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近代物理实验2
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θ调制实验报告
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篇一：θ调制实验 θ调制实验 一、 相关科目： 光栅及光栅衍射，阿贝成像原理，空间频谱与空间滤波，假彩色编码 二、 实验原理： θ调制实验是对阿贝的二步成像理论的一个巧妙应用。将一个物体用不同的光栅来进行编码，制作成θ片。如本实验中的花朵、叶子和背景，分别是由三组取向成120度的光栅构成的。将θ片置于白光照明中，在频谱面上进行适当的空间滤波处理，便可在输出面上得到一个假彩色的像。 我们知道，如果在一个透镜的前面放置一块光栅并用一束单色平行光垂直的照射它，在透镜的后焦面（即频谱面）上就会形成一串的衍射光斑，其方向将垂直于光栅的方向。如果有一个二维的图形，其不同部分由取向不同光栅制成（调制），显而易见，他们的衍射光斑也将有不同的取向，即在透镜的后焦平面（频谱面）上，各部分的频谱分布也将有不同，如果我们挡住某一部分的频谱，在频谱面后的这部分图象将会消失，可见，输入图象中各部分的频谱，只存在于调制光栅的频谱点附近。如果我们用白光照射θ片，则在频谱上可得到彩色的频谱斑（色散作用），每个彩色斑的颜色分布从外向里按赤、橙、黄、绿青、兰、紫的顺序排列，这是由于光栅的衍射角与光波长有关，波长越长衍射角越大。如果我们在频谱面上，放置一个空间滤波器，这种滤波器可以让不同方位的光斑串，不同的颜色有选择地通过，则我们就可以得到一幅彩色的像。如，在花朵图象的光斑方向上，我们让光斑中绿色的光通过；在背景图象的光斑方向上，让光斑中绿色的光通过；在背景图象的光斑方向上，让光斑中兰色的光通过，这样我们就会得到一幅红花、绿叶、蓝色背景的彩色图像，而实际上物体（θ片）是无色的，这就实现了假彩色编码。三、 实验方法： 1、 按下图摆放实验装置。2、 在频谱架上插入一张白纸（或纸板），前后移动(转 载于: 在 点 网)频谱架观察θ片的频谱， 体会θ片中各方向光栅的作用，使频谱尽量明亮清晰，固定好频谱架。 3、 根据自己的理解和爱好，用刻刀在白纸上刻出适当大小和形状的孔， 使频谱光斑上不同颜色的光通过。观察毛玻璃上图像的变化情况，体会频谱面上的孔位置与图像颜色的关系，进行体会空间频谱与空间滤波的物理意义。篇二：θ调制实验 假彩色 改进
工程光学课程设计
θ调制实验的图像处理
物理与电子工程学院 年 级 专 业光电信息工程 班 级 学 号 学生姓名
周峰 指导教师 邢进华职 称教授 论文提交日期
要 光学信息处理是用光学的方法实现对输入信息的各种变换或处理。光学信息处理是近年来发展起来的一门新兴学科,它以全息术、光学传递函数和激光技术为基础。透镜的傅里叶变换效应是光学信息处理的理论核心。与其他形式的信息处理技术相比，光学信息处理具有高度并行性和大容量的特点。这一学科发展很快，现在已经成为信息科学的一个重要分支，在许多领域进入了实用阶段。光学信息处理的内容十分丰富。θ调制实验是信息光学教学中一个十分重要的实验，它是建立白光信息处理理论的实验基础光。通过这个实验。我们得到了彩色的输出图像。不仅揭示了空间频率的物理意义，而且实现了空间假彩色编码。同时对获得的结果进行了分析。 关键词：白光信息处理
中值滤波器 目 录 1. 引言 .......................................................... 3 2. θ调制实验 .................................................... 4 2.1 θ调制实验的原理 .................................................... 4 2.1.1 空间滤波原理 ................................................... 4 2.1.2 阿贝成像原理 ................................................... 