8.7白光信息处理和假彩色编码.ppt

8.7 白光信息处理和假彩色编码白光信息处理和假彩色编码相干光处理和非相干光处理各有利弊，能否有一种方相干光处理和非相干光处理各有利弊，能否有一种方法：在光学处理中法：在光学处理中降低对光源相干性降低对光源相干性的要求，但又同的要求，但又同时时保持对复振幅的线性运算保持对复振幅的线性运算性质？性质？一种新的光学处理方法：一种新的光学处理方法：白光光学处理。白光光学处理。白光光学处理采用：白光光学处理采用：1.宽谱带白光光源宽谱带白光光源2.在光源前加小孔在光源前加小孔（减小光源尺寸，提高空间相干性）（减小光源尺寸，提高空间相干性）3.在输入平面上引入光栅在输入平面上引入光栅（提高时间相干性）（提高时间相干性）优点：不存在相干噪声，又保留了相干光学处理优点：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。系统对复振幅进行运算的能力，灵活性好。同时由于采用了宽谱带光源，同时由于采用了宽谱带光源，适合处理彩色图像。适合处理彩色图像。一一.白光光学处理的基本原理白光光学处理的基本原理1.光栅的作用光栅的作用:衍射产生色散；衍射产生色散；当当单色光照射到光栅常数为单色光照射到光栅常数为d 的光栅上时，光会产生衍射。的光栅上时，光会产生衍射。光栅光栅衍射角满足条件：衍射角满足条件：则则正负正负1级的级的衍射角满足衍射角满足若若v=100线线/mm对于对于HeNe激光，则激光，则 从上面的数据看，沿入射光方向传播的从上面的数据看，沿入射光方向传播的0级衍射波级衍射波仍然是各色光混合成的白光。但仍然是各色光混合成的白光。但1级衍射波中，各色级衍射波中，各色光是分开的，其中红光衍射角最大，蓝光衍射角最小。光是分开的，其中红光衍射角最大，蓝光衍射角最小。若用白光代替单色光，由于白光中不同的单色光具若用白光代替单色光，由于白光中不同的单色光具有不同的衍射角，因此出现有不同的衍射角，因此出现“色散色散”现象。现象。.白光光学处理器白光光学处理器衍射光栅衍射光栅光栅后复振幅分布为光栅后复振幅分布为它在它在P2平面产生的空间频谱为平面产生的空间频谱为式子中式子中 是物体的复振幅频谱。是物体的复振幅频谱。1级谱中心位于级谱中心位于（l lff0，0）输入信号的空间频率带宽为输入信号的空间频率带宽为Wt，不同波长的物体频谱能，不同波长的物体频谱能够分离的条件是够分离的条件是结论：只要光栅频率结论：只要光栅频率 f0 远大于输入信号的带宽远大于输入信号的带宽 Wt，就，就可以不考虑各波长频谱间的重叠。可以不考虑各波长频谱间的重叠。在频谱面上采用滤波器：在频谱面上采用滤波器：对于波长对于波长l ln,滤波后的频谱为滤波后的频谱为对于波长对于波长l ln,输出平面上强度分布近似为输出平面上强度分布近似为不同波长的输出在不同波长的输出在P3面上按强度非相干叠加，得面上按强度非相干叠加，得问题问题白光信息处理系统如何做到既具有相干白光信息处理系统如何做到既具有相干系统的运算能力，又没有相干噪声？系统的运算能力，又没有相干噪声？答案见答案见338页页二二.假彩色编码假彩色编码假假彩色处理彩色处理将黑白图象改造成各种各样的彩色图像，将黑白图象改造成各种各样的彩色图像，这些图像中的颜色并不代表物体的本色，称为这些图像中的颜色并不代表物体的本色，称为“假彩色处假彩色处理理”。黑白图像黑白图像假假彩色处理后的图像彩色处理后的图像黑白编码图像黑白编码图像利用衍射一级的解码彩色图像利用衍射一级的解码彩色图像融合零级衍射的解码彩色图像融合零级衍射的解码彩色图像等空间频率假彩色编码等空间频率假彩色编码假彩色编码假彩色编码把一个把一个光强调制的信号光强调制的信号（图片）（图片）变换为变换为不同波长调制不同波长调制（或不同时间频率调制）（或不同时间频率调制）的的信号信号（图片）。（图片）。