光信息處理第4章

第四章白光信息處理（WhitelightInformationProcessing

）

相干光處理和非相干光處理各有利弊，能否有一種方法：在光學(xué)處理中降低對(duì)光源相干性的要求，但又同時(shí)保持對(duì)復(fù)振幅的線性運(yùn)算性質(zhì)？一種新的光信息處理方法：白光信息處理。優(yōu)點(diǎn)：不存在相干噪聲，又保留了相干光學(xué)處理系統(tǒng)對(duì)復(fù)振幅進(jìn)行運(yùn)算的能力，靈活性好。采用寬譜帶光源，適合處理彩色圖像。嫦娥一號(hào)衛(wèi)星拍攝的月面地形黑白圖像月面地形色彩編碼圖像萬戶撞擊坑白光信息處理實(shí)時(shí)假彩色編碼位相調(diào)制假彩色編碼空間假彩色編碼（調(diào)制技術(shù)）等空間頻率假彩色編碼等密度假彩色編碼4.1

白光信息處理的基本原理光柵的作用：光柵當(dāng)單色光照射到光柵常數(shù)為d的光柵上時(shí)，光會(huì)產(chǎn)生衍射。白光信息處理系統(tǒng)信號(hào)(透明膠片)t(x1,y1)

置于輸入平面

P1

上,在其后緊貼一正弦光柵

Gr,其振幅透射率為在單位振幅的準(zhǔn)直白光照射下,光柵后表面上的復(fù)振幅分布為在頻譜面P2

上的空間頻譜分布為零級(jí)頻譜+1級(jí)頻譜–1級(jí)頻譜±1級(jí)譜中心位于（±lff0，0）

對(duì)于間隔為Δλ的兩種色光λ1

和λ2,其±1

級(jí)譜的中心在x2

軸上的偏移量為設(shè)輸入信號(hào)的空間頻率帶寬為Wt

，則其在x2

軸上的空間寬度為不同波長(zhǎng)的物體頻譜能夠分離的條件是結(jié)論：

只要光柵頻率

f0遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)的帶寬

Wt，就可以不考慮各波長(zhǎng)頻譜間的重疊。從而可在頻譜面

P2

上對(duì)一系列取離散值的波長(zhǎng)，像相干處理系統(tǒng)那樣進(jìn)行濾波操作。白光信息處理技術(shù)能否處理復(fù)振幅信號(hào)？在輸出平面P3

上，波長(zhǎng)為ln

的像場(chǎng)復(fù)振幅為對(duì)于波長(zhǎng)為λn

的物頻譜，若在頻譜面上采用濾波器，設(shè)其濾波函數(shù)為對(duì)于波長(zhǎng)ln

，濾波后的頻譜為波長(zhǎng)為ln

的像場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)度分布為其中通過濾波器Hn

的是包含ln的某一窄波段Δln的光波，由于Δln比

ln小得多，故可作為準(zhǔn)單色光處理。通過Hn

濾波后的像強(qiáng)度分布為是第

n個(gè)濾波器的脈沖響應(yīng)。白光信息處理系統(tǒng)利用光柵的色散特性使各波長(zhǎng)產(chǎn)生的信號(hào)頻譜分離而對(duì)各波長(zhǎng)的譜獨(dú)立濾波，因而能進(jìn)行復(fù)數(shù)信號(hào)的處理；并且輸出強(qiáng)度是互不相干的窄帶光強(qiáng)度之和，所以又能同時(shí)抑制相干噪聲。當(dāng)有N

個(gè)離散濾波器同時(shí)作用于頻譜面時(shí)，在輸出平面上得到的是不同波長(zhǎng)輸出的非相干疊加，即白光信息處理系統(tǒng)4.2

實(shí)時(shí)假彩色編碼如果能把一幅黑白圖像的灰度分布轉(zhuǎn)化為彩色分布，則可大大提高人眼對(duì)圖像的分辨能力，從而獲得更多的信息，這就是光學(xué)圖像的假彩色編碼。假彩色處理后的圖像黑白圖像一.等空間頻率假彩色編碼

等空間頻率假彩色編碼是對(duì)圖像的不同的空間頻率賦予不同的顏色，從而使圖像按空間頻率的不同顯示不同的色彩。白光信息處理系統(tǒng)將復(fù)振幅透過率為的黑白透明片與正交光柵疊加在一起放在輸入平面上。正交光柵的復(fù)振幅透過率為式中，fa

，fb

分別是光柵沿x1

軸和

y1

軸方向上的空間頻率。P2平面上相應(yīng)于該波長(zhǎng)的頻譜為對(duì)某一種波長(zhǎng)，光柵后表面上的復(fù)振幅分布為白光照明下，有如圖頻譜面。沿x2，y2方向各有2個(gè)彩虹顏色的信號(hào)一級(jí)譜。高通濾波器低通濾波器于是頻譜面后經(jīng)過濾波的函數(shù)為濾波器只有沿著垂直顏色彌散的方向才有效．高通濾波器低通濾波器式中，Tb

