光学信息处理

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光学信息处理是在傅里叶光学基础上发展起来的。通常所谓的光学信息处理，或狭义的光学信息处理，指的 是光信息的频域处理，研究如何对各种光学信息进行光学运算（加、减、乘、除、相关、卷积、微分、矩阵相乘、 逻辑运算等）；光学信息的提取、编码、存储、增强、去模糊、光学图像和特征识别；各种光学变换（傅里叶变 换、对数变换、梅林变换、拉普拉斯变换）等。有时光学信息处理也称为光学数据处理，它的发展远景是“光计 算”。实际上相干光处理系统是一个光学模拟计算机，具有二维并行处理的能力、极高的运算速度（光速）及极 大的容量等，但由于某些器件如实时空间光调制器的发展远未完善，从而限制了运算速度。此外，光学模拟处理 的精度较低，灵活性较差，使它在应用上受到了进一步的限制。
光学信息处理
光学术语
01 概念解释
目录
02 处理性质
03
联合傅里叶变换特征 识别
05
白光信息处理和相位 调制编码
04
半色调预处理和图像 假彩化
06 展望
光学信息处理（optical information proces-sing）是运用透镜的傅里叶变换效应，在图像的空间频域 （傅里叶透镜的焦平面）对光学图像信号进行滤波，提取或加强所需的图像（信号），滤掉或抑制不需要的图像 （噪声），并进行透镜傅里叶逆变换输出处理后的图像的全部过程。光学信息处理是在傅里叶光学的基础上发展 起来的。傅里叶光学的核心，在于运用透镜或其他器件产生二维图像的空间频谱，从而在频域对光信号进行处理。
早期的光学信息处理中输入图像和滤波器用照相干板记录，经处理的输出图像也用照相干板记录，需经过显 影、定影，全过程是非实时的，称为传统的或经典的光学信息处理。已开发出的各种电寻址的空间光调制器 （SLM），如液晶显示器（LCD）、磁光空间光调制器（MOSLM）等，这些器件是由许多像素单元构成的二维滤波 器件，具有行、列电极，可对像素进行寻址操作（称矩阵寻址），使不同位置的像素具有不同的透过率（或不同 的相位延迟），从而将计算机内预先存储的图像转移到调制器上。以空间光调制器SLM1代替照相干板置于4f系统 的输入平面或滤波平面上，激光器通过准直扩束镜照射SLM1，其光强透过率或相位受到调制。计算机内的输入图 像函数（如由电荷耦合器件CCD2拍摄的目标图像）显示在SLM1上。光波通过SLM1时其光强分布（或相位分布）就 受到调制，该图像通过透镜L1进行傅里叶变换。再将计算机内预先存储的滤波器函数通过第二个空间光调制器 SLM2显示在4f系统的谱平面上，对输入图像的空间频谱进行滤波。经滤波处理的谱通过透镜L2进行傅里叶逆变换， 用另一个电荷耦合器件CCD1或数码相机记录输出图像，送入计算机进行分析。全部输入、滤波和输出过程由计算 机控制，过程非常快，可近似认为是实时的，称为光电混合处理。
利用半色调预处理方法，比较成功地实现了图像等密度轮廓显示、密度分割、假彩色编码、从相乘性噪声中 分离出信号的对数滤波、指数运算、二次方和二次方根运算、二维模数转换等运算。这种方法已在医学、遥感等 图像处理中得到应用。
白光信息处理和相位调制编码
人眼对黑白图像的灰度只能分辨出15—20个等级，对于灰度相差较小的图像便不能加以分辨，这在实际应用 中将丢失许多极重要的信息。试验证明，人眼对颜色的分辨能力达几百种。利用光学信息处理手段，将灰度等级 转换为颜色等级，可提高对图像的识别能力。所谓“假色彩编码”是指编码系统输出的彩色图片所显示的颜色与 原被摄物的真实色彩无必要联系，输出片的色彩仅由输入片的“白光密度”确定。如相位调制假彩色编码。首先 在光学放大系统中将待编码的胶片置于底片夹中，编码元件为朗奇光栅（光栅的半个周期透光，半个周期不透 光）。将光栅紧密覆盖于底片上，用白光照明，经显影、定影处理后对底片进行漂白，得到相位型编码片。它是 透明的，但各点的相位不同，取决于该点底片的透过率。
