阿貝成像空間光信息處理實驗講義.doc

阿貝成像空間光信息處理實驗阿貝空間濾波實驗是指利用阿貝波特實驗裝置和空間濾波系統(tǒng)在光學系統(tǒng)的傅立葉變換頻譜面上放置適當?shù)臑V波器，以改變光波的頻譜結(jié)構(gòu)，從而使物圖象獲得預期的改善。用Matlab強大的計算及圖像可視化功能快速完成阿貝波特實驗物理模型的構(gòu)建，實現(xiàn)數(shù)值模擬。計算機模擬不受儀器、場地的限制，模擬效果要比試驗結(jié)果好很多；此外，學生可以自己動手制作各種物面圖形,觀察各種物體的空間頻率分布,設計各種不同的空間濾波器,非常靈活。本實驗要求學生進行阿貝波特光路試驗及計算機仿真?！緦嶒災康摹?、 通過阿貝波特系列實驗加深對阿貝二次成像理論和空間濾波的理解；2、 通過計算機仿真掌握一種空間濾波的分析手段，并進一步加深對空間濾波的理解?！緦嶒炘怼?、 阿貝成像原理 在相干平行光照明下,顯微鏡的物鏡成像可以分成兩步：入射光經(jīng)過物的衍射在物鏡的后焦面上形成夫瑯禾費衍射圖樣;衍射圖樣作為新的子波源發(fā)出的球面波在像平面上相干疊加成像。相干光的成像過程本質(zhì)上是兩次傅立葉變換,第一次將光場空間分布變成頻率分布，第二次則是傅立葉逆變換,即將各頻譜分量復合為像。圖1 阿貝成像原理的衍射光路圖2、 阿貝空間濾波概括地說,阿貝成像過程分兩步：先是“衍射分頻”,然后是“干涉合成”。所以如果著手改變頻譜,必然引起像的變化。在頻譜面上作的光學處理就是空間濾波。最簡單的方法是用各種光欄對衍射斑進行取舍,達到改造圖像的目的。例如對圖2(a)所示兩種具有不同透過函數(shù)的光柵（物）,分別如圖2(b)所示濾波。在像面上就會有圖2(c)、2(d)、2(e)那樣不同的振幅分布、光強分布和圖像效果。圖中左列讓頻譜的零級和級通過,像中條紋界限不如原物那樣清晰,而且在暗條中間還有些亮;右列擋住零級頻譜,圖像對比度發(fā)生了反轉(zhuǎn),即原物不透光部分變得比透光部分還要明亮,柵線的邊界變成細銳黑線。圖2 空間濾波舉例常用的二元振幅型空間濾波器分為：低通、高通、帶通和方向型濾波器。低通濾波器可以濾掉高頻噪聲；高通濾波則可以突出圖像的細節(jié)部分實現(xiàn)邊沿增強，滿足某種特定條件時還可以實現(xiàn)襯度反轉(zhuǎn)；帶通濾波和方向型濾波可以濾掉或突出某種特定的頻譜信息。還有其它復雜的濾波器則可以采取各種復雜的孔板、吸收板和相移板等。圖3是阿貝空間濾波的光路示意圖，圖4是阿貝空間濾波的部分試驗結(jié)果。從試驗結(jié)果可以得出如下結(jié)論：a. 頻譜面上的橫向分布是物的縱向結(jié)構(gòu)的信息(圖4(b);頻譜面上 的縱向分布是物的橫向結(jié)構(gòu)的信息(圖4(c);b. 零頻分量是一個直流分量,它只代表像的本底(圖4(d);c. 阻擋零頻分量,在一定條件下可使像發(fā)生襯度反轉(zhuǎn)(圖4(e);d. 允許低頻分量通過時,像的邊緣銳度降低; 允許高頻分量通過時, 像的邊緣應增強;e. 采用方向濾波器,可完全改變像的性質(zhì)(圖4(f);頻譜面像面L3物面L1L2f1f2激光器L4FFF圖3 阿貝空間濾波光路示意圖圖4 正交光柵阿貝空間濾波部分試驗結(jié)果3、 數(shù)值模擬設計思想Matlab 具有強大的數(shù)值計算能力。