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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),(y x g ，其二维傅里叶变换为=),(y x f f G F [][]d xdy y f x f i y x g y x g y x ⎰⎰∞∞-+-=)(2exp ),(),(π （1）式中y x f f ,分别为x,y 方向的空间频率，其量纲为L -1，而),(y x g 又是),(y x f f G 的逆傅里叶变换，即=),(y x g F -1[]=),(y x f f G []y x y x y x df df y f x f i f f G ⎰⎰∞∞-+)(2exp ),(π （2） 式（2）表示任意一个空金函数),(y x g ，可以表示为无穷多个基元函数[])(2ex p y f x f i y x +π的线性叠加，),(y x f f G y x df df 是相应于空间频率为y x f f ,的基元函数的权重，),(y x f f G 称为),(y x g 的空间频率。
当),(y x g 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。
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),(y x g 的图象作为物，并以波长为λ的单色平面波垂照明图象，则在透镜后焦面（x ',y '）上的振幅分布就是),(y x g 的傅里叶变换),(y x f f G ，其中y x f f ,与坐标x ',y '的关系为 F y f F x f Y x λλ','== （3） 图 1 故x '—y '面称为频谱面（或傅氏面），见图1，由此可见，复杂的二维傅里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2),(y x f f G ，称为频谱，也就是物的夫琅禾费衍射图。
空间滤波测速研究进展朱志雄【摘要】速度参量的准确测量在检测领域占据着重要的地位,速度检测在机械量、几何量及流体物理量测量领域有着极其广泛的应用.近年来,光学测速由于其光学结构稳定、精度高等优势受到越来越多的青睐,国内外关于这方面的研究也越来越多.归类梳理了光学测速中一些较典型的例子,重点介绍了空间滤波测速法及其进展;展望了光电池阵列空间滤波测量转速的前景,对空间滤波测速的研究具有一定的指导意义.【期刊名称】《重庆理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(029)002【总页数】7页(P91-97)【关键词】光学测速;空间滤波测速;转速测量【作者】朱志雄【作者单位】重庆理工大学光电信息学院,重庆400054【正文语种】中文【中图分类】TN25速度参量的测量在工业生活中极为常见。
例如轮船、汽车、飞机、火箭、风力发电机、轮船螺旋桨、飞行器转动轴等固态物的速度检测，水流、血流、工地搅拌机内液态物料等液态物的速度检测，以及粉尘、台风等气态物的速度检测。
速度参量如位移(角位移)、转速和加速度等是确定这些气态、液态涡旋流场或旋转机械系统的运动特性和工作状态的重要参数。
通过精确测量这些速度参量，可以了解运动物体的状态和性能，判断它们的运动特性。
因此，速度参量的测量是检测技术领域中重要的组成部分，在机械量、几何量及流体物理量测量领域里有着极其广泛的应用。
在转速测量方面，比较成熟的测量方法主要是采用栅式角位移传感器来测量角位移量及其转速。
以感应同步器、时栅、磁栅、容栅、光栅和角数字编码盘为代表的栅式角位移传感器通常被运用于固态旋转物体的转速测量，极少被用来测量液态、气态涡旋流场的转速。
目前，国内外的文献和研究报道中所涉及的测量液态、气态物质的速度主要是指测量其线速度。
液态、气态物质的速度测量分为接触式测量和非接触式测量。
气象站、码头、机场采用风杯式风速仪;自来水管道水表等采用接触式测量气、流体的速度。
在在线速度测量方面，雷达、超声波测速，激光多普勒法测速等是非接触式测量的典型代表。
《信息光学》课题论文论文题目：空间滤波实验学院(系)：信息工程学院专业：光信息科学与技术年级： XXXX姓名：学号：完成时间： 201X年 06月24日目录摘要 (2)1前言 (2)1.1什么是空间滤波 (2)1.2空间滤波技术的发展现状 (3)1.3研究光学空间滤波的意义 (4)2实验原理 (5)2.1阿贝成像原理 (5)2.2空间滤波原理 (6)3实验步骤 (7)3.1光路布置 (7)3. 2实验内容 (8)3.2.1实验仪器 (8)3.2.2实验操作 (8)3.3实验中的相关问题及处理办法 (11)3.4实验现象 (12)4实验总结 (13)参考文献 (14)空间滤波实验论文摘要：空间滤波是一种对影像采用滤波处理增强的方法，其理论基础是空间卷积，目的是改善影像质量，包括去除高频噪声与干扰，影像的边缘增强，线性增强，以及去模糊等。
也分为低通滤波，高通滤波，和带通滤波。
处理方法主要有光学处理和计算机信息处理两种。
