第八章光学信息处理
《光学信息处理技术》课件
光学信息处理技术在理论和实践 中得到了广泛研究和应用。
光学信息处理技术的发展 趋势
光学信息处理技术将更加智能化、 高效化和便捷化，推动科技进步 和应用创新。
结语
通过本课程，我们总结了光学信息处理技术的基本原理和应用，并展望了未 来光学信息处理技术的发展可能性。
快速傅里叶变换是一种高效计算傅里叶变换的算法，可用于图像频谱分析和滤波。
数字图像处理技术
1 像素图像处理方法
像素图像处理方法以像素为基本处理单元，包括增强、滤波和分割等处理操作。
2 处理方法
数字图像处理方法包括变换、编码和压缩等技术，可用于图像编辑和图像信号分析。
3 区域处理方法
区域处理方法将图像分成不同区域，进行分割、特征提取和对象识别等操作。
光学信息处理技术广泛应用于图像处理、光学光学信息处理技术具有高速、高精度和免疫干扰等优点，但对环境光和噪声敏感。
基本光学信息处理技术
光学显微镜
光学显微镜是一种基于光学原理 的图像放大装置，可观察细小物 体及其结构。
光学干涉仪
光学衍射仪
光学干涉仪是一种利用干涉现象 测量物体形状和表面特性的仪器。
《光学信息处理技术》 PPT课件
本课程介绍了光学信息处理技术的基本原理和应用。通过本课程，你将了解 到光学信息处理技术的概述、基本方法、图像计算方法、数字图像处理技术、 光学识别技术以及其发展前景。
光学信息处理技术概述
定义
光学信息处理技术涉及使用光学原理和技术处理和传输信息的一系列方法和技术。
应用领域
光学衍射仪利用光的衍射现象处 理和分析光的信息，包括干涉、 衍射和散射。
光学信息处理的图像计算方法
1
赫尔曼-默里变换
光学信息处理
感谢观看
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
《光学信息处理》 isbn -回复
《光学信息处理》isbn -回复什么是光学信息处理？光学信息处理是利用光学原理和技术对信息进行处理和传输的一种方法。
它是一门交叉学科，涵盖了光学、电子工程、计算机科学等多个领域。
与传统的电子信息处理相比，光学信息处理具有处理速度快、信息容量大、抗干扰性能好等优势，因此被广泛应用于图像处理、光子计算、光存储等领域。
光学信息处理的基本原理是利用光的波动性和干涉性质。
光是一种电磁波，具有波粒二象性，既可以看作是波动的能量也可以看作是由光子组成的粒子。
由于光的特性，光学信息处理可以同时处理多个信息，在处理速度和信息容量上有很大的优势。
光学信息处理的基本步骤包括光信号的输入、干涉和检测。
首先，将需要处理的信息转化为光信号，并输入到光学系统中。
然后，利用光学器件，例如光栅、透镜等进行光束的干涉和分解，对信息进行空间变换和频谱变换。
最后，通过光敏材料或光电探测器检测光信号并将其转化为电信号，进而进行进一步的分析和处理。
在光学信息处理中，光栅是一种常用的光学器件。
光栅是一种有规律的周期结构，可以将光束分解成许多不同的波长分量。
通过改变光栅的周期和方向，可以实现光信号的调制、滤波等功能。
光栅还可以用于光谱分析、光学计算等应用领域。
除了光栅，光学信息处理中还广泛使用了透镜、偏振元件、光纤等光学器件。
透镜可以用来调节和聚焦光束，偏振元件可以用来控制光的偏振状态，光纤可以用来传输光信号。
这些光学器件的组合和调节可以实现不同的光学信息处理功能。
光学信息处理在许多领域中都有应用。
在图像处理中，光学信息处理可以实现图像压缩、图像增强、图像识别等功能。
在光子计算中，光学信息处理可以实现并行计算、傅里叶变换等操作。
在光存储中，光学信息处理可以实现高密度、高速度的数据存储和读取。
总结起来，光学信息处理利用光的波动性和干涉性质，通过光学器件对信息进行处理和传输。
