实验七 空间滤波实验
空间域滤波增强实验流程
空间域滤波增强实验流程英文回答：Introduction.Spatial domain filtering is a fundamental technique in image processing used to enhance or modify images by manipulating pixel values directly in the spatial domain. This technique involves applying a convolution kernel to each pixel in the image, resulting in a new pixel valuethat is a weighted sum of the original pixel and its neighboring values. Spatial domain filtering techniques include smoothing, sharpening, edge detection, and noise removal.Image Enhancement using Spatial Domain Filtering.Image enhancement involves improving the visual quality of an image by adjusting its brightness, contrast, sharpness, or other characteristics. Spatial domainfiltering techniques can be used for various image enhancement purposes, such as:Smoothing: Reducing noise and blurring an image using a low-pass filter, such as a Gaussian filter or averaging filter.Sharpening: Enhancing edges and details in an image using a high-pass filter, such as a Laplacian filter or Sobel filter.Edge Detection: Identifying and highlighting edges in an image using gradient filters, such as the Prewitt filter or Canny filter.Noise Removal: Removing unwanted noise from an image using median filters or adaptive filters.Implementation of Spatial Domain Filtering.Spatial domain filtering is typically implemented using convolution, which involves multiplying each element of theconvolution kernel with the corresponding pixel value inthe image and summing the products. The result is the new pixel value for the filtered image. The convolution kernel determines the specific filter operation, such as smoothing, sharpening, edge detection, or noise removal.Benefits of Spatial Domain