（毕业设计论文）空间滤波技术的原理和应用.doc

lw 空间滤波技术的原理和应用空间滤波技术的原理和应用 作作 者者 姓姓 名名 专专 业业 指导教师姓名指导教师姓名 专业技术职务专业技术职务 lw 目目 录录 摘摘 要要 IIII ABSTRACTABSTRACT IIIIII 第一章第一章 前言前言 1 1 1.1 空间滤波技术的原理与发展 1 1.2 空间滤波技术的发展状况 4 1.3 光学空间滤波的研究意义 6 第二章第二章 空间滤波技术的原理应用空间滤波技术的原理应用 6 6 2.1 空间滤波的原理 6 2.2 抽样定理 7 2.3 空间带宽积 9 第三章第三章 空间滤波器的计算机模拟空间滤波器的计算机模拟 1111 3.1 阿贝成像原理和空间滤波实验 .11 3.2 实验原理简介 .11 3.3 空间滤波实验 .12 3.4 空间滤波的计算机模拟 .14 3.4.1 全通滤波 .14 3.4.2 方向滤波器 .14 3.4.3 低通滤波 .19 3.4.4 高频滤波器 .20 3.4.5 方向滤波应用举例 .21 第四章第四章 空间滤波器的种类及应用空间滤波器的种类及应用 2222 4.1 空间滤波器的种类 .23 4.2 空间滤波器的应用 .23 结结 论论 2626 参考文献参考文献 2727 谢谢 辞辞 2929 lw 摘摘 要要 本课程讨论研究的是空间滤波技术的原理及应用，空间滤波是一种采用滤 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 光学信息处理是基于傅立叶光学理论，通过空间滤波技术改变输入信息的 空间频谱结构，从而实现对输入信息的调制、优化目的的过程1873 年德国科 学家阿贝提出的二次成像原理和 20 世纪初的阿贝—波特实验，已经为光学信息 处理打下了一定的理论基础空间滤波正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近 30 年来，随着计算机硬件、软件技术的快速 发展，在光学信息处理领域内，研发成果不断涌现，应用范围日益广大 本文提出了一种光学空间滤波实验过程的计算机仿真新方法，用 MATLAB 软 件实现了对输入图象的振幅、相位或复合滤波由于可以根据需要改变滤波器 的参量， 因此克服了光学实验上难以实现的复杂操作，给光学滤波器的设计和 图像的处理带来方便， MATLAB 提供 angle 函数，用于提取复数矩阵中的相位 角， 大大方便了仿真程序的编写。

空间滤波的应用很广，目前在现代光学和其他相关领域均取得了可喜的成 果，其发展前景也颇引人注目 关键词关键词：： 阿贝成像原理 傅立叶光学 空间滤波 lw ABSTRACT This course is to discuss the study of the principle of spatial filtering and application of technology, the use of spatial filtering is a filtering method of image enhancement processing. Theoretical basis of its spatial convolution. Objective is to improve the image quality, including the removal of high-frequency noise and interference, and the image edge enhancement, linear as well as to strengthen vague. Divided into low-pass filtering (smoothing), high-pass filter (sharpness) and band- pass filter. Methods to deal with computer processing (digital filtering) and two kinds of optical information processing. Optical information processing is based on Fourier optical theory, through the spatial filtering of information technology to change the input spectrum of the space structure, in order to achieve the modulation of the input information, the purpose of the process of optimization. German scientists in 1873 of the second imaging Abbe imaging principles and the actual beginning of the Abbe 20 - Porter experiment, optical information processing has laid a theoretical basis for certain. Spatial filtering is based on the principle of Abbe imaging of an optical information processing method, which used the language of space analyte spectrum light field structure of information, through awareness of the changes in the spectrum were the means to produce as expected. Over the past 30 years, with the computer hardware, the rapid development of software technology in the field of optical information processing, R 工 业自动化，用于检验机器和产品的质童，工业机器人对零件的识别和自动检测; 医疗诊断，心电、脑电超声波的分析和自动诊断，血球、痛细胞的分析和识别 等;可以用于遥感，从遥感图片中辨别各种物体。

