光学信息处理 第六章 光学图像识别
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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。
《信息光学》第八章 光学信息处理
2、相干滤波的基本原理
2.1 阿贝—波特实验
阿贝—波特实验证明了阿贝的成像理论，是显示空间滤波原理的富有说服
力的实验，如下图所示(4f系统)：
其中，L1是准直透镜，L2和L3是傅里叶变换透镜，焦距均为f。P1、P2和P3分 别是物面、频谱面和像面，P3平面采用反射坐标系。
2、相干滤波的基本原理
其中，a为缝宽，d为光栅常数，L为光栅沿x1方向的尺寸。
aL n an T fx sin c sin c L f x d d n d
采用单位振幅平面波垂直照明，P2面上的光场分布正比于物体的频谱，即：
2、相干滤波的基本原理
3)采用双缝，仅让正、负二级谱通过。 狭缝后的透射光场：
2 2a T f x H f x aL sin c sin c L f x d d d 2 2a sin c sin c L f x d d
其中，
fx
x2 f
fy
y2 f
3、简单振幅和位相滤波的例子
f x1 , y1 1 j x1 , y1 物光波包括两部分：直接透射光和由于位相起伏造成的弱衍射光。由于j 表示这两部分光之间位相差为/2，它们相干叠加时干涉项为零。这正是 在背景光上观察不到衍射光的根本原因。要使像的强度产生可观测的变 化，必须改变这两部分光之间的位相正交关系。
T fx H fx T f x
aL sin c Lf x d
P3面输出光场分布为
g x3 F -1 T f x H f x
t x3
信息光学智慧树知到答案章节测试2023年苏州大学
绪论单元测试1.“信息光学”又称为 ____。
答案:第一章测试1.高斯函数的傅里叶变换是（）A:B:C:D:答案:B2.函数的傅里叶变换是（）。
A:B:C:D:答案:A3.某平面波的复振幅分布为，那么它在不同方向的空间频率，也就是复振幅分布的空间频谱为（）。
A:，B:，答案:A4.圆域函数Circ（r）的傅里叶变换是。
（）A:错B:对答案:B5.尺寸a×b 的不透明矩形屏，其透过率函数为rect(x/a)rect(y/b)。
（）A:错B:对答案:A6.卷积是一种 ____，它的两个效应分别是_和_，两个函数f(x, y)和h(x, y)卷积的积分表达式为____。
答案:7.什么是线性空不变系统的本征函数？答案:8.基元函数是不能再进行分解的基本函数单元，光学系统中常用的三种基元函数分别是什么？答案:第二章测试1.在衍射现象中，当衍射孔径越小，中央亮斑就____。
答案:2.点光源发出的球面波的等相位面为_，平行平面波的等相位面为_。
答案:3.平面波角谱理论中，菲涅耳近似的实质是用_来代替球面的子波；夫琅和费近似实质是用_来代替球面子波。
答案:4.你认为能否获得理想的平行光束？为什么？答案:5.菲涅尔对惠更斯的波动光学理论表述主要有哪两方面的重要贡献？答案:6.已知一单色平面波的复振幅表达式为，请问该平面波在传播方向的空间频率以及在x，y，z方向的空间频率分别是什么？答案:第三章测试1.物体放在透镜（）位置上时，透镜的像方焦面上才能得到物体准确的傅里叶频谱。
A:之后B:之前C:前表面D:前焦面答案:D2.衍射受限光学系统是指（），仅考虑光瞳产生的衍射限制的系统。
A:考虑像差的影响B:不考虑像差的影响答案:B3.相干传递函数是相干光学系统中（）的傅里叶变换。
A:点扩散函数B:脉冲响应函数C:余弦函数D:复振幅函数答案:A4.（）是实现对空间物体进行信息处理和变换的基本光路结构。
A:光学系统B:4f光路C:准直系统D:单透镜系统答案:D5.成像的本质是衍射光斑的叠加结果。
《光学信息处理技术》PPT课件
频谱面上的光场分布与物的结构密切相关，原点附近分布着物的低
频信息；离原点较远处，分布着物的较高的频率分量。
7
§7-1 空间滤波基本原理
二、阿贝—波特（Abbe—Porter）实验（1906）
相干单色平行光照明
实验装置
物平面 细丝网格状物 （正交光栅）
频谱面 放置滤波器
改变物的 频谱结构
像面 观察到各种 不同的像
T ( fx ) = ℱ [ t ( x1 ) ] 它的傅里叶变换—栅状物的夫琅和费衍射图样:
aB d
s
incBfx
sinc
a d
sincB
fx
1 d
sinc
a d
sincB
fx
1 d
......
