空间频率滤波实验报告

一．实验目的1.掌握图像滤波的基本定义及目的；2.理解空间域滤波的基本原理及方法；3.掌握进行图像的空域滤波的方法。

4.掌握傅立叶变换及逆变换的基本原理方法；5.理解频域滤波的基本原理及方法；6.掌握进行图像的频域滤波的方法。

二．实验结果与分析1.平滑空间滤波：a)读出eight.tif这幅图像，给这幅图像分别加入椒盐噪声和高斯噪声后并与前一张图显示在同一图像窗口中；（提示：imnoise）b)对加入噪声图像选用不同的平滑（低通）模板做运算，对比不同模板所形成的效果，要求在同一窗口中显示；（提示:fspecial、imfilter或filter2）c)使用函数imfilter时，分别采用不同的填充方法（或边界选项，如零填充、’replicate’、’symmetric’、’circular’）进行低通滤波，显示处理后的图像采用不同的填充方式，效果略有不同。

d)运用for循环，将加有椒盐噪声的图像进行10次，20次均值滤波，查看其特点,显示均值处理后的图像；（提示:利用fspecial 函数的’average’类型生成均值滤波器）e)对加入椒盐噪声的图像分别采用均值滤波法，和中值滤波法对有噪声的图像做处理，要求在同一窗口中显示结果。

（提示:medfilt2）中值滤波后的图像比均值滤波后的图像更加平滑。

f)自己设计平滑空间滤波器，并将其对噪声图像进行处理，显示处理后的图像；滤波后图像变得平滑。

2.锐化空间滤波a)读出blurry_moon.tif这幅图像，采用3×3的拉普拉斯算子w =[ 1, 1, 1; 1 – 8 1; 1, 1, 1]对其进行滤波；观察原图与拉普拉斯掩模滤波后的图像，滤波后的图像不再那么平滑，使图像产生锐化效果。

b)编写函数w = genlaplacian(n)，自动产生任一奇数尺寸n的拉普拉斯算子，如5×5的拉普拉斯算子w = [ 1 1 1 1 11 1 1 1 11 1 -24 1 11 1 1 1 11 1 1 1 1]本函数见文件夹下genlaplacian.m文件。

实验二 阿贝成像原理和空间滤波实验1．引言阿贝所提出的显微镜成像的原理以及随后的阿—波特实验在傅里叶光学早期发展历史上具有重要的地位。

这些实验简单而且漂亮，对相干光成像的机理、对频谱的分析和综合的原理做出了深刻的解释。

同时，这种用简单模板做滤波的方法，直到今天，在图像处理中仍然有广泛的应用价值。

1．1实验目的和意义1）.加强对傅里叶光学中有关空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解。

2）.用一个带有蓝天白云还有城楼的光栅进行空间滤波和图像再现，熟悉空间滤波的光路及空间滤波的原理。

2．系统概述2．1 系统原理1）.二维傅里叶变换设有一个空间二维函数，其二维傅里叶变换为),(y x g F （1）=),(y x f f G [][]d xdy y f x f i y x g y x g y x ⎰⎰∞∞-+-=)(2exp ),(),(π式中分别为x,y 方向的空间频率，其量纲为L -1，而又是y x f f ,),(y x g 的逆傅里叶变换，即),(y x f f G F -1 （2）=),(y x g []=),(y x f f G []y x y x y x df df y f x f i f f G ⎰⎰∞∞-+)(2exp ),(π式（2）表示任意一个空金函数，可以表示为无穷多个基元函数),(y x g 的线性叠加，是相应于空间频率为的基[])(2exp y f x f i y x +π),(y x f f G y x df df y x f f ,元函数的权重，称为的空间频率。

),(y x f f G ),(y x g 当是一个空间周期性函数时，其空间频率是不连续的离散函数。

),(y x g 2）.光学傅里叶变换理论证明，如果在焦距为F 的会聚透镜的前焦面上放一振幅透过率为的图象作为物，并以波长为λ的单色平面波垂照明图象，则在透镜后焦),(y x g 面（,）上的振幅分布就是x 'y '的傅里叶变换，其中),(y x g ),(y x f f G 与坐标,的关系为y x f f ,x 'y ' （3） F y f F x f Y x λλ','==图 1故—面称为频谱面（或傅氏面），见图1，由此可见，复杂的二维傅里x 'y '叶变换可以用一透镜来实现，称为光学傅里叶变换，频谱面上的光强分布则为，称为频谱，也就是物的夫琅禾费衍射图。

