第7章 光学信息处理技术

第七章光学信息处理技术第七章光学信息处理技术

概述光波可以是大量信息的携带者，不仅光波的位相，颜色、偏振态等都是光信息，而且在光波照明下，二维图像具有大量信息。以底片为例，设黑白底片最小分辨率单元为0.5m（完全可以达到），每个单元按黑度分为6个等级（人眼分辨率，计算机可更多），则1cm2面积的底片包含的信息量为10210643=1.2Gbit。光学系统作为线性系统，能快速、并行地对图像信息进行处理。

图像信息处理的主要技术领域光学处理（相干光处理、非相干光处理、白光处理等）优点：快速，并行性，信息处理容量大，结构简单，操作方便，特别适合于二维的F.T.、卷积、相关等运算缺点：专用系统不够灵活，难编程，模拟系统精度不高数字图像处理：计算机对图像扫描、抽样量化成数字信息,串行逐点处理 优点：灵活，可编程，精度高 缺点：基本属于慢速处理，不易实现实时处理混合处理：二者结合，取长补短，是当前的发展方向。本章主要介绍光学或光/电混合信息处理的基本光学技术的原理和系统。

§7-1空间滤波基本原理

1、阿贝（Abbe)成像理论（1673）“二次衍射成像理论”：相干照明下，成像过程可分作两步

物平面上发出的光波经物镜，在其后焦面上产生夫琅和费衍射，得到第一次衍射像；该衍射像作为新的相干波源，由它发出的次波在像平面上干涉而构成物体的像，称为第二次衍射像。频谱面上的光场分布与物的结构密切相关，原点附近分布着物的低频信息；离原点较远处，分布着物的较高的频率分量。§7-1空间滤波基本原理

2、阿贝—波特（Abbe—Porter）实验（1906）相干单色平行光照明频谱面放置滤波器物平面细丝网格状物（正交光栅）像面观察到各种不同的像实验装置改变物的频谱结构§7-1空间滤波基本原理

2、阿贝—波特实验(1)如果不在频谱平面作任何操作，则在输出平面得到原物的像——二次成像（不考虑光学系统的有限孔径）通过的频谱综合出的图像原物通过的频谱综合出的图像原物原物综合出的图像滤波器:放置在频谱面中心的孔,仅让0级谱通过零频分量是一个直流分量，它只代表像的本底综合出的像:仅有边框,不出现条纹结构原物综合出的图像通过的频谱通过的频谱综合出的图像原物§7-1空间滤波基本原理

2、阿贝—波特实验：结论2．实验充分证明了傅里叶分析和综合的正确性：（1）频谱面上的横向分布是物的纵向结构的信息（图B）；频谱面上的纵向分布是物的横向结构的信息（图C）；（2）零频分量是直流分量，它只代表像的本底（图D）；（3）阻挡零频分量，在一定条件下可使像的衬度发生反转（图E）；（4）仅允许低频分量通过时，像的边缘锐度降低；仅允许高频分量通过时，像的边缘效应增强；（5）采用选择型滤波器，可望完全改变像的性质（图F）。1．实验充分证明了阿贝成像理论的正确性：像的结构直接依赖于频谱的结构，只要改变频谱的组分，便能够改变像的结构；像和物的相似程度完全取决于物体有多少频率成分能被系统传递到像面。§7-2空间滤波系统与滤波器

