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1、第八章光學信息處理技術OpticalInformationProcessing§8-1引言Introduction光波可以是大量信息的攜帶者，不僅光波的位相，顏色、偏振態(tài)等都是光信息，而且在光波照明下，二維圖像具有大量信息。以底片為例，設黑白底片最小分辨率單元為0.5?m（完全可以達到），每個單元按黑度分為8個等級（人眼分辨率，計算機可更多），則1cm2面積的底片包含的信息量為102?106?4?3=1.2Gbit。光學系統(tǒng)作為線性系統(tǒng)，能快速、并行地對圖像信息進行處理?！?.1引言:圖像信息處理的 主要技術領域?光學處
2、理（相干光處理、非相干光處理、白光處理等）優(yōu)點：快速，并行性，信息處理容量大，結構簡單，操作方便，特別適合于二維的F.T.、卷積、相關等運算缺點：專用系統(tǒng)不夠靈活，難編程，模擬系統(tǒng)精度不高?數(shù)字圖像處理：計算機對圖像掃描、抽樣量化成數(shù)字信息,串行逐點處理優(yōu)點：靈活，可編程，精度高缺點：基本屬于慢速處理，不易實現(xiàn)實時處理?混合處理：二者結合，取長補短，是當前的發(fā)展方向。本章主要介紹光學或光/電混合信息處理的基本光學技術的原理和系統(tǒng)?！?-2光學頻譜分析系統(tǒng)和空間濾波1、阿貝（Abbe)成像理論（1873）“二次衍射成像理論
3、”:相干照明下，成像過程可分作兩步物平面上發(fā)出的光波經(jīng)物鏡，在其后焦面上產(chǎn)生夫瑯和費衍射，得到第一次衍射像；該衍射像作為新的相干波源，由它發(fā)出的次波在像平面上干涉而構成物體的像，稱為第二次衍射像。頻譜面上的光場分布與物的結構密切相關，原點附近分布著物的低頻信息；離原點較遠處，分布著物的較高的頻率分量?！?-2光學頻譜分析系統(tǒng)和空間濾波2、阿貝—波特（Abbe—Porter）實驗（1906）相干單色平行光照明頻譜面放置濾波器物平面細絲網(wǎng)格狀物（正交光柵）像面觀察到各種不同的像實驗裝置改變物的頻譜結構§8-2光學頻譜分析系統(tǒng)
4、和空間濾波2、阿貝—波特實驗(1)如果不在頻譜平面作任何操作，則在輸出平面得到原物的像——二次成像（不考慮光學系統(tǒng)的有限孔徑）通過的頻譜綜合出的圖像原物通過的頻譜綜合出的圖像原物原物綜合出的圖像濾波器:放置在頻譜面中心的孔,僅讓0級譜通過零頻分量是一個直流分量，它只代表像的本底綜合出的像:僅有邊框,不出現(xiàn)條紋結構原物綜合出的圖像通過的頻譜通過的頻譜綜合出的圖像原物§8-2光學頻譜分析系統(tǒng)和空間濾波2、阿貝—波特實驗：結論2．實驗充分證明了傅里葉分析和綜合的正確性：（1）頻譜面上的橫向分布是物的縱向結構的信息（圖B）；頻譜
5、面上的縱向分布是物的橫向結構的信息（圖C）；（2）零頻分量是直流分量，它只代表像的本底（圖D）；（3）阻擋零頻分量，在一定條件下可使像的襯度發(fā)生反轉(zhuǎn)（圖E）；（4）僅允許低頻分量通過時，像的邊緣銳度降低；僅允許高頻分量通過時，像的邊緣效應增強；（5）采用選擇型濾波器，可望完全改變像的性質(zhì)（圖F）。1．實驗充分證明了阿貝成像理論的正確性：像的結構直接依賴于頻譜的結構，只要改變頻譜的組分，便能夠改變像的結構；像和物的相似程度完全取決于物體有多少頻率成分能被系統(tǒng)傳遞到像面?！?-2光學頻譜分析系統(tǒng)和空間濾波Opticalspe
6、ctrumanalysissystems&Spatialfiltering3、空間頻率濾波系統(tǒng)(1)三透鏡系統(tǒng)4f系統(tǒng)準直變換成像濾波器空間濾波：改變物的空間頻譜結構,進而改變像分布頻譜分析:觀察和記錄物的空間頻率特性§8.2光學頻譜分析系統(tǒng)和空間濾波3、空間頻率濾波系統(tǒng)令三透鏡焦距均相等，設物的透過率為t(x1,y1)，濾波器透過率為F(fx,fy),則頻譜面后的光場復振幅為：u2’=T(fx,fy)·F(fx,fy)?{t(x1,y1)}x2/lf2單色光源波長輸出平面（反射坐標系）得到u2’的傅里葉逆變換：變換透鏡
7、L2的焦距y2/lf2u3'=?–1{u2'}=?–1{T(fx,fy)·F(fx,fy)}=?–1{T(fx,fy)}*?–1{F(fx,fy)}=t(x3,y3)*?–1{F(fx,fy)}濾波器脈沖響應物的幾何像改變?yōu)V波器的振幅透過率函數(shù)，可改變像的結構.§8-2光學頻譜分析系統(tǒng)和空間濾波4、空間濾波的傅里葉分析討論一維情況，并利用4f系統(tǒng)進行濾波操作利用透鏡的傅里葉變換性質(zhì)分析阿貝-波特實驗t(x1)=(1/d)·rect(x1/a)*comb(x1/d)其透過率函數(shù)為矩形函數(shù)陣列：物:一維柵狀物—Ronchi光
8、柵縫寬縫間距可看成矩形函數(shù)rect(x1/a)和梳狀函數(shù)comb(x1/d)的卷積：t(x1)={(1/d)·rect(x1/a)*comb(x1/d)}·rect(x1/B)若柵狀物總寬度為B，t(x1)還應多乘一個因子:§8-2光學頻譜分析系統(tǒng)和空間濾波4、空間濾波的傅里葉分析t(x1)={(1/d)·rect(
