MATLAB仿真及其在光学课程中的应用课件第五章 MATLAB在光电图像处理中的应用
matlab仿真及其在光学课程中的应用
matlab仿真及其在光学课程中的应用一、引言Matlab是一种用于科学计算和数据分析的软件，它具有强大的数学计算能力和易于编程的特点，在光学课程中有着广泛的应用。
本文将介绍Matlab仿真在光学课程中的应用，并提供详细的实例说明。
二、Matlab基础知识1. Matlab环境介绍Matlab环境包括命令窗口、编辑器窗口、工作区窗口、命令历史窗口和帮助窗口等。
其中，命令窗口是进行交互式计算和演示的主要界面，编辑器窗口可以编写程序代码并保存到磁盘上，工作区窗口显示当前变量值，命令历史窗口记录执行过的命令，帮助窗口提供了详细的Matlab函数库说明。
2. Matlab语法规则Matlab语言采用类似于C语言的语法规则，但也有自己独特的特点。
例如，Matlab中所有变量都是矩阵类型，并且支持矩阵运算；函数名和变量名不区分大小写；注释符号为%。
3. Matlab常用函数库Matlab提供了丰富的函数库来支持各种数学计算和数据处理任务，例如矩阵运算、信号处理、图像处理等。
常用的函数库包括：（1）基本数学函数库：abs、sin、cos、tan、exp等；（2）矩阵运算函数库：inv、det、eig等；（3）信号处理函数库：fft、ifft等；（4）图像处理函数库：imread、imshow等。
三、Matlab在光学课程中的应用1. 光学波动方程仿真光学波动方程是描述光波传播的基本方程，通过Matlab可以进行波动方程的仿真计算。
例如，可以模拟出一个平面波在通过一片介质后的折射和反射情况。
具体步骤如下：（1）定义平面波初始状态和介质折射率；（2）利用波动方程求解得到平面波在介质中传播后的场分布；（3）绘制出平面波在介质中传播后的场分布图。
2. 光线追迹仿真光线追迹是描述光线传播和成像的基本方法之一，在Matlab中可以进行光线追迹的仿真计算。
例如，可以模拟出一个凸透镜成像过程。
具体步骤如下：（1）定义凸透镜的曲率半径和折射率；（2）定义物体点的位置和大小；（3）利用光线追迹方法求解得到物体点成像后的位置和大小；（4）绘制出凸透镜成像后的图像。
matlab教程(完整版)ppt课件
与Maple、Mathematica数学计算软件相比，MATLAB以数值计算见长，而 Maple等以符号运算见长，能给出解析解和任意精度解，而处理大量数据的能力 远不如MATLAB。
5/6/2020
.Matlab Language
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课程安排
课堂教学：共24学时；（1-12周） 上机试验：共24学时。
（2-13周，周二7-8节，九实401、402、403）
学习成绩： 1)上机实验成绩占30%; 2)考勤 10% ; 3) 考试60% （随堂考试）。
主要参考书 ➢ 《精通MATLAB 6.5》张志涌 等编著，北航出版，2003年 ➢ 《高等应用数学问题的Matlab求解》 薛定宇等著，清华大学出
MATLAB软件功能之强大、应用之广泛，已成为为21世纪最为重要的科学计算 语言。可见学习掌握这一工具的重要性。
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1.2 MATLAB产品的体系结构
围绕着MATLAB这个计算核心，形成了诸多针对不同 习使M实用A际MMTA上LATATMLBLAA产ABTBS间 的呢品LimA或核？由uB围 称 专 Bl离心若本这ilnoM文 标 编 行用绕为k散。c就干身M核 数A是k件 译效准模着模s时AT有模就心 据e窗编 生率的L块S块tT间、块是必i与 可ALm口译 成C。集集AB的S要组一u/基视图i生函BlC，（mCi动n了成个础化是+形oP成数k如Bm+态o仿，解极，于M应（用的位而领l方o标库w文Cp系cA真这不其i是一e且用工开域T详o式lk准或r件eTmos统Sr核一同丰集体发新领具，见eLo的这y的可m可tslA建s心b软的富高的提的域箱可tMu）、种执eCBo以nm模所A件模的x/性高产供工的大以i,专编行）cM被CTB、a开产块资能效品的具算概首+L门t译A文l，任iooA+分发T品完源数编家工箱法有先c用器n件这B何语Lk析的的成库B值程族s具还程到在4A于可，e些一言0lB和to应体不，多计语的箱在序网线、连以以c工产种文k仿用系同那个算言计，不包上帮S续将s提具品件Cie真g程结的么，与。算这t断，查助/时Mn、高箱提，Ca序构功应另些增被找文Al+D程的供而T包+能该外工加称是档S。序L列许生编P，，从A还具。为否。的表多成译B其哪有箱如专 已M程运以的器A中一其的果用 有序及T有部他总你工 相L每A：分公数有具 关个B开司已特箱 的本工始或有别工身具着研1的具所箱0手0究应箱提的多、单用，供使个学，