1、空间频率滤波系统(1)三透镜系统4f系统准直变换成像

滤波器空间滤波：改变物的空间频谱结构,进而改变像分布频谱分析：观察和记录物的空间频率特性§7-2空间滤波系统与滤波器

1、空间频率滤波系统

令三透镜焦距均相等，设物的透过率为t(x1,y1)，滤波器透过率为F(fx

,fy),则频谱面后的光场复振幅为：u2’=T(fx

,fy

)·F(fx

,fy

)ℱ{

t(x1,y1)}x2/lf2

单色光源波长输出平面（反射坐标系）得到u2’的傅里叶逆变换：变换透镜L2的焦距

y2/lf2

u3'=

ℱ–1{u2'}=ℱ

–1{T(fx,fy

)·F(fx

,fy)}=

ℱ–1{T(fx

,fy)}*

ℱ

–1{F(fx

,fy)}=t(x3

,y3)*

ℱ

–1{F(fx

,fy)}滤波器脉冲响应物的几何像改变滤波器的振幅透过率函数，可改变像的结构。§7-2空间滤波系统与滤波器

2、空间滤波的傅里叶分析讨论一维情况，并利用4f系统进行滤波操作利用透镜的傅里叶变换性质分析阿贝-波特实验t(x1)=(1/d)·

rect

(x1/a)*

comb

(x1/d)其透过率函数为矩形函数阵列：物:一维栅状物—Ronchi光栅缝宽缝间距可看成矩形函数rect

(x1/a)和梳状函数comb

(x1/d)的卷积：t(x1)={(1/d)·rect(x1/a)*

comb(x1/d)}·rect

(x1/B)若栅状物总宽度为B，t(x1)还应多乘一个因子:§7-2空间滤波系统与滤波器

2、空间滤波的傅里叶分析t(x1)={(1/d)·rect(x1/a)*

comb(x1/d)}·rect

(x1/B)将物置于4f系统输入面上，可在频谱面上得到它的傅里叶变换—栅状物的夫琅和费衍射图样:T(fx

)=ℱ[t(x1)]高级频谱零级谱正、负一级谱强度中心分别位于fx=m/d（m=0,+1,+2…）强度呈现为一系列亮点，每个亮点是一个sinc2函数幅值受单缝衍射限制，包络是单缝夫琅和费衍射图样§7-2空间滤波系统与滤波器

2、空间滤波的傅里叶分析(1)滤波器是单一通光孔，只允许零级通过滤波器采用狭缝或开孔式二进制(0,1)光阑，置于频谱面上在滤波器后，仅有T(fx

)中的第一项通过，其余项均被挡住，因而频谱面后的光振幅为T(fx

)·F(fx

)=(aB

/d)sinc(Bfx

)在未进行空间滤波前，输出面上得到的是ℱ

-1[T(fx)]

（取反射坐标），它应是原物的像

t(x3)§7-2空间滤波系统与滤波器

2、空间滤波的傅里叶分析

t’(x3)=

ℱ

-1{T(fx

)·F(fx

)}=ℱ

-1{(aB

/d)sinc

(Bfx

)}=(a/d)rect

(x3/B

)输出平面上得到T(fx

)·F(fx

)的傅里叶逆变换表示一个强度均匀的亮区，其振幅衰减为a/d，亮区宽度为B，与栅状物宽度相同，栅状结构完全消失，这与实验结果相符零频分量是一个直流分量，它只代表像的本底§7-2空间滤波系统与滤波器

2、空间滤波的傅里叶分析(2)滤波器是单缝，仅使零级和正、负一级频谱通过像与物的周期相同，但振幅分布不同，这是由于失去高频信息而造成边缘锐度消失的缘故对比§7-2空间滤波系统与滤波器

2、空间滤波的傅里叶分析(4)滤波器为一光屏，只阻挡零级，允许其它频谱通过经过傅里叶变换后，像的分布是物分布减去物的平均值。有三种可能的情况：像的振幅分布具有周期性，其周期与物周期相同，但强度是均匀的(i)当a=d/2时，即栅状物的缝宽等于缝间隙时§7-2空间滤波系统与滤波器

2、空间滤波的傅里叶分析(ii)当a>d/2时像的振幅分布向下错位强度分布出现衬度反转，原来的亮区变为暗区，原来的暗区变为亮区理论分析与实验结果完全相符。可见利用空间滤波技术可以成功地改变像的结构。(iii)当a<d/2时?§7-3空间滤波应用

滤波器的种类及应用举例滤波器分为振幅型和相位型两类(1)振幅型滤波器：只改变傅里叶频谱的振幅分布，不改变它的位相分布，通常用F(fx

,fy

)表示。它是一个振幅分布函数，其值可在0～1的范围内变化根据不同的滤波频段又可分为低通、高通和带通三类二元振幅型滤波器低通滤波器：用于滤去频谱中的高频部分，只允许低频通过§7-3空间滤波应用

(1)振幅型滤波器例如电视图像照片、新闻传真照片等往往含有密度较高的网点，由于周期短、频率高，它们的频谱分布展宽。用低通滤波器可有地阻挡高频成分，以消除网点对图像的干扰，但由于同时损失了物的高频信息而使像边缘模糊低通滤波器主要用于消除图像中的高频噪声带有高频噪声的照片，经低通滤波后这种噪声被成功地消除了§7-3空间滤波应用

(1)振幅型滤波器低通滤波: 激光用空间滤波器w0wf扩束准直滤波系统扩束器扩大光束直径，压缩发散角。在物镜聚焦后，焦平面上的腰斑处放置针孔滤波器(pinholefilter)，使之与激光腰斑大小相匹配，可去除噪音和杂散光(高频分量)。激光器§7-3空间滤波应用