和Tr

分別是所選擇的藍(lán)色和紅色信號(hào)譜；H1

和H2

分別是一維低通濾波器和一維高通濾波器的濾波函數(shù)。在輸出面P3

上相應(yīng)的復(fù)振幅分布為輸出像的強(qiáng)度分布可近似表示為式中，Δλb

和Δλr

分別是信號(hào)的藍(lán)色和紅色的光譜寬度；h1

和h2

分別是H1和H2

的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)。兩個(gè)非相干像在輸出面上合成了彩色編碼像。在此濾波操作中,像的低頻結(jié)構(gòu)呈藍(lán)色,高頻結(jié)構(gòu)呈紅色。通過上述方法，在輸出平面上將得到合成彩色編碼像，由于空間頻率結(jié)構(gòu)相同的地方呈現(xiàn)相同的顏色，稱為等空間頻率假彩色編碼。對(duì)圖象編碼假彩色成像二.等密度假彩色編碼在Ｐ2平面上安放濾波器反轉(zhuǎn)濾波片p相位濾波器紅濾波片反轉(zhuǎn)濾波片的函數(shù)表達(dá)濾波后的頻譜函數(shù)為白光處理的輸出平面P3上，復(fù)振幅分布為如果光柵頻率足夠高，則上式可以近似為是綠色的對(duì)比度反轉(zhuǎn)像，即由于像tr和tgn

分別來自光源中不同顏色的光譜帶，它們之間是非相干的，所以輸出平面強(qiáng)度分布為紅色正像綠色負(fù)像輸出像面上，綠色負(fù)像和紅色正像重合，強(qiáng)度疊加的結(jié)果是得到等密度的假彩色編碼像。在操作前不需要對(duì)物圖像作任何預(yù)處理,也不需要任何濾色片,顏色直接來自白光光源,可得到自然的假彩色,從而具有實(shí)時(shí)處理的特點(diǎn)。小結(jié)等空間頻率假彩色編碼是對(duì)圖像的不同的空間頻率賦予不同的顏色，從而使圖像按空間頻率的不同顯示不同的色彩；等密度假彩色編碼是對(duì)圖像的不同灰度賦予不同的顏色。前者用以突出圖像的結(jié)構(gòu)差異；后者用以突出圖像的灰度差異，以提高對(duì)黑白圖像的目視判讀能力。光學(xué)圖像假彩色編碼的特點(diǎn)4.3

空間假彩色編碼技術(shù)（調(diào)制技術(shù)）一.q

調(diào)制原理

調(diào)制是在阿貝二次衍射成像原理基礎(chǔ)上進(jìn)行分光濾波實(shí)驗(yàn)，它用不同方向的光柵對(duì)圖像的不同部分進(jìn)行調(diào)制（亦稱為編碼），是通過改變用來調(diào)制用的光柵的方位角使圖像色調(diào)重現(xiàn)的一種方法。1.被調(diào)制物（編碼片）的制備編碼物片若要使物中屋頂、房子和背景3個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)3種不同的顏色,可在一張膠片上作3次曝光,每次只曝光其中一個(gè)區(qū)域(

其他區(qū)域被擋住

),并在其上覆蓋某一取向的朗奇光柵,3次曝光分別取3個(gè)不同的取向。2.空間濾波q調(diào)制光路編碼物片將制備好的調(diào)制片經(jīng)顯影、定影處理后,置于4f

系統(tǒng)輸入平面P1,用白色平行光照明。屋頂——紅色房子——黃色背景——藍(lán)色調(diào)制后的像調(diào)制后的頻譜面頻譜面上的彩色頻譜由于物被不同取向的光柵所調(diào)制，所以在頻譜面

P2

上得到的將是取向不同的帶狀譜，物的3個(gè)不同區(qū)域的信息分布在3個(gè)不同的方向上，互不干擾，這就為空間濾波創(chuàng)造了方便條件；又由于采用白光照明，所以各級(jí)頻譜呈現(xiàn)出色散的彩帶，由中心向外按波長(zhǎng)從短到長(zhǎng)的順序排列，這就使賦予圖像以特定的不同色彩成為可能。二.光學(xué)圖像的彩色增強(qiáng)和存儲(chǔ)彩色膠片不耐保存可否用黑白膠片替代？將彩色膠片通過編碼和解碼在黑白膠片上進(jìn)行存儲(chǔ)和恢復(fù)1.彩色圖像的編碼和存儲(chǔ)最基本的編碼方法是用取向不同的光柵對(duì)顏色進(jìn)行編碼準(zhǔn)直白光順序記錄的空間彩色編碼技術(shù)原色濾色片朗奇光柵黑白底片彩色膠片朗奇光柵的三個(gè)角度位置2.解碼——彩色圖像的恢復(fù)和增強(qiáng)T(x,y)彩色濾波片4f解碼光學(xué)系統(tǒng)S——擴(kuò)展白光光源

T(x,y)

