光信息处理[第4章]

第四章白光信息处理（WhitelightInformationProcessing）相干光处理和非相干光处理各有利弊，能否有一种方法：在光学处理中降低对光源相干性的要求，但又同时保持对复振幅的线性运算性质？一种新的光信息处理方法：白光信息处理。优点：•不存在相干噪声，又保留了相干光学处理系统对复振幅进行运算的能力，灵活性好。•采用宽谱带光源，适合处理彩色图像。嫦娥一号卫星拍摄的月面地形黑白图像月面地形色彩编码图像万户撞击坑白光信息处理实时假彩色编码位相调制假彩色编码空间假彩色编码（调制技术）θ等空间频率假彩色编码等密度假彩色编码4.1白光信息处理的基本原理光栅的作用：RRYYBB级0光栅kdsin当单色光照射到光栅常数为d的光栅上时，光会产生衍射。白光信息处理系统2cos2121101G）（）（xfxt信号(透明胶片)t(x1,y1)置于输入平面P1上,在其后紧贴一正弦光栅Gr,其振幅透射率为在单位振幅的准直白光照射下,光栅后表面上的复振幅分布为]2cos2121[101111）（），（），（xfyxtyxf]e21e21[121]2cos2121[10102211101111xfixfiyxtxfyxtyxf），（）（），（），（在频谱面P2上的空间频谱分布为)],(21),(21),([),(21),(00yxyxyxyxyxffffffffffTffF),(41),(41),(2100yxyxyxfffTfffTffTfxfx2fyfy2),(41),(41),(21),(2022022222fyffxTfyffxTfyfxTfyfxF),(41),(41),(21),(2022022222fyffxTfyffxTfyfxTfyfxF零级频谱+1级频谱–1级频谱0fftW2y2x±1级谱中心位于（±ff0，0）ffx02对于间隔为Δλ的两种色光λ1和λ2,其±1级谱的中心在x2轴上的偏移量为设输入信号的空间频率带宽为Wt，则其在x2轴上的空间宽度为不同波长的物体频谱能够分离的条件是fWxtttxx2ffx020fWt结论：只要光栅频率f0远大于输入信号的带宽Wt，就可以不考虑各波长频谱间的重叠。从而可在频谱面P2上对一系列取离散值的波长，像相干处理系统那样进行滤波操作。在输出平面P3上，波长为n的像场复振幅为对于波长为λn的物频谱，若在频谱面上采用滤波器，设其滤波函数为fyfffxHnnnn202,对于波长n，滤波后的频谱为fyfffxHfyfffxTnnnnnnn202202,,fyfffxHfyfffxTyxgnnnnnnnnn2022021-33,,F;,波长为n的像场的相对强度分布为2333333;,,;,nnnyxhyxtyxIfyfxHyxhnnnnn22133,F;,其中通过滤波器Hn的是包含n的某一窄波段Δn的光波，由于Δn比n小得多，故可作为准单色光处理。通过Hn滤波后的像强度分布为23333;,,nnnnyxhyxtI是第n个滤波器的脉冲响应。nnyxh;,33白光信息处理系统利用光栅的色散特性使各波长产生的信号频谱分离而对各波长的谱独立滤波，因而能进行复数信号的处理；并且输出强度是互不相干的窄带光强度之和，所以又能同时抑制相干噪声。当有N个离散滤波器同时作用于频谱面时，在输出平面上得到的是不同波长输出的非相干叠加，即NnnnnNnnyxhyxtII1233331;,,白光信息处理系统4.2实时假彩色编码如果能把一幅黑白图像的灰度分布转化为彩色分布，则可大大提高人眼对图像的分辨能力，从而获得更多的信息，这就是光学图像的假彩色编码。假彩色处理后的图像黑白图像一.等空间频率假彩色编码等空间频率假彩色编码是对图像的不同的空间频率赋予不同的颜色，从而使图像按空间频率的不同显示不同的色彩。白光信息处理系统将复振幅透过率为的黑白透明片与正交光栅叠加在一起放在输入平面上。11,yxt2cos21212cos2121,1111G）（）（）（yfxfyxtba正交光栅的复振幅透过率为2cos21212cos2121,1111G）（）（）（yfxfyxtba41111112222yfiyfixfixfibbaaeeee式中，fa，fb分别是光栅沿x1轴和y1轴方向上的空间频率。11G1111yxtyxtyxf,,,byxbyxyaxyaxyxyxfffTfffTfffTfffTffTffF,,41,,41,,P2平面上相应于该波长的频谱为对某一种波长，光栅后表面上的复振幅分布为白光照明下，有如图频谱面。沿x2，y2方向各有2个彩虹颜色的信号一级谱。2x2y高通滤波器低通滤波器于是频谱面后经过滤波的函数为滤波器只有沿着垂直颜色弥散的方向才有效．xbyxbxbyxryyaxryyaxbyxfHfffTfHfffTfHfffTfHfffTffG1221,,,,,2x2y高通滤波器低通滤波器xbyxbxbyxryyaxryyaxbyxfHfffTfHfffTfHfffTfHfffTffG1221,,,,,式中，Tb和Tr分别是所选择的蓝色和红色信号谱；H1和H2分别是一维低通滤波器和一维高通滤波器的滤波函数。