等密度假彩色编码等密度假彩色编码一般分类：一般分类：将复振幅透过率为的透明片与正交光栅叠加一起将复振幅透过率为的透明片与正交光栅叠加一起放入下图系统中。放入下图系统中。光栅后光场分布为光栅后光场分布为正交光栅的透过率正交光栅的透过率等空间频率假彩色编码等空间频率假彩色编码2平面上相应于该波长的频谱为平面上相应于该波长的频谱为式中式中 是输入信号的频谱。是输入信号的频谱。白光照明下白光照明下，有如图频谱面。沿，有如图频谱面。沿x2，y2方向各有方向各有2个彩虹颜色的信号个彩虹颜色的信号一级谱。一级谱。高通滤波器高通滤波器低通滤波器低通滤波器于是频谱面后经过滤波的函数为于是频谱面后经过滤波的函数为滤波器只有沿着垂滤波器只有沿着垂直颜色弥散的方向直颜色弥散的方向才有效才有效通过上述方法，在输出平面上将得到合成彩色编码像，通过上述方法，在输出平面上将得到合成彩色编码像，像的低频结构呈蓝色，高频结构呈红色。像的低频结构呈蓝色，高频结构呈红色。空间频率结构相同的地方呈现相同的颜色，称为空间频率结构相同的地方呈现相同的颜色，称为等空间频率等空间频率编码。编码。对图象编码对图象编码假彩色成像假彩色成像等密度假彩色编码等密度假彩色编码在在2平面上安放滤波器平面上安放滤波器如图如图:反转滤波片反转滤波片p p相位滤波器相位滤波器红滤波片红滤波片反转滤波片的函数表达反转滤波片的函数表达频谱平面后的分布为频谱平面后的分布为白光处理的输出平面白光处理的输出平面P3上，复振幅分布为上，复振幅分布为如果光栅频率足够高，则上式可以近似为如果光栅频率足够高，则上式可以近似为是绿色的对比度反转像，即是绿色的对比度反转像，即由于像由于像tr 和和tgn 分别来自光源中不同颜色的光谱带，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它们之间是非相干的，所以输出平面强度分布为输出像面上，绿色负像和红色正像重合，强度叠加输出像面上，绿色负像和红色正像重合，强度叠加的结果是得到的结果是得到等密度的假彩色编码像等密度的假彩色编码像原物中密度最小处呈现红色，密度最大处呈现绿色，原物中密度最小处呈现红色，密度最大处呈现绿色，中间部分对应粉红、黄、浅绿等，密度相同的地方颜中间部分对应粉红、黄、浅绿等，密度相同的地方颜色相同。色相同。图像的相位调制假彩色编码图像的相位调制假彩色编码（）用线光栅调制黑白输入图像，复制在一张底片上（）用线光栅调制黑白输入图像，复制在一张底片上（）漂白处理，使得透（）漂白处理，使得透明片上的光程差与密度变明片上的光程差与密度变化成线性关系化成线性关系相应的相位差为相应的相位差为这样，图像的密度信息就转化为相位信息这样，图像的密度信息就转化为相位信息因为图像的密度变化频率远低于光栅频率，可因为图像的密度变化频率远低于光栅频率，可以认为在某一个局部，相对恒定我们就以认为在某一个局部，相对恒定我们就采用矩形相位光栅（图）来分析采用矩形相位光栅（图）来分析表示均匀相位延迟表示均匀相位延迟把漂白后的图片放入白光处理系统，对波长一把漂白后的图片放入白光处理系统，对波长一定的入射光，定的入射光，上产生的频谱为上产生的频谱为其中零级谱（其中零级谱（n）为）为其中第其中第n级谱为级谱为如果频谱面上只让零级谱通过，则输出为如果频谱面上只让零级谱通过，则输出为从这个关系式可以看出，强度分布只是的函数从这个关系式可以看出，强度分布只是的函数同理，得到同理，得到当光栅满足时，当光栅满足时，零级输出的归一化光强分布随光程差的变化曲线零级输出的归一化光强分布随光程差的变化曲线一级谱输出的归一化光强分布随光程差的变化曲线一级谱输出的归一化光强分布随光程差的变化曲线采用白光光源采用白光光源,输出平面上各种色光按强度非相干叠加输出平面上各种色光按强度非相干叠加.与与 呈线性关系呈线性关系,由此可得彩色图象的光强随密度变化由此可得彩色图象的光强随密度变化.