matlab仿真第五章ppt课件
乘法相当于系统串连，求逆则是求出系统的逆系统。
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2.2 连接函数 除了运算符连接外，在MATLAB中，也提供了子系统的
偏差信号E：输入信号与主反馈信号之差e=r-b。
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控制信号M：控制器的输出量。 干扰信号N：内部和外部的干扰量。 控制器G1：系统中承担信号放大、传动和执行作用的装
置。 被控对象G2：系统中的控制对象。 反馈环节H：用于检测输出状况的测量装置。
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前向通道：从系统输入端到输出端的正向传输通道，且每个节点只通 一次。
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1.5 建立LTI对象 控制系统工具箱将LTI系统的各种描述封装成一个对象，即用一个变量来描述。在控制
系统工具箱中，有以上讲述的三种对象，即ss对象，tf对象和zpk对象。 （1）tf()函数。tf()函数生成传递函数模型，或将零极点模型及状态空间模型转换成传
递函数模型。格式为： sys=tf(num,den)：生成连续时间系统传递函数模型。 sys=tf(num,den,Ts)：生成离散时间系统传递函数。 tfsys＝tf(sys)：将任意的LTI对象转换成传递函数模型。
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如果是MIMO系统，则用传递矩阵描述。例如：
s1
G
(s)
s2
2s
2
1
s 1
可表示为：
num={[1,1];[1 1]};
den={[1 2 2];1};
光学 matlab 书
光学matlab 书“光学matlab 书”是一本关于光学与matlab编程的教材，本文将逐步回答关于光学模拟、matlab编程以及两者之间的结合的问题。
第一部分：介绍光学模拟光学模拟是一种使用计算机编程来模拟光线行为和光学系统的方法。
它可以帮助我们预测光学系统的性能，优化设计，并理解光线在材料中的传播。
光学模拟在许多领域中都有广泛的应用，包括光学传感器、成像系统设计等。
第二部分：介绍matlab编程Matlab是一种强大的科学计算软件，它提供了丰富的工具箱和函数，使得编程变得更加容易和高效。
Matlab可以应用于许多领域，包括工程、物理、数学等。
它的优点在于其简单易学的语法、强大的矩阵运算功能以及丰富的图形绘制能力。
第三部分：光学模拟与matlab编程的结合将光学模拟与matlab编程结合起来，可以充分利用matlab的强大功能，提高模拟效率和准确性。
在光学模拟中，matlab可以用于计算光线的传播路径、光学系统的传输函数、光的强度分布等。
步骤一：光线传播模拟在光学模拟中，我们可以使用matlab编写程序来模拟光线在光学系统中的传播。
这涉及到光线的入射角度、材料的折射率、曲面的曲率等参数的计算。
通过matlab的矩阵运算和向量化操作，我们可以快速计算大量光线的传播路径。
步骤二：光学系统的传输函数计算光学系统的传输函数描述了输入光场与输出光场之间的关系。
它可以用于分析光学系统的性能，例如像差校正、成像分辨率等。
在光学模拟中，我们可以使用matlab编写程序来计算光学系统的传输函数。
这涉及到复杂的数学运算和光学原理的应用。
通过matlab的数值计算能力和丰富的工具箱，我们可以快速计算并分析各种光学系统的传输函数。
步骤三：光的强度分布计算光的强度分布是光学模拟中一个重要的参数。
它可以用于分析光学系统的亮度分布、畸变、光斑形状等。
在光学模拟中，我们可以使用matlab编写程序来计算光的强度分布。
这涉及到复杂的光学计算和图像处理。
使用MATLAB进行光学设计与光学系统分析
使用MATLAB进行光学设计与光学系统分析光学是研究光的产生、传播以及与物质相互作用的科学，它在现代科技领域中有着广泛的应用。