空间滤波实验报告空间滤波实验报告引言：空间滤波是数字图像处理中常用的一种方法，它通过对图像像素进行加权平均或其他操作，以改善图像的质量和增强特定的图像细节。

在本次实验中，我们将探索几种常见的空间滤波技术，并评估它们在不同图像上的效果。

一、均值滤波均值滤波是一种简单的空间滤波方法，它通过计算像素周围邻域的平均值来平滑图像。

在本次实验中，我们选择了一张包含噪声的图像进行均值滤波处理。

结果显示，均值滤波能够有效地减少噪声，但同时也会导致图像的细节模糊化。

这是因为均值滤波是一种线性滤波方法，它对所有像素都施加相同的权重，无法区分图像中的边缘和纹理。

二、中值滤波中值滤波是一种非线性滤波方法，它通过将像素周围邻域的像素值排序并选取中间值来进行滤波。

与均值滤波相比，中值滤波能够更好地保留图像的细节信息。

在实验中，我们使用了一张包含椒盐噪声的图像进行中值滤波处理。

结果显示，中值滤波能够有效去除椒盐噪声，同时也能够保持图像的细节纹理。

这是因为中值滤波对于噪声像素有较好的鲁棒性，能够准确地估计图像中的真实像素值。

三、高斯滤波高斯滤波是一种基于高斯函数的空间滤波方法，它通过对像素周围邻域的像素值进行加权平均来平滑图像。

与均值滤波不同的是，高斯滤波对于不同像素位置的权重是不同的，它能够更好地保持图像的细节和边缘。

在实验中，我们对一张包含高斯噪声的图像进行了高斯滤波处理。

结果显示，高斯滤波能够有效地降低噪声水平，同时也能够保持图像的细节纹理。

这是因为高斯滤波能够根据像素周围邻域的像素值分布来调整权重，从而更好地平衡了图像的平滑度和细节保留。

四、边缘检测除了平滑图像，空间滤波还可以用于边缘检测。

边缘检测是一种常用的图像处理任务，它能够准确地提取图像中的边缘信息。

在实验中，我们使用了一张包含边缘的图像进行了边缘检测实验。

通过应用一种基于梯度的空间滤波算子，我们成功地提取出了图像中的边缘信息。

结果显示，边缘检测能够有效地突出图像中的边缘，但同时也会引入一定的噪声。

阿贝成像原理与空间滤波实验报告阿贝成像原理和空间滤波【实验目的】1．了解阿贝成像原理，懂得透镜孔径对成像的影响．2．了解透镜的傅里叶变换功能及空间频谱的概念．3．了解两种简单的空间滤波．4．掌握在相干光条件下调节多透镜系统的共轴．【实验仪器】光具座，氦氖激光器，溴钨灯(12V，50W)及直流电源，薄透镜若干，可变狭缝光阑，可变圆孔光阑，调制用光阑，光栅(一维、正交及调制各一)，光学物屏，游标卡尺，白屏，平面镜．【实验原理】阿贝在1873年为德国蔡斯工厂改进显微镜时发现，大孔径的物镜能导致较高的分辨率，这是因为较大的孔径可以收集全部衍射光，这些衍射光到达像平面时相干叠加出较细的细节．例如，用一定空间频率的光栅作为物，并且用单色光加以照明，物后的衍射光到达透镜时(这里先考虑±1级衍射)，当O级与级衍射光到达像平面时，相干叠加成干涉条纹，就是光栅的像；如果单色光波长较长或者L孔径小，只接收了零级光而把级光挡去，那么到达像平面上的只有零级光，就没有条纹出现，我们说像中缺少了这种细节．根据光栅方程，不难算出，物体上细节d能得以在像平面有反映的限制为(1)为透镜半径对物点所张的角．换句话说，可分辨的空间频率为(2)物平面上细节越细微、即空间频率越高，其后衍射光的角度就越大，更不可能通过透镜的有限孔径到达像平面，当然图像就没有这些细节．透镜就成像光束所携带的空间频率而言，是低通滤波器，其截止频率就是(2)式所示的，．瑞利在1896年认为物平面每一点都发出球面波，各点发出的波在透镜孔径上衍射，到达像面时成为爱里斑，并给出分辨两个点物所成两个模糊像——两个爱里斑的判据．其实阿贝与瑞利两种方法是等价的．波特在1906年把一个细网格作物(相当于正交光栅)，但他在透镜的焦平面上设置一些孔式屏对焦平面上的衍射亮点(即夫琅和费衍射花样)进行阻挡或允许通过时，得到了许多不同的图像．设焦平面上坐标为，那么与空间频率相应关系为(3)(这适用于角度较小时，为焦距，)．焦平面中央亮点对应的是物平面上总的亮度(称为直流分量)，焦平面上离中央亮点较近(远)的光强反映物平面上频率较低(高)的光栅调制度(或可见度)．1934年译尼克在焦平面中央设置一块面积很小的相移板，使直流分量产生位相变化，从而使生物标本中的透明物质不须染色变成明暗图像，因而可研究活的细胞，这种显微镜称为相衬显微镜．为此他在1993年获得诺贝尔奖．在20世纪50年代，通信理论中常用的傅里叶变换被引入光学，60年代激光出现后又提供了相干光源，一种新观点(傅里叶光学)与新技术(光学信息处理)就此发展起来．物的内容中如含周期性结构，可以看成是各种频率的光栅组合而成，用数学语言讲就是把物展开成空间的傅里叶级数．如物的内容不是周期性的，在数学上就要作傅里叶变换，在物理上可由透镜来实现．可以证明，由于透镜作为位相变换器能把平面波转换为球面波，当单色平面波照射在透明片上[其振幅透射率为]时，如图1中光路所示，透镜后焦平面上光场复振幅分布即为其傅里叶变换(4)图1式中，，实际上这也就是的夫琅和费衍射．当不在透镜前焦面上时，后焦面上仍为其傅里叶变换，但要乘上位相弯曲因子．当入射的不是平面波，而是球面波(发散、会聚均可)，则在入射波经透镜(甚至不经透镜)后形成的会聚点所在平面上也是傅里叶变换，只是也附加上了位相弯曲因子．傅里叶变换的例子如函数，函数，函数函数及许多性质的标度、卷积定理都可以由此在物理上演示出来．如图2所示，在透镜后再设一透镜，则在Q面上的复振幅分布又经过一次傅里叶变换，(5)物函数的倒置也就是的像．前述在平面波照射下在前焦平面上的时，在照明光会聚点有其傅里叶变换，但要加上位相弯曲因子，该位相弯曲相当于会聚球面波照在傅里叶变换上，到达该球面波会聚点所在平面Q时，也是完成第二次傅里叶变换，只是标度有变化，即像是放大或缩小的．因此从波动光学的观点来看，正是透镜的傅里叶变换功能造成了其成像的功能．这样，就用波动光学的观点叙述了成像过程．这不但说明了几何光学已经说明的透镜成像功能，而且还预示了在频谱平面上设置滤波器可以改变图像的结构，这后者是无法用几何光学来解释的．前述相衬显微镜即是空间滤波的一个成功例子．除了下面实验中的低通滤波、方向滤波及调制等较简单的滤波特例外，还进行特征识别、图像合成、模糊图像复原等较复杂的光学信息处理．因此透镜的傅里叶变换功能的涵义比其成像功能更深刻、更广泛．图2【实验内容】共轴调节．首先，要调激光束平行于光具座（图3），并位于光具座正上方，把屏Q插在光具座滑块上，并移近激光架LS，把LS作上下、左右移动，使光束偏离O，调节LS的俯仰及侧转，使光束又穿过小孔；再把Q推至LS边上，反复调节，直到Q在光具座平移时激光束均穿过O为圆心的孔，以后就不再需要改变LS的位置。

