大學(xué)物理多媒體 5 光信息處理概述

1、.1*光信息處理光信息處理 概述概述南京地區(qū)衛(wèi)星照片的假彩色片南京地區(qū)衛(wèi)星照片的假彩色片.2用改變頻譜的手段來(lái)處理信息。用改變頻譜的手段來(lái)處理信息。信息光學(xué)信息光學(xué)也稱為也稱為變換光學(xué)變換光學(xué)或或付里葉光學(xué)，付里葉光學(xué)，代激光問(wèn)世后，迅速發(fā)展為一門(mén)新的光學(xué)學(xué)科。代激光問(wèn)世后，迅速發(fā)展為一門(mén)新的光學(xué)學(xué)科。基本思想：基本思想：用頻譜的語(yǔ)言分析物面的信息，用頻譜的語(yǔ)言分析物面的信息，物物面面空間空間頻譜頻譜分析分析系統(tǒng)系統(tǒng)空空間間頻頻譜譜頻譜頻譜處理處理系統(tǒng)系統(tǒng)處理處理后的后的物像物像20世紀(jì)世紀(jì)60年年它的基本概念起源于它的基本概念起源于19世紀(jì)后期。世紀(jì)后期。.3例如例如光柵：光柵：一一. 空間

2、頻率：空間頻率： 單位長(zhǎng)度內(nèi)空間分布重復(fù)的次數(shù)單位長(zhǎng)度內(nèi)空間分布重復(fù)的次數(shù)任何周期性空間分布，都有一定的空間頻率，任何周期性空間分布，都有一定的空間頻率，d 空間周期，空間周期， 空間頻率空間頻率df1 dx同同相相面面xz0z （ x z 面面）又如又如單色平面波，單色平面波，空間周期空間周期 dz = z：空間頻率空間頻率 1 ffzx：， cos xd cos xf coscos zzfd ，對(duì)傳播對(duì)傳播方向方向 z ：.4可見(jiàn)，可見(jiàn)，同一個(gè)波在不同方向空間頻率也不同。同一個(gè)波在不同方向空間頻率也不同。 coscoscos zyxfff對(duì)任意方向傳播的單色平面波：對(duì)任意方向傳播的單色平面

3、波： xz0z y .5二二. 光柵夫瑯禾費(fèi)衍射的空間頻率光柵夫瑯禾費(fèi)衍射的空間頻率x向：向： y向：向：， 2， 2 sincos xf0cos yf kd sin由明紋條件由明紋條件 ， 210k有有dkfx sin y xzGLkfF（物）（物）（焦平面）（焦平面） ：衍射角衍射角.6 阿貝從波動(dòng)光學(xué)角度對(duì)透鏡成像做了新解釋?zhuān)⒇悘牟▌?dòng)光學(xué)角度對(duì)透鏡成像做了新解釋?zhuān)欢ǖ囊欢ǖ?對(duì)應(yīng)一定的對(duì)應(yīng)一定的 fx ，也對(duì)應(yīng)一定的，也對(duì)應(yīng)一定的 k 。（1）物是一系列不同的空間頻率信息的集合，）物是一系列不同的空間頻率信息的集合，的討論：的討論：dkfx sin對(duì)對(duì)中央明紋反映的是物上不變化的部分

4、。中央明紋反映的是物上不變化的部分。（2）物上不變的部分物上不變的部分d ，即即 fx= 0， = 0。三三. .阿貝阿貝（E. Abbe）成像原理成像原理他指出，成像過(guò)程可分解為兩步：他指出，成像過(guò)程可分解為兩步：.7入射光經(jīng)物平面發(fā)生夫瑯禾費(fèi)衍射，入射光經(jīng)物平面發(fā)生夫瑯禾費(fèi)衍射，在在L的焦平面上形成一系列的衍射斑紋，的焦平面上形成一系列的衍射斑紋，此即物的空間頻譜。此即物的空間頻譜。第一步：第一步：各衍射斑紋發(fā)出的子波在像平面上相干各衍射斑紋發(fā)出的子波在像平面上相干第二步：第二步：疊加形成物的像。疊加形成物的像。 +1 10fF發(fā)子波發(fā)子波物面物面LAA 像平面像平面相相干干疊疊加加成成像