Filtering.Spatial domain filtering offers several advantages, including:Simplicity: Convolution-based filtering is relatively straightforward and easy to implement.Flexibility: Different convolution kernels can be applied to achieve various filtering effects.Computational Efficiency: Convolution can be optimized for efficient computation on modern hardware.Limitations of Spatial Domain Filtering.Despite its benefits, spatial domain filtering has certain limitations:Loss of High Frequencies: Smoothing filters can remove high-frequency details, resulting in a blurry image.Edge Artifacts: Sharpening filters can introduce artifacts or overshoot at edges.Noise Amplification: High-pass filters can amplify noise in the image.Conclusion.Spatial domain filtering is a powerful technique for image enhancement that allows the manipulation of pixel values directly in the spatial domain. It offers various filtering operations, including smoothing, sharpening, edge detection, and noise removal. While the implementation is relatively simple and efficient, it is essential to consider the potential limitations of each filtering operation to optimize image enhancement results.中文回答：空间域滤波增强实验流程。
空间滤波测速原理
超时空穿梭：空间滤波测速原理空间滤波测速，让你穿越时间与空间，看到未来不再是遥远的梦想。
这项技术利用了物理学中的多种原理和方法，让我们能够测量和分析任意物体的速度和运动状态，开创了机械、航空、汽车等领域的新局面。
那么，究竟是什么原理让空间滤波测速成为现实呢？首先，空间滤波测速的基本原理是通过红移和蓝移来测量物体的运动速度。
具体来说，这个原理是依据多普勒效应而提出的。
当物体以一定速度相对于观测者运动时，它所发出的光线波长会变化。
如果物体向我们运动，则波长会变短，对应的颜色是蓝色；如果物体远离我们，则波长会变长，对应的颜色是红色。
因此，我们可以通过分析物体的光谱线来推断它们的速度。
除了多普勒效应，空间滤波测速还利用了滤波器来分离出物体的光谱线，然后通过光学传感技术来测量它们的位置和速度。
这种技术主要依赖于频率选择性滤波器（frequency selective filter，FSF），它可以允许特定波长的光线通过，而将其他波长的光线过滤掉。
因此，我们可以通过调整滤波器的频率来选择所需的光线，从而得到物体的光谱线信息。
最后，在分析物体的光谱线之前，我们还需要消除它们的噪声和背景干扰。
这里，空间滤波测速采用了像素标准化技术和点扩散函数（PSF）修正技术。