空间滤波实验观察报告实验目的：通过进行空间滤波实验，观察和分析不同滤波器对图像的处理效果和特点。

实验原理：空间滤波是基于图像中像素点周围的领域信息进行像素值改变的一种图像处理方法。

在本实验中，我们将使用一些常见的空间滤波器，如均值滤波器、中值滤波器和高斯滤波器。

实验步骤：1. 实验准备- 载入待处理的图像，确保图像格式正确。

- 选择合适的滤波器，如均值滤波器、中值滤波器和高斯滤波器。

2. 均值滤波实验- 将选择的滤波器应用于图像，将图像中每个像素点的值替换为其领域内像素点的平均值。

- 观察处理后的图像，注意边缘和细节的变化。

3. 中值滤波实验- 将选择的滤波器应用于图像，将图像中每个像素点的值替换为其领域内像素点的中值。

- 观察处理后的图像，注意对椒盐噪声和悬浮粒子等噪声的去除效果。

4. 高斯滤波实验- 将选择的滤波器应用于图像，将图像中每个像素点的值替换为其领域内像素点的加权平均值。

- 观察处理后的图像，注意平滑程度和对边缘的影响。

5. 记录观察结果- 针对每个滤波器，观察处理后的图像，记录并比较其效果和特点。

- 注意观察图像的细节变化、噪声去除效果和平滑程度等。

实验结果与分析：经过实验观察和比较，我们得出以下结论：- 均值滤波器对图像进行平滑处理，可以去除高频噪声，但会导致细节部分的模糊。

- 中值滤波器能够很好地去除椒盐噪声和其他离群像素，对图像的平滑效果也较好，但在某些情况下可能会对细节造成损失。

- 高斯滤波器在平滑图像的同时，对边缘的保留效果较好，能够更好地抑制高频噪声，但在一些情况下可能会导致图像的细节模糊。

综上所述，在不同的应用场景下，选择合适的空间滤波器可以实现对图像的不同处理需求。

根据实际需求，可以灵活选择对应的滤波器。

空间滤波实验0引言《光信息技术》是光信息科学与技术、测控技术与仪器、电子信息工程专业的一门专业课。

光学信息处理技术是近20多年来发展起来的新的研究领域，在现代光学中占有重要的位置。

光学信息处理可完成对二维图像的识别、增强、恢复、传输、变换、频谱分析等。

从物理光学的角度，光学信息处理是基于傅里叶变换和光学频谱分析的综合技术，通过在空域对图像的调制或在频域对傅里叶频谱的调制，借助空间滤波的技术对光学信息（图像）进行处理。