5、像頻譜面頻譜面 1 +1.8這樣，我們對(duì)這樣，我們對(duì)夫瑯禾費(fèi)衍射夫瑯禾費(fèi)衍射又有了又有了新認(rèn)識(shí)：新認(rèn)識(shí)：理想的夫瑯禾費(fèi)衍射裝置理想的夫瑯禾費(fèi)衍射裝置透鏡，透鏡，正是一個(gè)正是一個(gè)付付在數(shù)學(xué)上我們可以將一個(gè)函數(shù)作付里葉展開(kāi)。在數(shù)學(xué)上我們可以將一個(gè)函數(shù)作付里葉展開(kāi)。同樣，一張圖（物）也是由許多不同空間頻率同樣，一張圖（物）也是由許多不同空間頻率單色光正入射到圖上時(shí)，單色光正入射到圖上時(shí)，通過(guò)夫瑯禾費(fèi)衍射，一定空間頻率的信息就被通過(guò)夫瑯禾費(fèi)衍射，一定空間頻率的信息就被一束特定方向的衍射波輸送出來(lái)，一束特定方向的衍射波輸送出來(lái)，的單頻率信息所組成。的單頻率信息所組成。并且以衍射并且以衍射斑紋的形式展現(xiàn)在

6、透鏡斑紋的形式展現(xiàn)在透鏡 L 的焦平面上。的焦平面上。所以，所以，里葉頻譜面（付氏面）。里葉頻譜面（付氏面）。里葉頻譜分析器，里葉頻譜分析器，透鏡的后焦面就是圖片的付透鏡的后焦面就是圖片的付.9一個(gè)透鏡就是一個(gè)光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)。一個(gè)透鏡就是一個(gè)光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)。以上認(rèn)識(shí)給了光學(xué)一個(gè)強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)手段以上認(rèn)識(shí)給了光學(xué)一個(gè)強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)手段付氏分析，付氏分析， 也給了數(shù)學(xué)上的付氏變換的運(yùn)算提也給了數(shù)學(xué)上的付氏變換的運(yùn)算提供了一個(gè)新技術(shù)供了一個(gè)新技術(shù) 光學(xué)計(jì)算術(shù)。光學(xué)計(jì)算術(shù)。光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：1）能直接處理連續(xù)函數(shù)，不需要抽樣離散化）能直接處理連續(xù)函數(shù)，不需要抽樣離散化2）能直接處

7、理二元函數(shù)）能直接處理二元函數(shù) f (x , y)。3）是并行輸入，光束交叉可獨(dú)立傳播。）是并行輸入，光束交叉可獨(dú)立傳播。 4）速度快，不受電路時(shí)間常數(shù)）速度快，不受電路時(shí)間常數(shù) RC 的限制。的限制。5）裝置簡(jiǎn)單，價(jià)格低。）裝置簡(jiǎn)單，價(jià)格低。.10光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)的不足：光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)的不足：1）直接處理數(shù)據(jù)信號(hào)很困難。）直接處理數(shù)據(jù)信號(hào)很困難。2）易受干擾。）易受干擾。3）只能進(jìn)行付氏變換運(yùn)算，作其它運(yùn)算困難。）只能進(jìn)行付氏變換運(yùn)算，作其它運(yùn)算困難。光學(xué)專(zhuān)家和計(jì)算機(jī)專(zhuān)家們正在探索光學(xué)計(jì)算光學(xué)專(zhuān)家和計(jì)算機(jī)專(zhuān)家們正在探索光學(xué)計(jì)算機(jī)由機(jī)由模擬化走向數(shù)字化。模擬化走向數(shù)字化。利用光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)元件利用光