前者是通过对图像像素进行标准化处理来消除噪声和背景干扰；而后者则是通过对光学系统进行校正来修正模糊和辐射漏斗等问题。
这些技术的有效应用，使得空间滤波测速不仅可以测速，还可以测量物体的大小、形状和光学性质等多种参数。
综上所述，空间滤波测速是一项非常复杂和先进的技术，它利用了物理、光学、电子等多个领域的知识和技术。
通过对物体的光谱线进行分析，我们可以获取它们的速度和状态信息，从而更好地掌握和应用这些物体。
虽然还有很多技术难点和挑战需要解决，但空间滤波测速的未来发展前景无疑是非常广阔的。
[阿贝成像原理]阿贝成像原理与空间滤波实验报告
![[阿贝成像原理]阿贝成像原理与空间滤波实验报告](https://img.taocdn.com/s3/m/96afe120effdc8d376eeaeaad1f34693daef10ce.png)
[阿贝成像原理]阿贝成像原理与空间滤波实验报告篇一: 阿贝成像原理与空间滤波实验报告阿贝成像原理和空间滤波1．了解阿贝成像原理，懂得透镜孔径对成像的影响．2．了解透镜的傅里叶变换功能及空间频谱的概念．3．了解两种简单的空间滤波．4．掌握在相干光条件下调节多透镜系统的共轴．光具座，氦氖激光器，溴钨灯及直流电源，薄透镜若干，可变狭缝光阑，可变圆孔光?调制用光阑，阑，光栅，光学物屏，游标卡尺，白屏，平面镜．阿贝在1873年为德国蔡斯工厂改进显微镜时发现，大孔径的物镜能导致较高的分辨率，这是因为较大的孔径可以收集全部衍射光，这些衍射光到达像平面时相干叠加出较细的细节．例如，用一定空间频率的光栅作为物，并且用单色光加以照明，物后的衍射光到达透镜时，当O级与?1级衍射光到达像平面时，相干叠加成干涉条纹，就是光栅的像；如果单色光波长较长或者L孔径小，只接收了零级光而把?1级光挡去，那么到达像平面上的只有零级光，就没有条纹出现，我们说像中缺少了这种细节．根据光栅方程，d??sin?1?sin?不难算出，物体上细节d能得以在像平面有反映的限制为?为透镜半径对物点所张的角．换句话说，可分辨的空间频率为d?物平面上细节越细微、即空间频率越高，其后衍射光的角度就越大，更不可能通过透镜的有限孔径到达像平面，当然图像就没有这些细节．透镜就成像光束所携带的空间f截?sin?频率而言，是低通滤波器，其截止频率就是式所示的，?．瑞利在1896年认为物平面每一点都发出球面波，各点发出的波在透镜孔径上衍射，到达像面时成为爱里斑，并给出分辨两个点物所成两个模糊像——两个爱里斑的判据．其实阿贝与瑞利两种方法是等价的．波特在1906年把一个细网格作物，但他在透镜的焦平面上设置一些孔式屏对焦平面上的衍射亮点进行阻挡或允许通过时，sin?得到了许多不同的图像．设焦平面上坐标为?，那么?与空间频率?sin?相应关系为?fsin??tgf，f为焦距，)．焦平面中央亮点对应的是物平面上总，焦平面上离中央亮点较近的光强反映物平面上频率较低的光栅调制度．1934年译尼克在焦平面中央设置一块面积很小的相移板，使直?流分量产生2位相变化，从而使生物标本中的透明物质不须染色变成明暗图像，因而可研究活的细胞，这种显微镜称为相衬显微镜．为此他在1993年获得诺贝尔奖．在20世纪50年代，通信理论中常用的傅里叶变换被引入光学，60年代激光出现后又提供了相干光源，一种新观点与新技术就此发展起来．物的内容中如含周期性结构，可以看成是各种频率的光栅组合而成，用数学语言讲就是把物展开成空间的傅里叶级数．如物的内容不是周期性的，在数学上就要作傅里叶变换，在物理上可由透镜来实现．可以证明，由于透镜作为位相变换器能把平面波转换为球面波，当单色平面波照射在透明片上[其振幅透射率为f]时，如图1中光路所示，透镜后焦平面上光场复振幅分布即为其傅里叶变换ffe?i2?dxdy图1uf，vf，实际上这也就是t的夫琅和费衍射．当t不在透镜前焦面上式中时，后焦面上仍为其傅里叶变换，但要乘上位相弯曲因子．当入射的不是平面波，而是球面波，则在入射波经透镜后形成的会聚点所在平面上也是傅里叶变换，只是也附加上了位相弯曲因子．