(1)振幅型滤波器高通滤波器：滤除频谱中的低频部分，以增强像的边缘，或实现衬度反转高通滤波器主要用于增强模糊图像的边缘，以提高对图像的识别能力。由于能量损失较大，所以输出结果一般较暗。带通滤波器：用于选择某些频谱分量通过，阻挡另一些分量例6.1正交光栅上污点的清除滤波后可在像面上得到去除了污点的正交光栅§7-3空间滤波应用例:疵点检查——方向滤波器印刷电路掩膜的频谱沿轴分布，疵点的频谱比较分散。此滤波器可提取出疵点的信息在输出面上得到疵点的图像§7-3空间滤波应用例:组合照片上接缝的去除航空摄影得到的组合照片往往留有接缝，接缝的频谱分布在与之垂直的轴上利用条形滤波器将该频谱阻挡在像面上得到理想的照片§7-3空间滤波应用例:地震记录中强信号的提取由地震检测记录的弱信号起伏很小，总体分布是横向线条，因此其频谱主要分布在纵向上采用的滤波器将强信号提取出来，以便分析震情§7-3空间滤波应用

（2）相位型滤波器·相衬显微镜相位型滤波器只改变傅里叶频谱的位相分布，不改变它的振幅分布，其主要功能是用于观察位相物体相位物体t0(x1,y1)=exp[j(x1,y1)]物体各部分都是透明的，其位相变化反映为厚度或折射率的变化,其透过率只包含位相分布函数：一般无法通过成像进行观察和测量.只有将相位信息变换为振幅信息，才有可能用肉眼直接观察到物体。1935年泽尼克（Zernike）发明了相衬显微镜解决了相位到振幅的变换，因此而获得诺贝尔奖。位相滤波:泽尼克相衬显微镜要观察到与位相变化成正比的强度变化，必须改变二部分光场之间的位相正交关系。方法：在谱面上用位相滤波器，改变零频与其它频率成分之间的相对位相关系。

P2平面上得到频谱分布：如果不作滤波，在P3平面上得到物体的像：而观察到的强度分布为：(2<<1)弱的衍射项(x3,y3)湮没在强的非相干背景中。式中：F

(fx

,fy

)=ℱ{(x1,y1)}且：位相滤波:泽尼克相衬显微镜如果在中心镀层中不但有位相变化而且有吸收,则可进一步提高像的对比度。

经滤波后频谱为：像面复振幅分布为：强度分布为：滤波器函数:1其它jfx=fy=0附近H(fx,fy)=

+

号代表正位相反衬和负位相反衬，前者表示位相越大，像强度越大，后者则相反。强度变化反映了位相变化，并且变化的幅度相对背景而言加倍，但仍为线性变化。位相滤波：泽尼克相衬显微镜位相滤波器主要用于将位相型物转换成强度型像的显示。例如用相衬显微镜观察透明生物切片；利用位相滤波系统检查透明光学元件内部折射率是否均匀，或检查抛光表面的质量等等。§7-4相干光学信息处理

1、相干光学信息处理系统相干光学信息处理：采用的方法多为频域调制，即对输入光信号的频谱进行复空间滤波，得到所需要的输出。相干点光源准直透镜输入面（物面）输出面（像面）FTL1FTL2频谱面基本系统基本运算t(x,y)1t(x,y)T(fx,

fy)F(fx,fy)T(fx,fy)·F(fx

,fy)t(x',y')*f(x',y')f(x',y')=ℱ-1{F(fx,

fy)}§7-4相干光学信息处理

2、多重像的产生利用正交光栅调制输入图像的频谱，有望得到多重像的输出设输入图像为g(x,y)置于P1平面；P2

平面放置一正交朗奇（Ronchi）光栅，其振幅透过率为写成卷积形式P2平面后的光场将是图像频谱和光栅透过率的乘积：u2'=ℱ{g(x,y)}·F(fx

,

fy

)光栅常数P3平面得到的输出光场为两者逆变换的卷积u3=g(x',y')*ℱ-1{F(fx,

fy)}形成了d函数二维阵列，物函数与之卷积的结果是在P3平面上构成输入图形的多重像略去无关紧要的常系数，最终可得到§7-4相干光学信息处理

2、多重像的产生§7-4相干光学信息处理

3、图像的相加和相减（1）用一维光栅调制实验及结果：3、单光栅滤波器—用于图像相加和相减：分析实际上是二个平面波干涉的干涉条纹；或者倾斜平面波的全息图：条纹初位相(x2=0处的位相)，取决于光栅平面上坐标原点的选取滤波器函数：振幅型余弦光栅=0：余弦条纹0x=

p/2：正弦条纹0x它们作为滤波器函数，其衍射级的相对位相有区别3、单光栅滤波器—用于图像相加和相减：分析它们作为滤波器函数,其衍射级的区别(1级的相对位相)：改变光栅的位相可由移动光栅（1/4个条纹）来实现。f