8、學(xué)雙穩(wěn)態(tài)元件 （如一些電光晶體器件），（如一些電光晶體器件），可以在電信號(hào)的控制下，達(dá)到透光和不透光，可以在電信號(hào)的控制下，達(dá)到透光和不透光，即實(shí)現(xiàn)（即實(shí)現(xiàn)（0，1）狀態(tài)，）狀態(tài)，從而可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。從而可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。.11 光開(kāi)關(guān)的速度光開(kāi)關(guān)的速度 10億次億次/秒秒 運(yùn)算速度運(yùn)算速度 100萬(wàn)次萬(wàn)次/秒秒 不久達(dá)到不久達(dá)到 幾億次幾億次/秒秒1990.1.29 貝爾實(shí)驗(yàn)室數(shù)字光處理器：貝爾實(shí)驗(yàn)室數(shù)字光處理器： 1993年年 1cm2 GaAs襯底上集成了一百多個(gè)電泵浦微襯底上集成了一百多個(gè)電泵浦微型激光器。型激光器。光計(jì)算機(jī)要求光子元件小型化、集成化光計(jì)算機(jī)要求光子元件小型化、集成化 集成光

9、路集成光路光子技術(shù)是本世紀(jì)初國(guó)際技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。光子技術(shù)是本世紀(jì)初國(guó)際技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。美國(guó)防部將此列為美國(guó)防部將此列為22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。同年美國(guó)研制成了世界上首臺(tái)光計(jì)算機(jī)。同年美國(guó)研制成了世界上首臺(tái)光計(jì)算機(jī)。.12四四. .空間濾波空間濾波總是要丟掉較高頻的信息?？偸且獊G掉較高頻的信息。由于透鏡的孔徑有限，使物光通過(guò)透鏡后，由于透鏡的孔徑有限，使物光通過(guò)透鏡后，F(xiàn)0+1+2 1 2S S物點(diǎn)物點(diǎn)像點(diǎn)像點(diǎn)對(duì)應(yīng)于截對(duì)應(yīng)于截止頻率止頻率 fc丟失了高丟失了高頻的信息頻的信息L.13改變頻譜可改變物光的信息改變頻譜可改變物光的信息使用透鏡會(huì)丟失高頻信息，使用透鏡會(huì)丟失高頻信息

10、，在頻譜面上放置空間濾波器，可改造空間頻譜。在頻譜面上放置空間濾波器，可改造空間頻譜。 低通低通濾波器濾波器F 高通高通濾波器濾波器F帶通帶通濾波濾波器器F從另一角度說(shuō)明，從另一角度說(shuō)明， 空間濾波?？臻g濾波。.14txad濾濾波波器器一片亮，無(wú)變化一片亮，無(wú)變化x(振幅振幅)U00基基頻頻-1+1基基頻頻-1-2+2+1+3-3IxUaxIx0無(wú)直流成分無(wú)直流成分反襯度反轉(zhuǎn)反襯度反轉(zhuǎn)Ux直流直流成分成分 阿貝阿貝（1874）波特波特（1906）實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：0-1-2+2+1xL黑白光柵黑白光柵頻譜面頻譜面 像面像面 t(振幅透振幅透+3-3過(guò)率過(guò)率).15L yx物物像像保留保留 fy 的頻

11、譜：的頻譜：保留保留 fx 的頻譜：的頻譜：yx保留保留 f 的頻譜：的頻譜： 方向方向Fyx .16五五. .光信息處理舉例光信息處理舉例 輪廓突出和低對(duì)比度圖形的識(shí)別輪廓突出和低對(duì)比度圖形的識(shí)別（邊緣增強(qiáng)）（邊緣增強(qiáng)）I背景背景信號(hào)信號(hào)對(duì)比度高對(duì)比度高背景背景I背景背景信號(hào)信號(hào)對(duì)比度低對(duì)比度低背景背景以內(nèi)及背景以內(nèi)及背景光強(qiáng)變化較慢，光強(qiáng)變化較慢，勾出物體輪廓，勾出物體輪廓，是識(shí)別低對(duì)比度圖形或物體的有效是識(shí)別低對(duì)比度圖形或物體的有效方法。方法。邊緣邊緣亮度變化劇烈，亮度變化劇烈，高頻成分豐富。高頻成分豐富。物體某部分的亮度與背景亮度之比叫物體某部分的亮度與背景亮度之比叫對(duì)比度。對(duì)比度。主