零级谱
正、负一级谱
高级频谱
强度呈现为一系列亮点，每个
亮点是一个sinc2函数
幅值受单缝衍射限制，包络
带通滤波器：
用于选择某些频谱分量通过，阻挡另一些分量 例：正交光栅上污点的清除
滤波后可在像面 上得到去除了污 点的正交光栅
29
§7-3 空间滤波应用
例: 疵点检查——方向滤波器
印刷电路掩膜的 频谱沿轴分布， 疵点的频谱比较 分散。
此滤波器可提取 出疵点的信息
在输出面上得到 疵点的图像
30
§7-3 空间滤波应用
滤波器：放置在频 谱面中心的孔，仅 让0级谱通过
综合出的像：
仅有边框，不 出现条纹结构
零频分量是一个直流分量，它只代表像的本底
12
原物
通过的频谱 综合出的图像
阻挡零频分量，在一定条件下可使像的衬度发生反转 13
原物
通过的频谱 综合出的图像
用于微小差异图像识别的光学差异相关方法
用于微小差异图像识别的光学差异相关方法作者：张轶焜来源：《新教育时代·教师版》2017年第46期摘要：在光学信息处理当中，光学图像识别是一个重要的内容，在识别跟踪地面、空中军事目标，机器人视觉，工业自动化等领域中，都有着重要的应用。
光学图像识别的实现方法，主要有光学神经网络、光学相关等。
在生物、医学、军事等领域的实际应用中，时常会遇到参考信号和需要识别信号之间，只具有微小差异，同时信号自身具有复杂的结构，因而无法利用传统方法解决。
对此，应研究可用于微小差异图像识别的光学差异相关方法，从而进一步提高其应用功能。
关键词：微小差异图像识别光学差异相关引言光是自然界一种重要的现象，光波携带物体信息进入人的研究，使人对周围事物形成视觉印象，让人类能够更好的认识世界。
光学和信息、通信理论的融合，产生了信息光学的概念，是以傅里叶光学理论为基础的一种重要实践。
光学信息处理的设计领域很广，指的是利用光学方法，变换处理输入的信息，包括光信息、声信号、电信号等。
光学信息处理的特点在于容量大、并行度高，随着科技的发展，相关理论日益成熟，在实际应用当中也得到了极大进展。
在光学信息处理中，光学图像识别十分重要，在很多方面都有着广泛的应用。
而用于微小差异图像识别的光学差异相关方法，则是其中的重点和难点，需要进一步深入研究。
一、光学图像识别的基本理论图像识别，指的是对图像中是否含有特定信息进行判断与检测，在光信息处理当中，光学图像识别占据着重要的位置。
例如，通过军事侦察照片，对特定目标、文字等加以识别；通过患者病理照片，准确识别癌细胞组织；通过大量指纹档案，检查出犯罪分子的指纹等。
图形识别器采用相关器，但其具有较明显的局限性，只能对两个完全相同的图形加以判断，但如果一个图形相对另一个图形转动一个角度，或二者具有不同比例，相关器也难以识别[1]。
分数傅里叶是其中一个重要的研究方向，相关研究主要包括了透镜设计、神经网络、相位恢复、空间变换性滤波等方面。
光学信息处理技术
光学光谱分析
利用光学信息处理技术对物质成分、结构、含量等方面进行光谱分 析，提供快速、准确的分析结果。
光学仪器中的应用
光学显微镜
01
通过光学信息处理技术提高显微镜的成像质量和分辨率，应用
于生物学、医学、材料科学等领域。
光学望远镜
02
利用光学信息处理技术对天体进行观测和分析，推动天文学的
发展。
光学干涉仪
光学信息处理技术
汇报人： 202X-01-04
目录
• 光学信息处理技术概述 • 光学信息处理技术的基本原理 • 光学信息处理技术的主要方法 • 光学信息处理技术的实际应用 • 光学信息处理技术的未来展望 • 光学信息处理技术的挑战与解决方
案
01 光学信息处理技术概述
定义与特点
定义
光学信息处理技术是指利用光学 原理和光学器件对信息进行获取 、传输、处理、存储和显示的技 术。
特点
高速度、高精度、大容量、并行 处理、非接触、非破坏性等。
光学信息处理技术的发展历程
01
19世纪
光学显微镜和望远镜的发明，奠定了光学信息处理的基 础。
02
20世纪
全息摄影技术的出现，实现了三维信息的存储与再现。
03
21世纪
光子晶体、光子计算机等新型光学器件的出现，推动了 光学信息处理技术的发展。
光的干涉与衍射
光的干涉
当两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，光波的振幅会 因相位差而发生变化，产生明暗相间的干涉现象。干涉现象 在光学信息处理中可用于实现图像增强、图像恢复等功能。
光的衍射
光波在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物的边缘继续 传播的现象。衍射现象在光学信息处理中可用于实现光束控 制、光束合成等功能。