而光学设计和光学系统分析是光学领域中的两个重要方面。
本文将介绍如何使用MATLAB进行光学设计与光学系统分析，并分析MATLAB在其中的优势和应用。
光学设计是指根据特定需求和约束条件，通过合理的光学元件的配置和参数选择，设计出符合需求的光学系统的过程。
而光学系统分析则是对光学系统中各种元件进行性能评估和优化的过程。
使用MATLAB进行这两个过程，可以大大提高工作效率和准确度。
在光学设计中，最关键的是光线追迹和光场传播的计算。
光线追踪是一种从光源出发，模拟光线在光学系统中的传播路径，并计算光线与物体交互的方法。
通过MATLAB中的光线追踪工具包Ray Tracing Toolbox，我们可以实现对光线的追踪和计算。
该工具包提供了一套完整的函数和命令，能够模拟光线在复杂光学系统中的传播，并计算出光线的传播路径、入射角、反射/折射角等信息。
借助此工具包，我们可以对光学系统进行快速而准确的设计和分析。
除了光线追踪，光学系统的成像效果和性能分析也是光学设计中的重要步骤。
MATLAB具有强大的图像处理和分析功能，可以用于对光学成像系统进行模拟和分析。
通过MATLAB提供的图像处理函数，我们可以对光学系统的模拟图像进行处理，包括去噪、去畸变、增强对比度等。
而通过MATLAB中的图像分析工具包Image Processing Toolbox，我们可以对系统的PSF（Point Spread Function，点扩散函数）进行分析，从而了解图像的分辨率、对比度等性能指标。
在光学系统分析中，除了光线追踪和成像效果的分析，光学系统的光学性能评价也是一个关键步骤。
这包括了光学系统的MTF（Modulation Transfer Function，调制传递函数）、功率传输函数等参数的计算和评估。
在MATLAB中，通过光学传输函数工具包Optical Transfer Function Toolbox，可以方便地计算和分析光学系统的MTF和功率传输函数。
matlab仿真及其在光学课程中的应用
Matlab仿真及其在光学课程中的应用引言光学是物理学的一门重要分支，研究光的传播、发射、吸收和激发等现象。
在光学课程中，学生需要深入理解光的性质和行为，并通过实验与仿真来加深对光学原理的理解。
Matlab是一种强大的数学工具，它在光学仿真中有着广泛的应用。
本文将介绍Matlab在光学课程中的应用，并探讨其在光学仿真中的优势和局限性。
Matlab在光学课程中的应用1. 光的传播模拟在光学课程中，我们经常需要研究光在不同介质中的传播行为。
Matlab的光线传播仿真工具箱提供了一套丰富的函数和工具，可以模拟光的传播路径、光束的变化和光的干涉等现象。
通过这些仿真工具，学生可以直观地观察到光在不同介质中的传播速度、折射角度和波长变化等重要现象，加深对光的传播行为的理解。
2. 光学元件设计与优化在光学器件的设计与优化中，Matlab可以帮助我们建立光学系统的数学模型，并通过优化算法来提高设计的性能。
例如，在透镜的设计中，我们可以使用Matlab中的光学元件模拟工具箱来建立透镜的材料、形状和尺寸等参数，并通过优化算法来优化透镜的成像性能。
这样的仿真过程可以使学生深入了解光学器件的设计过程，并提高他们的设计和优化能力。
3. 光学散射模拟光学散射是光在介质中遇到微观颗粒或界面时发生的现象，对于理解大气中的光传播、材料的散射特性等具有重要意义。
Matlab提供了多种模拟光学散射现象的工具和函数，可以帮助学生研究光在不同介质中的散射行为。
通过这些仿真工具，学生可以模拟不同尺寸和形状的颗粒对光的散射效应，并探索散射对光的传播的影响，深入理解光学散射的机理和特性。
Matlab光学仿真的优势和局限性1. 优势•丰富的功能和工具：Matlab提供了许多功能强大的工具箱和函数，用于光学仿真。
这些工具箱包括光线传播仿真工具箱、光学元件模拟工具箱等，可以满足不同仿真需求。
•易于学习和使用：Matlab具有简洁、直观的界面和易于学习的语法，使得初学者可以快速上手，并且能够更加专注于光学问题的研究。
光学matlab
光学matlab光学是研究光的传播、传输、接收和控制的学科，它在现代科学和技术中有着广泛的应用。
而matlab作为一种高级技术计算软件，可以用来进行光学相关问题的模拟和分析。
本文将探讨光学中matlab的应用，并介绍一些常见的光学问题的matlab解决方法。
一、光学基础模型的建立光的传播可以通过把一束光看作一系列波导模式的叠加来进行描述。
在matlab中，可以使用传输矩阵法建立光学基础模型。
