试析滤波利用MATLABGUI实现空间滤波实验仿真
最后更新时间：2024-04-20
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论文导读：
摘要： 利用阿贝成像原理和空间滤波系统，从改变频谱入手改造一副光学图像，进行光学信息处理。在此基础上，利用MATLAB图形用户界面建立了空间滤波实验的物理模型并进行了仿真模拟，从而实现了数字图像的处理。
Abstract： The application of optical information processing with rebuilding the frequency spectrum is based on the experiment of Abbe-Poter and spatial filtering. And then， building the physical model of experiment system and programming the simulation with matlab GUI are demonstrated to process the digital image.
关键词： 空间滤波；MATLAB GUI；频谱
Key words： spatial filtering；MATLAB GUI；Frequency Spectrum
1006-4311（2012）29-0302-02
0引言
光学信息处理是基于光学频谱分析，利用傅立叶综合技术，通过空域或频域调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理的过程。阿贝于1873年提出的显微镜成像理论，以及他本人于1893年、波特于1906年为验证这一理论所做的阿贝—波特实验，科学地说明了成像质量与系统传递的空间频谱之间的关系，成为空间滤波的先导。随着计算机硬件、软件技术的快速发展，把电子数字计算机与光学模拟处理器结合起来，使其在光学信息处理领域内应用范围日益扩大。Matlab提供的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）[1，2]是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面。用户通过一定的方法（如键盘或鼠标）选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作变化，比如实现计算及计算可视化、绘图等。Matlab GUI技术集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便、界面友好的人机交互方式，给用户带来了操作和控制的方便与灵活性。采用MATLAB GUI设计对光信息处理进行仿真[3，4]，过程简单，可以设计出丰富、直观的界面。操作方便，可以直接在界面上输入和改变参数，直观地分析各参数的变化对实验结果的影响。
1阿贝成像原理及4f空间滤波系统
1873 年阿贝首次提出了一个与几何光学成像传统理论完全不同的成像概念[5]。该理论认为成像过程包含了两次衍射过程。这两次衍射过程分为两步：一是分频；二是合成。如图1，由物面到后焦面物体衍射光波分解为各种频率分量，在后焦面得到物体的频谱，这是分频过程。由后焦面到像面各频谱分量又合成为像。从频域来看，要求各空间频率成分在传递过程中尽可能少受影响，所得的像逼真与物。但实际上由于物镜有限光瞳的限制，物体的频率分量只有一部分参与了成像。一些高频成分被丢失，因而像产生失真。显然，像和系统传递的空间频率之间存在一一对应的关系。像和物的相似程度完全取决于物体有多少频率成分能参与成像。在频谱面上放置狭缝、小孔等光阑改变透射的频谱，输出像的结构将发生变化。这样提供了一种新的频谱语言描述信息，启发人们用改变频谱的手段来改造信息，即信息光学处理基础。
在成像问题中，希望物与像尽可能相似，考虑的是输入信息的各种频率成分在系统中如何传递。而对于空间滤波更为普遍的问题在于输入信息实现所期望的变换，例如去噪、特征信息的提取等。对输入信息所包含的各种空间频率成分施加振幅和位相调制来实现特定的变换，这就是空间滤波的含义。4f相干光学信息处理系统是傅里叶光学的一个经典滤波系统，系统有与空域对应的输入（物平面）、输出（像平面）平面，以及与频域对应的确定的频谱面，在频谱面可以安放所需要的滤波源于：职称论文www.7ctime.com
器。图2为4f相干光学信息处理系统的示意图，物面上的信息经透镜L1实现光学傅里叶变换，在后焦面（即频谱面）上得到物的频谱。在频谱面放置滤波器，透射频谱通过透镜L2在像平面合成为改造后的像。
2基于MATLAB GUI模拟光的空间滤波现象