=0:0级

+1级

-1级同位相0级

+1级

-1级反位相=

p/2:3、单光栅滤波器—用于图像相加和相减：分析tAtB0llx1物平面:放置待处理的两个物体A与B。沿x1方向相对原点对称放置,与原点距离均为l。条件:

l=lff,

f为透镜焦距tA(x1,y1)和tB(x1,y1)：两物A,B各自放在坐标原点时的复振幅透过率∴

物分布为:光学系统:频谱面：放置空频为f的光栅滤波器3、单光栅滤波器—用于图像相加和相减：分析TA(fx,fy),TB(fx,fy)：两物A,B各自放在坐标原点时的频谱。tA(x1,y1)和tB(x1,y1):两物A,B各自放在坐标原点时的复振幅透过率∴物分布为:输入频谱:3、单光栅滤波器—用于图像相加和相减：分析继续整理，得：经光栅滤波后的频谱:T(fx,fy)重点关注3、单光栅滤波器—用于图像相加和相减：分析f=0(或的整数倍)得到:

tA(x3,y3)+tB(x3,y3)f=p/2，得到:

tA(x3,y3)-tB(x3,y3)经傅里叶逆变换,在P3平面得到的输出光场分布为:根据值的不同,在原点附近可得到不同的结果：处于P3平面原点附近分列两边，距原点为l，位相相同分列两边，距原点2l，位相不同思考：在实验中，“原点”是什么？§7-4相干光学信息处理

3、图像的相加和相减物理解释余弦型光栅有三个衍射级：0级和1级，故对每个物可成三个像。（1）用一维光栅调制x’=lx’=2l对于中心在x=l的图像A，零级、正一级和负一级分别位于：原点x’=-l原点对于中心在x=-l的图像B,

零级、正一级和负一级分别位于：x’=-2l只要tA,tB的间隔l与光栅空频匹配,

A的+1级像与B的-1级像在像面原点重叠。采用的光学系统是线性空不变的相干成像系统。相加还是相减取决于此二个像的位相关系。位相关系取决于光栅滤波函数的位相。可通过微调光栅位置实现。§7-4

相干光学信息处理

3、图像的相加和相减：用复合光栅调制复合光栅:指两套取向一致、但空间频率有微小差异的一维正弦光栅，用全息方法可在同一张底片上迭合二套光栅制成复合光栅。复合光栅的制作干板能在水平面内作微小转动的转台第一次曝光：两束光对称入射，得到光栅的频率为fg0第二次曝光：转台转过微小角度，得到光栅频率为fg

=fg0.cos

当扩束镜与干板的距离足够远时，干板上接收到的可近似看成平行光§7-4

相干光学信息处理

复合光栅的制作

曝光后经处理便得到复合光栅。复合光栅的振幅透过率应正比于两次曝光强度之和，即：G(xf

,yf

)=[2+exp(j2fg0

xf

)+exp(-j2fg0

xf

)]/4+[2+exp(j2fgxf)+exp(-j2fg

xf)]/4 =1+cos(2fg0

xf

)/2+cos[2(fg0

–Dfg)xf

]/2两套光栅的空间频率分别为fg0和fg0

-Dfg，复合的结果，会在其表面产生明显的莫尔条纹，条纹密度取决于fg=fg0-fg的大小，fg越大，莫尔条纹越密。

在频谱面上用复合光栅取代上例中的一维光栅，亦可在适当条件下得到图像的相加或相减输出。莫尔条纹（MoiréFringes)fx=x2/lf,b=lffg0,e=lfDfg坐标原点处于莫尔暗纹中心时，复合光栅的滤波函数可表达为：在频谱面后得到复合光栅透过率F与图像频谱的乘积：u2'=T

•FT:将A、B看成同一幅图像时的频谱故输入函数表示为：t=tA(x+e/2)+tB(x-e/2)