4 2.2 实验器材 ............................................................ 5 2.3 实验操作步骤及结果 .................................................. 5 3. θ调制实验的改进 .............................................. 7 3.1 自适应型中心加权中值滤波器 .......................................... 7 3.1.1 滤波器的原理 ................................................... 7 3.1.2 中心权值的计算 ................................................. 7 3.2 仿真代码 ...............................................................................................................................................9 3.3 实验结果及分析 ..................................................... 10
............................................................ 12 参考文献 ........................................................ 13 致谢 ............................................................ 14 1. 引言 调制的概念在电子学中已很好被人理解。一个正弦载波和一个信号两者按下面方式结合在一起：载波的振幅(或频率或位相)按比例地随信号的变化而变化。这就是信号对载波进行调制。这样，信号就容易被载波携带而传送出去。也还有“骑 ”在不同载波上的若干个信号同时沿同一信号电缆传播的情形――这称为“多重调制”技术。这种技术给光学方面的调制提供一种调制方案。然而，在电子学通讯中，信号是时问的函数。而在光学中，信号(常称信息)则是空间坐标的函数，例如光强分布I（x ，y )或I(r，φ)就是这样。因此，光学上的“载波”就不再是时问函数而是空间坐标函数了。光学上的“载波”指的是一个“空间单频”，或用一般的术语，指的是一个振幅光栅(黑白的矩形光栅或正弦光栅)。很明显，把作为空间坐标函数的光学信息和光栅的空间周期起伏的光强分布叠加在一起，就是光学信息调制“载波”(光栅)了，或者称为光栅对光学信息编码。这样。光学信息便借助于光栅的衍射光而传送出去。光学上的这种调制本质上与电子学上的调制是一样的。然而，一个光学图像往往包含若干个信息(或是结构信息或是灰度信息或是彩色信息)。要使传送出去的各个信息能够被分离开来(这本质上与电子学的“多重调制”技术一样)，一般的做法是：不但要使一个光栅编码一个信息，而且要使编码不同信息的光栅栅纹方向取不同的角方位(定义为角 的方位)。调制(Theta Modulation)的名称就由此而得。 2. θ调制实验 2.1 θ调制实验的原理 2.1.1 空间滤波原理 以信息光学中空间滤波技术为基础的θ调制技术，是空间滤波原理的一种巧妙应用，它将原始像变换成为按一定角度的光栅调制像，将该调制像置于4f系统中用白光照明并进行适当的空间滤波处理，实现假彩色编码 得到彩色的输出像。对于图像的不同区域分别用取向不同(θ角不同)的光栅。预先进行调制，经过多次曝光和显影、定影等处理后制成透明胶片，并将其放人信息处理系统(如4f系统)中的输入面,用白光照明，则在其谱面上，不同方位的频谱均呈彩虹颜色。如果在频谱面上开一些小孔，则在不同的方位角上，小孔可选取不同颜色的谱，最后在处理系统的输出面上便得到所需要的彩色图像。由于这种方法是利用不同方位的光栅(彼此转动了θ角)对图像进行调制，因此称其为θ调制技术。又因为它是将图像中不同方位的空间物体编上不同的颜色，故也称为空间假彩色编码。 2.1.2 阿贝成像原理