三三.q q 调制实验调制实验 q q 调调制制技技术术是是阿阿贝贝成成像像原原理理的的一一种种巧巧妙妙应应用用，它它将将原原始始像像变变换换成成为为按按一一定定角角度度的的光光栅栅调调制制像像，将将该该调调制制像像置置于于光光路路中中，白白光光通通过过这这个个物物片片后后，将将产产生生数数条条不不同同取取向向的的彩彩色色光光谱谱，每每一一条条彩彩色色光光谱谱对对应应于于物物片片上上的的一一个个部部分分。对对于于物物片片的的不不同同部部分分截截取取不不同同的的彩彩色色，可可形形成成图图像像的的彩彩色色像像，实实现现假假彩彩色色编编码码，从从而而得得到到彩彩色色的的输输出出像像。由由于于这这种种彩彩色色图图像像是是对对不不同同角角度度q q 的的光光栅栅产产生的光学信息选择的结果，所以称之为生的光学信息选择的结果，所以称之为q q 调制。调制。原理原理实验实验（1 1）光光路路如如下下图图所所示示，按按图图调调节节各各部部件件使使它它们们共共轴轴，使使图图像像经经透透镜镜成成像像于于毛毛玻玻璃璃屏屏，此此时时图图像像的像不显彩色。的像不显彩色。（2 2）物片如下图）物片如下图(a)(a)，天安门分成三分天安门分成三分(如蓝天、红墙、如蓝天、红墙、黄地黄地)，以不同方向的光栅予以调制以不同方向的光栅予以调制，三部分光栅互成，三部分光栅互成一定角度，水平带相应于地，竖直带相应于墙，斜带一定角度，水平带相应于地，竖直带相应于墙，斜带相应于天。白光通过这个物片后，在傅里叶焦平面上相应于天。白光通过这个物片后，在傅里叶焦平面上会出现不同方向的彩色光谱带，如图会出现不同方向的彩色光谱带，如图(c)(c)所示，每一条所示，每一条彩色光谱对应于物片上的一个部分。彩色光谱对应于物片上的一个部分。（3 3）制制作作滤滤波波器器，使使图图像像中中墙墙所所对对应应的的一一级级光光谱谱中中红红光光能能透透过过，地地所所对对应应的的一一级级光光谱谱中中黄黄光光能能透透过过，天天所所对对应应的的一一级级光光谱谱中中蓝蓝光光能能透透过过，如如图图(d)(d)，白白色色区区域域表表示示透透光光部部分分，黑黑色色表表示示不不透透光光部部分分。将将此此滤滤波波器器放放在在傅傅氏氏面面上上，使使开开口口对对准准所所需需的的色色光光，则则在在毛毛玻玻璃璃屏屏上上的的像像呈呈现现彩彩色色：蓝天、红墙、黄地，如蓝天、红墙、黄地，如(图图(b)(b)所示。所示。四应用四应用(1)白光信息处理做彩色档案存储白光信息处理做彩色档案存储朗奇光栅的三个角度位置朗奇光栅的三个角度位置准直的白光准直的白光顺序记录的空间彩色编码技术顺序记录的空间彩色编码技术一种将彩色胶片记录在黑白透明片上的技术一种将彩色胶片记录在黑白透明片上的技术原色滤色片原色滤色片朗奇光栅朗奇光栅黑白底片黑白底片彩色胶片彩色胶片过程：将彩色胶片通过朗奇光栅依次用三次接触法记录在过程：将彩色胶片通过朗奇光栅依次用三次接触法记录在黑白底片上，每次记录时通过不同的基色滤色片（即红、黑白底片上，每次记录时通过不同的基色滤色片（即红、蓝、绿），对应的朗奇光栅的方位角也不相同。蓝、绿），对应的朗奇光栅的方位角也不相同。第一次：红色滤色片光栅处于第一次：红色滤色片光栅处于0位置；位置；第二次：蓝色滤色片光栅处于第二次：蓝色滤色片光栅处于60位置；位置；第三次：绿色滤色片光栅处于第三次：绿色滤色片光栅处于120位置。位置。三次的曝光必须准确记录在照相底片上，就完成一三次的曝光必须准确记录在照相底片上，就完成一张空间编码的黑白透明片。张空间编码的黑白透明片。为了从所得到的黑白编码透明片再现逼真的彩色图象，为了从所得到的黑白编码透明片再现逼真的彩色图象，采用白光处理技术。如下图解码系统：采用白光处理技术。如下图解码系统：透明片透明片彩色滤波片彩色滤波片通过在频谱面上对三通过在频谱面上对三个一级衍射频谱进行个一级衍射频谱进行红、蓝、绿彩色滤波，红、蓝、绿彩色滤波，结果在输出平面上得结果在输出平面上得到复现的彩色图象到复现的彩色图象这个过程叫这个过程叫彩色解码。彩色解码。