展望
由于其他学科的渗透，在光学信息处理领域中出现一些新的发展方向。如利用光学反馈概念在线性和非线性 运算方面取得一些新结果；利用光双稳态现象在半导体材料上制成新型的信息处理元件，有可能成为未来光计算 机的运算元件；利用光折变介质的自泵浦及互泵浦相位共轭效应，二波混频、四波混频效应实现畸变图像恢复和 特征识别等。特别是利用电光效应、声光效应和光学信息处理相结合而形成的集成光学器件、光波导器件已成为 光通信中新的处理单元。人们已开始考虑时间（一维）与空间（三维）相结合的四维处理系统。应该指出，把光 学信息处理的二维、高速、大空间带宽积等优势与电子计算机数字处理的灵活性和高精度相结合形成的光电混合 处理系统，在现阶段仍是相对完善和有实用价值的系统。
联合傅里叶变换特征识别
Байду номын сангаас
光学图像的特征识别是指在大量信息或背景中检测某一已知特征图像的光学处理方法，可运用联合傅里叶变 换系统实现实时识别。参考图像（如已知型号的飞机的图像）f(x,y)和输入图像g(x,y)（如通过望远镜拍摄到的 图像）分别显示在傅里叶变换透镜的输入平面xy上，两个图像的中心相距2a对称地分布在光轴两侧，并由相干光 （如准直的激光）照明。如果f和g两个图像完全相同，则对于f上任意一点总可在g上找到对应点，两点相距2a， 其透过率、相位都一致，因而是相干的，通过透镜傅里叶变换后在后焦面（变换平面）uv上出现一组互相平行的 杨氏条纹。f和g上有大量这样的点对，它们被激光照明形成相干的次光源，通过透镜傅里叶变换后，杨氏条纹重 叠加强。用平方律记录介质（记录介质的透过率近似正比于光波振幅的平方即光强，如照相干板）记录下杨氏条 纹。这样的由两个图像同时并排输入并经过透镜进行的傅里叶变换称为联合傅里叶变换，简称联合变换。显影、 定影后的照相干板上记录的是输入图像空间频谱的强度，称为联合变换的功率谱。用激光照射功率谱，通过第二 个傅里叶透镜进行逆变换，在其后焦面（输出平面）上出现三个光斑：一个位于输出平面的中心，它不是信号， 代表直接透射光，又称零级项或自相关项；另两个光斑沿f和g分开的方向对称地分布在零级光斑两侧，相距4a， 称为一级项或互相关项，这是杨氏条纹的一级衍射像。当f和g只有部分相同（如g中除已知型号的飞机外还有天 空背景、其他型号的飞机），则两个互相关斑仍然出现，只是强度较弱。互相关斑的出现及其尖锐程度正是f和g 具有相同特征的标志。上述系统称联合傅里叶相关系统，简称联合变换相关器。
光学信息处理是近年来发展起来的一门新兴学科，它以全息术、光学传递函数和激光技术为基础。
概念解释
光学信息处理光学信息是光波所荷载的信息，通过光波的参量，如振幅（强度）、相位和偏振态的分布和变 化表现出来。它可以是一维、二维、三维的空间性的信息。广义的光学信息处理，指的是光学图像的产生、传递、 探测和处理等各个环节中光学信息的提取、编码、存储、增强、去模糊、光学图像和特征识别以及各种光学变换 等。它既包含光信号的频域处理，又包含光信号的空域（图像本身所在的空间）处理；被处理的光学图像，既可 由相干光（如激光）照明，还可由非相干光（如自然光）或部分相干光照明，对应的系统分别称为相干光处理系 统、非相干光处理系统和部分相干光处理系统。
处理性质
线性处理
空间光滤波器 和光电混合处 理
