光学信息处理 第五章 相干光学信息处理
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
31
缺点：
h的获得并不容易，如果事先知道造成模糊 的原因，可用数学方法得到h。
相干处理噪声对图像消模糊不利，对消模糊 而言，很多采用非相干处理方法。
例：摄影时由于不小心横向抖动了2a， 形成两个像，设计改良的滤波器。
解：造成成像缺陷的点扩散函数为
h(x, y) (x a) (x a)
u3=F{T}*F{G}
• G由两个光栅复合而成，其傅立叶变换有 六项：
每个光栅各有一零级、正一、负一
复合光栅相加相减运算示意图
结论：
– 当复合光栅相对坐标原点的位置量恰等于半个 莫尔条纹时，两个正1级相差为，图像相减
– 当复合光栅恢复到坐标原点的位置时，相差为0， 图像相加
• 注：待处理图像尺寸不得大于x,否则有图 像重叠而干扰相减
x=+l处
• 一维正弦光栅满足fg=l/(f)
用一维光栅调制实现相加相减
B、复合光栅调制 • 复合光栅定义
– 两个取向一致、但空间频率有微小区别的一 维正弦光栅用全息的方法叠合在一张底片上 制成的光栅。
– 空间频率分别为fg、fg－fg – 能产生莫尔条纹
• 要求两个图像的间距满足 x=fgf
• P3平面上光扰动为：
过以下变换
H 1 1 H * H * H * | H |2 H H *H | H |2
用全息的方法分别制作
H*匹配滤波器的制作方法 |H|-2可通过控制照相底片处理过程实现。
将照相底片置于h (x,y)的频谱面上拍摄其频谱全息图，化学处理严 格，使底片的透过率与|H|-2成正比
二者对准叠合
G(u, v) 2 1 G(u, v) exp[ iau] G*(u, v) exp[iau]
1
g(x,y) y
G(u,v) v
x
u
R(u,v)
f
f
3、匹配滤波器的应用——（1） 滤波过程
F (u, v)T (u, v) ( G(u, v) 2 1)F (u, v)
F (u, v)G(u, v) exp[ iau] F (u, v)G*(u, v) exp[iau] 2
G(u, v) F (u, v) * H (u, v)
在4F系统的频谱面放置一个逆滤波器，使其 透过率满足H-1(u,v)，则在P2后光场分布为
u '(u, v) G(u, v)H (u, v)H 1(u, v)
G(u, v)
P1
y
L1
P2 L2
v
x
u
P3
y'
x'
f
f
f
f
逆滤波器的制作
1、相干图像消模糊 H-1可用全息方法制作，但直接制作比较困难，可通
• ①物的傅里叶变换全息图称为该物的匹配滤 波器；
• ② 当有物O(x,y)输入时，输出是——强脉冲 （自相关）；
• ③ 当用其它物输入时，输出是——模糊斑 （相关）
f(x,y)
g(x,y)
o( ,)
•
相关峰
▲ 应用——光学特征识别
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。
5.2 匹配滤波
• 相干光匹配滤波 • 匹配滤波器的制作 • 匹配滤波器的制作应用
1、相干光匹配滤波器
(1963 Vander Lugt experiment)
输入图象g(x,y) G*(u,v)匹配滤波器
2、匹配滤波器的制作（可应用傅立叶变换全息图）：
T (u, v) G(u, v) R(u, v) 2 G(u, v) exp[iau] 2
平面波
出现亮点 即被识别 若 x* = x 或 x*与 x 相关
小结：
• ①匹配滤波器
– 物的傅里叶变换全息图；
• ② 当有物O(x,y)输入时，输出是——强脉冲 （自相关）；
• ③ 当用其它物输入时，输出是——模糊斑 （相关）
5.3 模糊图像的复原
相干光学信息处理中的一项有趣应用。成像过 程中，由于系统的像差、目标和底片的相对运 动、大气扰动等导致像的模糊。
输入平面
傅立叶变换平面
f(ຫໍສະໝຸດ Baidu,y) y
L1 T（u,v)
v
x
u
f
f
（2）成像过程
输入平面 f(x,y) y
x
f
傅立叶变换平面 T（u,v)
L1
L2
v
u
f
f
输出平面
