空间滤波实验的Matlab Gui仿真

成纯富等

[摘要]介绍了空间滤波实验的基本原理，利用Matlab Gui对空间滤波实验进行了仿真。仿真界面友好、内容丰富，仿真界面不但给出了实际的空间滤波实验光路，而且仿真结果验证了所有的空间滤波实验现象。

[关键词]Matlab Gui 空间滤波实验 频谱

一、引言

空间滤波实验是信息光学实验中的一个经典实验，但由于光学实验光路调整较麻烦，再加上学生对空间滤波实验的原理没理解透，导致大部分学生做实验时，效率低下，实验现象不明显，严重的调不出实验现象。为了加深学生对空间滤波实验的理解，近年来有不少人已经开展了该实验仿真工作，但目前该实验的仿真要么缺乏直观的界面[1]，要么界面不够友好，不够丰富[2]，比如界面中没有给出实际的实验光路等。针对上述情况，本文对空间滤波实验进行了Matlab Gui仿真，仿真界面友好、内容丰富，仿真界面不但给出了实际的空间滤波实验光路及注意事项，而且仿真结果验证了所有的空间滤波实验现象，使学生更能深刻理解空间滤波实验现象。

二、空间滤波实验的原理

空间滤波实验的原理源于阿贝成像原理，其原理图如图1所示[3]，阿贝成像原理认为：透镜成像过程可分为两步，第一步是通过物的衍射光在系统的频谱面上形成空间频谱（夫琅和费衍射图样），这是衍射所引起的“分频”作用；第二步是代表不同空间频率的各光束在像平面上相干叠加而形成物体的像，这是干涉所引起的“合成”作用，这也是人们常说的“两次衍射成像理论”。如果在频谱面上设置各种空间滤波器，挡去频谱中某一些空间频率成分，或改变某些分量的位相，则将明显地影响输出图像，这就是空间滤波。光学信息处理的实质就是设法在频谱面上滤去无用信息分量或改变某些分量而保留有用分量，从而在输出面上获得所需要的图像信息。

三、空间滤波实验的Matlab Gui 仿真

图2为空间滤波实验的Matlab Gui 仿真界面，界面的右上方给出了实际的空间滤波实验光路及注意事项，该注意事项是能否做出实际实验的关键。滤波对象为实验中使用的光子屏，则在界面的下面显示物及其频谱，点击滤波器下拉菜单，选中水平狭缝作为滤波器，则界面的下面第三个图显示该滤波器，再点击进行滤波按钮，则在界面的下面第四个图显示经滤波处理后的输出像，由于频谱面上的横向分布是物的纵向结构的信息，由经滤波处理后的像可以看到当光格字经过水平狭缝滤波器之后，图像是呈縱向分布的，如图2（a）所以。当点击滤波器下拉菜单，选中垂直狭缝作为滤波器。由于频谱面上的纵向分布是物的横向结构的信息，由经滤波处理后的像可以看到当光格字经过垂直狭缝滤波器之后，图像是呈横向分布的，如图2（b）所以。当点击滤波器下拉菜单，选中方向滤波器。由经滤波处理后的像可以看到当光格字经过方向滤波器得到的是与之垂直方向的信息，如图2（c）所示。当点击滤波器下拉菜单，选中低通滤波器时，滤波后的像如图2（d）所示，由于光栅为周期性函数，其频谱是有规律排列的离散点阵，而字迹不是周期性函数，它的频谱是连续的，一般不容易看清楚，由于光字笔画较粗，其空间低频成分较多，因此频谱面的光轴附近只有光字信息而没有网格信息。经过低通滤波，滤掉了物的高频信息，输出图像显示了物的低频信息即光字。由于经过滤波后的图像能量有所损失导致输出图像比原图像模糊。当点击滤波器下拉菜单，选中高通滤波器时，滤波后的像如图2（e）所示，。

四、结论

为了更好理解空间滤波实验，本文对空间滤波实验进行了Matlab Gui仿真，仿真界面友好、操作方面，内容丰富，本仿真界面不但给出了实际的实验光路，而且实现了实验的所有功能，仿真结果验证了所有的空间滤波实验现象。

[参考文献]

[1]谢嘉宁，赵建林.光学空间滤波过程的计算机仿真，光子学报，2002，31：847-950

[2]李芳菊，耿森林.利用Matlab Gui实现空间滤波的实验仿真，价值工程，2012，29：302-303

[3]苏显渝，李继陶.信息光学M.北京，科学出版社，1999

（作者单位：1.湖北工业大学 理学院，2.武昌工学院 信息工程学院）