它具有处理速度快、信息容量大等优势，被广泛应用于图像处理、光子计算、光存储等领域。
《光学信息处理》 isbn -回复
《光学信息处理》isbn -回复光学信息处理：理论与应用引言光学信息处理是基于光学原理与技术的一种信息处理方法，它利用光学器件和技术，对传输、存储、处理信息进行研究和实践。
本文将以《光学信息处理》为主题，逐步探讨光学信息处理的理论基础、主要内容与应用领域。
1. 光学信息处理的理论基础光学信息处理是在光学、电子学以及信息科学的交叉领域中得到发展的。
它借鉴了光学成像、衍射、干涉、全息以及光电技术等方面的理论基础，并结合信息科学的相关理论和方法，构建了光学信息处理的理论基础。
光学信息处理的理论基础主要包括以下几个方面：1.1 光学成像理论：光学信息处理的基本原理是通过光学成像对信息进行转换和处理。
光学成像理论研究了光传播和成像的规律，包括物体成像、像差校正、分辨率等内容。
1.2 光的衍射和干涉理论：衍射和干涉是光学信息处理中常用的技术手段。
衍射理论研究了光通过物体边缘或孔隙时的传播规律，干涉理论研究了两束或多束光相互叠加时的干涉规律。
通过衍射和干涉技术，可以实现光学信息的编码和解码。
1.3 全息理论：全息是光学信息处理的重要方法之一。
全息利用光的相位信息和干涉原理，将物体的三维信息编码到二维介质中，并通过读出这些编码信息来重构出原始物体的全息图像。
全息理论研究了全息图像的形成机制和重构算法。
1.4 光电技术：光电技术是光学信息处理的关键技术之一。
光电技术将光学信号转换成电信号或者将电信号转换成光学信号，并通过光电器件的控制和调制，实现光学信息的采集、传输、存储和处理。
2. 光学信息处理的主要内容光学信息处理的主要内容包括光学图像处理、光学信号处理、光学信息存储与传输、光学计算与逻辑运算、全息成像等。
2.1 光学图像处理：光学图像处理是将图像纹理、色调、对比度、亮度等特征的区域域可以改变，用以提取和增强图像的细节和信息，进而改善图像视觉效果。
光学图像处理技术包括滤波、边缘检测、纹理分析、图像增强、图像重建等。
光学信息处理技术
（1）脉冲函数的定义：
（2）矩形函数极限
（3）函数序列的极限
（4）广义函数定义下的δ函数
因此δ函数可以用不同的矩形函数的极限来定义，所以δ
是一个广义函数。为了判别不同的函数族所定义的是不是，
同一个广义函数，就需要用一个检验函数
(x)
检验函数 ( x) 需满足两个条件：
2.δ函数的性质 （1）筛选性
四．光信息处理的优势 1. 电子学的缺点
由于现代科学技术的发展提高计算机的运算速度和通信 容量。从这个意义来说，电子计算机正面临光计算机的挑 战，换句话说，光信息处理与光通信急速发展的原因是由 于光波本身物理本质的优越性。
电子计算机高速化有以下三个方面限制 1)量子力学限制 2)热力学限制 3)电子线路技术的限制 4)电子通信容量的限制
它以信息光学为基础，用付里叶分析的方法研究光学成 像和光学变换的理论和技术；实现图像的改善和增强，图 像识别，图像的几何畸变与光度的规整和纠正，光信息的 编码、存储和成图技术，三维图象显示和记录，仿生视觉 系统，以及电、声等非光信号的光信息处理等等。 C.光纤通信
用纤维光缆代替金属电缆，实现传输量大、防干扰性好、 保密性强，耗电少的新型通信线路，将是近年迅猛发展的 一个新领域。
目前认为，发挥光学与电子光学的优势，弥补两者的不 是从长远的意义来说，发展光-电子式混合式计算机是值得 研究的重要方向。
对光学信息处理的理解性定义：
从光衍射的惠更斯-菲涅耳原理可知，光学系统的成像过 程就是二次付里叶变换的过程，它是光电信息处理的基本 着眼点。用付里叶分折的观点，可以把任何二维图象看成 各种空间频率的正弦光栅迭加的结果。同时，又可把光学 系统成像特性归结为对不同空间频率正弦光栅的成像特性， 即光学系统的空间频率响应。