傅里叶变换的例子如?函数?1，1??函数，rect函数?sinc函数及许多性质的标度、卷积定理都可以由此在物理上演示出来．如图2所示，在透镜后再设一透镜，则在Q面上的复振幅分布又经过一次傅里叶变换，fQ?Fei2d?d??fP物函数的倒置也就是f的像．前述在平面波照射下在前焦平面上的f时，在2照明光会聚点有其傅里叶变换，但要加上位相弯曲因子，该位相弯曲相当于会聚球面波照在傅里叶变换上，到达该球面波会聚点所在平面Q时，也是完成第二次傅里叶变换，只是标度有变化，即像是放大或缩小的．因此从波动光学的观点来看，正是透镜的傅里叶变换功能造成了其成像的功能．这样，就用波动光学的观点叙述了成像过程．这不但说明了几何光学已经说明的透镜成像功能，而且还预示了在频谱平面上设置滤波器可以改变图像的结构，这后者是无法用几何光学来解释的．前述相衬显微镜即是空间滤波的一个成功例子．除了下面实验中的低通滤波、方向滤波及?调制等较简单的滤波特例外，还进行特征识别、图像合成、模糊图像复原等较复杂的光学信息处理．因此透镜的傅里叶变换功能的涵义比其成像功能更深刻、更广泛．图2共轴调节．首先，要调激光束平行于光具座，并位于光具座正上方，把屏Q插在光具座滑块上，并移近激光架LS，把LS作上下、左右移动，使光束偏离O，调节LS的俯仰及侧转，使光束又穿过小孔；再把Q推至LS边上，反复调节，直到Q在光具座平移时激光束均穿过O为圆心的孔，以后就不再需要改变LS的位置。
第七章傅立叶光学的空间频谱与空间滤波实验
第七章傅立叶光学的空间频谱与空间滤波实验近三十年来，波动光学的一个重要发展，就是逐步形成了一个新的光学分支---傅立叶光学。
把傅立叶光学变换引入光学，在形式上和内容上都已经成为现代光学发展的新起点。
空间频谱与空间率波实验是信息光学中最典型的基础实验，通过实验有助于加深对傅立叶光学中的一些基本概念和基本理论的理解，如空间频率、空间频谱、空间滤波和卷积等等。
通过实验还可以验证阿贝成像理论，理解透镜成像的物理过程，进而掌握光学信息处理的实质，通过阿贝成像原理，也可以进一步了解透镜孔径对分辨率的影响。
一、实验目的1通过实验有助于加深对傅立叶光学中的一些基本概念和基本理论的理解，如空间频率、空间频谱、空间滤波和卷积等等。
2.验证阿贝成像理论3.理解有关空间滤波（高通、低通和带通滤波器的物理意义），并且制作简单的滤波器4.理解透镜成像的物理过程，进而掌握光学信息处理的实质，5进一步了解透镜孔径对分辨率的影响以及光阑的作用等二、实验原理1．傅立叶光学设有一个空间二维函数g(x,y),则其二维傅立叶变换式（2）表示：任意一个空间函数g(x,y)可以表示为无穷多个基元函数),(2y f x f i y x e π的线形叠加。
y x y x df df f f G ),(是相应与空间频率y x f f ,的基元函数的权重，),(y x f f G 称为g(x,y)的空间频谱。
利用瑞利-索末非公式可以推导出，如果在焦距为f 的会聚透镜的前焦面上放上一振幅透过率为g(x,y)的图象作为物，并且用波长为λ的单色平面波垂直照明该物，则在透镜后焦面)','(y x 上的复振幅分布就是g(x,y)的傅立叶变换),(y x f f G ，其中空间频率y x f f ,与','y x 的关系为：f xx f λ'= (3)fy y f λ'= (4)所以)','(y x 面称为频谱面（或傅氏面），有此可见，复杂的二维傅立叶变换可以用一透镜来实现，称为光学傅立叶变换，频谱面上的光强分布，也就是夫琅和费衍射图。
阿贝成像原理和空间滤波实验
阿贝成像原理和空间滤波实验阿贝所提出的显微镜成像的原理以及随后的阿—波特实验在傅里叶光学早期发展历史上具有重要的地位。
这些实验简单而且漂亮，对相干光成像的机理、对频谱的分析和综合的原理做出了深刻的解释。
同时，这种用简单模板做滤波的方法，直到今天，在图像处理中仍然有广泛的应用价值。
一．实验目的1．通过实验，加强对傅里叶光学中有关空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解。
