实验2-2-θ调制技术用于假彩色编码

光信息专业实验指导材料〔试用〕实验2－2θ调制技术用于假彩色编码[实验目的]1、掌握θ调制假彩色编码技术的原理和方法；2、学习θ调制假彩色编码系统的设计和组装技巧；3、了解θ调制物片的制作原理和方法。[实验原理]1、阿贝二次成像理论1873年，阿贝首次提出一个与几何光学成像理论完全不同的观念，即“二次成像理论〞，认为在相干照明条件下，透镜成像过程可以分为两步：首先，物光波经过透镜，在透镜后焦面上形成频谱，该频谱称为第一次衍射像；然后，频谱成为新的次波源，由它发出的次波在像平面上干预而形成物体的像，该像称为第二次衍射像。阿贝二次成像理论的主要奉献在于，证明了像的结构直接依赖于频谱的结构，所以可根据光学图像处理的需要，在频谱面上改变其结构，就可以改变像的特性。阿贝二次成像的理论根底是光学傅里叶变换。就光学信息处理手段而言，大致可以分为两类，一类是在输入面上处理，称为空域调制，一类是在频谱面上处理，称为频域调制。2、θ调制假彩色编码原理图1(a)光栅调制片的结构示意图图1(a)光栅调制片的结构示意图图1(b)频谱面上的光谱及孔状滤波器示意图红色红色绿色绿色黄色黄色θ调制假彩色编码属于空域调制，它是对一张本无色彩的图像，利用空域调制和空间滤波技术，使其实现图像彩色化。其原理是对输入图像的不同区域分别用取向〔θ角〕不同的光栅进行调制〔见图1(a)〕，当用白光照明时，频谱面上得到色散方向不同的彩色带状谱，其中每一条带状谱对应被某一个方向光栅调制的图形的信息。频谱面上彩色带状谱的色序是按衍射规律分布的。如在该平面上加一适当的滤波器，那么可在输出面上得到所需要的彩色图像。滤波器的结构实际上是一个被打了孔的光屏，如图1(b)所示，其中的黑色圆点即为打的孔，它分布在彩色带状谱中所需波长的位置，使其通过，而其它波长的光波均被挡住，于是在像平面上便得到预期的颜色搭配。所谓“假彩色编码〞，是指输出面上呈现的色彩并不是物体本身的真实色彩，而是通过θ调制处理手段将白光中所包含的色彩“提取〞出来，再“赋予〞图像而形成的，因而称为“假彩色〞。“编码〞是借助信息论的说法，表示处理手段。[实验设备]实验室提供的设备包括：导轨，滑块假设干，白炽灯〔带有低压电源和聚光镜〕，θ调制片〔玫瑰花图样，分3个色区，调制光栅的空间频率f0＝200lp/mm〕，透镜3枚〔φ75，f150；φ50，f100；φ40，f200〕，白屏，毛玻璃屏，滤波器〔黑纸〕及支架，针，样品夹，数码相机。[实验内容]实验题目：根据θ调制假彩色编码原理，选择一套适宜的光学系统结构，选择适用的光学元器件，自行组装成假彩色编码实验系统，并在该系统上进行θ调制假彩色编码实验。包括以下三项内容：1、选择实验系统结构：θ调制假彩色编码系统一般采用空间滤波系统。该系统常见的有三透镜和二透镜两类，如图2、3、4所示。LL1L2L3点光源x1y1一y3x3x2y2ff1图2三透镜空间滤波系统点光源点光源调制片谱面像面图3二透镜系统示意图(一)L1L2点光源点光源L1调制片谱面L2像面图4二透镜系统示意图(二)faia0系统结构的选择原那么是：实验系统的空间总长度不宜超出实验室提供的导轨长度。2、选择光学元件1〕在实验室提供的光学元件中选择所需的元件，包括透镜、用具、各种支架等；2〕光学元件的参数和间隔要选择恰当，便于实际操作，便于观察到实验结果。3、组装实验系统，实现规定图像的θ调制假彩色编码1〕按照所选择的光学系统结构，以及所选光学元件，组装实验系统；2〕在组装好的实验系统上实现“玫瑰花〞调制片的空间滤波操作，获得假彩色编码输出图像。实验要求1、本实验关键的要求是建立一个实验系统，包括：系统结构合理，光学元件参数选择合理，各元件的间隔合理，光谱展宽的线度要便于滤波操作，使得该系统得到的输出图像清晰、完整、大小和亮度适当、单色性好；2、要求采用不同的滤波方案，使输出图像的色彩组合至少达两种以上；3、注意观察从频谱面到达像平面光的成像行为，记录并试分析现象；4、详细记录实验系统有关参数，例如各元件的间隔、光谱的线度、像的放大倍数、假彩色编码彩色输出图像的描述等等你认为有价值的数据；4、将实验结果用数码相机记录下来，存入指定电脑，文件名要求用中文实名；5、对实验结果进行必要的分析和讨论。[必做设计题]1、由于滤波平面上的频谱形状与所开滤波孔的形状很难匹配，因此同一滤波孔中难免有多个波长的光通过而出现“混频〞现象，致使输出图像的色彩不纯，影响假彩色编码效果。有人主张将滤波孔开得尽可能小，以防止上述“混频〞现象的发生。但这样做的结果是光能量损失过大，输出图像亮度过低，效果不理想。请设计一种解决上述矛盾的方法，既能提高输出图像色彩的纯度，又能提高光能量的利用率，使彩色图像明亮。2、θ调制片是本实验的关键部件，请至少设计两种制作θ调制片的实验方法，写出具体操作步骤。3、调制光栅空间频率的选择依赖于哪些因素？选择过大或过小会带来哪些弊病？假设调制光栅的空间频率改为300lp/mm，那么在你选定的实验系统中，傅里叶变换透镜的孔径至少应多大，才能使实验得以成功？如小于该值，会出现怎样的后果？参考文献：1、《信息光学根底》，朱伟利、盛嘉茂著，中央民族大学出版社，1997年；2、《傅里叶光学》，吕乃光，机械工业出版社