所谓线性处理是指系统对多个输入之和的响应（输出）等于各单独输入时的响应（输出）之和。一个光学成 像系统就是典型的线性系统。相干光照明时，光学透镜所具有的傅里叶变换是一种线性变换。光学透镜将不同的 光学图像变换成不同的空间频谱，可用光电探测元件接收各个部分的空间频谱来进行分析，或运用空间光调制器 对输入信号的空间频谱进行各种处理。近代采用的光电结合的空间频谱分析仪就是根据上面介绍的原理制成的， 它可应用到各种图像处理的各个领域，包括遥感图像、医学图像分析等方面。
典型的线性光学信息处理系统，即4f系统。
应用4f系统也可进行两个光学图像的相加或相减。设有A和B两个图像，相距为2b，将它作为4f系统的输入图 像，左右对称地放在光轴两侧。滤波面上放置一个正弦光栅（垂直于A、B两图像的中心连线），光栅的空间频率 等于b/λf，f是变换透镜的焦距，λ是所用相干光的波长。这种光栅可在输出平面上形成A、B的正负一级衍射像， 并可使A的正一级衍射像和B的负一级衍射像相互重合。当使滤波光栅沿水平横向微小移动时，对应于相互重合的 两个像的光束间的相位差发生变化，可在输出面上交替出现相加和相减的图形。光学图像的加减是光学信息处理 中的基本运算方法之一，它是微分运算、逻辑运算的基础。光学图像的相减也可直接用来提取两个不同图像的差 异信息，如同一地区在不同时刻的“云图”间的差异等。4f线性空间滤波处理方法属于线性空间不变滤波处理。 利用方向滤波区分图像中方向分量，利用逆滤波器恢复模糊图像等也属于线性空间不变滤波处理。综合孔径雷达 数据的光学处理是光学信息处理中最早最成功的应用。
联合变换相关谱的记录和逆变换两个过程之间，有一个用平方律介质探测联合变换功率谱的过程。
半色调预处理和图像假彩化
实际问题中常遇到一些线性处理无法解决的问题。怎样突出图像中某一灰度等级，如何从相乘性噪声中提取 信号，傅里叶光学对这些问题就变得无能为力。这些问题都是非线性问题。所谓非线性系统是指输出图像的光强 不再与输入图像光强保持正比关系。为实现非线性处理，可在光学系统中放入非线性光学元件，或通过预处理方 法实现某种非线性变换，再由线性系统滤波处理。照相胶片就是一种非线性元件，利用胶片感光特性曲线的非线 性控制反差度（γ值），可实现正、负幂次非线性关系。非线性元件是非线性光学材料（如可饱和吸收介质、光 色材料、电光晶体等）在强光下的非线性行为，可用在频域或空域进行诸如阈值控制等非线性处理，但这些方法 都不够灵活。灵活性较大的方法是半色调预处理方法。此法来自印刷制版技术，通过半色调屏对图像进行翻拍， 利用高反衬度胶片的限幅性质，把连续色调图像变为由点阵（二维）或线阵（一维）组成的黑白两种色调的照片， 称为“半色调照片”。原图像中灰度信息转变为半色调照片中不同面积的点阵（二维）或不同宽度的线阵（一 维）。这个过程实现了第一个非线性变换，然后把半色调照片放在线性光学处理系统中，在滤波平面用小孔选取 不同衍射级次，在输出平面上实现第二个非线性变换，使输出光强非线性地依赖于脉宽，从而也非线性地依赖于 原图像灰度等级。设计不同类型的半色调屏，将能实现不同的非线性变换。
将编码片输入光学信息处理系统，频谱面上放置滤波器。编码片是相位型的，光波通过时其相位被调制。频 谱面上设置一小孔滤波器，只允许+1级（或0级）通过。若某一小区域的相位延迟使某一波长λ0的光振幅达到极 小，则输出面上相应区域的光强为零，出现该波长的暗区，并显示出它的补色，因而输出面便呈现一幅彩色图像。 编码片的相位调制与原照明底片的灰度有联系，所以输出图像上的色彩便直接反映了黑白底片的白光密度，称为 相位调制假彩色编码。由于底片灰度的微小改变可产生很大的相位变化，输出图像就会在颜色上呈现一个较明显 的改变。但正因为调制片相位对应的假彩色变化是周期性的，因而呈现相同颜色的区域不一定对应完全相同的灰 度等级，所以在应用中必须进行细致的分析。