即通过有意识地改变像的频谱，使像实现所希望的变化。

在阿贝成像理论的教学中，单纯依靠数学推演来讲解，效果不好，特别是空间频率、空间滤波等概念的形成有一定的困难。

虽然可以通过空间滤波实验来加强教学效果，但由于受仪器、场地等方面的限制，实验现象不太理想。

为此，我们在原有的实验基础上设计出空间滤波实验与计算机模拟实验相结合, 可以获得较好的教学效果。

1.设计原理及思想1）设计原理光学信息处理的理论基础是阿贝（Abbe）二次衍射成像理论和著名的阿贝－波特（Abbe－Porter）实验。

根据阿贝成像原理，相干光学成像过程可分为两步：第一步称为分频过程，即从物平面到光源的共轭像平面或称频谱面，由输入的物作为衍射屏对照射光波产生夫琅和费衍射；第二步称为合频或频谱综合过程，即从频谱面到输入物的共轭像平面，被分解的频谱成分经进一步的衍射后再次叠加形成输入物的共轭像。

按照傅里叶变换理论，两步成像过程实际上是光学系统对携带输入物信息的二维光场的复振幅分布进行的两次傅里叶变换过程。

典型的光学信息处理系统为如图1所示的4f傅里叶变换系统：输入平面P1（即物平面）位于透镜L1的前焦平面，输出平面P3（即像平面）位于透镜L2的后焦平面。

透镜L1 和L2分别起分频（傅里叶变换）和合频（逆傅里叶变换）作用。

P2为频谱面，在频谱面上作的光学处理就是空间滤波。

最简单的方法是用各种滤波器对衍射斑进行取舍，达到改造图像的目的。

实验4 傅立叶光学的空间频谱与空间滤波实验一、实验目的1、了解透镜的傅里叶变换性质，加深对空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解。

2、熟悉阿贝成像原理，从信息量的角度理解透镜孔径对分辨率的影响。

3、完成一维空间滤波、二维空间滤波及高通空间滤波。

二、实验原理1873年阿贝（E.Abbe ）首先提出显微镜成像原理以及随后的阿贝—波特空间滤波实验，在傅里叶光学早期发展史上做出重要的贡献。

这些实验简单、形象，令人信服，对相干光成像的机理及频谱分析和综合原理做出深刻的解释，同时这种用简单的模板作滤波的方法一直延续至今，在图像处理技术中仍然有广泛的应用价值。

1、二维傅里叶变换和空间频谱在信息光学中常用傅里叶变换来表达和处理光的成像过程。

设在物屏X-Y 平面上光场的复振幅分布为g (x ，y ) ，根据傅里叶变换特性，可以将这样一个空间分布展开成一系列二维基元函数)](2exp[y f x f i y x +π的线性叠加，即⎰⎰+∞∞-+=y x y x y x df df y f x f i f f G y x g )](2exp[),(),(π （1）式中f x 、f y 为x 、y 方向的空间频率，即单位长度内振幅起伏的次数，G (f x ，f y )表示原函数g (x ，y )中相应于空间频率为f x 、f y 的基元函数的权重，亦即各种空间频率的成分占多大的比例，也称为光场（optical field ）g (x ，y )的空间频谱。

G (f x 、f y )可由g (x ，y )的傅里叶变换求得⎰⎰+∞∞-+-=dxdy y f x f i y x g f f G y x y x )](2exp[),(),(π (2)g (x ，y )与G (f x ，f y )是一对傅里叶变换式，G (f x ，f y )称为g (x ，y )的傅里叶的变换，g (x ，y )是G (f x ，f y )的逆变换，它们分别描述了光场的空间分布及光场的频率分布，这两种描述是等效的。

空间频谱与空间滤波一， 实验背景：阿贝成像原理认为：透镜成像过程可分为两步，第一步是通过物体衍射的光在系统的频谱面上形成空间频谱，这是衍射引起的“分频”作用；第二步是代表不同空间频率的各光束在像平面上相互叠加而形成物体的像，这是干涉引起的“合成”作用。

这两步从本质上对应着两次傅里叶变换。

如果这两次傅里叶变换完全理想，则像和物应完全一样。

如果在频谱面上设置各种空间滤波器，当去频谱中某一频率的成分，则将明显地影响图像，此即为空间滤波。

二， 实验目的：1， 掌握光具座上光学调整技术；2， 掌握空间滤波的基本原理，理解成像过程中“分频” 与“合成”作用。

3， 掌握方向滤波，高通滤波，低通滤波等滤波技术，观察各种滤波器产生的滤波效果，加深对光学信息处理实质的认识。

三， 实验原理：1， 傅立叶变换近代光学中，对光的传播和成像过程用傅立叶变换来表达，形成了傅立叶光学，可以处理一些无法用经典光学理论解决的问题。

傅立叶变换时处理振荡和波这类问题的有力工具。

对振动和波的傅立叶分析一般在时域和频域中进行，而对光的传播与成像分析是在空间和倒数空间中进行的。

不考虑时域，单色平面光波的表达式如下：0()[()]f r Aexp i k r ϕ=⋅+ （1）直角坐标系中，k 的方向余弦为(cos ,cos ,cos )αβγ，r 为（x ，y ，z ）2(cos cos ,cos )k r x y z παβγλ⋅=+ （2） 波矢量的物理意义可以理解为平面波的空间频率，在x ，y ，z 方向上三个分量分别为222cos , cos , cos x y z f f f πππαβγλλλ=== （3）在傅立叶光学中，将物光作为一个输入函数（物函数），研究其经过具有傅立叶变换作用的光学元件后在接收面上得到的输出函数（像函数）。

