光学信息处理及其应用

光学信息处理及其应用摘要：光学信息处理是一个广泛的领域，是现代信息处理技术中一个重要的组成部分。所谓光学信息，是指光的强度（振幅）、相位、颜色（波长）和偏振态等。本文限定两个方面，一方面是基于空间频域分析，就用傅里叶综合技术，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。较多用于二维图像的处理。另一方面用光学方法对信息进行处理，如实现各种变换和运算。从所处理的系统是否满足线性条件，可分为线性处理技术和非线性处理技术。从实用的光源相干性可分为相干光处理技术、非相干光处理技术和白光处理技术。本文主要从这几个方面讨论光信息处理的原理及应用。关键词：光学信息处理空间滤波相干光非相干光白光光计算一.光学信息处理发展简介光学信息处理是用光学的方法实现对输入信息的各种变换或处理。光学信息处理是近年来发展起来的一门新兴学科,它以全息术、光学传递函数和激光技术为基础。透镜的傅里叶变换效应是光学信息处理的理论核心。与其他形式的信息处理技术相比，光学信息处理具有高度并行性和大容量的特点。这一学科发展很快，现在已经成为信息科学的一个重要分支，在许多领域进入了实用阶段。光学信息处理是基于光学频谱分析，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，较多用于对二维图像的处理。光学信息处理的发展有迹可循。多名科学家为它的形成付出了努力：1873年，德国科学家阿贝（Abbe）创建了二次衍射成像理论，认为相干照明下显微镜成像过程可分作两步：首先，物平面上发出的光波在物镜后焦面上得到第一次衍射像；然后，该衍射像发出次波干涉而构成物体像，称为第二次衍射像。显微镜的相对孔径越大，系统的通频带越宽，物体中所包含的高频信息在成像过程中的损失就越少，像的质量就越高。相对孔径越小，在传递过程中高频信息的损失就越大，像的失真或畸变就越严重，清晰度或分辨率越低。1935年，物理学家泽尼克发明了相衬显微镜。1963年，范德拉格特（A.VanderLugt）提出了复数空间滤波的概念，使光学信息处理进入了一个广泛应用的新阶段。90年代初，Mok等成功演示了在一个2cm×1.5cm×1cm的掺铁银酸铿晶体中存储5000个全息图的实验。全息存储是以全息图的形式进行光学存储。在片基上的疵病诸如划痕和灰尘都不会破坏信息，只是在信息再现时稍微增加了一点噪声，因而疵病并不意味着某一部分信息的损失。20世纪80年代以后，随着关键器件——空间调制器的日益完善，光学信息处理以其速度快、抗干扰能力强、并行处理等特点逐渐显示其独特的优越性，成为当今最热门学科方向。二．空间滤波空间滤波（spatialfiltering）是基于阿贝成象原理的一种光学信息处理方法，它采用滤波处理来增强影像。这样做的目的是改善影像质量，包括去除高频噪声与干扰，及影像边缘增强、线性增强以及去模糊等。其理论基础是空间卷积。在光学信息处理系统中，空间滤波需要借助空间滤波器来实现。空间滤波器是位于空间频率平面上的一种吸收膜片，它可以减弱或去掉某些空间频率成份，改变输入信息的空间频谱，从而实现对输入信息的某种变换，得到我们所希望的改变了的像函数。这种对图像作处理的方法称之为空间滤波。空间滤波器的透过率函数一般是复函数H(ξ,η)=A(ξ,η)exp[jФ(ξ,η)]。提及“空间”两个字是为了区别频域滤波处理，这里仅限于直接对像素处理的操作。空间滤波器又称掩模、核、模板或窗口。所谓线性空间滤波，其响应是操作领域的图像像素值与对应的与领域有相同维数的子图像的值的乘积之和。这个子图像的值不是像素值，而是系数值，又称掩模系数。线性空间滤波处理经常被称为“掩模与图像的卷积”。卫星拍照下来的月球照片是由许多照相底片细工镶嵌而成的“合成照片”,但还能看到各底片的接缝处的水平痕迹。