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1、近代光学创新实验假彩色编码实验研究院 （系） 英才学院 专 业 机械设计制造及其自动化学 生 学 号 班 号 2013年6月假彩色编码实验研究摘要： 作为一种重要的参数化技术，彩色编码技术得到了越来越多的重视并在近年来取得了理论和应用上的一系列进展。本文将对假彩色编码技术的原理、实现方法等进行大致的介绍，并对其在实际生活中的应用做进一步探讨。关键词： 假彩色编码 4f光路 调制0 引言 在实际生活中有很多黑白照片，比如B超照片、X射线底片、金相图片等，但人类视觉能同时分辨的灰度最多不过1520个层次，这就影响了人对这些图片的分析处理。而人眼的视锥细胞对彩色的分辨力却相当敏锐，以至可以辨认出数以
2、千计的不同颜色。假彩色编码是通过光学手段给一张黑白底片中不同黑白层次赋予不同的颜色，以提高人眼对黑白底片的识别能力。本实验通过研究在相干处理中用黑白底片进行调制假彩色编码方法获得彩色图像的技术。1 原理和技术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
3、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） 调制假彩色编码原理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，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
4、，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。调法假彩色编码是阿贝二次衍射成像理论的一种巧妙的应用。它是先用不同的光栅分别调制图像的不同部分，制成调制片（或称光栅调制片），然后将其置于4f系统的输入面上，并
5、用白光照明。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假彩色图像。在一透镜前方放置一块栅线平行等距的光栅，当用一束单色平行光垂直照明时，在透镜的后焦面（即频谱面）上会形成光栅衍射的离散频谱点，其排列方向垂直于光栅栅线的方向。如果有一个二维图像，其不同部位受到方向不同的光栅的调制，则频谱面上频谱点的分布也对应于不同的方向。若挡住任一方向的频谱点，则与其对应的那部分图像就会消失。可见，输入图像中的各个部分的频谱，只存在于调制光栅的频谱点附近，这显然是由于各部分图像频谱与其对应的调制光栅的频谱卷积的结果。如果用白光光源照明调制片，则在频谱面上得到色散的彩色谱斑。每个彩色谱斑的颜色分布都是从
6、外向内按照红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的顺序变化。这种现象是易于理解的，因为光栅衍射角的大小与入射角的波长有关。红光的波长最长，故衍射角最大，分布在最外；而紫光的波长最短，故衍射角最小，分布在最里。如果在频谱面上放置一个空间滤波器，让不同方位的谱斑通过不同的颜色，则在像面上可以得到彩色像。由于这种方法是利用不同方位的光栅（彼此转动了角）对图像进行调制，因此称其为调制技术。又因为它是将图像中不同空间部位编上不同的颜色，故又称空间假彩色编码。图2 4f光路系统2 空间假彩色编码实验的实现空间假彩色编码仪的光学系统是二维傅立叶变换的信息处理系统，其性能对空间频谱的影响很大，本仪器光路设计的原则是操作方
7、便，缩短长度，优化性能。仪器的光路原理如图3所示。图3空间假彩色编码仪光原理图本仪器是一种演示仪，要求体积小，重量轻。为此这里经过反复实验，决定采用折迭式的白光光路。白光光源采用大功率的卤钨灯;滤波器的作用是滤除杂散光，保证谱像清晰，便于观察，特别注意光学系统是精密的机械系统，为了准确定位通常要配置复杂的调节机构，本仪器采用自行研制的针孔滤波器，定位精度20 ，滤波效果很好，频谱和图像均很清晰; 调制片要放在傅氏透镜附近，经傅氏透镜进行傅立叶变换后，在成像透镜的作用下得到清晰的假彩色编码图像。为了保证频谱和像的质量，本仪器要求傅氏透镜光学性能要好，孔径大于6cm，要求成像透镜的孔径大于15cm
8、。同时，采用CCD摄像器件作光电转换，经计算机系统处理，通过显示器输出，可得到任意大小的频谱图像，极大地提高了频谱的可视性和研究性。另外，本仪器光路系统的结构设计采用了提高机械加工精度，最大限度地减少可调节部件的方案。虽然装配调试的工作量有所增加，但是仪器的工作稳定性大幅提高，整机重量也有所降低。为了便于进行低通滤波，我们自行研制了对称式移动的可调狭缝滤波器，使仪器操作起来很方便。仪器内部还配备有自动散热，过压和过流保护措施等。43 假彩色编码技术应用1） 在材料分析中的应用基本原理是利用位相光栅在白光信息处理系统中的衍射特性对表现与原子序数有关信息的背散射电子像进行处理,制作出假彩色图片。用
9、波谱仪、能谱仪分析确定化学成分与各种颜色的对应关系,从而得出形象、直观的半定量分析结果。光路原理如图4所示图4 假彩色编码在材料分析中应用原理图采用图4的光学系统,首先制作出光栅调制图像,然后加以漂白获得位相图。将获得的位相图放在图1上4的位置,在频谱面上(图1上5的位置)放置狭缝滤波器进行空间滤波,只允许第n级衍射光通过,此时各级衍射光在输出面上的光强分布是各单色光强随其位相差按余弦规律变化分布后再进行非相干迭加的结果。当在频谱面上作空间滤波后,让某一级衍射光通过,在输出面上即可得到假彩色图像。光栅调制假彩色编码技术与半色调网屏法、密度分层合成法等光学方法相比具有明显的优点。其所需装置简单、
10、操作方便,仅仅需要一般的感光片和一种易得的半调光栅,对噪声也不用严格控制,滤波时采用0级光或1级光,其图像亮度高,噪声小,滤波方法简单,并在调换0级和1级光时,图像色彩为互补,因而可选取最佳色彩组合效果的图像。因此假彩色编码技术可以应用于对各种材料进行分析。52） 在医学诊断中的应用任何一个黑白图像都是山灰度层次和结构差别组成的。为了提高人类视觉对图像的识别能力，可以对黑白图像进行假彩色编码。将黑白图像彩色化一直是图像处理中的一个重要课题。七十年代末，八十年代初逐渐兴起的利用自光信息处理系统完成图像假彩色编码1FI，以及利用计算机处理进行图像假彩色编码，使这方而的工作有了很大发展。目前假彩色编
11、码技术广泛用于处理卫星、X光片、CT片、显微镜、电镜等图片，以提高图像分辨率和提取特定信息。本文利用自光信息处理系统和相位调剂法，对X光片、CT片进行等密度假彩色编码，图像彩色饱和度好，特征鲜明，易于识别，对极其微小的隐患也都容易分辨。特别对早期肿瘤及时发现，为治疗赢得宝贵时间。6参考文献1 张淑勤 王云山 调制法的空间假彩色编码的实验研究 大庆石油学院学报1986第四期2 调制法空间假彩色编码（百度）3 刘云龙 王建新 彩色编码技术的研究进展及应用 计算机科学 2008Vol351114 王玉泰 杨星海 空间假彩色编码的频谱分析及实现 仪器仪表学报 2004.85 郭全英 李启东 假彩色编码技术在材料分析中的应用 铸造 Vol49No1126 王祥林 黄义春 假彩色编码在医学诊断中的应用 哈尔滨建筑工程学院学报 Vol.25 No.26 / 6文档可自由编辑打印