[科普中国]-光学图像处理器

简介定义

光学图像处理器是运用透镜的傅里叶变换效应，在图像的空间频域（傅里叶透镜的焦平面）对光学图像信号进行滤波，提取或加强所需的图像（信号），滤掉或抑制不需要的图像（噪声），并进行透镜傅里叶逆变换输出处理后的图像的一种图像处理器。光学图像处理是在傅里叶光学的基础上发展起来的。傅里叶光学的核心，在于运用透镜或其他器件产生二维图像的空间频谱，从而在频域对光信号进行处理

背景技术空间光孤子是强光引起介质折射率非线性变化而产生的，当非线性介质折射率变引起的光束自聚焦与光束衍射自发散作用相平衡时，光就能达到自陷，传播时轮廓不变，形成空间光孤子。光折变空间光孤子以其独特的物理性质和在光开关及光束控制选选方面的潜在应用价值而备受关注。光折变空间光孤子的很多特性己经被广泛研究，包括在不光折变介质中的形成机制、波导性质、类粒子性的相互作用、碰撞时的能量守恒和交换等，其在全光开关、图像传输、光控折射率传感器等领域的应用也有报道。

光学4f相干成像系统常常用来进行光学图像处理，其关键是在频谱面上选择合适的空间滤波器，对光学图像的空间频谱进行滤波，以实现边缘提取、特征提取和模式等来获得预期图像信息。光学图像边缘提取在光学信息处理和模式识别中是非常有效的技术手段。光学图像的边缘对应着傅里叶频谱的高频部分，边缘增强能够使得模式识别中自相关峰变得更加锐利，从而增强模式识别鉴别力。己经有很多早期研究报道了利用光晶体作为实时记录介质在两波混频和叫波混频系统中实现光学图像的边缘增强，以及基光学图像的边缘增强的相干和非相干光学模式识别。

目前，对于空间光孤子在光学信息处理领域的应用，尚没有研究报道。如何更深地研究空间光孤子的特性以使其应用于更多更广的领域，成为人们一直努力研究的课题。

而光学图像处理器是光折变空间光孤子诱导波导结合光学4f相干成像系统来实现光学图像处理的处理器，同时也提供了一种光学图像处理方法，该方法是将空间光孤子应于光学信息处理领域，扩大了空间光孤子的应用领域。1

相关简介图像处理器图像处理器是一类、合成等处理的软件。即指通过取样和量化过程将一个以自然形式存在的图像变换为适合计算机处理的数字形式，包括图片直方图、灰度图等的显示，图片修复，即指通过图像增强或复原，改进图片的质量。

包括去除噪点，修正数码照片的广角畸变，提高图片对比度，消除红眼等等，图片合成，即指将多张图片进行合并，实现图片内容改变的过程，图片合成通常需要通过抠图实现，图片合成的主要意义，在于通过抠图的方式更换背景，或将多张图片直接合成，譬如各种融合模式，都是图片合成的方式。

光学图像处理视觉是人类从大自然中获取信息的最主要的手段，而图像是人类获取视觉信息的一个主要来源，有研究表明，大约有70%的信息是通过人眼获得的图像信息。所谓“图”，就是物体透射或者反射光的分布；“像”是人的视觉系统接受图的信息而在大脑中形成的印象或者认识。前者是客观存在的，而后者是人的感觉，图像应该是两者地结合。因此，在图像处理中不能仅仅把图像看成是二维平面上或者是三维立体空间中具有明暗或色彩变化地光分析。

所谓图像处理，就是对图像信息进行加工以满足人的视觉心理或应用需求的行为。常用的图像处理方法有光学处理与数字处理两大类。

(1)光学处理。光学处理建立在傅立叶光学的基础上，进行光学滤波、相关运算、频谱分析等，从而实现对图像的处理工作。这一技术己经有很长的发展历史，从简单的光学滤波到现在的激光全息技术，光学处理理论己经日趋完善，而且处理速度快，信息容量大，又很经济。但是光学处理图像精度不够高，稳定性差，操作不便。

(2)数字处理。从20世纪60年代起，随着电子技术和计算机技术的不断提高和普及，数字图像处理进入高速发展时期'数字图像处理就是利用计算机或者其他数字硬件，对从图像信息转换而得的电信号进行某些数学运算，以提高图像的实用性。例如从卫星图片中提取目标物的特征参数，三维立体断层图像的重建等。数字图像处理技术处理精度比较高，而且还可以通过改进处理软件来优化处理效果吹但是，由于数字图像处理的数据量非常庞大，因此处理速度相对较慢，这就限制了数字图像处理的发展。随着计算机技术的飞速发展，计算机的运算速度大大提高，这将大大促进数字图像处理技术的发展。2