为了除去这些痕迹,可用不透光的细长条将这些水平接缝的频谱当住,在输出面上就得到没有接缝的底片；地震波记录的光学信息处理；检查大规模微型集成电路板的疵病；相衬显微镜；对动态图像进行空间滤波处理后，检测移动物体；对空间滤波器优化，抑制强方向性背景干扰、检测弱信号，可以提高弱信号检测性能,提高目标方位分辨率；去噪。三．相干光学信息处理相干光学是现代光学中的一门重要分支，相干光学信息处理是当代信息处理领域中的一项重要技术。其采用的方法多为频域调制，即对输入光信号的频谱进行复空间滤波，以得到所需要的输出。下面就相干光学在图像相加减及图像特征识别两个领域中的应用作简要阐述。1.图像的相加减所谓图像的相加减，可以这样理解：设有A、B两幅图片，它们有相同部分，又有不同部分。图像相加就是弃去不同部分取相同部分，图像相减就是保留不同部分弃去相同部分。(1)原理简述图相加减可利光栅滤波实现，其原理图如下：图1光栅滤波实现图像相加减原理如图，正弦振幅型光栅透过光波衍射时，只有0级项和±1级项。这相当于有三个不同方向传播的载波传递信息，它可以使位于物平面Po的图像在像平面Pi产生三个像。图像A的+1级像和图像B的-1级像恰好在像平面Pi的中心部分重叠。当它们有相同的相位时，实现图像相加；当他们相位相反时，实现图像相减。只要改变光栅相对光轴的位置，就可以方便的改变他们的相位，从而可以获得图像的相加或相减的输出。(2)应用前景图像相加减操作在许多领域已得到广泛应用。由于图像相减处理可清晰地反应图片的不同之处，故在地质地理方面，可用于监测海洋面积的改变、陆地板块移动的速度及地壳运动的变迁等；在军事领域，对侦察卫星发回的照片进行相减操作，可提高监测敌方军事部署变化的敏感度和准确度；在工业方面，通过将工件图片与标准件图片相减比较，能方便地判断出工件外形加工是否合格，并能显示出缺陷之所在；在医学领域，可用于对人体内部器官的检查，即通过对不同时期的X光片进行相减处理，及时发现病变的所在，等等应用。2.图像的特征识别(1)原理简述设输入信号为00(,)sxy，其频谱为(,)xysff，则其具有复振幅透过虑函数(,)xyHff=*(,)xySff的滤波器，称为信号函数00(,)sxy的匹配滤波器。通常又将00(,)sxy称为特征函数。图像特征处理的四个基本公式：1{(,)}(,)xyiiFFfffxy1{(,)(,)*(,)}(,)(,)*(,)xyxyxyiiiiiiFFffSffSfffxysxysxy1{(,)exp(2)(,)}(,)*(,)*(,)(,)*(,)xyxxyiiiiiiiiiiFFffjfdSfffxyxdysxyfxysxdy1{(,)exp(2)(,)}(,)(,)*(,)(,)*(,)xyxxyiiiiiiiiiiFFffjfdSffxdysxyfxysxdyfxy上面4个式子中右端函数运算具有明显的几何意义。当输入待检测函数是一组字符，而特征函数是其中某一特征字符时，前两项给出位于像平面中央这组字符的几何像。卷积项相当于用倒转的特征字符对输入字符组进行搜索，一般不能与字符中的特征字符相重合，不出现亮斑，只出现弥散的光斑。互相关项意味着用特征字符对输入字符进行搜索，遇到相同字符时，它们完全重合，成为自相关，相关最强，出现峰值，给出一个强脉冲，像平面相应的地方出现特征亮斑，因而能够识别特征字符的多少和位置。用全息方法制造匹配滤波器时，参考点光源是离轴的，因此相关项和卷积项分别在中间几何像的上部和下部。只要记录时适当选取d，就可以使他们分离开而不相重合。用匹配滤波器进行滤波时，在输出平面上除了有相关项还有卷积项，他表明这种滤波器除了有相关运算功能外，还有卷积运算功能。它是一种多功能滤波器。图2匹配滤波器的工作原理(2)应用前景光学图像识别的应用十分广泛，例如指纹识别、文字资料中特殊信息的提取、智能机器人对目标图像的识别、智能机械手对传送带上不合格零件的识别和剔除以及空中飞行物的识别等。但是用傅里叶变换匹配滤波手段进行图像的特征识别处理有其局限性，对被识别图像的尺寸缩放和方位旋转都极其敏感。