基本介紹
- 中文名：光學圖像處理器
- 外文名：optical image processor
- 基礎：傅立葉光學
- 缺點：精度不夠高，穩定性差，操作不便
- 套用領域：非線性光學和光學信息處理
- 套用學科：物理學、計算機科學、儀器科學
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定義
光學圖像處理器是運用透鏡的傅立葉變換效應，在圖像的空間頻域（傅立葉透鏡的焦平面）對光學圖像信號進行濾波，提取或加強所需的圖像（信號），濾掉或抑制不需要的圖像（噪聲），並進行透鏡傅立葉逆變換輸出處理後的圖像的一種圖像處理器。光學圖像處理是在傅立葉光學的基礎上發展起來的。傅立葉光學的核心，在於運用透鏡或其他器件產生二維圖像的空間頻譜，從而在頻域對光信號進行處理。
背景技術
空間光孤子是強光引起介質折射率非線性變化而產生的，當非線性介質折射率變引起的光束自聚焦與光束衍射自發散作用相平衡時，光就能達到自陷，傳播時輪廓不變，形成空間光孤子。光折變空間光孤子以其獨特的物理性質和在光開關及光束控制選選方面的潛在套用價值而備受關注。光折變空間光孤子的很多特性已經被廣泛研究，包括在不光折變介質中的形成機制、波導性質、類粒子性的相互作用、碰撞時的能量守恆和交換等，其在全光開關、圖像傳輸、光控折射率感測器等領域的套用也有報導。
光學4f相干成像系統常常用來進行光學圖像處理，其關鍵是在頻譜面上選擇合適的空間濾波器，對光學圖像的空間頻譜進行濾波，以實現邊緣提取、特徵提取和模式等來獲得預期圖像信息。光學圖像邊緣提取在光學信息處理和模式識別中是非常有效的技術手段。光學圖像的邊緣對應著傅立葉頻譜的高頻部分，邊緣增強能夠使得模式識別中自相關峰變得更加銳利，從而增強模式識別鑑別力。已經有很多早期研究報導了利用光晶體作為實時記錄介質在兩波混頻和叫波混頻系統中實現光學圖像的邊緣增強，以及基光學圖像的邊緣增強的相干和非相干光學模式識別。
目前，對於空間光孤子在光學信息處理領域的套用，尚沒有研究報導。如何更深地研究空間光孤子的特性以使其套用於更多更廣的領域，成為人們一直努力研究的課題。
而光學圖像處理器是光折變空間光孤子誘導波導結合光學4f相干成像系統來實現光學圖像處理的處理器，同時也提供了一種光學圖像處理方法，該方法是將空間光孤子應於光學信息處理領域，擴大了空間光孤子的套用領域。
介紹
圖像處理器
圖像處理器是一類、合成等處理的軟體。即指通過取樣和量化過程將一個以自然形式存在的圖像變換為適合計算機處理的數字形式，包括圖片直方圖、灰度圖等的顯示，圖片修復，即指通過圖像增強或復原，改進圖片的質量。
包括去除噪點，修正數碼照片的廣角畸變，提高圖片對比度，消除紅眼等等，圖片合成，即指將多張圖片進行合併，實現圖片內容改變的過程，圖片合成通常需要通過摳圖實現，圖片合成的主要意義，在於通過摳圖的方式更換背景，或將多張圖片直接合成，譬如各種融合模式，都是圖片合成的方式。
光學圖像處理
視覺是人類從大自然中獲取信息的最主要的手段，而圖像是人類獲取視覺信息的一個主要來源，有研究表明，大約有70%的信息是通過人眼獲得的圖像信息。所謂“圖”，就是物體透射或者反射光的分布；“像”是人的視覺系統接受圖的信息而在大腦中形成的印象或者認識。前者是客觀存在的，而後者是人的感覺，圖像應該是兩者地結合。因此，在圖像處理中不能僅僅把圖像看成是二維平面上或者是三維立體空間中具有明暗或色彩變化地光分析。
所謂圖像處理，就是對圖像信息進行加工以滿足人的視覺心理或套用需求的行為。常用的圖像處理方法有光學處理與數字處理兩大類。
(1)光學處理。光學處理建立在傅立葉光學的基礎上，進行光學濾波、相關運算、頻譜分析等，從而實現對圖像的處理工作。這一技術已經有很長的發展歷史，從簡單的光學濾波到現在的雷射全息技術，光學處理理論已經日趨完善，而且處理速度快，信息容量大，又很經濟。但是光學處理圖像精度不夠高，穩定性差，操作不便。
(2)數字處理。從20世紀60年代起，隨著電子技術和計算機技術的不斷提高和普及，數字圖像處理進入高速發展時期，數字圖像處理就是利用計算機或者其他數字硬體，對從圖像信息轉換而得的電信號進行某些數學運算，以提高圖像的實用性。例如從衛星圖片中提取目標物的特徵參數，三維立體斷層圖像的重建等。數字圖像處理技術處理精度比較高，而且還可以通過改進處理軟體來最佳化處理效果。但是，由於數字圖像處理的數據量非常龐大，因此處理速度相對較慢，這就限制了數字圖像處理的發展。隨著計算機技術的飛速發展，計算機的運算速度大大提高，這將大大促進數字圖像處理技術的發展。
