照片白照片相应的相应的假彩色假彩色
8、照片可照片可显示一显示一些细节些细节 调制调制模糊图象处理模糊图象处理(离焦模糊、运动模糊)(离焦模糊、运动模糊)关键是找到关键是找到T G (fx,fy)模糊图象的谱。模糊图象的谱。设:设:G(fx,fy)清楚图像的谱,清楚图像的谱,模糊因子,模糊因子,令:令:滤波后滤波后则则L1L2畸变波畸变波频频谱谱面面F滤波滤波(透过率)透过率)正确波正确波清清楚楚图图象象P2平平面面波波P1模糊照片模糊照片消模糊处理前的碑文消模糊处理前的碑文处理后的碑文(唐诗)处理后的碑文(唐诗)相衬显微镜相衬显微镜 提高待测样品的衬比度提高待测样品的衬比度 样品是无色透明的生物切片或晶片时,样品是无色透明的生物切
9、片或晶片时,率函数是相位型的:率函数是相位型的:其透过其透过 很小。很小。衬比度极小。衬比度极小。相位反衬法:相位反衬法:心滴一小滴心滴一小滴厚厚h 的的液体液体,放到频谱面上引起放到频谱面上引起 0 级相移:级相移:切片切片(物)(物)(x,y)A用普通显微镜观察样品,用普通显微镜观察样品,Zernike提出提出在玻璃片中在玻璃片中像像(x,y)L频频谱谱面面相位板相位板像的光强:像的光强:于是像的光强中就更加突出了相位的变化。于是像的光强中就更加突出了相位的变化。Zernike 因此获得了因此获得了1953年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。普通显微镜(左)和相衬显微镜拍摄的硅藻照片普通显微镜(左)和相衬显微镜拍摄的硅藻照片 总之,信息处理的总之,信息处理的关键关键在在于研究清楚信息的于研究清楚信息的频谱特征,频谱特征,然后针对它研制相应的然后针对它研制相应的空间滤空间滤波器,波器,从而按照需要改变频谱,从而按照需要改变频谱,以达到对图象信息进行处理的以达到对图象信息进行处理的目的。目的。
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