2．熟悉空间滤波的光路及进行高通、低通和方向滤波的方法。
二．实验原理阿贝认为在相干平行光照射下，显微镜的成像可分为两个步骤。
第一个步骤是通过物的衍射在物镜后焦面上形成一个初级干涉图(频谱面)；第二个步骤则为物镜后焦面上的初级干涉图复合为像。
这就是通常所说的阿贝成像原理。
成像的这两个步骤本质上就是两次傅里叶变换。
如果物的复振幅分布是g(x0，y0)，可以证明在物镜的后焦面(xf，yf)上的复振幅分布是g(x0，y0)的傅里叶变换G(xf，yf)（只要令fx=xf/λf，fy=yf/λf；λ为光的波长，f 为物镜焦距）。
所以第一个步骤起的作用就是把光场分布变为空间频率分布。
而第二个步骤则是又一次傅里叶变换将G(xf，yf)又还原到空间分布。
图1显示了成像的这两个步骤。
如果以一个光栅作为物。
平行光照在光栅上，经衍射分解成为不同方向传播的多束平行光（每一束平行光相应于一定的空间频率）。
经过物镜分别聚焦在后焦面上形成点阵。
然后，代表不同空间频率的光束又重新在像平面上复合而成像。
如果这两次傅氏变换完全是理想的，信息在变换过程中没有损失，则像和物完全相似。
但由于透镜的孔径是有限的，总有一部分衍射角度较大的高次成分（高频信息）不能进入物镜而被丢弃了。
所以物所包含的超过一定空间频率的成分就不能包含在像上。
高频信息主要反映物的细节。
如果高频信息没有到达像平面，则无论显微镜有多大的放大倍数，也不能在像平面上分辨这些细节。
这是显微镜分辨率受到限制的根本原因。
空间滤波实验报告
空间滤波实验报告空间滤波实验报告引言：空间滤波是数字图像处理中常用的一种方法，它通过对图像像素进行加权平均或其他操作，以改善图像的质量和增强特定的图像细节。
在本次实验中，我们将探索几种常见的空间滤波技术，并评估它们在不同图像上的效果。
一、均值滤波均值滤波是一种简单的空间滤波方法，它通过计算像素周围邻域的平均值来平滑图像。
在本次实验中，我们选择了一张包含噪声的图像进行均值滤波处理。
结果显示，均值滤波能够有效地减少噪声，但同时也会导致图像的细节模糊化。
这是因为均值滤波是一种线性滤波方法，它对所有像素都施加相同的权重，无法区分图像中的边缘和纹理。
二、中值滤波中值滤波是一种非线性滤波方法，它通过将像素周围邻域的像素值排序并选取中间值来进行滤波。
与均值滤波相比，中值滤波能够更好地保留图像的细节信息。
在实验中，我们使用了一张包含椒盐噪声的图像进行中值滤波处理。
结果显示，中值滤波能够有效去除椒盐噪声，同时也能够保持图像的细节纹理。
这是因为中值滤波对于噪声像素有较好的鲁棒性，能够准确地估计图像中的真实像素值。
三、高斯滤波高斯滤波是一种基于高斯函数的空间滤波方法，它通过对像素周围邻域的像素值进行加权平均来平滑图像。
与均值滤波不同的是，高斯滤波对于不同像素位置的权重是不同的，它能够更好地保持图像的细节和边缘。
在实验中，我们对一张包含高斯噪声的图像进行了高斯滤波处理。
结果显示，高斯滤波能够有效地降低噪声水平，同时也能够保持图像的细节纹理。
这是因为高斯滤波能够根据像素周围邻域的像素值分布来调整权重，从而更好地平衡了图像的平滑度和细节保留。
四、边缘检测除了平滑图像，空间滤波还可以用于边缘检测。
边缘检测是一种常用的图像处理任务，它能够准确地提取图像中的边缘信息。
在实验中，我们使用了一张包含边缘的图像进行了边缘检测实验。
通过应用一种基于梯度的空间滤波算子，我们成功地提取出了图像中的边缘信息。
结果显示，边缘检测能够有效地突出图像中的边缘，但同时也会引入一定的噪声。
阿贝成像原理与空间滤波实验报告