将图像A、B对称置于输入面上坐标原点两侧，间距为x，并使它满足关系式:

x=

fglf=e§7-4

相干光学信息处理

3、图像的相加和相减根据傅里叶变换原理，P3平面上的光扰动应为u3=ℱ

-1{T}*

ℱ

-1{G}因为G是两套光栅复合而成，因而它的傅里叶逆变换应包括六项，即每套光栅都各有一个零级，一个正一级和一个负一级衍射斑。像面将出现六重图像，其位置由两套光栅的空间频率、透镜焦距f和波长决定。空频较低的光栅产生的三重像空频较高的光栅产生的三重像§7-4

相干光学信息处理

3、图像的相加和相减原图像原图像相减结果

当复合光栅相对坐标原点的位移量恰等于半个莫尔条纹时（原点处在暗纹中心），两个正一级像的位相差等于p，该处得到图像A、B的相减结果

当复合光栅亮纹中心恢复到坐标原点位置时，两个像的位相差为0，得到图像A、B的相加的结果

注意待处理图像的尺寸不得大于x，否则会出现图像的重叠而干扰相减结果思考:用一维光栅滤波器和复合光栅滤波器 作图像相减各有什么优缺点？§7-4

相干光学信息处理

3、图像的相加和相减(4)应用图像的相加和相减应用对卫星拍摄的照片的图像相减处理监测海洋面积的改变监测陆地板块移动的速度监测地壳运动的变迁监测各种自然灾害对侦察卫星发回的照片进行相减操作提高监测敌方军事部署变化的敏感度和准确度对不同时期的X光片进行相减处理及时发现病变的所在对加工工件与标准件图片的相减检查工件外形加工是否合格§7-4

相干光学信息处理

5、光学图像识别一、匹配滤波与图像识别1.匹配滤波器的概念:在噪声中检测信号的最佳滤波器仍考虑4f系统，输入光场包含待检测信号s(x0,y0)和噪声n(x0,y0)，彼此是可加的。∴输入光场：t0

(x0,y0)=s(x0,y0)+n(x0,y0)输入频谱：T0

(fx,fy)=S(fx,fy)+N(fx,fy)S:信号谱,N:

噪音谱如果滤波器函数正比于信号频谱的复共轭：F(fx,fy)=S*(fx,fy)则滤波后的频谱为：T0(fx,fy)S*(fx,fy)=SS*+NS*经F.T.-1后，P3平面上的输出复振幅分布为：

u3

(x’,y’)=

t0

(x’,y’)*

s*(-x’,-y’)=

t0

(x’,y’)☆s(x’,y’)=s(x’,y’)☆s(x’,y’)+n(x’,y’)☆s(x’,y’)自相关峰互相关(弥散)5、光学图像识别光学理解：滤波器函数S*(fx,fy)是信号频谱S(fx,fy)的复共轭，即与信号谱有相同的振幅分布，但位相分布正好相反。不论信号谱的位相分布如何复杂，在通过滤波器后位相抵消，成为位相均匀的平面波，继续经过F.T-1后形成亮点（自相关峰）。根据输出中是否出现自相关峰而判断信息中是否包含待测信号。∴

F(fx,fy)=S*(fx,fy)称为匹配滤波器（MatchedFilter）它的脉冲响应为：

F.T.-1{F(fx,fy)}=s*(-x’,-y’)5、光学图像识别2.匹配滤波器的制作—Vander

Lugt滤波器平面x0-y0:放置滤波函数的脉冲响应，实际上可以用待识别的目标函数s(x0,y0).全息方法:傅里叶变换全息图的光路:离轴参考光与光轴夹角为：s在记录平面得到s(x0,y0)的频谱S(fx,fy)作为物光：T=S(fx,fy)R=R0exp(j2pbfx),b=fsin,fx=xf/lfF(fx

,

fy

)

=(T+R)•(T+R)*

=|S(fx

,

fy

)|2+R02+R0S(fx

,

fy

)exp(-j2fxb)+R0S*(fx

,fy

)exp(j2fxb)全息图的振幅透过率函数与曝光强度成正比，可表达为：需要的匹配滤波器的振幅透过率由于参考光离轴，各项在空间可以分开。参考点源的位置参数5、光学图像识别

采用匹配滤波器的卷积和相关运算采用倾斜平面波作参考光,记录目标物s

的傅里叶变换S(fx,fy)的全息图,作为滤波器。将此滤波器放置在4f系统的频谱平面，设4f系统的焦距f与记录时用的f相同。输入平面：t(x0,y0)频谱平面：F(fx

,

fy

)

=|S(