光学信息处理模板PPT课件

.,1,光学信息处理引言,一光学信息处理的概念光学信息：指光的强度(或振幅)、相位、颜色(波长)和偏振态光学信息处理：是基于光学频谱分析，利用傅里叶综合技术，通过空域或频域调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理的过程，多用于对二维图像的处理。光学信息处理的方法（两种分类方法）：其一：根据处理系统是否满足线性叠加性质，而分为线性处理和和非线性处理。其二：根据使用光源的时间和空间相干性分为相干光处理、非相干光处理和白光处理。,.,2,二历史发展,1859年法国佛科刀口检验，提出去除透射光而保留散射或衍射光1873年德国科学家阿贝(Abbe)创建了二次成像理论。1935年荷兰泽尼克发明了相衬显微镜。（最早期的空间滤波技术）1946年杜弗把光学成像系统看作线性滤波器，成功用傅里叶方法分析成像过程：FT及其在光学中的应用。1963年范特拉格特提出用全息技术制作复空间滤波。1965年罗曼和布劳恩使用计算机制作空间滤波器。1970年转向非相干光处理、白光处理。1980年光计算。,.,3,三光学处理与数字处理的比较,光学处理并行处理（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。,.,4,光学频谱分析系统和空间滤波1、阿贝（Abbe)成像理论（1873）,“二次衍射成像理论”:相干照明下，成像过程可分作两步,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。,.,5,光学频谱分析系统和空间滤波2、阿贝波特（AbbePorter）实验（1906）,实验装置,.,6,光学频谱分析系统和空间滤波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）,滤波器:放置在频谱面中心的孔,仅让0级谱通过,综合出的像:仅有边框,不出现条纹结构,.,7,光学频谱分析系统和空间滤波2、阿贝波特实验,.,8,光学频谱分析系统和空间滤波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；频谱面上的纵向分布是物的横向结构的信息；（2）零频分量是直流分量，它只代表像的本底；（3）阻挡零频分量，在一定条件下可使像的衬度发生反转；（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。,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。,.,9,光学频谱分析系统和空间滤波3、空间滤波的傅里叶分析,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：,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:,系统透射频谱-像结构的影响？,.,10,光学频谱分析系统和空间滤波3、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)=t(x1),强度,.,11,光学频谱分析系统和空间滤波3、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,在未进行空间滤波前，输出面上得到的是-1T(fx)（取反射坐标），它应是原物的像t(x3),.,12,光学频谱分析系统和空间滤波3、空间滤波的傅里叶分析,t(x3)=-1T(fx)F(fx)=-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,.,13,光学频谱分析系统和空间滤波3、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,.,14,光学频谱分析系统和空间滤波3、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：,.,15,光学频谱分析系统和空间滤波3、空间滤波的傅里叶分析,(ii)当ad/2时,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ad/2时?,.,16,光学频谱分析系统和空间滤波4、相干滤波的基本原理和运算,成像问题：希望像与物尽可能相似，考虑的是输入信息的各种频率成分在系统中如何可靠地传递。空间滤波：关心对输入信息实现所期待的变换，如去掉噪声、提取特征信息；模糊图像的复原等。对于线性变换，可根据输入输出关系，确定系统的传递函数，对输入信息所包含的各种空间频率成分施加振幅和位相调制来实现特定的变换。这就是空间滤波或频域综合的含义。,相干光处理系统（相干滤波系统）：利用透镜FT性质，记录输入信息的透明片在相干光照明下，可在确定的平面上得到其空间频谱。在这一确定平面上（频谱面）安置适当的模片（滤波器），可实现对各频率成分的振幅和位相调制。再经一次FT(逆)，相对的振幅和位相关系已发生变化的各种频率分量在空间合成，给出所期望的输出。系统的传递函数（滤波函数）正比于滤波器的复振幅透过率。,.,17,输入面f(x1,y1),频谱面,AF(x2/f,y2/f)H(x2/f,y2/f),输出面,g(x3,y3)=f(x3,y3)*h(x3,y3),系统实现了输入信息与滤波器脉冲响应的卷积运算,改变滤波器的振幅透过率函数（滤波函数），可改变像的结构.,相干滤波系统,.,18,相干滤波系统,4-f系统（三透镜系统）,.,19,双透镜系统,物距：2f。与4f系统相比，距离越大，渐晕越大,.,20,双透镜系统（2）,优点：物面距离可调，使得频谱比例可调缺点：频谱附带球面位相因子，对滤波造成影响,点光源（球面波照明），透镜能实现FT。频谱面：点光源的像面得到物体的频谱,频谱面,物面,像面,.,21,单透镜系统,单透镜系统,优点：物面距离可调，使得频谱比例可调缺点：频谱附带球面位相因子，对滤波造成影响,频谱面,物面,像面,.,22,光学频谱分析系统和空间滤波5、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：,F(fx,fy)=A(fx,fy)expj(fx,fy),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。