*光信息处理光信息处理 概述概述南京地区卫星照片的假彩色片南京地区卫星照片的假彩色片1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。2例如例如光栅：光栅：一一. 空间频率：空间频率： 单位长度内空间分布重复的单位长度内空间分布重复的次数任何周期性空间分布都有一定的空间频率，次数任何周期性空间分布都有一定的空间频率，d 空间周期，空间周期， 空间频率空间频率 dx同同相相面面xz0z （ x z 面面）又如又如单色平面波，单色平面波，空间周期空间周期 dz = z：空间频率空间频率x：对传播对传播方向方向 z ：dz3可见，可见，同一个波在不同方向空间频率也不同。同一个波在不同方向空间频率也不同。对任意方向传播的单色平面波：对任意方向传播的单色平面波： xz0z y 4二二. 光栅夫琅禾费衍射的空间频率光栅夫琅禾费衍射的空间频率x向：向： y向：向：由明纹条件由明纹条件有有 y xzGLkfF（物）物）（焦平面）（焦平面） ： 衍射角衍射角5 阿贝从波动光学角度对透镜成像做了新解释，阿贝从波动光学角度对透镜成像做了新解释，一定的一定的 对应一定的对应一定的 fx ，也对应一定的也对应一定的 k 。（1）物是一系列不同的空间频率信息的集合，）物是一系列不同的空间频率信息的集合，的讨论：的讨论：对对中央明纹反映的是物上不变化的部分。中央明纹反映的是物上不变化的部分。（2）物上不变的部分）物上不变的部分d ，即即 fx= 0， = 0。三三.阿贝阿贝（E. Abbe）成像原理成像原理他指出，成像过程可分解为两步：他指出，成像过程可分解为两步：6入射光经物平面发生夫琅禾费衍射，入射光经物平面发生夫琅禾费衍射，在在L的焦平面上形成一系列的衍射斑纹，的焦平面上形成一系列的衍射斑纹，此即物的空间频谱。此即物的空间频谱。第一步：第一步：各衍射斑纹发出的子波在像平面上相干各衍射斑纹发出的子波在像平面上相干第二步：第二步：叠加形成物的像。叠加形成物的像。 +1 10fF发子波发子波物面物面LAA 像平面像平面相相干干叠叠加加成成像像频谱面频谱面 1 +17这样，我们对这样，我们对夫琅禾费衍射夫琅禾费衍射又有了又有了新认识：新认识：理想的夫琅禾费衍射装置理想的夫琅禾费衍射装置透镜，透镜，正是一个正是一个付付数学上我们可以将一个函数作付里叶展开。数学上我们可以将一个函数作付里叶展开。同样，一张图（物）也是由许多不同空间频率同样，一张图（物）也是由许多不同空间频率单色光正入射到图上时，单色光正入射到图上时，通过夫琅禾费衍射，一定空间频率的信息就被通过夫琅禾费衍射，一定空间频率的信息就被一束特定方向的衍射波输送出来，一束特定方向的衍射波输送出来，的单频率信息所组成。的单频率信息所组成。并且以衍射并且以衍射斑纹的形式展现在透镜斑纹的形式展现在透镜 L 的焦平面上。的焦平面上。 所以，所以，里叶频谱面（付氏面）。里叶频谱面（付氏面）。里叶频谱分析器，里叶频谱分析器，透镜的后焦面就是图片的付透镜的后焦面就是图片的付8一个透镜就是一个光学模拟计算机。一个透镜就是一个光学模拟计算机。以上认识给了光学一个强有力的数学手段以上认识给了光学一个强有力的数学手段付氏分析，付氏分析， 也给了数学上的付氏变换的运算也给了数学上的付氏变换的运算提供了一个新技术提供了一个新技术 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。9光学模拟计算机的不足：光学模拟计算机的不足：1）直接处理数据信号很困难。）直接处理数据信号很困难。2）易受干扰。）易受干扰。3）只能进行付氏变换运算，作其它运算困难。）只能进行付氏变换运算，作其它运算困难。光学专家和计算机专家们正在探索光学计算光学专家和计算机专家们正在探索光学计算机由机由模拟化走向数字化。模拟化走向数字化。利用光学双稳态元件利用光学双稳态元件 （如一些电光晶体器件），（如一些电光晶体器件），可以在电信号的控制下，达到透光和不透光，可以在电信号的控制下，达到透光和不透光，即实现（即实现（0，1）状态，）状态，从而可实现数字化。从而可实现数字化。10 光开关的速度光开关的速度 10亿次亿次/秒秒 运算速度运算速度 100万次万次/秒秒 不久达到不久达到 几亿次几亿次/秒秒1990.1.29 贝尔实验室数字光处理器：贝尔实验室数字光处理器： 1993年年 1cm2 GaAs衬底上集成了一百多个电泵浦微衬底上集成了一百多个电泵浦微型激光器。型激光器。光计算机要求光子元件小型化、集成化光计算机要求光子元件小型化、集成化 集成光路集成光路光子技术是本世纪初国际技术竞争的焦点之一。光子技术是本世纪初国际技术竞争的焦点之一。美国防部将此列为美国防部将此列为22项关键技术之一。项关键技术之一。同年美国研制成了世界上首台光计算机。同年美国研制成了世界上首台光计算机。11四四.空间滤波空间滤波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，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L12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，从另一角度说， 空间滤波。空间滤波。13txad滤滤波波器器一片亮，无变化一片亮，无变化x(振幅振幅)U00基基频频-1+1基基频频-1-2+2+1+3-3IxUaxIx0无直流成分无直流成分反衬度反转反衬度反转Ux直流直流成分成分 阿贝阿贝（1874）波特波特（1906）实验：实验：0-1-2+2+1xL黑白光栅黑白光栅频谱面频谱面 像面像面 t(振幅振幅透透+3-3过率过率)14L 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 15五五.光信息处理举例光信息处理举例 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16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上放一个高通滤波上放一个高通滤波器（玻璃片中心镀个不透明的斑），器（玻璃片中心镀个不透明的斑）， 挡掉挡掉0级和级和低频低频成分，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17轮廓突出前轮廓突出前轮廓突出后轮廓突出后18 光学去污光学去污带污点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。19 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） 20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21 调制调制（假彩色编码）（假彩色编码）（光栅拼成）（光栅拼成）黑白物黑白物白光白光着色像着色像L频谱面频谱面空空间间滤滤波波薰黑薰黑光光栅栅蓝色透过蓝色透过蓝色透过蓝色透过红色透过红色透过红色透过红色透过物物像像频谱面频谱面22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照片可照片可显示一显示一些细节些细节演示演示 调制调制（KG046）23 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24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）25 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260级级经相位板后，经相位板后，其它变化不大。其它变化不大。0级相移了级相移了 ，27像的光强：像的光强：通常选通常选这样有：这样有：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。28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29以达到对图象信息进以达到对图象信息进 光学光学下册，赵凯华、钟锡华。下册，赵凯华、钟锡华。 从波光学到信息光学从波光学到信息光学，宋菲君。，宋菲君。 大学物理学大学物理学（第四册）张三慧等。（第四册）张三慧等。参考书目参考书目总之，信息处理总之，信息处理关键关键在于研究清楚信息的在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波器，空间滤波器，从而按照需要改变频谱，从而按照需要改变频谱，行处理的目的。行处理的目的。完完30