空间滤波是基于阿贝成象原理的一种光学信息处理方法，它用空间频谱的语言分析物光场的结构信息，通过有意识的改变物频谱的手段来产生所期望的像。早在1873年，德国家阿贝(Abbe)在蔡斯公司研究如何提高显微镜的分辨率问题时，提出了阿贝成像理论。阿贝成像原理: 物是一系列不同空间频率的集合。入射光经物平面发生夫琅禾费衍射,在透镜焦面(频谱面)上形成一系列衍射光斑,各衍射光斑发出的球面次波在相面上相干叠篇三：实验2-2 θ调制技术用于假彩色编码 光信息专业实验指导材料（试用） 实验2－2
θ调制技术用于假彩色编码 [实验目的] 1、掌握θ调制假彩色编码技术的原理和方法； 2、学习θ调制假彩色编码系统的设计和组装技巧； 3、了解θ调制物片的制作原理和方法。 [实验原理] 1、阿贝二次成像理论 1873年，阿贝首次提出一个与几何光学成像理论完全不同的观念，即“二次成像理论”，认为在相干照明条件下，透镜成像过程可以分为两步：首先，物光波经过透镜，在透镜后焦面上形成频谱，该频谱称为第一次衍射像；然后，频谱成为新的次波源，由它发出的次波在像平面上干涉而形成物体的像，该像称为第二次衍射像。阿贝二次成像理论的主要贡献在于，证明了像的结构直接依赖于频谱的结构，所以可根据光学图像处理的需要，在频谱面上改变其结构，就可以改变像的特性。阿贝二次成像的理论基础是光学傅里叶变换。就光学信息处理手段而言，大致可以分为两类，一类是在输入面上处理，称为空域调制，一类是在频谱面上处理，称为频域调制。 2、θ调制假彩色编码原理 θ调制假彩色编码属于空域调制，它是 对一张本无色彩的图像，利用空域调制和空 间滤波技术，使其实现图像彩色化。其原理 是对输入图像的不同区域分别用取向（θ角） 不同的光栅进行调制（见图1(a)），当用白光 照明时，频谱面上得到色散方向不同的彩色 带状谱，其中每一条带状谱对应被某一个方 向光栅调制的图形的信息。频谱面上彩色带 状谱的色序是按衍射规律分布的。如在该平面上加一适当的滤波器，则可在输出面上得到所需要的彩色图像。滤波器的结构实际上是一个被打了孔的光屏，如图1(b)所示，其中的黑色圆点即为打的孔，它分布在彩色带状谱中所需波长的位置，使其通过，而其它波长的光波均被挡住，于是在像平面上便得到预期的颜色搭配。 所谓“假彩色编码”，是指输出面上呈现的色彩并不是物体本身的真实色彩，而是通过θ调制处理手段将白光中所包含的色彩“提取”出来，再“赋予”图像而形成的，因而称为“假彩色”。“编码”是借助信息论的说法，表示处理手段。 图1(a)光栅调制片的结构示意图 图1(b)频谱面上的光谱及孔状滤波器示意图
[实验设备] 实验室提供的设备包括：导轨，滑块若干，白炽灯（带有低压电源和聚光镜），θ调制片（玫瑰花图样，分3个色区，调制光栅的空间频率f0＝200 lp/mm），透镜3枚（φ75，f150；φ50，f100；φ40， f 200），白屏，毛玻璃屏，滤波器（黑纸）及支架，针，样品夹，数码相机。 [实验内容] 实验题目：根据θ调制假彩色编码原理，选择一套合适的光学系统结构，选择适用的光学元器件，自行组装成假彩色编码实验系统，并在该系统上进行θ调制假彩色编码实验。包括以下三项内容： 1、选择实验系统结构： θ调制假彩色编码系统一般采用空间滤波系统。该系统常见的有三透镜和二透镜两类，如图2、3、4所示。 L y1 L2 y2
x1 x2x3y3 f1
2 三透镜空间滤波系统 像面
系统结构的选择原则是： 图3 二透镜系统示意图(一) 像面
图4 二透镜系统示意图(二) 实验系统的空间总长度不宜超出实验室提供的导轨长度。 2、选择光学元件 1）在实验室提供的光学元件中选择所需的元件，包括透镜、用具、各种支架等； 2）光学元件的参数和间隔要选择恰当，便于实际操作，便于观察到实验结果。3、组装实验系统，实现规定图像的θ调制假彩色编码 1）按照所选择的光学系统结构，以及所选光学元件，组装实验系统； 2）在组装好的实验系统上实现“玫瑰花”调制片的空间滤波操作，获得假彩色编码输出图像。 