光学信息处理讲义
光学信息处理1. 引 言自六十年代激光出现以来，光学的重要发展之一是形成了一个新的光学分支——傅里叶光学。
傅里叶光学是指把数学中的傅里叶分析方法用于波动光学，把通讯理论中关于时间、时域、时间调制、频率、频谱等概念相应地改为空间、空域、空间调制、空间频率、空间频谱，并用傅里叶变换的观点来描述和处理波动光学中学波的传播、干涉、衍射等。
傅里叶变换已经成为光信息处理的极为重要的工具。
光学信息处理就是对光学图像或光波的振幅分布作进一步的处理。
自从阿贝成像理论提出以后，近代光学信息处理通常是在频域中进行。
由于光的衍射,图像的夫琅和费衍射分布,即图像的空间频谱分布与图像的空间分布规律不同,这使得在频谱面上对其进行处理可获得一些特殊的图像处理效果。
近代光学信息处理具有容量大，速度快，设备简单，可以处理二维图像信息等许多优点，是一门既古老又年青的迅速发展的学科。
光学信息存储、遥感、医疗、产品质量检验等方面有着重要的应用。
2. 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) 掌握光学滤波技术，观察各种光学滤波器产生的滤波效果，加深对光学信息处理基本思想的认识。
3) 加深对卷积定理的理解4) 了解用光栅滤波实现图像相加减及光学微分的原理和方法。
5) 了解黑白图像等密度的假彩色编码。
3. 实验原理1) 二维傅里叶变换和空间频谱在信息光学中常用傅里叶变换来表达和处理光的成像过程。
设在物屏X -Y 平面上光场的复振幅分布为g (x ，y ) ，根据傅里叶变换特性，可以将这样一个空间分布展开成一系列二维基元函数的线性叠加，即)](2exp[y f x f i y x +π∫∫+∞∞−+=y x y x y xdf df y f x f i f fG y x g )](2exp[),(),(π （1）式中f x 、f y 为x 、y 方向的空间频率，即单位长度内振幅起伏的次数，G (f x ，f y )表示原函数g (x ，y )中相应于空间频率为f x 、f y 的基元函数的权重，亦即各种空间频率的成分占多大的比例，也称为光场（optical field ）g (x ，y )的空间频谱。
光学信息处理全套课件
2、已知函数
f x rectx 2 rectx 2 求下列函数，
并作出函数图形。 （1）
f x 1 （2） f xsgnx
3、已知连续函数 f x ，若 x0 b 0 ，利用
函数可筛选出函数在 x x0 b 的值，试写出运算式。
4、利用梳状函数与矩形函数的卷积表示线光栅的透过率。
假定光栅常数为 ，缝宽为 ，缝数为 。
x, y x y
1.1.2 脉冲响应和叠加积分(1)
• 函数作为基元函数的情况。根据 函数的筛选性质（A.7,或
《积分变换》P16中1.12式），任何输入函数都可以表达为
f x1, y f , x , y dd
• 积分就是“相加 ”,筛选性质表明任意函数都可以表示为无穷多的
函数的和,每个 函数的“大小”被输入函数“调制”。
2 2
27
傅里叶级数的三角形式和指数形式之间关系
• 根据欧拉公式，三角形式的傅里叶级数可以写成
g x
1 a0
a
n
e
j
2nf
0
x
n1
e j 2nf0x 2
bn e j2nf0x
e j 2nf0x 2j
•令
1 a0
an n1
jbn 2
e j 2nf0x
an
coskxdx 0 (k 1,2,3,...)
sin kxdx 0 (k 1,2,3,...)
sin kxsin lxdx 0 (k l, k,l 1,2,3,...)
coskxcoslxdx 0 (k l, k,l 1,2,3,...)