利用光学信息处理技术对物质成分、结构、含量等方面进行光谱分 析，提供快速、准确的分析结果。
光学仪器中的应用
光学显微镜
01
通过光学信息处理技术提高显微镜的成像质量和分辨率，应用
于生物学、医学、材料科学等领域。
光学望远镜
02
利用光学信息处理技术对天体进行观测和分析，推动天文学的
发展。
光学干涉仪
光学信息处理技术
汇报人： 202X-01-04
目录
• 光学信息处理技术概述 • 光学信息处理技术的基本原理 • 光学信息处理技术的主要方法 • 光学信息处理技术的实际应用 • 光学信息处理技术的未来展望 • 光学信息处理技术的挑战与解决方
案
01 光学信息处理技术概述
定义与特点
定义
光学信息处理技术是指利用光学 原理和光学器件对信息进行获取 、传输、处理、存储和显示的技 术。
特点
高速度、高精度、大容量、并行 处理、非接触、非破坏性等。
光学信息处理技术的发展历程
01
19世纪
光学显微镜和望远镜的发明，奠定了光学信息处理的基 础。
02
20世纪
全息摄影技术的出现，实现了三维信息的存储与再现。
03
21世纪
光子晶体、光子计算机等新型光学器件的出现，推动了 光学信息处理技术的发展。
光的干涉与衍射
光的干涉
当两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，光波的振幅会 因相位差而发生变化，产生明暗相间的干涉现象。干涉现象 在光学信息处理中可用于实现图像增强、图像恢复等功能。
光的衍射
光波在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物的边缘继续 传播的现象。衍射现象在光学信息处理中可用于实现光束控 制、光束合成等功能。
匹配滤波器及其在光学图像识别中的应用
3.再经过透镜会聚于相关输出面，即观察到的相关点
Page ▪ 28
计算机模拟过程
将目标图像做傅里叶变换后得到频谱信息，
再对其求复共轭，得到匹配滤波器G*。
将待识别图像做傅里叶变换得到F。
将F与G*相乘，得到滤波后的傅里叶频谱T。
对T进行傅里叶逆变换，得到相关信息。
Page ▪ 29
仿真1
目标
Page ▪ 30
该系统就能改变物
图像的空间频谱结
构，这就是空间滤
波的含义
Page ▪ 16
从空域来看
系统实现了输入信
息与滤波器脉冲响
应的卷积或相关，
完成了所期望的一
种变换
图像识别
相关原理：图像自动识别的基本结构是光学相关器。
两个复函数f(x,y)和g(x,y)的互相关定义为：
+∞ +∞
efg x, y = න න f ∗ ξ, η g x + ξ, y + η dξdη = f x, y ⨂g x, y
下列关系：
x2
y2
fx =
fy =
λf
λf
F fx , fy = ℱ f x1 , y1
ቐ
2
I fx , fy = F fx , fy
y1
Lc
y2
P1
P2
L
x2
x1
S
f
Page ▪ 10
f
在P2平面上的功率谱分布具有如下特性：
1.频率特性：中心的空间频率为零，由中心点向外空间频谱值越来越高。
2.方向特性：若物图像中存在线状构造，则其功率谱是沿着与此线状结
阿贝二次成像理论示意图
X代表物平面，
Page ▪ 28
计算机模拟过程
将目标图像做傅里叶变换后得到频谱信息，
再对其求复共轭，得到匹配滤波器G*。
将待识别图像做傅里叶变换得到F。
将F与G*相乘，得到滤波后的傅里叶频谱T。
对T进行傅里叶逆变换，得到相关信息。
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仿真1
目标
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该系统就能改变物
图像的空间频谱结
构，这就是空间滤
波的含义
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从空域来看
系统实现了输入信
息与滤波器脉冲响
应的卷积或相关，
完成了所期望的一
种变换
图像识别
相关原理：图像自动识别的基本结构是光学相关器。
两个复函数f(x,y)和g(x,y)的互相关定义为：
+∞ +∞
efg x, y = න න f ∗ ξ, η g x + ξ, y + η dξdη = f x, y ⨂g x, y
下列关系：
x2
y2
fx =
fy =
λf
λf