实验要求 1、本实验关键的要求是建立一个实验系统，包括：系统结构合理，光学元件参数选择合理，各元件的间隔合理，光谱展宽的线度要便于滤波操作，使得该系统得到的输出图像清晰、完整、大小和亮度适当、单色性好； 2、要求采用不同的滤波方案，使输出图像的色彩组合至少达两种以上； 3、注意观察从频谱面到达像平面光的成像行为，记录并试分析现象； 4、详细记录实验系统有关参数，例如各元件的间隔、光谱的线度、像的放大倍数、假彩色编码彩色输出图像的描述等等你认为有价值的数据； 4、将实验结果用数码相机记录下来，存入指定电脑，文件名要求用中文实名； 5、对实验结果进行必要的分析和讨论。 [必做设计题] 1、由于滤波平面上的频谱形状与所开滤波孔的形状很难匹配，因此同一滤波孔中难免有多个波长的光通过而出现“混频”现象，致使输出图像的色彩不纯，影响假彩色编码效果。有人主张将滤波孔开得尽可能小，以避免上述“混频”现象的发生。但这样做的结果是光能量损失过大，输出图像亮度过低，效果不理想。请设计一种解决上述矛盾的方法，既能提高输出图像色彩的纯度，又能提高光能量的利用率，使彩色图像明亮。 2、θ调制片是本实验的关键部件，请至少设计两种制作θ调制片的实验方法，写出具体操作步骤。 3、调制光栅空间频率的选择依赖于哪些因素？选择过大或过小会带来哪些弊病？若调制光栅的空间频率改为300 lp/mm，则在你选定的实验系统中，傅里叶变换透镜的孔径至少应多大，才能使实验得以成功？如小于该值，会出现怎样的后果？
参考文献： 1、《信息光学基础》，朱伟利、盛嘉茂著，中央民族大学出版社，1997年； 2、《傅里叶光学》，吕乃光，机械工业出版社，2006年； 3、《光学全息及信息处理》，于美文等著，国防工业出版社，1984年。 重要说明：因时间安排的特殊性，07级专业实验暂采用二透镜系统操作，只需在已经搭建好的系统上进行滤波操作即可（见实验内容的3（2）），“实验要求”中除第一条外都要执行。君，已阅读到文档的结尾了呢~~
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θ调制实验 假彩色 改进
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θ调制实验 假彩色 改进_图文
导读：2.θ调制实验，2.1θ调制实验的原理，以信息光学中空间滤波技术为基础的θ调制技术，它将原始像变换成为按一定角度的光栅调制像，将该调制像置于4f系统中用白光照明并进行适当的空间滤波处理，实现假彩色编码得到彩色的输出像，预先进行调制，最后在处理系统的输出面上便得到所需要的彩色图像，由于这种方法是利用不同方位的光栅(彼此转动了θ角)对图像进行调制，因此称其为θ调制技术，故也称为空间假彩色编码，2.
2. θ调制实验
2.1 θ调制实验的原理
2.1.1 空间滤波原理
以信息光学中空间滤波技术为基础的θ调制技术，是空间滤波原理的一种巧妙应用，它将原始像变换成为按一定角度的光栅调制像，将该调制像置于4f系统中用白光照明并进行适当的空间滤波处理，实现假彩色编码 得到彩色的输出像。对于图像的不同区域分别用取向不同(θ角不同)的光栅。预先进行调制，经过多次曝光和显影、定影等处理后制成透明胶片，并将其放人信息处理系统(如4f系统)中的输入面,用白光照明，则在其谱面上，不同方位的频谱均呈彩虹颜色。如果在频谱面上开一些小孔，则在不同的方位角上，小孔可选取不同颜色的谱，最后在处理系统的输出面上便得到所需要的彩色图像。由于这种方法是利用不同方位的光栅(彼此转动了θ角)对图像进行调制，因此称其为θ调制技术。又因为它是将图像中不同方位的空间物体编上不同的颜色，故也称为空间假彩色编码。
2.1.2 阿贝成像原理
空间滤波是基于阿贝成象原理的一种光学信息处理方法，它用空间频谱的语言分析物光场的结构信息，通过有意识的改变物频谱的手段来产生所期望的像。早在1873年，德国科学家阿贝(Abbe)在蔡斯公司研究如何提高显微镜的分辨率问题时，提出了阿贝成像理论。阿贝成像原理: 物是一系列不同空间频率的集合。入射光经物平面发生夫琅禾费衍射,在透镜焦面(频谱面)上形成一系列衍射光斑,
各衍射光斑发出的球面次波在相面上相干叠
加,形成像。阿贝成像理论的提出对于光学信息处理的发展具有重要意义，它完全不同于几何光学成像传统理论，其真正价值在于使人们对物体成像过程有了全新的认识和理解，并启发人们利用空间滤波技术来改变频谱分布以获得想要的信息输出。
2.2 实验器材
实验器材：白光点光源S，输入物P1与相应调制物，消色差变换透镜L1、L2、L3，空间滤波器P2，像面P3.
