图像相减的MATLAB 仿真及光栅滤波法实验实现

毕业设计(论文)中期报告题目图像相减的MATLAB仿真及光栅滤波法实验实现院(系)光电学院专业光信息科学与技术班级090106姓名陈凤学号090106120导师刘王云2013年5月1日撰写内容要求(可加页)1设计(论文)进展状况11图像相减的MATLAB仿真光学够系统仿真的算法及实现光学与光电子学是近年来发展迅速的学科之，光作为信息的载体，具有容量大、频带宽、传播速度快等优点，因而对光子信号的产生、获取、调制、传播、处理、探测及显示等方面的研究具有很强的应用背景。一个电信号可以看作是一个携带着信息的时间序列。这个观点同样适用于光学一幅图像一个两维的光场分布，也可以看作是两维空间序列，信息寓于其中，即图像携带着光学信息。基于此，可以从信息传递的观点来对光学系统进行研究。用光学方法对信息进行各种处理，如模糊图像的改善，特征识别，信息的抽取、编码、存贮以及加、减、乘、除、微分等。光学信息处理近十几年来发展己经很广泛，其内容包括简单的空间滤波、相幅转换、逆转滤波、全息空间滤波及特征识别等【59L。111光栅衍射实验是第一子模块中的实验内容如图3所示通过界面右边的参量输入板,可以、焦距F、缝数N、缝宽A、光栅常量D和入射角选定各参量后按下确定键,即可在左边的图像框显示出光强分布图和光栅衍射图样图3光栅衍射实验模块2空间滤波实验模块的内容为阿贝2波特网格实验和空间滤波实验6网格实验是光信息处理实验中最重要的实验内容之一输入图像是用WINDOWS下的画图工具制作的网格128128大小,存为BMP格式,经过傅里叶变换,在频谱面上显示出振幅频谱图选择一个滤波器,放置在频谱面上,再进行一次傅里叶逆变换,则在输出平面得到输出像仿真结果见图4空间滤波实验的仿真界面见图5,输入图像、傅里叶变换、滤波器选择、傅里叶逆变换、振幅频谱三维图都在菜单栏中选择该实验程序的编写,主要运用了MATLAB中的FFT,IFFT,FFTSHIFT等函数图像的读入用了IMREAD语句,显示图像用IMSHOW语句为了显示振幅频谱的三维图,使用了MESHABSF图4阿贝2波特网格实验图5空间滤波实验1124光学信息处理的应用模块包含两大部分图像的相加、减运算与图象相关识别,它们均属于光学图像处理的重要课题本仿真系统以正弦光栅作为滤波器,对待处理图像的频谱进行滤波,经过傅里叶逆变换,即产生两图像的相加运算将正弦光栅沿X轴平移/2,则在输出面上得到两图像的相减图8是图像相加运算实验的仿真结果联合变换相关运算的实现是通过将目标物与参考物放置在同一幅图上作为输入图像,经一次FFT变换后,在频谱面上得到其复振幅分布F,再对F进行联合变换功率谱的计算,最后对结果作FFT的逆变换,输出结果即为目标物与参考物的相关峰根据相关峰的强度以及弥散程度,可以对光学图像进行识别与筛选图8图像相加运算仿真实验1131输入二维灰度图像IX，Y。并对其作离散二维傅里叶变换后得到频谱函数2根据公式2214求出系统的传递函数H，石3计算频谱函数I弧，五传播到透镜前表面的频谱分布UI仉，劝耵，FYH以，期，并对其作离散二维快速傅里叶逆变换得到空间复振幅分布UIX，Y4根据公式611求透镜的空间复振幅透过率，石，Y；5计算透镜后表面的频谱分布矾仉，FYM2U10，YTX，Y；6对嫉，石作离散二维傅里叶逆变换得到频谱面的空间复振幅分布IL0，D7在频谱面上加空间滤波函数或其他变换函数FX，Y，得透镜三2输入平面上的空间复振幅分布I2X，一FI0，力FX，力；8对I2X，Y作离散二维傅里叶变换得到频谱函数F2呸，矗，计算频谱函数I2弧，五传播到透镜2前表面的频谱分布巩佤，期I2娠，FYH伉，劫，并对其作离散二维傅里叶逆变换得到空间复振幅分布协X，Y；9计算透镜2后表面的频谱分布也伍，FYFFT2V2X，YZU，力LO对U厶，再进行离散二维傅里叶逆变换得到输出平面上的空间复振幅分布OX，力。