F fx , fy = ℱ f x1 , y1
ቐ
2
I fx , fy = F fx , fy
y1
Lc
y2
P1
P2
L
x2
x1
S
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在P2平面上的功率谱分布具有如下特性：
1.频率特性：中心的空间频率为零，由中心点向外空间频谱值越来越高。
2.方向特性：若物图像中存在线状构造，则其功率谱是沿着与此线状结
阿贝二次成像理论示意图
X代表物平面，
光学图像识别PPT课件
You Know, The More Powerful You Will Be
22
Thank You
在别人的演说中思考，在自己的故事里成长
Thinking In Other People‘S Speeches，Growing Up In Your Own Story 讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
23
16
10、联合变换相关器的应用
17
10、联合变换相关器的应用
18
1
20
10、联合变换相关器的应用
21
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
9
5、Vander Lugt 相关器的小型化
10
5、Vander Lugt 相关器的小型化
11
5、Vander Lugt 相关器的小型化
12
6、旋转不变Vander Lugt 相关器 7、比例不变Vander Lugt 相关器
13
8、联合变换相关器
14
8、联合变换相关器
15
9、实时联合变换相关器
光学图像识别
1
1、图像识别和光学相关器
2
2、非相干识别器
3
3、Vander Lugt 相关器
4
3、Vander Lugt 相光器
5
4、实时Vander Lugt 相关器
6
4、实时Vander Lugt 相关器
7
4、实时Vander Lugt 相关器
8
5、Vander Lugt 相关器的小型化
22
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在别人的演说中思考，在自己的故事里成长
Thinking In Other People‘S Speeches，Growing Up In Your Own Story 讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
23
16
10、联合变换相关器的应用
17
10、联合变换相关器的应用
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1
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10、联合变换相关器的应用
21
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
9
5、Vander Lugt 相关器的小型化
10
5、Vander Lugt 相关器的小型化
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5、Vander Lugt 相关器的小型化
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6、旋转不变Vander Lugt 相关器 7、比例不变Vander Lugt 相关器
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8、联合变换相关器
14
8、联合变换相关器
15
9、实时联合变换相关器
光学图像识别
1
1、图像识别和光学相关器
2
2、非相干识别器
3
3、Vander Lugt 相关器
4
3、Vander Lugt 相光器
5
4、实时Vander Lugt 相关器
6
4、实时Vander Lugt 相关器
7
4、实时Vander Lugt 相关器
8
5、Vander Lugt 相关器的小型化
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始于40年代晚期和50年代 1960年Cutrona 提出，利用透镜进行傅立叶变换. 1964 Vander Lugt在年提出复空间滤波，相关识别
真正引起普遍关注的
开发了各种技术、结构和算法，构造出高效的光学相关 器来实现光学模式识别.