2.3 实验操作步骤及结果
(1)将实验器件架好，按照图所示的实验光路图依次放入光学元件并排好光路，调整光路共轴。
(2)调整溴钨灯灯丝与透镜L1的距离，使溴钨灯的灯丝位于透镜L 的二倍物方焦距处。
将不透光的挡板放在透镜L1的二倍像方焦距处，微调挡板与透镜L1的距离，直到在挡板上
看到灯丝等大的明亮的像。选择挡板上的像的最亮的一点扎孔使其透光，这就是良好的点光源。
(3)将透镜L2(准直透镜)放在小孔后一倍焦距处，在透镜L2后放一个光屏，微调透镜
与小孔的距离，直到前后移动光屏较大距离，光屏上的光照面积都不会有较大变化。这时从透镜L2出射的光波才可以看作平面波。
(4)使平面波垂直照射在θ调制板上(θ调制板上的图形倒立放置)，θ调制板上与透镜 的距离没有严格的规定。
(5)透镜L3(傅立叶变换透镜)放在θ调制板后二倍焦距处，这是为了在透镜 L3的像方
二倍焦距处可以成倒立等大的实像。
(6)在透镜L3
的二倍像方焦距处放一个毛玻璃屏，前后轻微调节毛玻璃屏的位置，直
到在屏上看到清晰的像为止。此时像的颜色为多种颜色的合成色。
(7)透镜L3的像方焦平面就是傅立叶频谱面，在此处放置一个不透光的硬纸(最好是黑
色)，前后微调硬纸的位置，直到在硬纸上看到清晰的彩色频谱。
(8)事先判断好θ调制板上组成物体各部分的光栅的走向，认定所对应的各排频谱，根据图案局部规定的颜色用大头针在相关频谱中该种颜色部位扎孔，通过毛玻璃屏，我们就可以观察到一个被“涂上”彩色的物体的像。
但是，在传统操作过程中，其实验教学效果通常不理想，如光学元件调节费时、图像输出较模糊、且输出图像不能实时保存等。
3. θ调制实验的改进
3.1 自适应型中心加权中值滤波器
3.1.1 滤波器的原理
中值滤波器(SMF)能有效地消除图像中的冲击噪声，但会造成图像边缘等细节信息的损失。为了在去除噪声的同时有效的保护细节，人们研究出了许多改进型的中值滤波算法。：针对椒盐噪声污染的图像提出了一种改进型中值滤波算法。该算法是一种自适应型中心加权的高效中值滤波算法。中心加权中值滤波器(CWMF) 具有如下的性质：权值w c越小，平滑的程度越大，从而越容易造成边缘和细节的模糊；反之w c越大，平滑的程度越
小，就更能够保护图像的边缘和细节信息。通过计算边缘隶属度来自适应地调整中心像素的权值，从而控制新的滤波器对图像不同区域进行不同程度的平滑，即对细节丰富的图像区域进行轻度的平滑，而对细节较少的图像区域进行重度的平滑。从而能更好地保护图像细节信息。因此，这类滤波器得到了广泛的研究。
3.1.2 中心权值的计算
为了确定w c的值，必须先求出隶属度，为此引入模糊理论。模糊理论不对事物做简单
的肯定和否定，而是用隶属度来反映某一事物属于某一范畴的程度。为计算边缘隶属度，首先利用传统的中值滤波器(SMF)对噪声图像进行滤波，得到其输出图像I：
式中：I0为原始图像。采用SOBEL算子T1和T2对I进行边缘检测处理：
错误！未找到引用源。
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选用SOBEL算子是因为SOBEL算子具有噪声抑制功能。处理后得图像L：
L=|T1?I|+|T2?I|
L的数值范围被限定在[0，255]区间，对大于255的像素一律变为255。将图像L按灰度值大小分为两个部分，采用最大类问方差法选择最佳阈值d T，m定义为图像L的最大
灰度值，取阈值为t，类1(对应灰度值大的类)像素数占总像素数的比率为w1(t)，平均灰
度值为μ1(t)，类2(对应灰度值小的类)为w2(t)和μ2(t)，Pi为灰度级ｉ出现的概率，则
阈值错误！未找到引用源。的计算式为：
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