以物是平面图像为例，物函数g （x ，y ）可以表示成一系列不同空间频率的单色平面波的线性叠加，即(,)(,)exp[2()]x y x y x y g x y G f f i xf yf df df π∞-∞=+⎰⎰ (4)其中(,)x y G f f 被称为物函数的空间频谱函数。

数字图像处理作业——空间域滤波器摘要在图像处理的过程中,消除图像的噪声干扰是一个非常重要的问题。

本文利用matlab软件,采用空域滤波的方式,对图像进行平滑和锐化处理。

平滑空间滤波器用于模糊处理和减小噪声，经常在图像的预处理中使用；锐化空间滤波器主要用于突出图像中的细节或者增强被模糊了的细节。

本文使用的平滑滤波器有中值滤波器和高斯低通滤波器，其中，中值滤波器对去除椒盐噪声特别有效，高斯低通滤波器对去除高斯噪声效果比较好。

使用的锐化滤波器有反锐化掩膜滤波、Sobel边缘检测、Laplacian边缘检测以及Canny算子边缘检测滤波器。

不同的滤波方式，在特定的图像处理应用中有着不同的效果和各自的优势。

b5E2RGbCAP1、分别用高斯滤波器和中值滤波器去平滑测试图像test1和2，模板大小分别是3x3 ， 5x5 ，7x7；利用固定方差 sigma=1.5产生高斯滤波器. 附件有产生高斯滤波器的方法。

p1EanqFDPw实验原理分析：空域滤波是直接对图像的数据做空间变换达到滤波的目的。

它是一种邻域运算，其机理就是在待处理的图像中逐点地移动模板，滤波器在该点地响应通过事先定义的滤波器系数与滤波模板扫过区域的相应像素值的关系来计算。

如果输出像素是输入像素邻域像素的线性组合则称为线性滤波<例如最常见的均值滤波和高斯滤波），否则为非线性滤波<中值滤波、边缘保持滤波等）。

DXDiTa9E3d空域滤波器从处理效果上可以平滑空间滤波器和锐化空间滤波器：平滑空间滤波器用于模糊处理和减小噪声，经常在图像的预处理中使用；锐化空间滤波器主要用于突出图像中的细节或者增强被模糊了的细节。

RTCrpUDGiT 模板在源图像中移动的过程中，当模板的一条边与图像轮廓重合后，模板中心继续向图像边缘靠近，那么模板的某一行或列就会处于图像平面之外，此时最简单的方法就是将模板中心点的移动范围限制在距离图像边缘不小于<n－1）/2个像素处，单处理后的图像比原始图像稍小。

课程名称：大学物理实验（二）实验名称：阿贝成像原理和空间滤波4.学习θ调制与假彩色编码。

二、实验原理2.1阿贝成像原理：阿贝认为物体是由许多不同方位、不同空间频率的光栅构成的；其次，物体通过透镜成像的过程分为两步:1)入射光经物平面发生夫琅禾费衍射，衍射光束被分解成为不同方向传播的多束平行光（每一束平行光相应于一定的空间频率，按衍射规律，物面上距离越近的，即空间频率越高的点其衍射角度越大），其作用是把光场分布转变为空间频率分布，即“分频”2)衍射波被透镜接收,在透镜的焦平面上形成三个频率成分不同的衍射斑S+1.S0,S-1，所以把所在的焦平面称为谱平面。

S+1.S0,S-1可看成三个次波源，次波源发出的球面波在透镜的像平面发生相干迭加，不同空间频率的光束又复合成像。

即“合成”图1阿贝成像原理示意图2.2空间滤波阿贝成像原理的这两个步骤本质上就是两次傅里叶变换。

如果物的复振幅分布是空间函数g（x，y），第一步的作用就是把光场分布变为频谱面上的空间频率分布函数G（fx，fy）。

而第二步是又一次傅里叶变换，将G（fx，fy）又还原到空间分布g（x，y）。

如果这两次傅氏变换完全是理想的，信息在变换过程中没有损失，则像和物完全相似。

但由于透镜的孔径是有限的，总有一部分衍射角度较大的高次成分（高频信息）不能进入物镜而被丢弃了，如下图所示，所以物所包含的超过一定空间频率的成分就不能包含在像上。

高频信息主要反映物的细节。

如果高频信息没有到达像平面，则无论显微镜有多大的放大倍数，也不能在像平面上分辨这些细节。

这显微镜分辨率受到限制的根本原因。

图2 透镜的低通滤波作用特別当物的结构非常精细（例如很密的光栅），或物镜的孔径非常小时，有可能只有0级衍射（直流成分）能通过，则在像平面上只有光斑而完全不能形成图像。