——黑白膠片所謂解碼是指在白光信息處理系統(tǒng)中利用空間濾波操作，將存儲(chǔ)在黑白膠片上的圖像進(jìn)行彩色恢復(fù)和增強(qiáng)。T(x,y)彩色濾波片頻譜面上攝制的彩色帶狀譜圖綠色藍(lán)色紅色用于解碼的空間濾波器彩色濾波片紅分色像藍(lán)分色像三幅分色像精確復(fù)合綠分色像++4.4

位相調(diào)制假彩色編碼位相調(diào)制假彩色編碼方法經(jīng)過對(duì)信息的調(diào)制與解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了空間強(qiáng)度調(diào)制信息與空間波長(zhǎng)調(diào)制信息的轉(zhuǎn)換。它實(shí)際上是另一種等密度假彩色編碼方法。一.光柵調(diào)制將作為輸入的與周期為d、縫寬為a

的朗奇光柵密接，

在一張感光底片上均勻曝光。黑白透明片朗奇光柵感光底片準(zhǔn)直白光adxT(x)朗奇光柵（d=2a）的透過率為設(shè)輸入圖像的光密度為Di(x,y)，入射的曝光量為Ei(x,y),則原片(黑白圖像)的強(qiáng)度透過率

ti(x,y)與光密度Di(x,y)的關(guān)系為1底片的光密度為D(x,y)與曝光量E(x,y)的關(guān)系由D~lgE曲線決定D~lgE曲線在線性工作區(qū)內(nèi)有D0

——底片的灰霧密度g

——底片的反差系數(shù)AB

——線性曝光區(qū)段BC——稱為灰霧區(qū)段AD——過度曝光區(qū)段輸入光強(qiáng)經(jīng)原片衰減和光柵取樣后，到達(dá)感光底片的曝光量為底片經(jīng)處理后的光密度為經(jīng)光柵調(diào)制（抽樣）后所得的負(fù)片的密度分布D(x,y)

為D10

是可通過改變曝光條件來控制的常數(shù)，得到的一張矩形光柵，其底片光密度可表示為二.漂白處理漂白的目的是將密度變化轉(zhuǎn)換為相位變化。將經(jīng)抽樣所得的負(fù)片進(jìn)行漂白處理，適當(dāng)控制漂白工藝，可以得到近似滿足光程正比于底片光密度的效果，即其相位分布為復(fù)振幅透過率為或圖像的密度信息轉(zhuǎn)化成位相信息由于密度變化速率遠(yuǎn)低于調(diào)制光柵頻率，故可認(rèn)為在某一局部，位相延遲相對(duì)恒定，可近似將上述結(jié)果按矩形位相光柵來處理。最后得到編碼的矩形位相光柵的振幅透過率為式中，并記位相延遲為與相位差對(duì)應(yīng)的光程差三.濾波解調(diào)白光光學(xué)處理器將編碼相位光柵放在白光信息處理系統(tǒng)的輸入平面上，設(shè)入射單色光強(qiáng)度A(l)，頻譜平面P2(x2,y2)上的復(fù)振幅為是空間頻率坐標(biāo)，f是傅里葉變換透鏡焦距。將F代入上式，計(jì)算化簡(jiǎn)得如果濾波器分別讓零級(jí)譜和m級(jí)頻譜通過，則在輸出平面上的復(fù)振幅分布為當(dāng)m=0時(shí)當(dāng)m0

時(shí)其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度只與相位差Df和l有關(guān)，即

結(jié)論：對(duì)于每一個(gè)衍射級(jí)次，輸出圖像的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)和光程差而變化。圖(a)和(b)分別為零級(jí)和1級(jí)的輸出強(qiáng)度隨光程差Dd而變化的曲線，其中A(l)

=1，l作為參變量。由于不同波長(zhǎng)到達(dá)輸出面具有各自不同的強(qiáng)度分布，對(duì)應(yīng)各波長(zhǎng)的暗區(qū)不會(huì)重疊在空間同一位置，因此輸出面便呈現(xiàn)一幅彩色圖像。若光源中僅有紅、綠、藍(lán)三種色光，則輸出圖像的強(qiáng)度是三種色光輸出的非相干疊加即得到隨Dd

而變化的色彩輸出。當(dāng)采用白光光源時(shí)，各色光的非相干疊加變成下列積分：圖像色度豐富、色飽和度好，在低衍射級(jí)次（包括0

級(jí)）輸出的情況下，也能得到彩色化效果很好的輸出圖像，因此光強(qiáng)度利用率高，圖像亮度好。仍然是隨Dd而變化的彩色輸出。由于在編碼和漂白處理中，已使光程差隨密度而改變，因此得到按輸入圖像密度變化的假彩色編碼。位相調(diào)制假彩色編碼的特點(diǎn)彩色膠片的存儲(chǔ)（電影膠片、圖片資料）假彩色編碼技術(shù)的應(yīng)用褪色圖像的恢復(fù)（遠(yuǎn)距離攝影、軍事