1114光栅衍射公式II0(SIN/)2(SIN/SIN)2A/SIND/SIN编写程序如下得到图3CLEARLAM500E9N2A2E4D5D5AYM2LAMD/AXSYMN1001YSLINSPACEYM,YM,NFORI1NSINPHIYSI/DALPHAPIASINPHI/LAMBETAPIDSINPHI/LAMBI,SINALPHA/ALPHA2SINNBETA/SINBETA2B1B/MAXBENDNC255BRB/MAXBNCSUBPLOT1,2,1IMAGEXS,YS,BRCOLORMAPGRAYNCSUBPLOT1,2,2PLOTB1,YS(二)傅立叶变换方法在傅立叶变换光学中我们知道夫琅和费衍射场的强度分布就等于屏函数的功率谱。因此我们可以直接将光屏进行傅立叶变换，再处理得到衍射图样。物体图像的生成可以直接由矩阵运算生成，也可利用WINDOWS下的画图工具，生成一幅黑白图像，并调用命令函数IMREAD()输入图像，输入的图像是一个巨大的二维矩阵，利用MATLAB函数库中的FFT2()命令对该矩阵进行二位离散傅立叶变换，得到图像的频谱，该频谱是一个复数矩阵，然后用取模函数ABS()对该复数矩阵取模，得到振幅谱矩阵，利用函数FFTSHIFT()对取模后的矩阵进行频谱位移，这是因为变换后的二维矩阵的直流分量位于图像的周边角，该函数交换矩阵的1、3象限和2、4象限，使直流分量移到频谱中心，从而使FFT频谱可视效果与实际图像相吻合。最后利用IMSHOW()函数将图像显示出来。编写程序如下CLEARAIMREADE1BMP图3黑白光栅衍射光强分布GRIDONFIGURE1IMSHOWA,AFFTFFT2AAABSABSAFFTAABSSFFTSHIFTAABSFIGURE2IMSHOWAABSS,COLORMAPGRAYCOLORBARFIGURE3PLOTAABSSCOLORMAPGRAYFIGURE4MESHCAABSSMAXX1MAXMAXAABSS输入黑白或灰度的衍射屏图像，得到输出的衍射图样和光强分布。4正弦光栅衍射我们先设计程序制得一张正弦光栅，用正(余)弦函数作图如下CLEARALLXM10PIYSXMXSLINSPACEXM,XM,500BCOSXS1N255BRB/2NIMAGEXS,YS,BRCOLORMAPGRAYN将该图片保存成灰度BMP文件。调用程序得到衍射图样，只有三个衍射斑，与理论一致。3光栅夫夫琅禾费衍射仿真程序CLEARLAMDA500E9B1E4D4E4F1N8XMLAMDAF/BXLINSPACEXM/8,XM/8,1000FORI11000UPIB/LAMDAXI/SQRTXI2F2IISINCU2SINNDU/B/SINDU/B2ENDN255IRI255SUBPLOT1,2,1COLORMAPGRAYNIMAGEX,I,IRTITLE光栅夫琅禾费衍射图样XLABELXYLABELYSUBPLOT1,2,2PLOTX,ITITLE光栅夫琅禾费衍射光强分布图XLABELXYLABELI白光光栅仿真程序CLEARLAMDA660,610,570,550,460,440,4101E9RGB1,0,01,05,01,1,00,1,00,1,10,0,1067,0,1D4E5B8E6N18BRIGHT80IRGBZEROS150,1048,3IWZEROS150,1048,3FORK17THETA0015PI03PI/104803PI/10480015PIPHI2PIDSINTHETA/LAMDAKALPHAPIBSINTHETA/LAMDAKIDFSINCALPHA2IDGSSINNPHI/2/SINPHI/22IIDFIDGSFORI1150IWI,,1IRGBK,1IWI,,2IRGBK,2IWI,,3IRGBK,3ENDIRGBIRGBIWIWENDBR1/MAXMAXMAXIRGBIIIRGBBRBRIGHTIMSHOWII422一维光栅空间滤波实验的MATLAB模拟程序根据4F系统结构图编写MATLAB模拟程序的M文件如下AZEROS400,400零矩阵FORI120A20I920I,1A,20I920I1ENDAXESHANDLESAXES1IMSHOWA,01显示一维黑白光栅SETHANDLESAXES1,XMINORTICK,ONB1ACZEROS400,400C195205,1C,1902001AXESHANDLESAXES2IMSHOWC,01显示滤波器SETHANDLESAXES2,XMINORTICK,ONBFFT2B对矩阵B进行二维傅里叶变换D1BCDIFFT2D1对矩阵D1进行二维逆傅里叶变换AXESHANDLESAXES3IMSHOWD,显示输出图像SETHANDLESAXES3,XMINORTICK,ON12光栅滤波实现图像相减实验121实验目的122实验原理以一维光栅为滤波器，用傅立叶分析的手段讨论空间滤波过程，以便更彻底地了解改变系统透射频谱对像结构的影响。