輸入輸出
美國加州理工學院的JeffreyW.Yu等人為美國宇航局研製成功一種光學輸入/輸出的二進制圖像處理器。這種處理器可以對二進制輸入圖像像元執行二進制運算並產生二進制輸出圖像。二進制運算是通過可程式序超大規模邏輯集成線路實現的。這種超大規模邏輯集成線路是在光電輸入和輸出板之間放置的多層邏輯線路，如圖1。
圖1 高速光學輸入/輸出圖像處理器結構方框圖
把很多二進制處理器串聯形成較複雜的圖像處理系統。用光學器件作為連線介質處理圖像的速度比具有相同功能的全電學系統速度快得多。採用電子器件作為處理介質具有光學系統不可相比的靈活性，因此這種光電處理器兼顧光學和電子學處理系統的優點。
超大規模集成邏輯線路組成的光電探測器陣列接收光學系統的輸入信號。每個光電探測器應與邏輯陣列像元中一個像元相關。在鐵電液晶光調製器陣列上形成輸出圖像。陣列上每個單元對應輸入圖像一個像元。超大規模集成邏輯陣列的每一個像元輸出電壓組成每個光學輸出像元調製電壓。
如圖2是兩個邏輯運算器，程式化處理器可同時對每個像元和它的鄰近的4個像元進行處理。兩個處理器可以串聯完成各種圖像處理的邏輯運算，這種圖像處理系統對消除黑白圖像噪聲是很有用的。
運算器的邏輯AND和OR表示相鄰像元亮度值, 白色表1 , 黑色表0
類型
將光折變空間光孤子誘導波導與4f相干成像系統結合起來，利用二維光折變空間光孤子作為空間濾波器來調製光學圖像的空間頻譜，能夠套用於光學圖像處理。空間光孤子波導的實時擦寫、能夠多次重複使用的柔性波導性質將有助於光學圖像處理實現全光控制，這必將擴大光折變空間光孤子的套用領域，同時為光學圖像模式識別提供新的技術方案。
光學圖像處理器的結構示意圖
組成及原理
一種光學圖像處理器，組成包括：
4f相干成像系統，由被測物、第一透鏡、光折變晶體、第二透鏡和CCD依次排列組成，依次排列的五者中任意相鄰兩者之間的距離為f；第一透鏡與第二透鏡的焦距均為f；由第一透鏡出射的光束入射到光折變晶體的方向與光折變晶體的光軸垂直；
電極板，用於向光折變晶體沿光軸方向施加電場；第一光源，用於提供入射被測物的第一光束；以及第二光源，用於提供第二光束，第二光束經分束後形成孤子光和背景光；光經第一透鏡聚焦後入射光折變晶體，背景光入射光折變晶體。
第一光源包括第一雷射器、第一透鏡組、第一全反鏡和第一分光稜鏡；第一雷射器用於發射第一光束，由第一雷射器所發射的第一光束首先經第一透鏡組擴束準直，之後由第一全反鏡全反射後入射到被測物上，由被測物出射的第一光束經第一分光稜鏡反射後入射第一透鏡；
第二光源包括第二雷射器、第二分光稜鏡、第三分光稜鏡、第二透鏡組、第三透鏡組、第一偏振片、第二偏振片、斬波器、第二全反鏡和第三全反鏡；第二雷射器用於發射第二光束，由第二雷射器所發射的第二光來經第二分光梭鏡後分束為兩束垂直的孤子光和背景光；孤子光首先經第二透鏡組擴束準直，之後通過第偏振片形成偏振方向與光折變晶體的光軸平行的e光，接著經第一分光稜鏡透射後入射第一透鏡；背景光首先經斬波器斬波，之後經第二全反鏡全反射，接著由第三透鏡組擴束準直，再經第二偏振形成偏振方向與光折變晶休的光軸垂直的o光，然後經第三全反鏡全反射後入射第三分光稜鏡，第三分光稜鏡位十第一透鏡與光折變晶體之間，背景光經第三分光稜鏡反射後入射光折變晶體。
步驟
包括如下步驟：
a、搭建光路：由被測物、第一透鏡、光折變晶體、第二透鏡和CCD依次排列組成4f相干成像系統，由第一光源提供入射被測物的第一光束；4f相干成像系統中任意相鄰兩者之間的距離為f，第一透鏡與第二透鏡的焦距均為f；在4f相干成像系統中，由第一透鏡出射的光束入射到光折變品體的方向與光折變晶體的光軸垂直；由第二光源提供第二光束，第二光束經分束後形成孤子光和背景光；孤子光經第一透鏡聚焦後入射光折變晶體，背景光入射光折變晶體；
b、向光折變晶體沿光軸方向施加電場，使孤子光經第一透鏡、光折變晶體後，在光折變晶體的後表面形成空間光孤子；
c、調節光路，使第一光束與孤子光在第一透鏡與第二透鏡之間的路路徑重合；
d、由4f相干成像系統中的CCD採集被測物的傅M葉頻譜中低頻分量強、高頻分量損耗後的成像；
e、調節第一光束的路徑或調節光折變晶體的位置，使第一光束入射述光折變晶體內的路徑偏離原來所在路徑μm景級的距離；
f、由4f相干成像系統中的CCD採集被測物的傅M葉頻譜中高頻分量強、低頻分量損耗後的成像。