光学处理是基于傅里叶光学理论，通过空间滤波技术，改变激光信息的空间结，从而实现对激光的调制与处理，著名的构阿贝-波特实验提供了有效的处理方法，它利用空间频谱的语言分析物光场景的结构信息，通过改变物频谱的手段来得到我们所需要的像。
本文就是利用实验室有限的器材来完成激光的空间滤波处理，根据实验设计，讨论，实验过程以及结果分析来完成的。
空间滤波的应用范围很广，因此通过课程实验来研究空间滤波的原理，具有比较重要的探索和实践意义。
关键词：空间滤波实验傅里叶光学理论阿贝成像原理前言1.1什么是空间滤波1873年德国著名的科学家阿贝提出了阿贝成像原理，即二次成像原，这个原理也为当今信息光学的发展奠定了基础，物体的成像，包含了两次衍射过程，当相干光垂直照射物体时，其衍射波能够在透镜的后焦面上形成夫良禾费衍射图像，得到第一次衍射的像，如图1.1所示。
2次衍射的过程，也就是2次傅立叶变换的过程，物体的衍射光波被分解为各种频率，即向不同方向传播的平面波分量，在后焦面上得到的频谱是第一次的傅立叶变换过程，而由后焦面各种频谱的分量在相面上再次聚合成像，这是第二次傅立叶变换过程。
阿贝成像原理和空间滤波实验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。
一．实验目的1．通过实验，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．熟悉空间滤波的光路及进行高通、低通和方向滤波的方法。
二．实验原理阿贝认为在相干平行光照射下，显微镜的成像可分为两个步骤。
第一个步骤是通过物的衍射在物镜后焦面上形成一个初级干涉图(频谱面)；第二个步骤则为物镜后焦面上的初级干涉图复合为像。
这就是通常所说的阿贝成像原理。
成像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g(x0，y0)，可以证明在物镜的后焦面(xf，yf)上的复振幅分布是g(x0，y0)的傅里叶变换G(xf，yf)（只要令fx=xf/λf，fy=yf/λf；λ为光的波长，f 为物镜焦距）。
所以第一个步骤起的作用就是把光场分布变为空间频率分布。
而第二个步骤则是又一次傅里叶变换将G(xf，yf)又还原到空间分布。
图1显示了成像的这两个步骤。
如果以一个光栅作为物。
平行光照在光栅上，经衍射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）。
经过物镜分别聚焦在后焦面上形成点阵。
然后，代表不同空间频率的光束又重新在像平面上复合而成像。
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。
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。
这是显微镜分辨率受到限制的根本原因。
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。
创见性声明本人声明：所呈交的毕业论文是本人在指导教师的指导下进行的工作和取得的成果，论文中所引用的他人已经发表或撰写过的研究成果，均加以特别标注并在此表示致谢。
与我一同工作的同志对本论文所做的任何贡献也已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
毕业论文作者签名：签字日期：年月日本科毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解中国民航大学有关保留、使用毕业设计（论文）的规定。
特授权大学可以将毕业设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。
同意学校向国家有关部门或机构送交毕业设计（论文）的复印件和磁盘。
（保密的毕业论文在解密后适用本授权说明）毕业论文作者签名：指导教师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要3.3.1线性滤波（邻域平均）线性低通滤波器最常用的是线性平滑滤波器，这种滤波器的所有系数都是正的，也称邻域平均。
淋浴平均减弱或消除了傅里叶变换的高频分量，对噪声的消除有所增强，但是由于平均而使图像变得更为模糊，细节的锐化程度逐渐减弱。
下面使用不同的平滑模板对图像进行滤波：（二维线性滤波fliter2）程序代码：I=imread(’cameraman.tif’);Imshow(I)Title(’原始图像’)J=imnoise(I,’salt&pepper’); %添加椒盐噪声，噪声密度为默认值0.05Figure,imshow(J)Title(’添加盐椒噪声后的图像’)K1=filter2(fspecial(’average’,3),J)/255; %应用3*3邻域窗口法figure,imshow(K1)Title(’3*3窗口的邻域平均滤波图像’)K2=filter2(fspecial(’average’,7),J)/255; %应用7*7邻域窗口法figure,imshow(K2)Title(’7*7窗口的邻域平均滤波图像’)K3=filter2(fspecial(’average’,8),J)/255; %应用9*9邻域窗口法figure,imshow(K3)Title(’9*9窗口的邻域平均滤波图像’)K4=filter2(fspecial(’average’,11),J)/255; %应用11*11邻域窗口法figure,imshow(K4)Title(’11*11窗口的邻域平均滤波图像’)3.3.2中值滤波中值滤波可以保留目标边缘，这是中值滤波器相对于均值滤波器的最大优势。