本實驗利用它來模擬阿貝成像與空間濾波的幾個關(guān)鍵操作如下：a. 使用函數(shù)paddedsize4獲得填充參數(shù): PQ=paddedsize(size(f); b. 得到使用填充的傅立葉變換：F=fft2(f,PQ(1),PQ(2);c. 生成一個大小為PQ（1）*PQ（2）的濾波函數(shù)H。該濾波函數(shù)的格式必須如圖5（b）所示。另外,若它如圖5（a）所示那樣已居中,則在使用該濾波函數(shù)之前要令H=fftshift（H）;d. 將變換乘以濾波函數(shù)：G=H.*F;e. 獲得G的傅立葉逆變換的實部：g=real(ifft(G);f. 將左上部的矩形修剪為原始大小：g=g(1:size(f,1),1:size(f,2); 編程思路如圖6所示，預處理階段包括確定圖像大小、獲得填充參數(shù)和生成一個濾波函數(shù)等步驟。后處理階段包括計算結(jié)果的實部,修剪圖像,以及將圖像轉(zhuǎn)換為uint8類圖像或unit16類圖像,以便于存儲。（a）濾波函數(shù)圖5（b）濾波函數(shù)預處理f(x，y)輸入圖像傅立葉 變換后處理 g(x，y)濾波后的圖像濾波函數(shù)傅立葉逆變換F(u，v)H(u，v)F(u，v)頻域濾波操作圖6 編程框圖【實驗步驟】1、 光路調(diào)節(jié) 先使氦氖激光束平行于導軌,再通過由凸透鏡和組成的倒裝望遠鏡（圖3）,形成截面較大的平行于光具座導軌的準直光束（要用帶毫米方格紙或坐標軸的光屏在導軌上仔細移動檢查）。然后加入帶柵格的透明字模板（物）和透鏡。調(diào)好共軸,移動直到2m以外的像屏上獲清晰像。移開物模板,用一塊毛玻璃在透鏡的后焦面附近沿導軌移動,尋找激光的最小光點與像屏上反映的毛玻璃透射最大散斑的相關(guān)位置。以確定后焦面（頻譜面）并測出透鏡的焦距F,調(diào)節(jié)完畢,移開毛玻璃。2、 試驗步驟1 在物平面置一維光柵,觀察像平面上的豎直柵格像。接著分別測量頻譜面上對稱的1、2、3級衍射斑至中心軸的距離。據(jù)式，計算空間頻率和光柵常量。在頻譜面上放置可調(diào)狹縫或其他光欄,分別按下面要求選擇通過不同的頻率成分作觀察記錄。 2 把成像系統(tǒng)的物換成正交光柵,觀察并記錄頻譜和像。再分別用小孔和不同取向的可調(diào)狹縫光欄,讓頻譜的一個或一排（橫排、豎排及斜向）光點通過。記錄像的特征,測量像面柵格間距變化,并作簡單解釋。3、 數(shù)值模擬1 模擬二維光柵的頻譜，觀察并記錄實驗結(jié)果。在Matlab 中輸入以下指令：x=ones(100,100) %創(chuàng)建矩陣x(1:9:100,:)=0 %得到1 維光柵y=x.*(x) %得到2 維光柵C=fft2(y,200,200) %傅立葉變換p=abs(fftshift(z) %變換像限并取模 imshow(0.01*p) %以一定比例顯示圖像2 用圖像處理軟件預先畫一幅網(wǎng)格字圖像，如圖7所示，保存為BMP格式，編寫低通濾波程序，記錄實驗結(jié)果。圖7 網(wǎng)格字圖像3 對一幅圖像加入噪聲，如圖8所示，編寫散斑消除程序，記錄實驗結(jié)果。4 分別繪制間隔較大且暗條紋較粗的