根据上面讨论，我们可以看到显微镜中的物镜的孔径实际上起了高频滤波（即低通滤波）的作用。

这也启示我们，如果在谱平面上人为地插上一些滤波器（吸收板或移像板）以提取某些频段的光信息，从而使图像发生相应的变化，这样的图像处理称为空间滤波。

实验报告实验题目：傅立叶光学的空间频谱与空间滤波实验 实 验 人：张淼 ｐｂ０６２０４００９ 物理三班 合作 者：邵馨娴日 期：２００8－3－19实验目的及原理：见预习报告 实验内容：1. 测小透镜的焦距f 1 （付里叶透镜f 2=45.0CM ）.光路：直角三棱镜→望远镜（倒置）（出射应是平行光）→小透镜→屏 思考：如何测焦距？调节屏和透镜距离使光点最小不确定度：cmn n n i x A 049.0)1(12i x =-∑=-=）（μ m C B kpB c 065.0301.096.1u =⨯=∆=合成不确定度mu u t B A p c 22.0065.0)049.03.4()(u 2222a =+⨯=+=2. 夫琅和费衍射：光路：直角三棱镜→光栅→墙上布屏（此光路满足远场近似） （1）利用夫琅和费衍射测一维光栅常数；光栅方程：dsin θ=k λ 其中,k=0,±1, ±2, ±3,…请自己选择待测量的量和求光栅常数的方法。

（卷尺可向老师索要）记录一维光栅的衍射图样、可看到哪些级？记录 0级、±1级、±2级光斑的位置；可看到直到约级K=1,s 为零级和一级距离,L 为光屏与光栅距离s （cm ）0.800.870.83)1(12i x -∑=-=n n i x ）（σnσ=A u屏（cm ） 82.2075.12 67.72光栅(cm) 131.50131.50 120.00 L （cm ） 49.3056.38 52.28 0.01620.01540.01590.00040 0.000140.0158B 类不确定度可以忽略0017.000040.03.4)(22sin =⨯=≈+=A p B A p u t u u t θμk=1,取对数 θsin ln ln -=d 求微分θθsin sin d d dd -= 合并同类项，系数取绝对值并改成不确定度符号θθsin u sin u d d = 最后改成标准差公式010.00158.00017.0sin u sin ===θθu d d最后得:m510)4.00.4(d -⨯±= p=0.95(2)二维时，衍射图样s （cm ）横0.800.92 1.04 )1(12i x -∑=-=n n i x ）（σnσ=A us （cm ）竖0.800.931.05屏（cm ） 79.9071.39 60.38光栅(cm) 130.00 130.00 130.00 L （cm ） 50.10 58.61 69.62横0.0160 0.0157 0.0150 0.00051 0.00017竖0.0160 0.0159 0.0151 0.00049 0.000160.0156 横0.0157 竖B 类不确定度可以忽略0022.000051.03.4)(22sin =⨯=≈+=A p B A p u t u u t θμ 横 0021.000049.03.4)(22sin =⨯=≈+=A p B A p u t u u t θμ 竖k=1,取对数 θsin ln ln -=d 求微分θθsin sin d d dd -= 合并同类项，系数取绝对值并改成不确定度符号 θθsin u sin u d d = 最后改成标准差公式横14.00156.00022.0sin u sin ===θθu d d竖13.00157.00021.0sin u sin ===θθu d d最后得:m 510)57.006.4(d -⨯±= p=0.95 横 m510)52.003.4(d -⨯±= p=0.95竖3空间频谱测一二维光栅常数（1） 寻找频谱面，在透镜后缓慢移动白屏，寻找光束汇聚点，可看到一排清晰的衍射光点。

实验名称：空间滤波一、 实验内容1. 对影像进行中值滤波。

2. 对影像进行Sobel 滤波。

二、 实验所用的仪器设备，包括所用到的数据Window7/XP 操作系统电脑一台，遥感影像处理软件（ENVI4.3)，TM 单波段卫星遥感影像PCA 。

三、 实验原理（一） 中值滤波1. 定义：是一种非线性的平滑方法，对一个滑动窗口内的诸像素灰度值排序，用其居于中间位置的值代替窗口中心像素的灰度值。

2. 中间值的取法：当邻域内像元数为偶数时，取排序后中间两像元值的平均值；当邻域内的像素数为奇数时，取排序后的位于中间位置的像元的灰度。

3. 优缺点：抑制噪声的同时能够有效保护边缘少受模糊，但是对点、线等细节较多的图像却不太合适。

当窗口内噪声点的个数大于窗口宽度的一半时，中值滤波的效果不好，因此正确选择窗口的尺寸是用好中值滤波的重要环节。

（二） Sobel 滤波1. Sobel 算子： Sobel 算子是图像处理中的算子之一，主要用于边缘检测。

在技术上，它是一离散性差分算子，用来运算图像亮度函数的梯度之近似值。

在图像的任何一点使用此算子，将会产生对应的梯度矢量或是其法矢量。

2. 核心公式：该算子包含两组3x3的矩阵，分别为横向及纵向，将之与图像作平面卷积，即可分别得出横向及纵向的亮度差分近似值。

如果以A 代表原始图像，Gx 及Gy 分别代表经横向及纵向边缘检测的图像，其公式如下:AG and A G +⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+++---=+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+-+-+-=121000121101202101y x 图像的每一个像素的横向及纵向梯度近似值可用以下的公式结合，来计算梯度的大小。