22
周期函数展开为傅里叶级数
• 第1章的主要内容是二维线性系统分析 ，抽样定理 • 第2章关于标量衍射理论，由傅里叶分析与综合导出近
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既具有光学处理器大信息容量和二维并行处理、快速运算的能力， 又具有数字计算机运算精度高、灵活性好、便于控制和判断的能 力。
8.２ 相干滤波的基本原理
几何光学描述: 光线，透镜折射
P1 S
L
P1
F
P1
P3 L
P2
波动光学描述:
光波，波前变换
S
F
P1 S'
S'
信息光学描述？ 阿贝(1873年，德国) 在研究如何提高显微镜的 分辩本领时，提出了阿贝成像理论，为现代 成像光学、信息光学奠定了基础。
h(x,y)：脉冲响应
hx, y Hx, y
3. 相干滤波系统
4-f 系统（三透镜系统）
L1
y1
x1
L2
y2, u x2, v
L3
Light source
Collimator
f
Object plane
f
f
Spectrum plane
x3
y3
f
Image plane
Analysis
Synthesis
u
d
H(u) T(u)
…
u
T´(u)
u
…u
只有一个频率成分通过， 像面一片均匀，因此不能 成像。且强度下降。振幅
为a/d, a/d越小强度越弱。
tx3
FT
1T u
a d
rect
x3 L
t´(x3)
a/d
x3
L
2. 滤波器是一个适当宽度的狭缝，只允许0级和±1级通过
T
u
T
uH
u
aL d
sinc
2a d
sincL
u
2 d
s inc L u
2 d
H(u)
……
T(u)
T´(u)
像的振幅分布出现负值，是周期 变为d/2 的余弦振幅光栅。
u
像的强度分布的周期为d/4 ，
衬比度为1。
u x2 ,v y2
f f
双透镜系统（1）
L1
y1 x1
L2
y2, u x2, v
Light source
Collimator
p
Object plane
f Spectrum plane
Analysis and Synthesis
u x2 , v y2
f f
111 pq f
sinc
a d
sTin(uc) L u
m d
L>>d 可忽略各 项之间的 交叠
……
u
-2/d
-1/d -1/L 1/L 1/d
2/d
1. 滤波器是一个适当宽度的狭缝, 只允许0级通过
H u rect u , T u T uH u aL sincLu
rect
x3 L
<1/2……
a
x3
L
d
当 a/d<1/2
直流成分<1/2,
t'(x3)
…… >1/2
x3
像面振幅分布:
a Ld
周期仍为d，
矩形，有负值。
|t'(x3)|2
像面强度分布： 不是均匀分布，
……
x3
不反转, 衬比度下降。
a
Ld
例8.2.1 在4-f系统的输入平面上，放置一个正弦振幅光栅，
第八章 光学信息处理
8.1 引言
一 光学信息处理的概念
光学信息：指光的强度(或振幅)、相位、颜色(波长)和偏振态
光学信息处理：是基于光学频谱分析，利用傅里叶综合技术，
通过空域或频域调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理的 过程，多用于对二维图像的处理。
光学信息处理的方法（两种分类方法）：
其一：根据处理系统是否满足线性叠加性质，而分为线性处理和 和非线性处理。
三 光学处理与数字处理的比较
数字图像处理：指计算机图像处理
光学信息处理：指利用傅里叶综合技术，借助空间滤波技术
对二维图像的处理。
光学信息处理是并行处理，平行光照明时，记录在输入透明片
上的所有数据点可同时输入系统进行处理。特别适用对图像的快 速和实时处理。
数字图像处理是串行逐点处理，通过对图像扫描，产生时间
t0