在输出面P3上相应的复振幅分布为)(),()(),()(),()(),(F),g(32332323323133231332-1333333yhyxtexhyxtexhyxteyhyxteffGyxrxfiryfibyfibxfiyxabba,输出像的强度分布可近似表示为23233232332r23133231332b33)(),()(),()(),()(),(),I(3333yhyxtexhyxtexhyxteyhyxteyxrxfiryfibyfibxfiabba式中，Δλb和Δλr分别是信号的蓝色和红色的光谱宽度；h1和h2分别是H1和H2的点扩展函数。两个非相干像在输出面上合成了彩色编码像。在此滤波操作中,像的低频结构呈蓝色,高频结构呈红色。通过上述方法，在输出平面上将得到合成彩色编码像，由于空间频率结构相同的地方呈现相同的颜色，称为等空间频率假彩色编码。对图象编码假彩色成像二.等密度假彩色编码2x2y在Ｐ2平面上安放滤波器反转滤波片相位滤波器红滤波片反转滤波片的函数表达其他其他,,,,1011012222fyfyHfxfxH滤波后的频谱函数为xbyxgyyaxgbyxryaxryxfHfffTfHfffTfffTfffTffG,,,,,白光处理的输出平面P3上，复振幅分布为xbyxgyyaxgbyxryaxrfHfffTfHfffTfffTfffTyxg,,,,,-1-133FF；如果光栅频率足够高，则上式可以近似为33333333332222yxtyfixfiyxtyfixfiyxgngbarba,expexp,expexp;,33333333332222yxtyfixfiyxtyfixfiyxgngbarba,expexp,expexp;,是绿色的对比度反转像，即由于像tr和tgn分别来自光源中不同颜色的光谱带，它们之间是非相干的，所以输出平面强度分布为33yxtng,333323333dyxIyxIyxgyxInggrr,,,,；3333332yxtyxtyxtggng,,,红色正像绿色负像输出像面上，绿色负像和红色正像重合，强度叠加的结果是得到等密度的假彩色编码像。在操作前不需要对物图像作任何预处理,也不需要任何滤色片,颜色直接来自白光光源,可得到自然的假彩色,从而具有实时处理的特点。小结等空间频率假彩色编码是对图像的不同的空间频率赋予不同的颜色，从而使图像按空间频率的不同显示不同的色彩；等密度假彩色编码是对图像的不同灰度赋予不同的颜色。前者用以突出图像的结构差异；后者用以突出图像的灰度差异，以提高对黑白图像的目视判读能力。光学图像假彩色编码的特点4.3空间假彩色编码技术（调制技术）θ一.调制原理θ调制是在阿贝二次衍射成像原理基础上进行分光滤波实验，它用不同方向的光栅对图像的不同部分进行调制（亦称为编码），是通过改变用来调制用的光栅的方位角使图像色调重现的一种方法。1.被调制物（编码片）的制备编码物片若要使物中屋顶、房子和背景3个区域呈现3种不同的颜色,可在一张胶片上作3次曝光,每次只曝光其中一个区域(其他区域被挡住),并在其上覆盖某一取向的朗奇光栅,3次曝光分别取3个不同的取向。2.空间滤波调制光路编码物片将制备好的调制片经显影、定影处理后,置于4f系统输入平面P1,用白色平行光照明。屋顶——红色房子——黄色背景——蓝色调制后的像调制后的频谱面频谱面上的彩色频谱由于物被不同取向的光栅所调制，所以在频谱面P2上得到的将是取向不同的带状谱，物的3个不同区域的信息分布在3个不同的方向上，互不干扰，这就为空间滤波创造了方便条件；又由于采用白光照明，所以各级频谱呈现出色散的彩带，由中心向外按波长从短到长的顺序排列，这就使赋予图像以特定的不同色彩成为可能。二.光学图像的彩色增强和存储彩色胶片不耐保存可否用黑白胶片替代？将彩色胶片通过编码和解码在黑白胶片上进行存储和恢复1.彩色图像的编码和存储最基本的编码方法是用取向不同的光栅对颜色进行编码准直白光顺序记录的空间彩色编码技术原色滤色片朗奇光栅黑白底片彩色胶片朗奇光栅的三个角度位置o60o1202.解码——彩色图像的恢复和增强T(x,y)彩色滤波片S1L2L3L3Pffff4f解码光学系统S——扩展白光光源T(x,y)——黑白胶片所谓解码是指在白光信息处理系统中利用空间滤波操作，将存储在黑白胶片上的图像进行彩色恢复和增强。T(x,y)彩色滤波片频谱面上摄制的彩色带状谱图绿色蓝色红色用于解码的空间滤波器彩色滤波片红分色像蓝分色像三幅分色像精确复合绿分色像++4.4位相调制假彩色编码位相调制假彩色编码方法经过对信息的调制与解调，实现了空间强度调制信息与空间波长调制信息的转换。它实际上是另一种等密度假彩色编码方法。一.光栅调制将作为输入的与周期为d、缝宽为a的朗奇光栅密接，在一张感光底片上均匀曝光。黑白透明片朗奇光栅感光底片准直白光adxT(x)朗奇光栅（d=2a）的透过率为设输入图像的光密度为Di(x,y)，入射的曝光量为Ei(x,y),则原片(黑白图像)的强度透过率ti(x,y)与光密度Di(x,y)的关系为yxtyxDii,,1lg1底片的光密度为D(x,y)与曝光量E(x,y)的关系由D~lgE曲线决定D~lgE曲线在线性工作区内有0lgDyxEγyxD,,D0——底片的灰雾密度g——底片的反差系数AB——线性曝光区段BC——称为灰雾区段AD——过度曝光区段输入光强经原片衰减和光栅取样后，到达感光底片的曝光量为