然后可用以下公式计算梯度方向。

如果以上的角度θ等于零，即代表图像该处拥有纵向边缘，左方较右方暗。

3. Sobel 滤波：Sobel 滤波是通过Sobel 算子与原始影像进行卷积实现的。

4. 优缺点：该滤波方式使图像的非线性边缘增强。

空间频率滤波空间频率滤波是在光学系统的空间频谱面上放置适当的滤波器, 去掉（或有选择地通过）某些空间频率或改变它们的振幅和位相, 使物体的图像按照人们的希望得到改善。

它是信息光学中最基本、最典型的基础实验, 是相干光学信息处理中的一种最简单的情况。

一、实验目的1. 了解傅里叶光学基本理论的物理意义, 加深对光学空间频率、空间频谱和空间频率滤波等概念的理解；验证阿贝成像原理, 理解成像过程的物理实质——“分频”与“合成”过程, 了解透镜孔径对显微镜分辨率的影响；二、实验原理1. 傅里叶光学变换设有一个空间二维函数, 其二维傅里叶变换为dxdy y x i y x g G )](2exp[),(),(ηξπηξ+-=⎰⎰∝∝- (1)式中分别为x,y 方向的空间频率, 而则为的傅里叶逆变换, 即ηξηξπηξd d y x i G y x g ⎰⎰+=∝∝-)](2exp[),(),( (2)式（2）表示, 任意一个空间函数可表示为无穷多个基元函数的线性迭加, 是相应于空间频率为的基元函数的权重, 称为的空间频谱。

用光学的方法可以很方便地实现二维图像的傅里叶变换, 获得它的空间频谱。

由透镜的傅里叶变换性质知, 只要在傅里变换透镜的前焦面上放置一透率为的图像, 并以相干平行光束垂直照明之, 则在透镜后焦面上的光场分布就是 的傅里叶变换 , 即空间频谱。

其中为光波波长, 为透镜的焦距, （）为后焦面（即频谱面）上任意一点的位置坐标。

显然, 后焦面上任意一点（）对应的空间频率为f x λξ/'= f y λη/'=2.阿贝成像原理傅里叶变换光学在光学成像中的重要性, 首先在显微镜的研究中显示出来。

阿贝在1873年提出了相干光照明下显微镜的成像原理。

他认为在相干平等光照明下, 显微镜的成像过程可以分成二步。

第一步是通过物的衍射光在透镜的后焦面（即频谱面）上形成空间频谱, 这是衍射所引起的“分频”作用；第二步是代表不同空间频率的各光束在像平面上相干迭加而形成物体的像, 这是干涉所引起的“合成”作用。

空间频率滤波空间频率滤波是在光学系统的空间频谱面上放置适当的滤波器，去掉（或有选择地通过）某些空间频率或改变它们的振幅和位相，使物体的图像按照人们的希望得到改善。

它是信息光学中最基本、最典型的基础实验，是相干光学信息处理中的一种最简单的情况。

早在1873年，德国人阿贝（E.Abbe,1840~1905）在蔡司光学公司任职期间研究如何提高显微镜的分辨本领时，首次提出了二次衍射成像的理论。

阿贝和波特（A.B.Porter ）分别于1893年和1906年以一系列实验证实了这一理论。

1935年泽尼可（Zernike ）提出了相衬显微镜的原理。

这些早期的理论和实验其本质上都是一种空间滤波技术，是傅里叶光学的萌芽，为近代光学信息处理提供了深刻的启示。

但由于它属于相干光学的范畴，在激光出现以前很难将它在实际中推广使用。

1960年激光问世后，它才重新振兴起来，其相应的基础理论——“傅里叶光学”形成了一个新的光学分支。

目前光信息处理技术已广泛应用到实际生产和生活各个领域中。

一、实验目的1. 了解傅里叶光学基本理论的物理意义，加深对光学空间频率、空间频谱和空间频率滤波等概念的理解；2. 验证阿贝成像原理，理解成像过程的物理实质——“分频”与“合成”过程，了解透镜孔径对显微镜分辨率的影响；二、实验原理1. 傅里叶光学变换设有一个空间二维函数),(y x g ，其二维傅里叶变换为dxdy y x i y x g G )](2exp[),(),(ηξπηξ+-=⎰⎰∝∝- (1) 式中ηξ,分别为x,y 方向的空间频率，而),(y x g 则为),(ηξG 的傅里叶逆变换，即ηξηξπηξd d y x i G y x g ⎰⎰+=∝∝-)](2exp[),(),( (2)式（2）表示，任意一个空间函数),(y x g 可表示为无穷多个基元函数)](2exp[y x i ηξπ+的线性迭加，),(ηξG 是相应于空间频率为ηξ,的基元函数的权重，),(ηξG 称为),(y x g 的空间频谱。