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。
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。
1、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。
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）。
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。
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。
如果要处理整幅图像，可以在图像轮廓边缘时用全部包含于图像中的模板部分来滤波所有图像，或者在图像边缘以外再补上一行和一列灰度为零的像素点（或者将边缘复制补在图像之外）。
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
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
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以提取某些频段的光信息，从而使图像发生相应的变化，
图3空间滤波
图4 图像处理系统
2.4θ调制
将一幅透明画拆分成三部分：房子、草地、天空，将这三部分分别刻在三片不同取向的光栅上，将光栅叠在一起作为物，此物叫调制片，用白光照明调制片，光束发生衍射，衍射光束经透镜后在其焦平面成像形成衍射谱（彩色光斑），如在谱平面上放置频谱滤波器（即能让一部分光通过的挡板），在房子谱方向只让红色光谱通过，在草地谱方向只让绿色通过，在天空谱方向只让蓝色谱通过，在像平面上将看到图像被“着上”不同颜色
图4 实验现象图
图5 物镜孔径大小影响示意图。
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。
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。
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。
编号： _____ _____
贵州民族大学
Guizhou Minzu University
《信息光学》课程论文
论文题目：空间滤波实验
学院(系)：信息工程学院
专业：光信息科学与技术
年级： 2010级
姓名：
学号：
完成时间： 2013年 6月 20日
空间滤波
摘要：空间滤波的目的是通过有意识的改变像的频谱，使像产生所希望的变换，从而达到改善像的质量的目的。
空间滤波的基本原理是阿贝成像原理，这是一种不同于几何光学的观点，它将物体看成是不同空间频率信息的集合，相干成像过程分成两步完成。
第一步是入射场光场经物平面发生夫琅禾费衍射，在透镜后焦面上形成一系列衍射斑；第二步是各衍射斑作为新的次波源发出球面次波，在像平面上相互叠加，形成物体的像。
关键词：空间滤波 阿贝成像原理 空间频谱 傅立叶光学变换 相干光
空间滤波原理：
1、阿贝成像原理
阿贝所提出的显微镜成像的原理在傅里叶光学早期发展历史上具有重要的地位。
直到今天，在图像处理中仍然有广泛的应用价值。
阿贝认为，在相干光照明下，显微镜的成像可分为两个步骤，第一个步骤是通过物的 衍射光在物镜后焦面上形成一个初级衍射（频谱图）图。
第二个步骤则为物镜后焦面上的初级衍射图向前发出球面波，干涉叠加为位于目镜焦面上的像，这个像可以通过目镜观察到。
成像的这两步骤本质上就是两次傅立叶变换，如果物的振幅分布是g(x,y)，可以证明在物镜后面焦面'x ，'y 上的光强分布正好是g(x,y)的傅立叶变换
()x y G f f 。
（只要令'x x f F λ=，'
y y f F λ=，λ为波长，F 为物镜焦距）。
所以第一步骤起的作用就是把一个光场的空间分布变成为：空间频率分布；而第二步骤则是又一次傅氏变换将()x y G f f 又还原到空间分布。
下图显示了成像的这两个步骤，为了方便起见，我们假设物是一个一维光栅，平行光照在光栅上，经衍射分解成为向不同方向的很多束平行光（每一束平行光相应于一定的空间频率）。
经过物镜分别聚集在后焦面上形成点阵，然后代表不同空间频率的光束又从新在像平面上复合而成像。
图1 阿贝成像原理
但一般说来，像和物不可能完全一样，这是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）不能进入到物镜而被丢弃了，所以像的信息总是比物的信息要少一些，高频信息主要是反映物的细节的，如果高频信息受到了孔径的阻挡而不能到达像平面，则无论显微镜有多大的放大倍数，也不可能在像平面上分辨出这些细节，这是显微镜分辨率受到限制的根本原因，特别当物的结构是非常精细（例如很密的光栅），或物镜孔径非常小时，有可能只有0级衍射（空间频率为0）能通过，则在像平面上就完全不能形成图像。