,二元振幅滤波器：(fx,fy)=0或常数；A(fx,fy)只有0和1两种取值。,根据不同的滤波频段又可分为低通、高通和带通三类,.,23,5、滤波器的种类及应用举例(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,.,24,5、滤波器的种类及应用举例(1)振幅型滤波器,低通滤波:激光用空间滤波器,.,25,5、滤波器的种类及应用举例(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,.,26,.,27,5、滤波器的种类及应用举例,例疵点检查方向滤波器,.,28,5、滤波器的种类及应用举例（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)=expj(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。,.,29,位相滤波:泽尼克相衬显微镜,原理:位相物的复振幅透过率t(x1,y1)=expj(x1,y1)单位振幅相干平面波照明(垂直入射)物场分布为:f(x1,y1)=t(x1,y1)=expj(x1,y1)假设位相变化很小,可以进行泰勒展开:,若1,则可得到一级近似:,.,30,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:,且：,.,31,在谱面上，直透光集中在焦点附近（亮斑）；衍射光由于包含较高的频率成分，在谱面上较为分散；即这两部分信息在谱面上有一定的分离，可以在谱面相应位置上放置相应的滤波器，改变零频成分相对其它频率成分之间的相对位相分布。,fy,T(fx,fy),fx,取滤波器函数为：,滤波后的频谱为：,玻璃基片,.,32,位相滤波:泽尼克相衬显微镜,此时，输出面上的复振幅分布为：,输出面上的复振幅分布为：,输出面上像的强度分布与相位变化近似成线性关系，实现了相幅转换，相位变化可以观察到了。,式中：取“+”，相位值大的部位，强度大，称为正相衬；,取“”，相位值大的部位，强度小，称为负相衬。,.,33,为了更有利于观察，可以在使零级衍射光（直透光）产生相移,的同时，受到部分衰减，提高相衬度。,取滤波器函数为：,滤波后的频谱为：,.,34,输出面上的复振幅分布为：,输出面上的复振幅分布为：,2项减小的更厉害，更有易于观察。,.,35,滤波后的频谱为：,输出面上的复振幅分布为：,输出面上的复振幅分布为：,不是线性关系，但好实现，常用。,中央暗场法：即全部挡掉零级衍射光（直透光）。此时,取滤波器函数为：,.,36,3、单光栅滤波器图像加减,物分布为:,.,37,3、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.,输入频谱:,.,38,3、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:,.,39,3、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:,.,40,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=l,x=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,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。,.,41,3、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,它们作为滤波器函数,其衍射级的相对位相有区别,.,42,3、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:,=p/2:,.,43,图像加减的应用,图像相减的应用通过对卫星拍摄的照片的图像相减处理，可用于监测海洋面积的改变、陆地板块移动的速度对侦察卫星发回的照片进行相减操作，可提高监测敌方军事部署变化的敏感度和准确度对人体内部器官的检查，可通过不同时期的X光片进行相减处理，及时发现病变的所在用于检测工件的加工，可通过与标准件图片的相减结果检查工件外形加工是否合格，并能显示出缺陷之所在,.,44,图像的边缘增强图像的边缘增强主要有两种方法：高通滤波和微分滤波高通滤波由于只保留了高频成分，能量损失太大，从而使图像能见度大大降低，减弱了信号。光学微分的办法可以得到比较满意的结果利用复数滤波器实现光学微分复合光栅实现光学微分,相干光学信息处理3、图像微分,.,45,复合光栅的制作改变L2和L3的间距，可控制光栅的频率,相干光学信息处理3、复合光栅滤波器图像微分,.,46,滤波函数：,相干光学信息处理3、复合光栅滤波器图像微分,为光栅条纹的频率,滤波器的脉冲响应为：,像面上的输出：,频率差,.,47,微分,相干光学信息处理3、复合光栅滤波器图像微分,.,48,频率差别，同一级像位置稍稍错开相位差，错开像相减,相干光学信息处理3、复合光栅滤波器图像微分,思考：若图像宽度为L，光栅的频率应满足什么条件，图像不重叠？,.,49,在4-f系统中，为了在像面（输出面）上得到输入图微分图像，试问：在频谱面上应使用怎样的滤波器？,以一维情况为例设输入图像的复振幅分布为t(x1)，其频谱为T(u),IFT,IFT,T(u),t(x3),t(x1),FT,.,50,镀膜，计算全息，振幅与相位模片叠合。,(n-1)h=/2,.,51,4、光学图像识别,检测和判别图像中是否包含某一信息大量指纹档案中检查出罪犯的指纹；军事侦察照片中检出特定目标；文字识别等,.,52,相干光学信息处理4、光学图像识别OpticalPatternRecognition,一、匹配滤波与图像识别1.匹配滤波器: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),.,53,4、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.-1F(fx,fy)=s*(-x,-y),.,54,4、光学图像识别,2.匹配滤波器的制作VanderLugt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：,在记录平面得到