12、要是低頻和直流成分。主要是低頻和直流成分。物體物體邊緣邊緣.17從而從而突出輪廓亮度突出輪廓亮度 形成亮的鑲邊。形成亮的鑲邊。方法：方法：在物的頻譜面在物的頻譜面F上放一個(gè)高通濾波器上放一個(gè)高通濾波器（玻璃片中心鍍個(gè)不透明的斑），（玻璃片中心鍍個(gè)不透明的斑）， 擋掉擋掉0級(jí)和低頻級(jí)和低頻成分，成分，高頻濾波和輪廓突出高頻濾波和輪廓突出F大大頭頭針針LP1P2擴(kuò)束擴(kuò)束亮亮邊邊.18輪廓突出前輪廓突出前輪廓突出后輪廓突出后.19 光學(xué)去污光學(xué)去污帶污點(diǎn)的網(wǎng)格帶污點(diǎn)的網(wǎng)格純純凈凈網(wǎng)網(wǎng)格格污污點(diǎn)點(diǎn)用純凈網(wǎng)格譜的用純凈網(wǎng)格譜的正片正片濾波，濾波，純凈網(wǎng)格的頻譜純凈網(wǎng)格的頻譜 用純凈網(wǎng)格譜的用純凈網(wǎng)格譜的

13、負(fù)片負(fù)片濾波，濾波，可得到可得到純凈網(wǎng)格。純凈網(wǎng)格?？傻玫娇傻玫轿埸c(diǎn)。污點(diǎn)。光學(xué)去污光學(xué)去污主要用于工業(yè)制版主要用于工業(yè)制版( (大規(guī)模集成電路）大規(guī)模集成電路） 檢查模版上的污點(diǎn)（噪聲）或復(fù)制模版。檢查模版上的污點(diǎn)（噪聲）或復(fù)制模版。.20 光學(xué)特征識(shí)別是把已知物的付氏譜和待測(cè)物光學(xué)特征識(shí)別是把已知物的付氏譜和待測(cè)物的付氏譜進(jìn)行比較，從而找出待測(cè)目標(biāo)。的付氏譜進(jìn)行比較，從而找出待測(cè)目標(biāo)。特征識(shí)別系統(tǒng)可以做到：特征識(shí)別系統(tǒng)可以做到： 從衛(wèi)星照片中檢測(cè)軍事目標(biāo)從衛(wèi)星照片中檢測(cè)軍事目標(biāo) 從文件中檢測(cè)某個(gè)字從文件中檢測(cè)某個(gè)字 從細(xì)胞中檢測(cè)癌細(xì)胞從細(xì)胞中檢測(cè)癌細(xì)胞 進(jìn)行航空測(cè)量進(jìn)行航空測(cè)量 光學(xué)光學(xué)特