传输矩阵法是一种常用的光学系统分析方法，通过将光的传播过程离散化为一系列的光束传输，可以有效地描述光束的传输特性。
对于一个光学系统，可以将其表示为一系列的光束传输段，每个传输段都可以用一个传输矩阵来描述。
传输矩阵包含了光束在这个传输段中的传输特性，如传输矩阵的大小和相位变化等。
在matlab中，可以使用transfermatrix函数来建立光学系统的传输矩阵。
该函数可以将光束传输段的传输特性作为输入，输出整个光学系统的传输矩阵。
通过反复使用该函数，可以建立复杂光学系统的传输模型。
二、光学系统的性能分析与优化在光学系统设计和性能优化过程中，matlab可以帮助我们实现快速的分析和优化。
例如，通过对光学系统进行光线追踪，可以得到系统的光强分布情况，进而对系统进行光束控制和调整。
在matlab中，可以使用raytrace函数对光学系统进行光线追踪。
该函数可以模拟光束在光学系统中的传输路径，并给出光强分布的结果。
通过调整光学系统的参数，可以对系统进行优化，以达到设计要求。
另外，光的衍射是光学中一个重要的现象，matlab可以用来模拟和分析衍射效应。
例如，通过使用衍射积分函数可以计算光学元件的衍射场，得到衍射光强的分布和模式。
三、光学器件的设计与优化光学器件的设计和优化是光学工程中的重要内容。
matlab作为一个强大的计算工具，可以帮助我们实现对光学器件的快速设计和分析。
例如，在光学微透镜的设计中，可以使用matlab进行光场传输的模拟。
《MATLAB仿真及其在光学课程中的应用(第3版)》教学课件—02MATLAB的基本语法
• 2.1.4 元胞数组
• 元胞是元胞数组（CellArray）的基本组成部分。元胞 数组与数值数组相似，以下标来区分，单元元胞数组由元 胞和元胞内容两部分组成。与一般的数值数组不同，元胞 可以存放任何类型、任何大小的数组，而且同一个元胞数 组中各元胞的内容可以不同。创建元胞数组有用花括号{ } 直接赋值生成元胞数组和函数cell创建元胞数组这两种方 法。元胞数组的运算函数如书中表2-6所示。
• 【例2-1-3】元胞数组创建与显示实例。 • MATLAB语句： • a={'MATLAB成绩',91,['笔试46';'上机45']} %用括号{}直接赋值 • b=cell(2);b{1,1}='class';b{1,2}='no020305'; • b{2,1}='name mary'; b{2,2}=['Computer is 95'] %函数cell创建元胞
MATLAB语句：
• >>student=struct('number','02110875','name','王玲','sex','女 ','age','21',...
• 'class','03','department','02')
• 运行语句，输出结果：
• student =
•
number: '02110875'
• MATLAB为关系运算和逻辑运算提供了关系操作符和 逻辑操作符，如书中表2-4和表2-5所示。
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• ◆运行结果如图所示。
（b）灰度级限定在[100,200]
• 【例5-2-3】编写程序实现能够读入MATLAB工作目录中的多个图片文 件，并在一个窗口显示这些图片显示该图片。
• ◆ MATLAB程序： • >> I=imread('E:\juzi.png'); • >> J=imread('E:\hua1.jpg'); • >> K=imread('E:\2.jpg'); • >> L=imread('E:\3.jpg'); • >> subplot(2,2,1); • >> imshow(I); • >> subplot(2,2,2); • >> imshow(J); • >> subplot(2,2,3); • >> imshow(K); • >> subplot(2,2,4); • >> imshow(L); • 结果见右图所示。
• 图像矩阵与颜色图矩阵的关系依赖于图像矩阵是双精度类型 还是无符号8位整数类型。
• 索引图像一般用于存放色彩要求比较简单的图像，如 Windows中色彩构成比较简单的壁纸多采用索引图像存放， 如果图像的色彩比较复杂，就要用到RGB真彩色图像。
• 5.1.2 RGB图像