为了解决这一困难又发明了多种实现特征识别的变换手段，如利用梅林变换解决物体空间尺寸改变的问题、利用圆谐展开解决物体的转动问题、利用哈夫变换实现坐标变换等，这不再展开。而且正在兴起的神经网络型光计算，在图像识别方面将更具应用前景。四．非相干光学非相干光学处理是指采用非相干光照明的信息处理方法，系统传递和处理的基本物理量是光场的强度分布。相干处理系统的突出问题是相干噪声严重，导致对系统元件提出较高要求，而非相干处理系统由于其装置简单，又没有相干噪声，因而受到广泛的重视。将透明片作为一个线性系统的输入，用相干光照明，由于输入图像中每一点的复振幅在输出面上会产生相应的输出，这些输出的集合（叠加）构成输出图像。人眼、感光胶片、CCD等感知的是光强信息。即合成振幅的绝对值平方。用完全非相干光照明，输入面上各点的光强在输出面产生相应的光强输出，由于这些输出是互不相关的，因此总的图像输出是各光点光强输出的叠加。由于各点振动的随机性，其振幅和相位均是随机变化的，上式中第二项的平均值为0。因此，非相干光处理系统是强度的线性系统，满足强度叠加原理。输入图象匹配滤波器,xySff,oosxy,iisxy,iisxy★iiyxUyxU),(),(ijijiiijijiiiiyxUyxUIyxUyxUyxUyxUyxUyxI),(),(),(),(|),(|),(||),(|),(**222iiiiyxIyxI),(),(相干光信息处理满足复振幅叠加原理。因为复振幅是复数，因此有可能完成加、减、乘、除、微分、积分等多种运算和傅里叶变换等。在非相干光学系统中，光强只能取正值。信息处理手段要少。但是非相干系统中仍可以在空域中通过进行位移、相乘、积分操作步骤进行卷积、相关等操作。积分运算：将强度透过率t1的透明片在强度透过率t2的透明片上成像，在t2后面接收到的总光强为s－扩展光源，L2将t1以相同大小成像在t2上。L3将t2的缩小像投射在探测器上。卷积运算：使一张透明片匀速运动，把测量的光信号作为时间函数，可以实现一维的卷积。将t2按反演坐标放置，上式积分变为使t2在x方向移动x0，y方向移动y0。t2(-x,-y)变为探测器的响应为这时探测器测得的值I(x0,y0)是t1*t2在x=x0,y=y0点的卷积值。用机械系统使t2(x,y)沿x方向移动可测出卷积与x0的变化关系。作二维扫描则得到二维卷积的扫描I(x0，y0)。相关运算：将t2(x,y)按正向坐标放置，就可实现相关运算。使t2沿x和y的负方向移动x0和y0，则t2(x,y)变成t2(x+x0,y+y0)探测器输出就是x=x0,y=y0处的相关值。利用这些运算可以实现光学信息处理（消模糊，图像识别等）。因为Ii(xi,yi)=Ig(xi,yi)*hI(xi,yi)，消模糊时hI为相应的消模糊点脉冲响应。非相干光信息处理的一个比较重要的应用就是通过非相干光处理技术实现对物体的多色编码。用非相干光处理技术来实现位相物体的多色编码,克服高频部分细节损失的缺点，在输入平面上将位相物体与通光孔径的距离缩短一半,结果在输出平面上得到的是物的零级光与通光孔径一级光的干涉。因为物处于零级光上不发生横向色散,而且信息不受损失,分辨本领只受透镜的限制,这样得到的图象清晰,分辨率和互相干度都有所提高。同时将输入平面上的通光孔径开得足够大,使得光源中所包含的可见光都能与物光相干,形成多色光的干涉。采用这种方法既简化了光路又提高了分辨率。通过非相干光处理技术对其他物力进行dxdyyxtyxtI),(),(2112(,)(,),Itxytxydxdy),()](),([002002yyxxtyyxxtdxdyyyxxtyxtyxI),(),(),(002100－）＝dxdyyyxxtyxtyxI),(),(,(002100多色编码，与其他的相衬方法相比，结构比较简单，特别是由于采用了零级衍射光进行相衬，提高了