它具有信息容量大、二维并行 处理、速度快、实时性强的优点 八十年代末到九十年代以来，各国在空间滤波器的研究上取得了长足的进 展Horner 等在研究空间滤波器的光能效率中，提出了仅位相滤波器，我们也 在 1986 年提出了振幅补偿匹配滤波器美国卡耐基梅隆大学提出了三阶仅位相 振幅滤波器，美国 Dayton 大学提出了振幅调制滤波器，美国 NASA Ames 研究中 心也提出了最优化相关滤波器；佐治亚理工学院提出了位相限幅滤波器等 另一方面，在用匹配滤波的方法进行光学模式识别的研究中，对于物体的 尺寸和旋转不变以及一个物体的不同面也进行了大量的研究加州大学圣地哥 分校的 Leger 和 Lee 在 1989 年提出位相编码模式的归类函数米实现畸变物体的 识别阿拉巴马大学也提出了 Generalized matched filter卡耐基梅隆大学 也在这方面的研究取得了迸展，它们提出了综合鉴别函数滤波器和最小值的综 合鉴别函数滤波器Horner 和 Gianino 把综合鉴别函数的技术应用在仅位相滤 波器中 70 年代开始计算机技术得到迅速发展，它的主要特点是：灵活性、通用性 好，精度高 1982 年 J. Horner 在研究空间滤波器的光能效中，提出了仅位相滤波器。

在此之前 Oppenheim 和 Lima 认为在复空间滤波中，振幅和位相所引起的作用 不同，振幅所起的作用较小，而位相起着主要的作用Horner 通过实验证实了 仅位相滤波器具有更锐的相关峰及更好的鉴别率鉴于仅位相滤波器只反映了 位相的信息，没能包括振幅的信息，我们提出了振幅补偿滤波器，与仅位相滤 波器相比，它具有更锐的峰，更高的鉴别率，这是因为它考虑了振幅的影响， lw 进一步平滑了频谱1989 年 Awwal 等又提出了振幅调制滤波器，把振幅补偿滤 波器的分立的补偿变为连续的补偿 总之，空间滤波器正在进行着快速的发展，也为越来越多的行业提供了更 多的方便! 1.3 光学空间滤波的研究意义 1873 年德国科学家阿贝提出的二次成像原理和 20 世纪初的阿贝—波特实 验，已经为光学信息处理打下了一定的理论基础进 30 年来，随着计算机硬件、 软件技术的快速发展，在光学信息处理领域内，研发成果不断涌现，应用范围 日益广大 空间滤波实验作为光学实验中重要的实验之一，有助于光学信息处理概念 的理解，但是在现实实验中，由于受到试验设备和环境的限制，空间滤波的实 际效果不是很明显借助计算机的图像、数据处理功能，可以很好地掩饰空间 滤波实验中各因素对成像的影响，动态地展现复杂的物理图像，是抽象的概念 形象化，枯燥的内容趣味化，对提高实验教学水平和加强多具有积极的意义。

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 第二章第二章 空间滤波技术的原理应用空间滤波技术的原理应用 2.1 空间滤波的原理 空间滤波就是利用透镜的傅里叶变换特性，把透镜作为一个频谱分析仪， 利用空间滤波的方式在频谱面上人为选择参与成像的空间频率成分，得到反映 物体不同特征的图像空间滤波实验装置采用 4f 系统(三透镜系统)，如图 3.1 所示，其中 L1、L2、L3 分别起着准直、变换、成像的作用；滤波器置于频谱面 (即变换透镜 L2 后焦面) 设物的透过率为 t(x1,y1)；滤波器透过率为 f(fx，fy)则频谱面后的光场复振幅为 lw u′2 = T(f x,f y) ·F(f x,f y) (2.1) 其中 T(f x,f y) = F{t(x1,y1)} (2.2) 图 2.1 空间滤波 4f 系统 空间频率 fx,fy 与坐标 x2,y2 的关系为： (2.3) 2 2 x y f f x f y f     为傅里叶变换算符； 为空间频率坐标；为单色点光源波长; {}F , xy ff  是变换透镜 L2 的焦距。

输出面由于实现了坐标反转，得到的是 u'2 的傅里 f 叶逆变换，即 (2.4) '1' 32 1 11 1 33 { } { (,)(,)} { (,)}*{ (,)} (,)*{ (,)} xyxy xyxy xy uF u F T ffF ff F T ffFF ff t xyFF ff     g 表示卷积运式(2.4)表示输出面得到的结果，是物的几何像与滤波器逆变换的卷 积，用“*”算由此可知，改变滤波器的振幅透过率函数，可改变几何像的结 构 2.2 抽样定理 抽样定理是电讯系统中联系离散信号系统和连续信号系统的一个桥梁。