第一个联合变换相关器（JTC）
Weaver和Goodman在1966年提出的 缺乏必要的接口设备，处于一种停滞的状态
模式识别
模式：一些供模仿用的、完美无缺的标本（广义）。 模式识别：识别出特定客体所模仿的标本。
光学模式识别
相关方法
频谱平面相关器(Frequency Plane Correlator,简称FPC) 联合变换相关器(Joint Transform Correlator，简称JTC)
神经网络方法
采用液晶光阀及电视显示终端的基本光学 系统
实际应用举例
A、 Vander Lugt 相关器基本装置
输入
显微物镜 准直物镜
付氏透镜
应用上面的图像识别系统可以进行： 1. 参考图像 g(x,y)的匹配滤波器的拍摄 2。输入图像 f(x,y)的辨认
输入
显微物镜 准直物镜
付氏透镜
在这个图像识别系统中，如f(x,y) 使用透明片输入，则为非实时化的。
（1） （4）
g(x,y) y
图4。3
G(u,v) v
x
u
R(u,v)
f
f
R(u, v) exp(iau) , a 2 sin
(2),(3)
滤波过程 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-1F(u, v)T (u, v)
•••
f
VLC基本装置
5、灵活、实用。
6、自由度大。
7、设备结构简单、成本低。
相关定理
c(x, y) f (x, y) g(x, y) f *( ,)g(x , y )dd
c(x, y) f (x, y) g(x, y) f *( x, y)g(,)dd
可改写为 c(, ) f (x, y) g(x, y) f *(x, y)g(x , y )dxdy
1. f(x,y)和 g(x,y)必须准确地叠合，以产生 最大的积分强度峰．
• 一旦两个图形有所错位，它们就不再准确 地重合，从而探测到的强度峰迅速消失， f(x,y) 就不能被识别。
2、局限性
仅能判别两个完全一样方位相同的图形，倘若 一个图形相对于另一个图形转 过一个角度， 或二者的比例有所不同，即便两个图形相同， 此相关器是无法识 别的。
二维条码
二维条码卡
读取设备：向激光、CCD发展
手持激光扫描器
手持二用激光扫描器
条码技术的特点 1、简单。条码符号制作容易，扫描操作简单。 2、信息采集速度快。条码扫描录入信息的速度是键盘录入 的20倍。 3、采集信息量大。一次可以采集几十位字符的信息。 4、可靠性高。误码率百万分之一，首读率可达98％以上。
易识别印刷体字符，却无法识别手写体字符．
可识别人脸的照片，但对真人的脸部的识别却 无能为力
Vander Lugt相关器 实时Vander Lugt相关器 Vander Lugt相关器小型化 旋转不变Vander Lugt相关器 比例不变Vander Lugt相关器
基本原理
VLC复数滤波器的记录 VLC识别
对于实时图象识别，可用透视型空间光调制器（SLM）来输入图形（例如液 晶显示器 LCD）。事先用CCD实时拍摄物体，并通过图像处理器把被拍摄 的物体像显示在LCD上．
L PH BS M OB RB MSF VLC AD CCD LCD SLM LCLV CMOS
Acronym 英文首字母缩写词
Lens
由此可以判定图形 f(x，y)和 g(x，y)的相似性．
平行光
参考信号可以沿x或y方向平移，例如可以通过计算机控制的步进电 机实施平移，从而相关峰的积分强度就是 g(x,y)的位置(,)的函 数，测得的相关函数c(,)将指示输信号f(x,y)与参考信号g(x,y)是 否相同，并给出它们精确重合时的位置。平行光可用相干或非相干 光。 这一识别过程把输入与参考信号g(x，y)的相似性 y)均为实数时，可进一步简化为:
c(, ) f (x, y)g(x , y )dxdy (1)
当 0时，c( 0,0 ) f (x, y)g(x, y)dxdy (2)
平行光
仅当输入信号 f(x，y)＝参考信号g(x，y)时，光强的 积分c(0，0)才达到极大值．
透镜
Pin Hole
针孔
Beam Splitter
分束器
Mirror
反光镜
Object Beam
物光束
Reference Beam
参考光束
Matched Spatial Filter
匹配滤波器
Vander Lugt Correlator
万德勒相关器
Array Detector
图像识别
光学相关器
Vander Lugt相关器
Vander Lugt相关器 实时Vander Lugt相关器 Vander Lugt相关器小型化 旋转不变Vander Lugt相关器 比例不变Vander Lugt相关器
联合变换相关器
实时联合变换相关器
什么是光学图像识别 光学图像识别的发展 光学图像识别应用
输入平面 f(x,y) y
x
傅立叶变换平面
T（u,v)
L1
L2
v
u
f
f
f
输出平面
F-1F(u,v)T (u,v)
•••
f
A、VLC复数滤波器的记录
T (u, v) G(u, v) R(u, v) 2 G(u, v) exp[iau] 2 G(u, v) 2 1 G(u, v) exp[ iau] G*(u, v) exp[iau]
1984年Yu和Lu报道一种实时可编程接口的JTC
JTC在不同的光学信息处理应用中扮演了重要的角色.
防伪技术
条码技术
计算机指纹扫描仪
指纹确认2秒 如美国Identix公司的指纹扫描设备在用一个
右手指正确匹配上接近100%。
军事上，导弹制导系统等 医学上，特定细胞识别、计数
一维条码