为简明起见，采用最典型的相干滤波系统，通常称为4F系统，如图1所示。图中1L是准直透镜；2L和3L为傅立叶变换透镜，焦距均为F；1P、2P和3P分别是物面、频谱面和像面，并且3P平面采用反演坐标系。图14F实验原理图用光栅滤波器实现图像相加减用全息法制作的振幅光栅滤波器，可以利用其实现图像相加减。在输入平面上沿X方向相对原点对称放置两图像A，B，如图6，6A所示，它们的中一II,离开坐标原点的距离都等于B，由B来确定光栅的空间频率B0FF式中F为透镜的焦距，图66C所示的光栅的空间频率满足上述关系式。将其置于频谱面上，通过光栅的透射光波能产生零级和1级衍射光。相当于用三个不同方向传播的载波来传递信息，因而它可以使位于输入平面上的物体产生三个像。如果坐标原点在光栅的14周期的地方，即光栅的最大透过率偏离光轴14周期，由此产生的位相因子迭加在图像上，使像面上图像A的1级像和图像口的1级像位相正好相反而实现相减，如图66D所示。如果坐标原点在光栅周期为0的地方，在像面上图像的1级像和图像口的1级像由于位相相同而实现图像相加，如图66E所示。A输入图像B频谱C滤波器D相减输出图像C相加输出图像图2用光栅滤波实现图像相加减YOY1X1XIYIPOP1PI11,YXFYXFFF,YXYXFFHFFF,,FYFHFFFXYX,,133,YXG3YFFFF3X2X2Y1X1Y0P1P2P1L2LB2图3光栅滤波实现图像相减实验原理图00100000000001,1COS22,,,XYABABXBFFHFFFXFXYFXYABFXYFXBYFXBYFF在物平面，沿方向对应于坐标原点放置的图像A和B，它们的中心离坐标原点的距离都等于在频谱平面上，放置忽略了有限尺寸的正弦光栅，其复振幅透过率函数可写为设和分别为图像和复振幅透过率函数。在单位复振幅平面波垂直照射下，物平面输入光场分布为频谱平面输入频率为00,,,EXP2,EXP2YAXYXBXYXFFXYFFYJBFFFFJBF01110101,,,EXP2,EXP21,,,EXP,EXP4XXYXYAXYBXYXYXYAXYBXYBFFXXYFFFFFFFFFFJFXFFFJFXFFFHFFFFFJFFFJ利用式(1)和的关系，可得式(4)可为经光栅滤波后的频谱为在像平面的输出光场分布为33,GXY,,1YXYXFFHFFF在2时，由33333333333333EXPEXPCOSSIN2221EXPEXP2EXP2EXP111,,,424ABABABJJJJJJJJJJJGXYFXYFXYFXBYFXBYFXBYFXBYJ则式(1)可变为123实验仪器序号仪器名称重要指标数量1氦氖内腔激光器6328NM12准直镜F45MM13扩束镜F190MM，14支杆45干板夹26三角爪37傅里叶透镜F300MM28光栅0F300，0F100，0F12，0F249套筒810磁座811原物体若干图4实验仪器图124实验数据光栅滤波实验中用到的仪器有激光器，准直扩束装置，傅里叶透镜，光栅，光屏。激光器的6328NM准直镜1F45MM扩束镜2F190MM傅里叶透镜F300MM光栅有300线/MM，100线/MM，12线/MM，2线/MM。