Matlab软件应用于《光学信息处理技术》教学

冷雁冰

[摘要]论文根据《光学信息处理技术》课程教学的基本内容结构和教学目的，针对由于课堂教学与实验教学分离而影响教学效果的问题，探讨了在课堂教学中如何引入Matlab软件，同时，结合作者的教学实践，列举了Matlab软件在空间滤波部分的教学运用案例。实践证明，在教学中合理的运用该软件进行教学案例的模拟仿真，既能促进学生对课程的学习兴趣，同时又能提高学生对光学信息处理技术的掌握程度，从而增强学生的工程应用能力。

[关键词]Matlab 光学信息处理技术 空间滤波

[中图分类号]TP311 [文献识别码]A

《光学信息处理技术》是光电信息工程和光信息科学与技术专业的一门专业课。光学信息处理技术是近20多年来发展起来的新的研究领域，在现代光学中占有很重要的位置。本门课程对学生的空间想象能力和抽象思维能力有着较高的要求，而工科院校学生的数学功底普遍较为薄弱，同时，在教学计划中尤为注重对学生实践能力的培养。因此，论文针对学生特点及教学要求，将Matlab软件引入到课堂中进行辅助教学，取得了一定的效果。

一、合理引入软件教学

Matlab软件是由美国Mathworks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境Matlab是英文MATrix LABoratory（短阵实验室）的缩写。在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。由于其强大的功能和简易的操作，广泛的应用于各种工程领域，同时也成为各大高校的教学辅助工具。

光学信息处理技术可以完成对二维图像的识别、增强、恢复、传输、变换、频谱分析等，是利用光的透射、干涉和衍射等光学现象来实现对输入信息的各种变换或处理，它是一门基于实验的课程。在教学中，单纯依靠数学推演来讲解，并不能收到很好的效果。例如在阿贝成像理论的教学中，空间频率、空间滤波等概念的形成有一定的困难等。虽然这些内容可以通过实验来加强教学效果，但由于受实验仪器、场地等方面的限制，并不能得到理想的实验现象。

因此，适当使用Matlab软件对实验结果进行模拟和分析，可以将抽象或不理想的结果转化为具体的实践，使学生有一种参与感，这从一定程度上可以促进学生对课程的理解。

二、空间滤波的教学实例

空间滤波的理论基础是阿贝成像理论和著名的阿贝-波特实验。

根据阿贝成像原理，相干光学成像过程可分为两步：第一步称为分频过程，即从物平面到光源的共轭像平面或称频谱面，由输入的物作为衍射屏对照射光波产生夫琅和费衍射；第二步称为合频或频谱综合过程，即从频谱面到输入物的共轭像平面，被分解的频谱成分经进一步的衍射后再次叠加形成输入物的共轭像。按照傅里叶变换理论，两步成像过程实际上是光学系统对携带输入物信息的二维光场的复振幅分布进行的两次傅里叶变换过程[1]。

下例是空间滤波实验中的一个例题：分别取一维和二维光栅作为物，在其频谱面上观察其频谱；调整光栅常数，并观察其频谱面的变化。

通过Matlab仿真可以简单的得到其频谱变化，如图1所示。一维及二维光栅频谱的仿真程序如下：

x=ones（100，100） ；%创建矩阵

x（1：10：100，：）=0； %得到1维光栅

y=x.*（x'） ；%得到2维光栅

a=fft（x，200）；

b=fft2（y，200，200） %傅立叶变换

A=abs（fftshift（a））；

B=abs（fftshift（b））； %变换像限并取模 figure；

imshow（0.02*A）； %以一定比例显示图像 figure；

imshow（0.01*B）；

改变光栅常数后频谱的仿真程序如下：

x=ones（100，100） ；%创建矩阵

x（1：20：100，：）=0； %得到1维光栅

y=x.*（x'）； %得到2维光栅

图1 一维及二维光栅频谱仿真结果。（b）、（d）为改变光栅常数后的仿真结果。

该例子就是利用Matlab软件模拟仿真了空间滤波的一个简单实验，虽然比较简单，但是其理想的结果和清晰的图像可以促进学生对教学内容的理解和认识。

三、结论

通过引入Matlab计算机辅助工具，可以将抽象、难以理解的问题具体化、形象化，学生可以在使用软件的过程中对光学信息处理技术课程中基本概念的理解进一步加深，有利于培养学生的学习兴趣、建模能力和实际工程能力。

[参考文献]

[1]李志能，叶旭迥.光电信息处理系统[M].杭州：浙江大学出版社，1999.

[2]陈怀琛.Matlab在理工课程中的应用指南[M].西安电子科技大学出版社，2000.

（作者单位：长春理工大学 吉林长春）