t1/2
u
-0
0
滤波后的频谱：T´(u)=T(u)H(u), 像面光场分布：t´(x3)=FT -1[T´(u)]
像面强度分布：|t´(x3)|2
(1)
T´(u)=(t1/2)[(u-0)+ (u+0)]
t0
t1/2
u
-0
0
t(x3)=t1cos(20x3)
1/0
+t1
x3
asincau
1 d
m
u
m d
LsincLu
aL d
sinc
m
am d
s inc L u
m d
aL d
sincLu
sinc
a d
sincL
u
m d
Tu T uH u
aL d
sincLu
sinc
a d
s inc L u
1 d
sinc
a d
s inc L u
1 d
H(u) T(u)
…
像的周期仍为d，但变成余弦振
幅光栅，且衬比度下降。这是
其二：根据使用光源的时间和空间相干性分为相干光处理、非相 干光处理和白光处理。
二 历史发展
1859年 1873年 1935年 1946年
1963年 1965年 1970年 1980年
法国佛科刀口检验，提出去除透射光而保留散射或衍射光 德国科学家阿贝(Abbe)创建了二次成像理论。 荷兰泽尼克发明了相衬显微镜。（最早期的空间滤波技术） 杜弗把光学成像系统看作线性滤波器，成功用傅里叶 方法分析成像过程：《FT及其在光学中的应用》。 范特拉格特提出用全息技术制作复空间滤波。 罗曼和布劳恩使用计算机制作空间滤波器。 转向非相干光处理、白光处理。 光计算。
d/4
|t´(x3)|2
u
d/2
t´(x3)
L
x3
tx3 FT 1 T u
2a rect x3 sinc 2a cos 2 2x3
d L d d
4. 滤波器是适当宽度的不透光屏，挡掉0级，其余通过
Tu T uH u T u aL sincLu
8.2.3 空间滤波的傅立叶分 析
以一维矩形光栅作为输入图像为例，采用4-f 系统。
t
x1
rect
x1 a
1 d
comb
x1 d
rect
x1 L
…
L
1 t(x1) a
d
… x1Biblioteka T u asincaucombdu LsincLu
其振 幅透过率为：t(x1)=t0+t1cos(20x1)。若：
(1)在频谱面上放置一个小圆屏只档掉0级谱，求像的强度分布
及 可见度。
(2)移动小圆屏只档掉+1级谱，求像的强度分布及可见度。 解：
t(x1)=t0+t1cos(20x1)
1/0 t(x1) t0+t1 x3 t0-t1
T(u)=t0(u)+(t1/2)[(u-0)+ (u+0)] T(u)
x3
y3
q
Image plane
双透镜系统（2）
L1
y1 x1
y2, u x2, v
L2
Light source
p1
d q1
Object plane
Analysis
x3
y3
p2
q2
Spectrum plane
Image plane
Synthesis
u x2 , v y2
f f
111 pq f
2. 空间滤波数学描述：
FT
f x, y Fu,v Fu,vH u,v IFT F u, v
f(x,y)
在频域中，滤波操作是乘积：F´(u,v) = F(u,v)H(u,v)
在空域中，滤波操作是卷积：f ´(x,y) = f(x,y)*h(x,y)
H(u,v)：滤波函数；
-t1
|t(x3)|2=t12cos2(20x3)
1/(20)
t12
x3
V=1
(2)
T´(u)=t0(u)+ (t1/2)(u+0)]
t0
t1/2
u
-0
0
t(x3)= t0+ (t1/2)exp(-j20x3)
1/0
t0
j +t1/2
x3
-t1/2 1/0
|t(x3)|2=t02+t12/4+t0t1cos(20x3)
直流成分>1/2,
t'(x3)
…… <1/2
x3
像面振幅分布: 周 期仍为d， 矩形，有负值。