数字图像处理是指计算机图像处理，图像的光学处理方式由于实验条件和光学元件的限制而缺少灵活性，计算机图像处理可以灵活进行各种运算，而且具有可编程、控制、分析和判断的能力。利用数学软件matlab GUI技术设计空间滤波界面，可以灵活选取实验参数，在界面实时再现图像处理过程。
用MATLAB GUI设计空间滤波实验仿真界面：建立五个命令按钮，三个图像框，三个可编辑文本框；五个命令按钮分别为低通滤波、高通滤波、方向滤波、带通滤波和结束执行按钮；三个图像框分别为原图像框、滤波器和滤波后图像；两个可编辑文本框为滤波器带宽设置。设计界面如图3所示，然后编写回调函数，点击“演示”控件后出现的用户界面如图4所示。
在滤波带宽选择下，按钮执行结果如图5（a）-（e）。
3结论
长期以来，由于信息光学课程中的概念繁多，学生对频谱、滤波、卷积等的理解较为抽象，理论教学对实验的依赖性较强，特别是一些光学现象的教学中教师一直沿袭口述笔演的教学方式，这些都给学生进一步理解该课程带来了诸多困难，因而信息光学的教学效果不尽人意。在这种情况下，需要用现代化的教学手段，千方百计地为学生提供观察、理解物理现象的机会，培养学生的思维水平和能力。利用matlab GUI对信息光学实验进行仿真，首先很好解决了真实实验因环境限制而不能进入课堂的难题；其次在掌握光学理论知识和数学软件的前提下，让学生自主探索并通过matlab编程，去完成对知识的巩固和拓宽；最后利用用户对GUI界面的可控性，启发学生对实验中的参数进行改变，根据实际物理条件选择符合要求的最优值，并获得最优条件下的参数值，最后通过理论文导读：.北京：清华大学出版社，2006.赵盾.光学实验计算机仿真平台的构建.武汉理工大学学报信息与管理工程版，2010（5）.何钰.阿贝成像原理和空间滤波实验及计算机模拟实验.西南交通大学理学院物理系，2006.吕乃光.傅里叶光学.北京：机械工业出版社，2006：300.上一页12
论仿真来指导实践，让学生真切感受科学技术是第一生产力。
参考文献：
张宜华.精通MATLAB
北京：清华大学出版社，2006.
[3]赵盾.光学实验计算机仿真平台的构建[J].武汉理工大学学报信息与管理工程版，2010（5）.
[4]何钰.阿贝成像原理和空间滤波实验及计算机模拟实验[J].西南交通大学理学院物理系，2006.
[5]吕乃光.傅里叶光学[M].北京：机械工业出版社，2006：300.
摘要： 利用阿贝成像原理和空间滤波系统，从改变频谱入手改造一副光学图像，进行光学信息处理。在此基础上，利用MATLAB图形用户界面建立了空间滤波实验的物理模型并进行了仿真模拟，从而实现了数字图像的处理。
Abstract： The application of optical information processing with rebuilding the frequency spectrum is based on the experiment of Abbe-Poter and spatial filtering. And then， building the physical model of experiment system and programming the simulation with matlab GUI are demonstrated to process the digital image.
关键词： 空间滤波；MATLAB GUI；频谱
Key words： spatial filtering；MATLAB GUI；Frequency Spectrum
1006-4311（2012）29-0302-02
0引言
光学信息处理是基于光学频谱分析，利用傅立叶综合技术，通过空域或频域调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理的过程。阿贝于1873年提出的显微镜成像理论，以及他本人于1893年、波特于1906年为验证这一理论所做的阿贝—波特实验，科学地说明了成像质量与系统传递的空间频谱之间的关系，成为空间滤波的先导。随着计算机硬件、软件技术的快速发展，把电子数字计算机与光学模拟处理器结合起来，使其在光学信息处理领域内应用范围日益扩大。Matlab提供的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）[1，2]是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面。用户通过一定的方法（如键盘或鼠标）选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作变化，比如实现计算及计算可视化、绘图等。Matlab GUI技术集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便、界面友好的人机交互方式，给用户带来了操作和控制的方便与灵活性。采用MATLAB GUI设计对光信息处理进行仿真[3，4]，过程简单，可以设计出丰富、直观的界面。操作方便，可以直接在界面上输入和改变参数，直观地分析各参数的变化对实验结果的影响。