2、傅立叶变换在光学成像系统中的应用
在信息光学中、常用傅立叶变换来表达和处理光的成像过程。
设一个xy 平面上的光场的振幅分布为g(x,y)，可以将这样一个空间分布展开为一系列基元函数exp[()]x y iz f x f y π+的 线性叠加。
即
(,)()exp[2()]x y x y x y g x y G f f f x f y df df π∞
-∞=
+⎰⎰ (1)
x f 、y f 分别为x,y 方向的空间频率，量纲为1L -；()x y G f f 是相应于空间频率为x f ，y f 的基元函数的权重，也称为光场的空间频率，()x y G f f 可由下式求得：
(,)(,)exp[2()]x y G x y g x y i f x f y dxdy π∞
-∞=
-+⎰⎰ (2)
g(x,y)和()x y G f f 实际上是对同一光场的两种本质上等效的描述。
当g(x,y)是一个空间的周期性函数时，其空间频率就是不连续的。
例如空间
频率为0f 的一维光栅，其光振幅分布展开成级数：
0()exp[2]n n g x G i n f x π∞=-∞=
∑
相应的空间频率为f=0。
3、光学空间滤波
上面我们看到在显微镜中物镜的孔径实际上起了一个高频滤波的作用，这就启示我们，如果在焦平面上人为的插上一些滤波器（吸收板或移相板）以改变焦平面上光振幅和位相就可以根据需要改变像平面上的频谱，这就叫做空间滤波。
最简单的滤波器就是把一些特殊形式的光阑插到焦平面上，使一个或几个频率分量能通过，而挡住其他频率分量，从而使像平面上的图像只包括一种或几种频率分量，对这些现象的观察能使我们对空间傅立叶变换和空间滤波有更明晰的概念。
图2是典型的相干滤波系统：
图2典型的相干滤波系统
阿贝成像原理和空间滤波预示了在频谱平面上设置滤波器可以改变图像的结构，这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θ调制等较简单的滤波特例外，还可以进行特征识别、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。
（1）布置好光路，以扩展后的平行激光束照明物体，以透镜将此物成像于较远处的屏上，物使用带有网格的网格字（中央透光的“光”字和细网格的叠加），则在屏上出现清晰的放大像，能看清字及其网格结构（图3）。
由于网格为周期
性的空间函数，它们的频谱是有规律排列的分立的点阵，而字迹是一个非周期性的低频信号，它的频谱就是连续的。
图3
(2) 将一个可变圆孔光阑放在第二焦平面上，逐步缩小光阑，直到除了光轴上一个光点以外，其它分立光点均被挡住，此时像上不再有网格，但字迹仍然保留下来。
(3) 把小圆孔移到中央以外的亮点上，在屏上仍能看到不带网格的“光”字，只是较暗淡一些，这说明当物为“光”与网格的乘积时，其傅里叶谱是“光”的谱与网格的谱的卷积，因此每个亮点周围都是“光”的谱，再作傅里叶变换就还原成“光”字，演示了傅里叶变换的乘积定理。
实验收获：
通过阿贝成像原理与空间滤波的理论学习和实际操作，对光在频谱方面的应用有了初步的了解，阿贝成像原理在实际光通信中有很重要的指导意义，光信息处理有很重要的应用前景。
把抽象的数学概念变成了物理现实，用频谱语言来描述光的信息，给光学的研究应用开辟了新途径。
1. 阿贝关于“二次衍射成像”的物理思想是在相干光照明下，显微镜的成像可分为两个步骤：第一步是通过物的衍射光在物镜的后焦面上形成一个衍射图；第二步是物镜后焦面上的衍射图复合为（中间）像，这个像可以通过目镜观察到。
2.空间频谱：二维空间分布函数g(x,y)的傅立叶变换式G(f(x),f(y))称为函数g(x,y)的空间频谱。
在频谱面上放上可调狭缝或滤波模板，挡去频谱某些空间的频率成分，则会使像发生变化。
3.空间滤波：一种采用滤波处理的影像增强方法。
其理论基础是空间卷积。
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。
分为低通滤波（平滑化）、高通滤波（锐化）和带通滤波。
处理方
法有计算机处理（数字滤波）和光学信息处理两种。
空间滤波器应放在频谱面上。
频谱面即透镜的后焦面， 4. 如何从阿贝成像原理来理解显微镜或望远镜的分辨率受限制的原因？能不能用增加放大率的办法来提高其分辨率? 可见光由于其波动特性会发生衍射，因而光束不能无限聚焦，一些频率信息必定会受到孔径限制。
根据这个阿贝定律，可见光能聚焦的最小直径是光波波长的三分之一，也就是200纳米。
一个多世纪以来，200纳米的“阿贝极限”一直被认为是光学显微镜理论上的分辨率极限，所以不能用增加放大率的办法提高分辨率。
望远镜放大倍数与入射孔径对分辨目标细节也有匹配关系。
如果入射孔径小，倍数再高也对分辨细节没有帮助。
参考文献：
（1）物理基础实验北京航空航天大学出版社
（2）普通物理实验指导（光学）北京大学出版社
（3）信息光学科学出版社。