阿贝成像原理与空间滤波实验报告阿贝成像原理和空间滤波【实验目的】1．了解阿贝成像原理，懂得透镜孔径对成像的影响．2．了解透镜的傅里叶变换功能及空间频谱的概念．3．了解两种简单的空间滤波．4．掌握在相干光条件下调节多透镜系统的共轴．【实验仪器】光具座，氦氖激光器，溴钨灯(12V，50W)及直流电源，薄透镜若干，可变狭缝光阑，可变圆孔光阑，调制用光阑，光栅(一维、正交及调制各一)，光学物屏，游标卡尺，白屏，平面镜．【实验原理】阿贝在1873年为德国蔡斯工厂改进显微镜时发现，大孔径的物镜能导致较高的分辨率，这是因为较大的孔径可以收集全部衍射光，这些衍射光到达像平面时相干叠加出较细的细节．例如，用一定空间频率的光栅作为物，并且用单色光加以照明，物后的衍射光到达透镜时(这里先考虑±1级衍射)，当O级与级衍射光到达像平面时，相干叠加成干涉条纹，就是光栅的像；如果单色光波长较长或者L孔径小，只接收了零级光而把级光挡去，那么到达像平面上的只有零级光，就没有条纹出现，我们说像中缺少了这种细节．根据光栅方程，不难算出，物体上细节d能得以在像平面有反映的限制为(1)为透镜半径对物点所张的角．换句话说，可分辨的空间频率为(2)物平面上细节越细微、即空间频率越高，其后衍射光的角度就越大，更不可能通过透镜的有限孔径到达像平面，当然图像就没有这些细节．透镜就成像光束所携带的空间频率而言，是低通滤波器，其截止频率就是(2)式所示的，．瑞利在1896年认为物平面每一点都发出球面波，各点发出的波在透镜孔径上衍射，到达像面时成为爱里斑，并给出分辨两个点物所成两个模糊像——两个爱里斑的判据．其实阿贝与瑞利两种方法是等价的．波特在1906年把一个细网格作物(相当于正交光栅)，但他在透镜的焦平面上设置一些孔式屏对焦平面上的衍射亮点(即夫琅和费衍射花样)进行阻挡或允许通过时，得到了许多不同的图像．设焦平面上坐标为，那么与空间频率相应关系为(3)(这适用于角度较小时，为焦距，)．焦平面中央亮点对应的是物平面上总的亮度(称为直流分量)，焦平面上离中央亮点较近(远)的光强反映物平面上频率较低(高)的光栅调制度(或可见度)．1934年译尼克在焦平面中央设置一块面积很小的相移板，使直流分量产生位相变化，从而使生物标本中的透明物质不须染色变成明暗图像，因而可研究活的细胞，这种显微镜称为相衬显微镜．为此他在1993年获得诺贝尔奖．在20世纪50年代，通信理论中常用的傅里叶变换被引入光学，60年代激光出现后又提供了相干光源，一种新观点(傅里叶光学)与新技术(光学信息处理)就此发展起来．物的内容中如含周期性结构，可以看成是各种频率的光栅组合而成，用数学语言讲就是把物展开成空间的傅里叶级数．如物的内容不是周期性的，在数学上就要作傅里叶变换，在物理上可由透镜来实现．可以证明，由于透镜作为位相变换器能把平面波转换为球面波，当单色平面波照射在透明片上[其振幅透射率为]时，如图1中光路所示，透镜后焦平面上光场复振幅分布即为其傅里叶变换(4)图1式中，，实际上这也就是的夫琅和费衍射．当不在透镜前焦面上时，后焦面上仍为其傅里叶变换，但要乘上位相弯曲因子．当入射的不是平面波，而是球面波(发散、会聚均可)，则在入射波经透镜(甚至不经透镜)后形成的会聚点所在平面上也是傅里叶变换，只是也附加上了位相弯曲因子．傅里叶变换的例子如函数，函数，函数函数及许多性质的标度、卷积定理都可以由此在物理上演示出来．如图2所示，在透镜后再设一透镜，则在Q面上的复振幅分布又经过一次傅里叶变换，(5)物函数的倒置也就是的像．前述在平面波照射下在前焦平面上的时，在照明光会聚点有其傅里叶变换，但要加上位相弯曲因子，该位相弯曲相当于会聚球面波照在傅里叶变换上，到达该球面波会聚点所在平面Q时，也是完成第二次傅里叶变换，只是标度有变化，即像是放大或缩小的．因此从波动光学的观点来看，正是透镜的傅里叶变换功能造成了其成像的功能．这样，就用波动光学的观点叙述了成像过程．这不但说明了几何光学已经说明的透镜成像功能，而且还预示了在频谱平面上设置滤波器可以改变图像的结构，这后者是无法用几何光学来解释的．前述相衬显微镜即是空间滤波的一个成功例子．除了下面实验中的低通滤波、方向滤波及调制等较简单的滤波特例外，还进行特征识别、图像合成、模糊图像复原等较复杂的光学信息处理．因此透镜的傅里叶变换功能的涵义比其成像功能更深刻、更广泛．图2【实验内容】共轴调节．首先，要调激光束平行于光具座（图3），并位于光具座正上方，把屏Q插在光具座滑块上，并移近激光架LS，把LS作上下、左右移动，使光束偏离O，调节LS的俯仰及侧转，使光束又穿过小孔；再把Q推至LS边上，反复调节，直到Q在光具座平移时激光束均穿过O为圆心的孔，以后就不再需要改变LS的位置。