• “真彩色”是RGB颜色的另一种流行叫法。从技术角度考 虑，真彩色是指写到磁盘上的图像类型，而RGB颜色是指显 示器的显示模式RGB图像的颜色是非映射的，它可以从系统 的“颜色表”里自由获取所需的颜色，这种图像文件里的颜 色直接与PC机上的显示颜色相对应。在真彩色图像中，每 一个像素由红、绿和蓝这三个字节组成，每个字节为8bit， 表示0~255之间的不同的亮度值，这三个字节组合可以产生 40962种不同的颜色。
5.2 数字图像的读取、显示及输出
• 5.2.1 图像的读取
• MATLAB中利用函数imread来实现图像文件的读取操作。其 语法格式为：
• A = imread(filename,fmt)
• [X,map] = imread(filename,fmt)
• 其中参数fmt指定了图像的格式，可选的值为.bmp、.hdf、 .jpg、.png、.tif、.pcx和.xwd，图像格式也可以和文件名写 在—起，即filename.fmt。默认的文件目录为当前MATLAB 的工作目录，如果不指定fmt，MATLAB会自动根据文件头 确定文件格式。
• 【例5-2-1】写出一个程序，要求该程序能够读入MATLAB 工作目录中的RGB图片，并显示该图片。
• 读取图片调用imread()函数，其中，默认的文件目录为当前 MATLAB的工作目录，读取其它地方的图片文件，应写明 具体路径。
• ◆ MATLAB程序如下：
• >>RGB=imread('E:\juzi.png'); • >>imshow(RGB);%用imshow()函数显示图片 • ◆ 运行结果如图所示。
• (2)按图像像素空间坐标和亮度（或色彩）的连续性:模拟图像 和数字图像。
• 数字图像的存储方式:矢量图形（如.a1、.eps、.emf格式图 像）和位图图像（如.tift格式图像）。
• 数字图像处理主要包括图像的转换和存储、图像视觉优化和 图像理解三个层次。
• 5.1.1 索引图像
• 索引图像包括图像矩阵与颜色图矩阵。其中，颜色图矩阵是 按图像中颜色值进行排序后生成的矩阵。对于每个像素，图 像矩阵包含一个值，这个值就是颜色图矩阵中的索引。颜色 图矩阵为 的双精度值矩阵，各行分别指定红、绿、蓝(R、G 、B )单色值，且R、G、B均为值域的实数值。
•
二值图像可以保存为双精度或类型的数组，显然使用类
型更节省空间。在图像处理工具箱中，任何一个返回二进制
图像的函数都是以类型逻辑数组来返回的。
• 5.1.4灰度图像
• 在MATLAB中，灰度图像是保存在一个矩阵中的，矩阵中 的每一个元素代表一个像素点。矩阵可以是双精度类型，其 值域为[0,1]；矩阵也可以是unit8类型，其数据范围为[0,255] 。矩阵的每一个元素代表不同的亮度或灰度级，其中，亮度 为0，表示黑色；亮度为1（或者unit8类型的255），则代表 白色。
第五章 MATLAB在光电图像 处理中的应用
• 光电图像处理:指计算机系统通过光学系统和光电图像传感器 ，将自然界中的模拟图像转换为计算机中的数字图像，进而 对图像进行处理和分析。
• 5.1 图像及数字图像简介
• 图像:是对客观存在物体的一种相似性描述，它包含了被描述 对象的相关信息。其分类:
• (1)根据人眼的视觉特性:可见图像和不可见图像。
• 【例5-2-2】编写程序实现能够读入MATLAB工作目 MATLAB程序如下：
• >> I=imread('E:\hua1.jpg');
• >> figure
• >> imshow(I,200); • >> figure
（a）灰度级数目200
• >> imshow(I,[100,200]);
• MATLAB中的RGB数组可以是双精度的浮点数类型、8 位或16位无符号的整数类型。在RGB的双精度型数组中， 每一种颜色用0和1之间的数值表示。
• 5.1.3 二值图像
• 在二值图像中，每个点为两个离散值中的一个，这两个 值分别代表“开”或“关”。二进制图像被保存在一个二维 的由0（关）和1（开）组成的矩阵中。从另一个角度讲， 二进制图像可以看作一个仅包括黑与白的特殊灰度图像，也 可看作仅有两种颜色的索引图像。
• 5.2.2图像的显示
• 在MATLAB的图像处理工具箱中，还提供了一个应用很广泛 的图像显示函数，即imshow函数。与image函数和 imagesec函数类似，imshow函数也创建句柄图形图像对象 。此外，imshow函数也可以自动设置各种句柄图形属性和 图像特征。
• 当用户调用imshow函数显示一幅图像时，该函数将自动设 置图像窗口、坐标轴和图像属性。这些自动设置的属性包括 图像对象的cdata属性和cdatamapping属性、坐标轴对象的 clim属性以及图像窗口对象的colormap属性。