F-1 F (u, v)T (u, v)
•••
f
b f sin 处为 g f b f sin 处为 g f
结论：
复合光栅进行光学微分
光学微分的作用
• 军事应用
– 模糊图片（透过云层的卫星照片）
• 工业检测
– 检测相位型光学元件内部缺陷、折射率的不 均匀性
4、图像的比较
在频谱面上放一照相底片，以单色光照明， 摄得频谱的负片。把负片放在原来频谱的位 置，象平面为一片黑暗。以此为标准，来判 断两图象是否相同。
消模糊：如果在相干光学滤波系统中，从频谱 面对系统传递函数做适当补偿，将在输出平面 得到清晰的像。
方法 逆滤波器
维纳滤波器
逆滤波器消模糊
原理
模糊图像可以看作是一个理想图像和造成模糊 的点扩散函数的卷积，即
g(x, y) f (x, y)* h(x, y)
消模糊的过程实际上是进行图像解卷积的过程。 傅立叶变换后，得到各分量之间的简单乘积表 达式
特征识别系统可以做到：
从卫星照片中检测军事目标 从文件中检测某个字 从细胞中检测癌细胞 进行航空测量 光学侦破（指纹识别）
例如指纹识别：
x
Σ x
Σx
x
反过来
平面波 指 纹
P1
带有指纹信 带有指纹信 指
息的衍射波 息的会聚波 纹
L1
频谱面 L2 P2
亮 •点
平面波 x Σ x Σx
参照指纹
x* 待查指纹
• 应用：
– 卫星、人体健康检查、工业检测
3、光学微分－边缘增强
• 微分滤波器的透过率 G(u,v)=j2u/(f)
• 只需满足正比于u,即可达到微分的效果 沿x方向微分
沿y方向微分
• 微分滤波器的制作（两套空间取向一致， 空间频率差为∆f的一维振幅型正弦光栅 叠加而成）
• 当复合光栅相对于坐标原点的位移量刚 好等于半条莫尔条纹时，可以作为微分 滤波器
图像处理
多重像的产生 图像相加减 光学微分
匹配滤波 图像识别 用逆滤波器消模糊
5.1图像处理
• 多重像的产生 • 图像的相加减 • 光学微分－边缘增强 • 图像的比较
1、多重像的产生
• 利用正交光栅调制输入像的频谱，有望得到 多重像的输出
AAA AAA AAA
A
2、图像的相加减
A、一维光栅调制 • 假设两图像对成放在输入面上，中心分别在
缺点：
h的获得并不容易，如果事先知道造成模糊 的原因，可用数学方法得到h。
相干处理噪声对图像消模糊不利，对消模糊 而言，很多采用非相干处理方法。
例：摄影时由于不小心横向抖动了2a， 形成两个像，设计改良的滤波器。
解：造成成像缺陷的点扩散函数为
h(x, y) (x a) (x a)
u3=F{T}*F{G}
• G由两个光栅复合而成，其傅立叶变换有 六项：
每个光栅各有一零级、正一、负一
复合光栅相加相减运算示意图
结论：
– 当复合光栅相对坐标原点的位置量恰等于半个 莫尔条纹时，两个正1级相差为，图像相减
– 当复合光栅恢复到坐标原点的位置时，相差为0， 图像相加
• 注：待处理图像尺寸不得大于x,否则有图 像重叠而干扰相减
x=+l处
• 一维正弦光栅满足fg=l/(f)
用一维光栅调制实现相加相减
B、复合光栅调制 • 复合光栅定义
– 两个取向一致、但空间频率有微小区别的一 维正弦光栅用全息的方法叠合在一张底片上 制成的光栅。
– 空间频率分别为fg、fg－fg – 能产生莫尔条纹
• 要求两个图像的间距满足 x=fgf
• P3平面上光扰动为：
过以下变换
H 1 1 H * H * H * | H |2 H H *H | H |2
用全息的方法分别制作
H*匹配滤波器的制作方法 |H|-2可通过控制照相底片处理过程实现。
将照相底片置于h (x,y)的频谱面上拍摄其频谱全息图，化学处理严 格，使底片的透过率与|H|-2成正比
二者对准叠合
G(u, v) 2 1 G(u, v) exp[ iau] G*(u, v) exp[iau]
1
g(x,y) y
G(u,v) v
x
u
R(u,v)
f
f
3、匹配滤波器的应用——（1） 滤波过程
F (u, v)T (u, v) ( G(u, v) 2 1)F (u, v)
F (u, v)G(u, v) exp[ iau] F (u, v)G*(u, v) exp[iau] 2