空间滤波实验观察报告
空间滤波实验观察报告实验目的：通过进行空间滤波实验，观察和分析不同滤波器对图像的处理效果和特点。
实验原理：空间滤波是基于图像中像素点周围的领域信息进行像素值改变的一种图像处理方法。
在本实验中，我们将使用一些常见的空间滤波器，如均值滤波器、中值滤波器和高斯滤波器。
实验步骤：1. 实验准备- 载入待处理的图像，确保图像格式正确。
- 选择合适的滤波器，如均值滤波器、中值滤波器和高斯滤波器。
2. 均值滤波实验- 将选择的滤波器应用于图像，将图像中每个像素点的值替换为其领域内像素点的平均值。
- 观察处理后的图像，注意边缘和细节的变化。
3. 中值滤波实验- 将选择的滤波器应用于图像，将图像中每个像素点的值替换为其领域内像素点的中值。
- 观察处理后的图像，注意对椒盐噪声和悬浮粒子等噪声的去除效果。
4. 高斯滤波实验- 将选择的滤波器应用于图像，将图像中每个像素点的值替换为其领域内像素点的加权平均值。
- 观察处理后的图像，注意平滑程度和对边缘的影响。
5. 记录观察结果- 针对每个滤波器，观察处理后的图像，记录并比较其效果和特点。
- 注意观察图像的细节变化、噪声去除效果和平滑程度等。
实验结果与分析：经过实验观察和比较，我们得出以下结论：- 均值滤波器对图像进行平滑处理，可以去除高频噪声，但会导致细节部分的模糊。
- 中值滤波器能够很好地去除椒盐噪声和其他离群像素，对图像的平滑效果也较好，但在某些情况下可能会对细节造成损失。
- 高斯滤波器在平滑图像的同时，对边缘的保留效果较好，能够更好地抑制高频噪声，但在一些情况下可能会导致图像的细节模糊。
综上所述，在不同的应用场景下，选择合适的空间滤波器可以实现对图像的不同处理需求。
根据实际需求，可以灵活选择对应的滤波器。
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实验七 空间频率滤波器
一、实验目的
（1）知道光信息处理的原理。
（2）掌握光信息处理的实验装置和技术。
（3）掌握基本空间滤波器的作用。
二、原理概述
用(图7-1)来说明最常见的在频域内作光信息处理的实验装置，常称为三透镜系统。
三个透镜的焦距都相同为f ，两透镜之间的距离为2f 。
其中插有平面，平面与相邻透镜的距离为也f 。
光信息处理的原理是基于透镜的傅立叶变换性质和谱面上的空间滤波。
在(图7-1)中第一个透镜1L 把点光源变为平行光束，照射到照片（物）上，该照片置于第二个透镜2L 的前焦面上，在透镜2L 的后焦面上，可观察到照片的频谱。
第三个透镜3L 把置于自己前焦面的照片频谱，又重新变换为原照片的像，像位于3L 的后焦面上。
如果在谱面上采用各种不同的空间滤波器来改变照片的频谱，就能改变照片像的性质，这就是光学空间滤波过程。
在谱面上插入一个滤波器，实际上是对照片的频谱进行调制，能去处或增加照片的频谱，当滤波后的频谱被透镜3L 傅里叶变换到像面上后，照片的像将发生改变，不需要的部份(例如噪声)就会被去除，或增加某些新的内容，以方便我们进行照片识别，这就叫做图像处理。
其关键技术就是各种滤波器的制作和使用。
本实验仅介绍几种常见的简单空间滤波器。
1． 低通和高通滤波器
如(图7-2a)所示的一中心透光的圆孔，它就
是低通滤波器。
它的作用是能让低空间频率的光
波通过，而将高空间频率的光波档住。
因为在频
谱面上位置坐标，越靠近光轴的点，也就是衍射
角较小的点，它的空间频率越低。
当照片上有小
的霉点和灰尘时，它们的频谱会充满整个谱面，
如果使用低通滤波器，就能挡住它们的绝大部分
(图17-1)光信息处理的三透镜系统实验装置
(a)低通滤波器 (b)高通滤波器 (图17-2)低通和高通滤波器
谱的光强，故在像面上它们将被滤除掉。
只要控制低通滤波器的通光孔的半径(决定了低通滤波器的截止频率)，就能滤去那些衍射的爱里圆盘半径大于截止频率的灰尘。
