光信息处理[第3章]解析

即：非相干光处理系统是强度的线性系统，满足强度叠加原理。
I( x，y) Ii ( xi，yi )
i
相干光系统
复振幅叠加 可正可负
加、减、乘、除、 微分、卷积等运算
频域综合 （有频谱面）
非相干光系统
强度叠加 非负实函数
卷积、相关等运算
非相干频域综合 （无频谱面）
相干光处理的缺点：
1. 相干噪声和散斑噪声 相干噪声：来源于灰尘、气泡、划痕、指印、霉斑的衍射。 产生杂乱条纹，对图像叠加噪声。 散斑噪声：激光照射漫反射物体时（如生物样品，或表面粗 糙样品），物体表面各点反射光在空间相遇发生干涉，由于 表面的无规则性，这种干涉也是无规则的，物体表面呈现出 杂乱无章的斑点状图样。
照明光源的相干性对于光学系统成像具有重大影响。 所谓相干性，是指两列同频率单色光波叠加时，因彼此 相关而能够观察到清晰的干涉现象，它包含了相干的时 间效应和空间效应。 1. 光源的时间相干性
在同一光源形成的光场中，同一地点不同时刻的光场之间 的相干性。
用迈克尔逊干涉仪演示时间相干效应
2. 光源的空间相干性 在同一光源形成的光场中，同一时刻不同地点的光场之间
粗糙表面在激光照射下成像
2. 输入和输出设备的通用性问题 相干光信息处理要求信息以复振幅形式在系统内传
输，要制作透明片并采用激光照明。而现代电光转换设 备中CRT、液晶显示、LED阵列输出均为非相干信号。
3. 只能处理单色图像，不能处理彩色图像。
非相干光处理的缺点：
1. 不能直接处理复函数和负值函数 2. 运算能力和方式有限
非相干光学信息处理是指用非相干光照明的光学信息 处理方法，系统传递和处理的基本物理量是光场的强度分 布。
3.1 相干与非相干光学处理的比较
相干光系统
系统输入为 ui ( x，y) ，输出为 u( x，y) ，则
u( x，y) ui ( x，y)
i
即：输出的合成复振幅满足复振幅叠加原则。
输出光强为： 2
I ( x0，y0 ) g( x，y)h( x x0，y y0 )dxdy
g( x0，y0 ) ★h( x0，y0 )
光电探测器测得的是函数 g 和 h 在点 ( x x0，y y0 )
的相关。
应用：
模糊图像复原—— g( x，y) 是模糊图像，h( x，y)
是消模糊的脉冲响应函数
图像特征识别—— h( x，y) 是识别特定目标的掩膜板
g( x,y)
A
D mn
多通道相关器
在第( m, n) 个探测器 Dmn 处得到的光强输出为：
Imn
g(
x，y
)hmn
(
x，y
)dxdy
三.无运动Fra Baidu bibliotek件的卷积和相关运算
L
( x，y)
(f，f )
S
g( x，y) h( x，y)
f (x，y) h(x，y)
相关运算过程：平移→ 相乘→积分
在相干光学处理系统中，两个函数的卷积和相关可通过傅里叶变 换和频域乘法运算完成。
在非相干光学处理系统中，两个函数的卷积和相关可采用非相干 成像系统在空域完成。
一.图像乘积的积分运算
实现两个函数乘积的积分的系统
若把强度透过率为 g( x，y) 的一张透明片在强度透过率为 h( x，y) 的另一张透明片上成像，那么在第二张透明片后 面每点的光强都正比于乘积 g( x，y)h( x，y) ，
实现两个函数的卷积和相关是光学信息处理中最基本的运算
两个复函数的二维卷积：
g(x，y)
f (ξ，η)h( x ξ，y η)dξdη
f
( x，y) h( x，y)
卷积运算过程：折叠→平移→ 相乘→积分
两个复函数的互相关：
e fh(x，y)
f
(ξ，η)h( x ξ，y η)dξdη
当用光电探测器来测量透过两块透明片的总强度时，给 出的光电流 I 为
I g( x，y)h( x，y)dxdy
L2 称为积分透镜。
二.图像的卷积和相关
I g( x，y)h( x，y)dxdy
若把透明片 h( x，y) 按反射的几何位置放入，则上式为
I g( x，y)h(x， y)dxdy
的相干性。
3. 部分相干性 严格的相干场和严格的非相干场实际上都不可能得到，因
此，应该研究实际存在于完全相干与完全不相干之间的中间状 态，称为部分相干性。
目前部分相干光学处理是光信息处理中一个较为活跃 的领域；这种系统采用的是部分相干光，适当降低光源的 相干性，使系统兼备相干和非相干系统的优点。
3.2 基于几何光学的非相干光学处理
第三章 非相干光学信息处理
（ Incoherent Optical Information Processing ）
按照所用光源的时间和空间相干性，光学信息处理可 分为相干光学信息处理、非相干光学信息处理和白光光 学信息处理；
相干光学信息处理是指用光学方法实现对图像信息的 傅立叶变换，并采用频谱的语言来描述信息，用改变其频 谱的手段来改造信息。
I( x，y) u( x，y) 2 ui ( x，y)
i
ui ( x，y) 2 ui ( x，y)uj( x，y)
i
i j
Ii ui ( x，y)uj( x，y)
i
i j
非相干光系统
I( x，y) Ii ui ( x，y)uj( x，y)
i
i j
对于非相干光系统，由于输入图像上各点的光振动是 互不相干的，所以上式中的互相关项（第二项）对时间 的平均值为零。
若使透明片 h 沿 x 正方向以速度 v 运动，则探测器测得的是
I(t) g( x，y)h(vt x， y)dxdy
I(t) g( x，y)h(vt x， y)dxdy
光电探测器测得的是函数 g 和 h 在点 ( x vt，y) 的卷积。
若使透明片 h 沿 x 和y 的负方向分别移动 x0 和 y0，则探测 器测得的是
非相干光处理分类：
• 基于几何光学的在空域中的运算（投影法、成像法） • 基于衍射光学的在频域中的运算
非相干光处理的最大优越性是能够抑制噪声
在光学系统中， L1前有3个光源S1、S2、S3，经透镜L1后形 成不同方向的平行光，照射在物上，经4f 系统成像在物面上。 物的图像经不同路径到达像面是重合的；而不同路径上的噪声 信号却在像面上被平均。因此用非相干扩展光源可提高图像的 信噪比。