G(u, v) F (u, v) * H (u, v)
在4F系统的频谱面放置一个逆滤波器，使其 透过率满足H-1(u,v)，则在P2后光场分布为
u '(u, v) G(u, v)H (u, v)H 1(u, v)
G(u, v)
P1
y
L1
P2 L2
v
x
u
P3
y'
x'
f
f
f
f
逆滤波器的制作
1、相干图像消模糊 H-1可用全息方法制作，但直接制作比较困难，可通
• ①物的傅里叶变换全息图称为该物的匹配滤 波器；
• ② 当有物O(x,y)输入时，输出是——强脉冲 （自相关）；
• ③ 当用其它物输入时，输出是——模糊斑 （相关）
f(x,y)
g(x,y)
o( ,)
•
相关峰
▲ 应用——光学特征识别
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。
5.2 匹配滤波
• 相干光匹配滤波 • 匹配滤波器的制作 • 匹配滤波器的制作应用
1、相干光匹配滤波器
(1963 Vander Lugt experiment)
输入图象g(x,y) G*(u,v)匹配滤波器
2、匹配滤波器的制作（可应用傅立叶变换全息图）：
T (u, v) G(u, v) R(u, v) 2 G(u, v) exp[iau] 2
平面波
出现亮点 即被识别 若 x* = x 或 x*与 x 相关
小结：
• ①匹配滤波器
– 物的傅里叶变换全息图；
• ② 当有物O(x,y)输入时，输出是——强脉冲 （自相关）；
• ③ 当用其它物输入时，输出是——模糊斑 （相关）
5.3 模糊图像的复原
相干光学信息处理中的一项有趣应用。成像过 程中，由于系统的像差、目标和底片的相对运 动、大气扰动等导致像的模糊。
输入平面
傅立叶变换平面
f(ຫໍສະໝຸດ Baidu,y) y
L1 T（u,v)
v
x
u
f
f
（2）成像过程
输入平面 f(x,y) y
x
f
傅立叶变换平面 T（u,v)
L1
L2
v
u
f
f
输出平面
F-1 F (u, v)T (u, v)
•••
f
b f sin 处为 g f b f sin 处为 g f
结论：
复合光栅进行光学微分
光学微分的作用
• 军事应用
– 模糊图片（透过云层的卫星照片）
• 工业检测
– 检测相位型光学元件内部缺陷、折射率的不 均匀性
4、图像的比较
在频谱面上放一照相底片，以单色光照明， 摄得频谱的负片。把负片放在原来频谱的位 置，象平面为一片黑暗。以此为标准，来判 断两图象是否相同。
消模糊：如果在相干光学滤波系统中，从频谱 面对系统传递函数做适当补偿，将在输出平面 得到清晰的像。
方法 逆滤波器
维纳滤波器
逆滤波器消模糊
原理
模糊图像可以看作是一个理想图像和造成模糊 的点扩散函数的卷积，即
g(x, y) f (x, y)* h(x, y)
消模糊的过程实际上是进行图像解卷积的过程。 傅立叶变换后，得到各分量之间的简单乘积表 达式
特征识别系统可以做到：
从卫星照片中检测军事目标 从文件中检测某个字 从细胞中检测癌细胞 进行航空测量 光学侦破（指纹识别）
例如指纹识别：
x
Σ x
Σx
x
反过来
平面波 指 纹
P1
带有指纹信 带有指纹信 指
息的衍射波 息的会聚波 纹
L1
频谱面 L2 P2
亮 •点
平面波 x Σ x Σx
参照指纹
x* 待查指纹
• 应用：
– 卫星、人体健康检查、工业检测
3、光学微分－边缘增强
• 微分滤波器的透过率 G(u,v)=j2u/(f)
• 只需满足正比于u,即可达到微分的效果 沿x方向微分
沿y方向微分
• 微分滤波器的制作（两套空间取向一致， 空间频率差为∆f的一维振幅型正弦光栅 叠加而成）
• 当复合光栅相对于坐标原点的位移量刚 好等于半条莫尔条纹时，可以作为微分 滤波器
图像处理
多重像的产生 图像相加减 光学微分
匹配滤波 图像识别 用逆滤波器消模糊
5.1图像处理
• 多重像的产生 • 图像的相加减 • 光学微分－边缘增强 • 图像的比较
1、多重像的产生
• 利用正交光栅调制输入像的频谱，有望得到 多重像的输出
AAA AAA AAA
A
2、图像的相加减
A、一维光栅调制 • 假设两图像对成放在输入面上，中心分别在