实验七 空间频率滤波器一、实验目的（1）知道光信息处理的原理。

（2）掌握光信息处理的实验装置和技术。

（3）掌握基本空间滤波器的作用。

二、原理概述用(图7-1)来说明最常见的在频域内作光信息处理的实验装置，常称为三透镜系统。

三个透镜的焦距都相同为f ，两透镜之间的距离为2f 。

其中插有平面，平面与相邻透镜的距离为也f 。

光信息处理的原理是基于透镜的傅立叶变换性质和谱面上的空间滤波。

在(图7-1)中第一个透镜1L 把点光源变为平行光束，照射到照片（物）上，该照片置于第二个透镜2L 的前焦面上，在透镜2L 的后焦面上，可观察到照片的频谱。

第三个透镜3L 把置于自己前焦面的照片频谱，又重新变换为原照片的像，像位于3L 的后焦面上。

如果在谱面上采用各种不同的空间滤波器来改变照片的频谱，就能改变照片像的性质，这就是光学空间滤波过程。

在谱面上插入一个滤波器，实际上是对照片的频谱进行调制，能去处或增加照片的频谱，当滤波后的频谱被透镜3L 傅里叶变换到像面上后，照片的像将发生改变，不需要的部份(例如噪声)就会被去除，或增加某些新的内容，以方便我们进行照片识别，这就叫做图像处理。

其关键技术就是各种滤波器的制作和使用。

本实验仅介绍几种常见的简单空间滤波器。

1． 低通和高通滤波器如(图7-2a)所示的一中心透光的圆孔，它就是低通滤波器。

它的作用是能让低空间频率的光波通过，而将高空间频率的光波档住。

因为在频谱面上位置坐标，越靠近光轴的点，也就是衍射角较小的点，它的空间频率越低。

当照片上有小的霉点和灰尘时，它们的频谱会充满整个谱面，如果使用低通滤波器，就能挡住它们的绝大部分(图17-1)光信息处理的三透镜系统实验装置(a)低通滤波器 (b)高通滤波器 (图17-2)低通和高通滤波器谱的光强，故在像面上它们将被滤除掉。

只要控制低通滤波器的通光孔的半径(决定了低通滤波器的截止频率)，就能滤去那些衍射的爱里圆盘半径大于截止频率的灰尘。

實驗七空間濾波一、實驗目的：瞭解空間濾波的原理與效果。

二、實驗內容：（一）了解光學系統的成像原理。

（二）觀看濾波的方法與功效。

三、實驗裝置：（一）光具座組（六）影像放大用鏡頭（二）雷射（七）濾波器（三）主成像透鏡（八）放大鏡（四）凸透鏡（九）細目鋼網（五）阻隔片及轉檯圖7-1 空間濾波實驗系統示意圖四、實驗步驟：（一）實驗器材的安裝1.將雷射及其安裝架置於光具座上，調整光是與光具座平行，在幕上標示光束的位置。

2.安放第一個主透鏡，使光束透過鏡心後，光束中心點仍落在標示點上。

3.利用上述方法依次放入第二個主透鏡，影像放大鏡及凸透鏡。

4.在空間濾波器上裝好顯微物鏡，仔細調整雷射架上旋鈕，使光束中心點仍落在標示點上。

（二）空間濾波器的調整1.顯微物鏡後退原離微孔架，裝上微孔並在凸透鏡上覆蓋一層白紙。

2.調整微孔位置，使雷射光通過微孔落在白紙上。

3.緩慢的前移顯微物鏡，同時精確的修正微孔位置，使雷射光在白紙上的像保持同心環紋。

4.繼續上述調整，直到所有同心環紋消失，紙上只剩下非常純淨的第零級亮點為止。

（三）觀察各阻隔板的濾波效果1.平面鏡插入在凸透鏡與第一個主透鏡之間，前後調整凸透鏡的位置，使反射光聚焦於微孔面上，則通過凸透鏡的雷射光為平行光。

2.鋼網緊靠凸透鏡放置，第一個主透鏡移到與其相距24ｃｍ處（主透鏡的焦距），第二個主透鏡移到與第一個主透鏡相距48ｃｍ處。

3.平面鏡插入在第二個主透鏡之後，精確的修正第二個主透鏡位置，使反射光聚焦於微孔面上，則通過第二個主透鏡的雷射光為平行光。

4.影像放大用鏡頭安放在第二個主透鏡後24ｃｍ處，仔細調整其位置，使幕上清晰呈現鋼網的放大像（利用放大鏡看幕上的像）。

5.阻隔片及轉檯安放在兩個主透鏡中間，鋼網的繞射花紋在阻隔片上，分別更換6種不同的阻隔片，以去除部份鋼網的繞射花紋，觀察並記錄各阻隔片所對應的圖像。

（利用放大鏡仔細分辨幕上的像）6.比對原網格及其經過空間濾波修正後，兩個圖像之間的差異，並解釋產生差異的原因。