1阿贝成像原理及4f空间滤波系统
1873 年阿贝首次提出了一个与几何光学成像传统理论完全不同的成像概念[5]。该理论认为成像过程包含了两次衍射过程。这两次衍射过程分为两步：一是分频；二是合成。如图1，由物面到后焦面物体衍射光波分解为各种频率分量，在后焦面得到物体的频谱，这是分频过程。由后焦面到像面各频谱分量又合成为像。从频域来看，要求各空间频率成分在传递过程中尽可能少受影响，所得的像逼真与物。但实际上由于物镜有限光瞳的限制，物体的频率分量只有一部分参与了成像。一些高频成分被丢失，因而像产生失真。显然，像和系统传递的空间频率之间存在一一对应的关系。像和物的相似程度完全取决于物体有多少频率成分能参与成像。在频谱面上放置狭缝、小孔等光阑改变透射的频谱，输出像的结构将发生变化。这样提供了一种新的频谱语言描述信息，启发人们用改变频谱的手段来改造信息，即信息光学处理基础。
在成像问题中，希望物与像尽可能相似，考虑的是输入信息的各种频率成分在系统中如何传递。而对于空间滤波更为普遍的问题在于输入信息实现所期望的变换，例如去噪、特征信息的提取等。对输入信息所包含的各种空间频率成分施加振幅和位相调制来实现特定的变换，这就是空间滤波的含义。4f相干光学信息处理系统是傅里叶光学的一个经典滤波系统，系统有与空域对应的输入（物平面）、输出（像平面）平面，以及与频域对应的确定的频谱面，在频谱面可以安放所需要的滤波源于：职称论文www.7ctime.com
器。图2为4f相干光学信息处理系统的示意图，物面上的信息经透镜L1实现光学傅里叶变换，在后焦面（即频谱面）上得到物的频谱。在频谱面放置滤波器，透射频谱通过透镜L2在像平面合成为改造后的像。
2基于MATLAB GUI模拟光的空间滤波现象
数字图像处理是指计算机图像处理，图像的光学处理方式由于实验条件和光学元件的限制而缺少灵活性，计算机图像处理可以灵活进行各种运算，而且具有可编程、控制、分析和判断的能力。利用数学软件matlab GUI技术设计空间滤波界面，可以灵活选取实验参数，在界面实时再现图像处理过程。
用MATLAB GUI设计空间滤波实验仿真界面：建立五个命令按钮，三个图像框，三个可编辑文本框；五个命令按钮分别为低通滤波、高通滤波、方向滤波、带通滤波和结束执行按钮；三个图像框分别为原图像框、滤波器和滤波后图像；两个可编辑文本框为滤波器带宽设置。设计界面如图3所示，然后编写回调函数，点击“演示”控件后出现的用户界面如图4所示。
在滤波带宽选择下，按钮执行结果如图5（a）-（e）。
3结论
长期以来，由于信息光学课程中的概念繁多，学生对频谱、滤波、卷积等的理解较为抽象，理论教学对实验的依赖性较强，特别是一些光学现象的教学中教师一直沿袭口述笔演的教学方式，这些都给学生进一步理解该课程带来了诸多困难，因而信息光学的教学效果不尽人意。在这种情况下，需要用现代化的教学手段，千方百计地为学生提供观察、理解物理现象的机会，培养学生的思维水平和能力。利用matlab GUI对信息光学实验进行仿真，首先很好解决了真实实验因环境限制而不能进入课堂的难题；其次在掌握光学理论知识和数学软件的前提下，让学生自主探索并通过matlab编程，去完成对知识的巩固和拓宽；最后利用用户对GUI界面的可控性，启发学生对实验中的参数进行改变，根据实际物理条件选择符合要求的最优值，并获得最优条件下的参数值，最后通过理论文导读：.北京：清华大学出版社，2006.赵盾.光学实验计算机仿真平台的构建.武汉理工大学学报信息与管理工程版，2010（5）.何钰.阿贝成像原理和空间滤波实验及计算机模拟实验.西南交通大学理学院物理系，2006.吕乃光.傅里叶光学.北京：机械工业出版社，2006：300.上一页12
论仿真来指导实践，让学生真切感受科学技术是第一生产力。
参考文献：
张宜华.精通MATLAB
6.5版[M].北京：清华大学出版社，1999：202-207.
Dane Hanselman，Bruce Lttlefied，朱仁峰译.精通Matlab7[M].北京：清华大学出版社，2006.
[3]赵盾.光学实验计算机仿真平台的构建[J].武汉理工大学学报信息与管理工程版，2010（5）.
[4]何钰.阿贝成像原理和空间滤波实验及计算机模拟实验[J].西南交通大学理学院物理系，2006.
[5]吕乃光.傅里叶光学[M].北京：机械工业出版社，2006：300.