空間濾波實(shí)驗(yàn)的Matlab Gui仿真

成純富等

[摘要]介紹了空間濾波實(shí)驗(yàn)的基本原理，利用Matlab Gui對(duì)空間濾波實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真。仿真界面友好、內(nèi)容豐富，仿真界面不但給出了實(shí)際的空間濾波實(shí)驗(yàn)光路，而且仿真結(jié)果驗(yàn)證了所有的空間濾波實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

[關(guān)鍵詞]Matlab Gui 空間濾波實(shí)驗(yàn) 頻譜

一、引言

空間濾波實(shí)驗(yàn)是信息光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，但由于光學(xué)實(shí)驗(yàn)光路調(diào)整較麻煩，再加上學(xué)生對(duì)空間濾波實(shí)驗(yàn)的原理沒理解透，導(dǎo)致大部分學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)，效率低下，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，嚴(yán)重的調(diào)不出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。為了加深學(xué)生對(duì)空間濾波實(shí)驗(yàn)的理解，近年來有不少人已經(jīng)開展了該實(shí)驗(yàn)仿真工作，但目前該實(shí)驗(yàn)的仿真要么缺乏直觀的界面[1]，要么界面不夠友好，不夠豐富[2]，比如界面中沒有給出實(shí)際的實(shí)驗(yàn)光路等。針對(duì)上述情況，本文對(duì)空間濾波實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了Matlab Gui仿真，仿真界面友好、內(nèi)容豐富，仿真界面不但給出了實(shí)際的空間濾波實(shí)驗(yàn)光路及注意事項(xiàng)，而且仿真結(jié)果驗(yàn)證了所有的空間濾波實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使學(xué)生更能深刻理解空間濾波實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

二、空間濾波實(shí)驗(yàn)的原理

空間濾波實(shí)驗(yàn)的原理源于阿貝成像原理，其原理圖如圖1所示[3]，阿貝成像原理認(rèn)為：透鏡成像過程可分為兩步，第一步是通過物的衍射光在系統(tǒng)的頻譜面上形成空間頻譜（夫瑯和費(fèi)衍射圖樣），這是衍射所引起的“分頻”作用；第二步是代表不同空間頻率的各光束在像平面上相干疊加而形成物體的像，這是干涉所引起的“合成”作用，這也是人們常說的“兩次衍射成像理論”。如果在頻譜面上設(shè)置各種空間濾波器，擋去頻譜中某一些空間頻率成分，或改變某些分量的位相，則將明顯地影響輸出圖像，這就是空間濾波。光學(xué)信息處理的實(shí)質(zhì)就是設(shè)法在頻譜面上濾去無用信息分量或改變某些分量而保留有用分量，從而在輸出面上獲得所需要的圖像信息。

三、空間濾波實(shí)驗(yàn)的Matlab Gui 仿真

圖2為空間濾波實(shí)驗(yàn)的Matlab Gui 仿真界面，界面的右上方給出了實(shí)際的空間濾波實(shí)驗(yàn)光路及注意事項(xiàng)，該注意事項(xiàng)是能否做出實(shí)際實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。濾波對(duì)象為實(shí)驗(yàn)中使用的光子屏，則在界面的下面顯示物及其頻譜，點(diǎn)擊濾波器下拉菜單，選中水平狹縫作為濾波器，則界面的下面第三個(gè)圖顯示該濾波器，再點(diǎn)擊進(jìn)行濾波按鈕，則在界面的下面第四個(gè)圖顯示經(jīng)濾波處理后的輸出像，由于頻譜面上的橫向分布是物的縱向結(jié)構(gòu)的信息，由經(jīng)濾波處理后的像可以看到當(dāng)光格字經(jīng)過水平狹縫濾波器之后，圖像是呈縱向分布的，如圖2（a）所以。當(dāng)點(diǎn)擊濾波器下拉菜單，選中垂直狹縫作為濾波器。由于頻譜面上的縱向分布是物的橫向結(jié)構(gòu)的信息，由經(jīng)濾波處理后的像可以看到當(dāng)光格字經(jīng)過垂直狹縫濾波器之后，圖像是呈橫向分布的，如圖2（b）所以。當(dāng)點(diǎn)擊濾波器下拉菜單，選中方向?yàn)V波器。由經(jīng)濾波處理后的像可以看到當(dāng)光格字經(jīng)過方向?yàn)V波器得到的是與之垂直方向的信息，如圖2（c）所示。當(dāng)點(diǎn)擊濾波器下拉菜單，選中低通濾波器時(shí)，濾波后的像如圖2（d）所示，由于光柵為周期性函數(shù)，其頻譜是有規(guī)律排列的離散點(diǎn)陣，而字跡不是周期性函數(shù)，它的頻譜是連續(xù)的，一般不容易看清楚，由于光字筆畫較粗，其空間低頻成分較多，因此頻譜面的光軸附近只有光字信息而沒有網(wǎng)格信息。經(jīng)過低通濾波，濾掉了物的高頻信息，輸出圖像顯示了物的低頻信息即光字。由于經(jīng)過濾波后的圖像能量有所損失導(dǎo)致輸出圖像比原圖像模糊。當(dāng)點(diǎn)擊濾波器下拉菜單，選中高通濾波器時(shí)，濾波后的像如圖2（e）所示，。

四、結(jié)論

為了更好理解空間濾波實(shí)驗(yàn)，本文對(duì)空間濾波實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了Matlab Gui仿真，仿真界面友好、操作方面，內(nèi)容豐富，本仿真界面不但給出了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)光路，而且實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的所有功能，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所有的空間濾波實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

[參考文獻(xiàn)]

[1]謝嘉寧，趙建林.光學(xué)空間濾波過程的計(jì)算機(jī)仿真，光子學(xué)報(bào)，2002，31：847-950

[2]李芳菊，耿森林.利用Matlab Gui實(shí)現(xiàn)空間濾波的實(shí)驗(yàn)仿真，價(jià)值工程，2012，29：302-303

[3]蘇顯渝，李繼陶.信息光學(xué)M.北京，科學(xué)出版社，1999

（作者單位：1.湖北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，2.武昌工學(xué)院 信息工程學(xué)院）