14、征識(shí)別特征識(shí)別 光學(xué)偵破（指紋識(shí)別）光學(xué)偵破（指紋識(shí)別） .21例如指紋識(shí)別：例如指紋識(shí)別：x平面波平面波指指紋紋指指紋紋平面波平面波x帶有指紋信帶有指紋信息的衍射波息的衍射波x 帶有指紋信帶有指紋信息的會(huì)聚波息的會(huì)聚波x反過(guò)來(lái)反過(guò)來(lái)x xL1P2L2亮亮點(diǎn)點(diǎn)若若 x* = x 或或x*與與 x 相關(guān)相關(guān)x平面波平面波P1參照指紋參照指紋x*頻譜面頻譜面待查指紋待查指紋出現(xiàn)亮點(diǎn)出現(xiàn)亮點(diǎn)即被識(shí)別即被識(shí)別.22 調(diào)制調(diào)制（假彩色編碼）（假彩色編碼）（光柵拼成）（光柵拼成）黑白物黑白物白光白光著色像著色像L頻譜面頻譜面空空間間濾濾波波薰黑薰黑光光柵柵藍(lán)色透過(guò)藍(lán)色透過(guò)藍(lán)色透過(guò)藍(lán)色透過(guò)紅色透過(guò)紅色透過(guò)紅

15、色透過(guò)紅色透過(guò)物物像像頻譜面頻譜面.23頭發(fā)的頭發(fā)的電子顯電子顯微鏡黑微鏡黑白照片白照片相應(yīng)的相應(yīng)的假彩色假彩色照片可照片可顯示一顯示一些細(xì)節(jié)些細(xì)節(jié)演示演示 調(diào)制調(diào)制（KG046）.24 模糊圖象處理模糊圖象處理（離焦模糊、運(yùn)動(dòng)模糊）（離焦模糊、運(yùn)動(dòng)模糊）關(guān)鍵是找到關(guān)鍵是找到T G (fx，fy) 模糊圖象的譜。模糊圖象的譜。設(shè)：設(shè)：G (fx，fy) 清楚圖像的譜，清楚圖像的譜， 模糊因子，模糊因子，GGffTyx )(，令：令：濾波后濾波后GTGTGTG 11TGG 則則L1L2畸變波畸變波頻頻譜譜面面F濾波濾波T1（透過(guò)率）（透過(guò)率）G GG 正確波正確波清清楚楚圖圖象象P2平平面面波波

16、P1模糊照片模糊照片.25消模糊處理前的碑文消模糊處理前的碑文處理后的碑文（唐詩(shī)）處理后的碑文（唐詩(shī)）.26 相襯顯微鏡相襯顯微鏡 提高待測(cè)樣品的襯比度提高待測(cè)樣品的襯比度 樣品是無(wú)色透明的生物切片或晶片時(shí)，樣品是無(wú)色透明的生物切片或晶片時(shí)，率函數(shù)是相位型的：率函數(shù)是相位型的：其透過(guò)其透過(guò) 很小。很小。，),(),(yxieyxt 襯比度極小。襯比度極小。相位反襯法：相位反襯法：心滴一小滴心滴一小滴厚厚h 的的液體，液體， 放到頻譜面上引起放到頻譜面上引起 0 級(jí)相移：級(jí)相移： nh2 t切片切片（物）（物） （x,y）A用普通顯微鏡觀察樣品，用普通顯微鏡觀察樣品，Zernike提出提出在玻璃

17、片中在玻璃片中像像（x ,y ）L頻頻譜譜面面相位板相位板 ie.27),(),(yxtAyxU 物物）（yxiAe, 32! 3! 211 iiA0級(jí)級(jí)經(jīng)相位板后，經(jīng)相位板后， ）（）（yxiieeA ,1 32! 3! 21 , iieAyxUi）（像像其它變化不大。其它變化不大。0級(jí)相移了級(jí)相移了 ，.28像的光強(qiáng)：像的光強(qiáng)：),(),(),(*yxUyxUyxI 像像像像 ),(sin212yxA )1( 通常選通常選 ),(21),(2yxAyxI ，2 ，即即 nh4 這樣有：這樣有：于是像的光強(qiáng)中就更加突出了相位的變化。于是像的光強(qiáng)中就更加突出了相位的變化。Zernike 因此獲得了因此獲得了1953年諾貝爾物理獎(jiǎng)。年諾貝爾物理獎(jiǎng)。.29普通顯微鏡（左）和相襯顯微鏡拍攝的硅藻照片普通顯微鏡（左）和相襯顯微鏡拍攝的