0FBF0F当0F300时，B632830030056952MM；当0F100时，B632830010018984MM当0F12时，B6328300122278MM当0F2时，B6328300203768MM125实验结果图(A)当0F12时，理论上B6328300122278MM，实际取B22图(B)当0F100时，理论上B632830010018984MM，实际B95，缝窄图(C)当0F100时，理论上B632830010018984MM，实际B90，缝宽(A)(B)(C)图5实验结果图126数据处理物平面上，图像A和B沿X轴方向对称，中心距离0F100为例B0FF6328300100189；(1)正弦光栅的复振幅透过率为1200COS121,XFFHYX，(2)00,YXFA和00,YXFB分别为图像A和B复振幅透过率函数00,YXFA00,BYXFBYXFYXFBA00100000000001,1COS22,,,XYABABXBFFHFFFXFXYFXYABFXYFXBYFXBYFF在物平面，沿方向对应于坐标原点放置的图像A和B，它们的中心离坐标原点的距离都等于在频谱平面上，放置忽略了有限尺寸的正弦光栅，其复振幅透过率函数可写为设和分别为图像和复振幅透过率函数。在单位复振幅平面波垂直照射下，物平面输入光场分布为频谱平面输入频率为00,,,EXP2,EXP2YAXYXBXYXFFXYFFYJBFFFFJBF01110101,,,EXP2,EXP21,,,EXP,EXP4XXYXYAXYBXYXYXYAXYBXYBFFXXYFFFFFFFFFFJFXFFFJFXFFFHFFFFFJFFFJ利用式(1)和的关系，可得式(4)可为经光栅滤波后的频谱为在像平面的输出光场分布为33,GXY,,1YXYXFFHFFF在2时，由33333333333333EXPEXPCOSSIN2221EXPEXP2EXP2EXP111,,,424ABABABJJJJJJJJJJJGXYFXYFXYFXBYFXBYFXBYFXBYJ则式(1)可变为由式(2)可以看出，输出平面的中心部位实现了图像相减，当2即是光栅的最大透过率偏离光轴14周期。且其中的其他四项分列两侧，它们的中心位置于2B0，。只要适当选择0F，总可以将相减的中心项分离出来，并且两侧也不会重叠。也就是说，在图2中，由于光栅是正弦振幅型光栅，透过光栅被衍射时只有零级项和1级项。相当于它可以使位于物平面1P的图像在像平面3P上产生三个像。图像A的1级像和图像B的1级像恰好在3P平面的中心位置重叠。当它们有相反的相位时，就可以实现图像相减。2存在问题及解决措施21光栅滤波实验211光栅滤波实验中用到的仪器有激光器，准直扩束装置，傅里叶透镜，光栅，光屏。激光器的6328NM准直镜1F45MM扩束镜2F190MM傅里叶透镜F300MM光栅有300线/MM，100线/MM，12线/MM，2线/MM。0FBF0F当0F300时，B632830030056952MM；中心距离太大不予考虑；当0F100时，B632830010018984MM由于扩束镜镜片直径为35MM，所以光斑最大直径为35MM，但中心距离为18984时，2B37968，此时光斑不能同时透过两侧的原图像，只能过一侧，故试验不成功；当0F12时，B6328300122278MM12线/MM的是一个网格光栅，是二维光栅，图像太密集，不能分开观察；当0F2时，B6328300203768MM中心距离太小，原图做不出来；212光栅相位的方法；左右移动上下移动旋转2怎么实现；213当0F100时，理论上B632830010018984MM取中心距离B9MM时可以实现图像相加，但使光栅上下、左右、旋转移动都不能得出相减的图像；当0F12时，理论上B6328300122278MM12线/MM的是一个网格光栅，是二维光栅，当B22时光屏上成像貌似图像相加，但是转动光栅会发现那是多个孔中图像叠加在一起了，图像太密集，不能分开观察；注1、正文宋体小四号字，行距22磅。2、中期报告装订入毕业设计(论文)附件册。22MATLAB仿真实验2212222233后期工作安排31光栅滤波实验1完善实验，找到新的实验方案或者改进原实验；2使用空间光调制器，用MATLAB编写一个光栅程序，适合实验用的，将空间光调制器放在光删处，用空间光调制器中的光栅图像代替实物光栅，进行实验。3使用空间光调制器，用MATLAB编写一个原图程序，适合实验用的，将空间光调制器放在第一平面上，用空间光调制器中的图像代替实物物体，进行实验。32MATAB仿真1修改程序，进一步完善程序；2进行仿真，观察结果，截图，完善毕业论文；33报告1完善试验和仿真后开始着手于毕业论文；2将翻译进一步修改；3准备毕业答辩的PPT。