拍摄全息像使用的针孔滤波器就是低通滤波器的典型例子，它被用来滤去物光和参考光路中光学元件上的灰尘影响。
高通滤波器和低通滤波器的作用相反，如(图7-2b)所示的一中心不透光的圆孔，它只让高频通过，而不让低频通过，这就导致谱面上光轴附近的一片黑，也就是照片的对比度反转。
2． 方向滤波器
如(图7-3a)所示的方向带通滤波器，它只能让垂直方向的平行线的频谱通过。
故导致在滤波后的像面上滞留下垂直方向的平行线条。
方向带阻滤波器如(图17-3b)所示，它不能让
垂直方向的平行线的频谱通过。
故导致在滤波后
的像面上垂直方向的平行线完全被滤除掉。
依据
同样的道理，我们可以制作出任意方向(例如
45方向)的带通或带阻滤波器，来去除或只留下该方
向的平行线条。
三、实验仪器及注意事项
光学平台 一张 He-Ne 激光器 一台 扩束镜Ｌ1（f=6.2或15mm ） 一个 准直透镜Ｌ2 （f=190mm ） 一个 变换透镜Ｌ3（f=225mm ） 一个 二维架 三个 升降调节座（SZ －03） 一个 正交全息相位光栅（10mm -1
） 一块 全息相位光栅（20L ／mm ） 一块 低通滤波器（可调光阑代替） 一个 高通滤波器（可调光阑代替） 一个 不同方向滤波器（可调光阑代替）两个 注意事项
（1）所有光学镜片，不能用手摸，不能对着哈气。
用后放入干燥箱内。
如果发现有不清洁
现向，应交教师处理。
（2）构建光路时，可用细激光束作光轴。
（3）构建光路的所有镜子和光学元件的中心，必需事先和光轴放在统一高度上。
四、实验内容
1．全息光栅的频谱及滤波过程
①用扩束镜Ｌ1和准直镜Ｌ2组成平行光束光路(注意检查是否真正是平行光！本实验关键)，用Ｌ3做傅立叶变换透镜，组成如(图7-4)的光路，其中从谱到像的变换透镜省略，在无穷远(四米以外即可)点放上一白屏作为像面，在上观察物体的像。
(a) (b) (图17-3)方向带通和带阻滤波器
②把全息相位光栅放到如图(图7-4)
所示的光信息处理系统的物平面上。
前
后移动透镜Ｌ2，使光栅的频谱清晰出现
在透镜Ｌ3的后焦面上(即谱面)成为一
组平行点(就是全息光栅的谱)，中间亮
点是0级，此后是±1，±2，……，在
像面上观察全息光栅的像。
③遮住除0级外的所有级(相当于低通滤波器)，在像面上观察全息光栅的像。
④遮住除0和±1级外的所有级，在像面上观察全息光栅的像。
⑤只遮住±1级，在像面上观察全息光栅的像。
指出上述各种情况下的像的变化。
2．全息正交光栅的频谱及滤波过程
①把正交全息相位光栅放到如图(图7-5)所
示的光信息处理系统的物平面上。
前后移动透镜
Ｌ2，使光栅的频谱清晰出现在透镜的后焦面上(即
谱面)成为一组方形点阵(就是正交全息光栅的
谱)，中间亮点是0级，此后是±1，±2，……，
在像面上观察全息光栅的像。
②若在谱面上使用低通滤波器，进行滤波(即只让中心亮点通过)后，则在像面上看到一片亮光(相当于1=x ，1=y )，如图7-6a 所示。
③若在谱面上使用高通滤波器，进行滤波后(即只把中心亮点遮住)，在像面上观察全息光栅的像，如图7-6b 所示。
④若在谱面上使用水平方向带通滤波器，进行滤波后，则在像面上看到一组水平亮线，如图7-7a 所示。
⑤若在谱面上使用
135方向带通滤波器，进行滤波后，则在像面上看到一组 45水平亮线，如图7-7b 所示。
3． 用低通滤波器去除噪声
如图7-8所示的“光”字上带有网格噪声，我们可以用低通滤波器来将它去除掉。
把“光”字放在物面上，经透镜Ｌ3变换到谱面上，在此面上在放置低通滤波器滤波，我们就可在像
(图7-4)光学空间滤波的实验装置
(a) (b) (图7-5)方格栅物体和它的频谱
(a) (b) (a) (b)
(图7-6)经低通和高通滤波后的像 (图7-7)经水平和
45带通滤波后的像
面上看到没有网格噪声的“光”字。
(a) (b)
图7-8 去除网格噪声五、思考问题
（1）处理后的像实际上是原物体和滤波器频谱的卷积，对不对？（2）如果滤波器刚好是物频谱的共轭谱，像面上会出现什么？。