光学输入/输出图像处理器美国加州理工学院的JeffreyW.Yu等人为美国宇航局研制成功一种光学输入/输出的二进制图像处理器.这种处理器可以对二进制输入图像像元执行二进制运算并产生二进制输出图像。二进制运算是通过可编程序超大规模逻辑集成线路实现的。这种超大规模逻辑集成线路是在光电输入和输出板之间放置的多层逻辑线路，如图。

把很多二进制处理器串联形成较复杂的图像处理系统。用光学器件作为连接介质处理图像的速度比具有相同功能的全电学系统速度快得多。采用电子器件作为处理介质具有光学系统不可相比的灵活性，因此这种光电处理器兼顾光学和电子学处理系统的优点。

超大规模集成逻辑线路组成的光电探测器阵列接收光学系统的输入信号。每个光电探测器应与逻辑阵列像元中一个像元相关。在铁电液晶光调制器阵列上形成输出图像.阵列上每个单元对应输人图像一个像元。超大规模集成逻辑阵列的每一个像元输出电压组成每个光学输出像元调制电压。

如图是两个逻辑运算器，程序化处理器可同时对每个像元和它的邻近的4个像元进行处理。两个处理器可以串联完成各种图像处理的逻辑运算，这种图像处理系统对消除黑白图像噪声是很有用的。3

一种光学图像处理器将光折变空间光孤子诱导波导与4f相干成像系统结合起来，利用二维光折变空间光孤子作为空间滤波器来调制光学图像的空间频谱，能够应用于光学图像处理。空间光孤子波导的实时擦写、能够多次重复使用的柔性波导性质将有助于光学图像处理实现全光控制，这必将扩大光折变空间光孤子的应用领域，同时为光学图像模式识别提供新的技术方案。

组成及原理一种光学图像处理器，组成包括：

4f相干成像系统，由被测物、第一透镜、光折变晶体、第二透镜和CCD依次排列组成，依次排列的五者中任意相邻两者之间的距离为f;第一透镜与第二透镜的焦距均为f;由第一透镜出射的光束入射到光折变品体的方向与光折变晶体的光轴垂直；

电极板，用于向光折变晶休沿光轴方向施加电场；第一光源，用于提供入射被测物的第一光束；以及第二光源，用于提供第二光束，第二光束经分束后形成孤子光和背景光；光经第一透镜聚焦后入射光折变晶体，背景光入射光折变晶体。

第一光源包括第一激光器、第一透镜组、第一全反镜和第一分光棱镜；第一激光器用于发射第一光束，由第一激光器所发射的第一光束首先经第一透镜组扩束准直，之后由第一全反镜全反射后入射到被测物上，由被测物出射的第一光束经第一分光棱镜反射后入射第一透镜；

第二光源包括第二激光器、第二分光棱镜、第三分光棱镜、第二透镜组、第三透镜组、第一偏振片、第二偏振片、斩波器、第二全反镜和第三全反镜；第二激光器用于发射第二光束，由笫二激光器所发射的第二光来经笫二分光梭镜后分束为两束垂直的孤子光和背景光；孤子光首先经第二透镜组扩束准直，之后通过第偏振片形成偏振方向与光折变晶体的光轴平行的e光，接着经第一分光棱镜透射后入射第一透镜；背景光首先经斩波器斩波，之后经第二全反镜全反射，接着由第三透镜组扩束准直，再经第二偏振形成偏振方向与光折变晶休的光轴垂直的o光，然后经第三全反镜全反射后入射第三分光棱镜，第三分光棱镜位十第一透镜与光折变晶体之间，背景光经第三分光棱镜反射后入射光折变晶体。

步骤包括如下步骤：

a、搭建光路：由被测物、第一透镜、光折变晶体、第二透镜和CCD依次排列组成4f相干成像系统，由第一光源提供入射被测物的第一光束；4f相干成像系统中任意相邻两者之间的距离为f，第一透镜与第二透镜的焦距均为f;在4f相干成像系统中，由第一透镜出射的光束入射到光折变品体的方向与光折变晶体的光轴垂直；由第二光源提供第二光束，第二光束经分束后形成孤子光和背景光；孤子光经第一透镜聚焦后入射光折变晶体，背景光入射光折变晶体；

b、向光折变晶体沿光轴方向施加电场，使孤子光经第一透镜、光折变品体后，在光折变品体的后表面形成空间光孤子；

c、调节光路，使第一光束与孤子光在第一透镜与第二透镜之间的路路径重合；

d、由4f相干成像系统中的CCD采集被测物的傅M叶频谱中低频分量强、高频分量损耗后的成像；

e、调节第一光束的路径或调节光折变晶体的位置，使第一光束入射述光折变晶体内的路径偏离原来所在路径μm景级的距离；

f、由4f相干成像系统中的CCD采集被测物的傅M叶频谱中高频分量强、低频分量损耗后的成像。1