信息光學仿真實驗教學的探索與研究

徐初東 翁嘉文 譚穗妍

（廣州華南農業大學理學院 廣東廣州 510642）

信息光學仿真實驗教學的探索與研究

徐初東 翁嘉文 譚穗妍

（廣州華南農業大學理學院 廣東廣州 510642）

針對信息光學課程的性質和實驗課教學的現狀，結合光信息科學與技術專業對信息光學實驗教學的基本要求，利用MATLAB軟件進行設計和開發，構建信息光學仿真系統，模擬信息光學教學中常見而典型的光學實驗，如空間濾波、圖像相加減和光學微分處理實驗，實現優化信息光學實驗的教學效果。

信息光學；仿真實驗；MATLAB

一、引言

信息光學是光學與通信和信息理論相結合而產生的一個現代光學的新分支，也是信息科學的重要分支。信息光學課程注重理論，內容豐富而且起點高，而學生數學基礎相對較弱，學生普遍反映信息光學內容枯燥和難于理解。通過課程實驗可以將抽象難懂的概念、規律生動形象地表現出來，學生更易于理解和接受。可是實驗資源方面的不足，如實驗場地不足，實驗器材短缺尤其是高精密光學儀器的短缺等會造成學生實驗課效果打折扣，還有光學實驗中光學儀器和光路精度要求高，容易受環境影響，如溫度、震動、空氣流動等的影響，導致實驗效果不理想。某些實驗需要花上不少時間和精力在光學儀器和光路的調制上，實驗結果易受環境影響而出現較大誤差，學生容易因此缺乏耐性，并逐漸對實驗課失去興趣，甚至產生厭倦心理，這不利于教學。而信息光學仿真實驗系統利用MATLAB的強大計算功能和繪圖功能，建立起信息光學實驗的仿真平臺。學生通過計算機對光學實驗進行模擬，不僅可以脫離實驗儀器和實驗場所的限制，減少實驗損耗，而且能夠精確地進行實驗仿真，直觀、方便地觀察到模擬的實驗現象。通過開展仿真實驗有助于學生理解信息光學中的重要概念和光學信息處理的基本原理，有效改善信息光學實驗的教學效果。

二、信息光學仿真實驗系統設計

1.基于MATLAB軟件的仿真系統構建

MATLAB作為科學計算軟件，主要使用于矩陣運算和信息處理領域的分析設計，其特點是使用方便、輸入簡捷、運算功能齊全，并且帶有大量的函數庫可供使用，與Basic、C和Fortran等編程語言相比，用MATLAB編寫程序，其問題的提出和解決只需以數學方式表達和描述，不需要大量繁瑣的編程過程，節省時間和精力。在信息光學仿真實驗系統構建過程中，我們利用MATLAB的圖形用戶界面開發環境(GUIDE)含有的工具為仿真實驗系統設計一個圖形用戶界面(GUI)，通過點擊實驗名稱按鈕可打開子級實驗仿真界面，進而進行實驗仿真操作，模擬真實實驗的功能過程。每個GUI界面對應一個M文件作為回調函數，在M文件中編寫程序，編寫和編輯M函數模擬光學實驗中各種變換和作用進行數值計算，并通過MATLAB可視化工具將運算結果圖形化顯示出來。在可輸入參數信息的實驗界面，用戶可直接改變輸入參數實時模擬操作，這是實現了用戶與系統的交互，相對于真實實驗操作有明顯的優異之處。

2.空間濾波仿真實驗

圖1為空間濾波仿真實驗的GUI界面，讀入原始圖像為一正交光柵，此光柵圖像可用畫圖工具手工制成，為灰度圖像，用以表示實物光柵。物光經透鏡的變換作用形成頻譜，此傅里葉變換過程在MATLAB中模擬是通過對圖像使用快速傅里葉變換(FFT)算法來實現，在MATLAB運算時，圖像是離散的像素集合，對離散圖像進行離散傅立葉變換，復雜的數學運算過程由計算機來完成。

仿真實驗中不同的空間濾波器代表實物中各種遮擋物，如圓孔、狹縫光闌、小黑屏。選擇0級頻譜通過，相當于真實實驗中的狹縫光闌在變換透鏡的后焦面使物光柵的頻譜的0級通過。點擊“0級頻譜通過”，程序生成一二值圖像，0級頻譜范圍內的像素值為1，其他為0，此二值圖像與原始圖像的頻譜圖相與運算，對于灰度圖像，與1相與像素值不變，與0相與即為0，這就模擬了濾波作用。經濾波后的頻譜圖像再作逆傅里葉變換運算便得到像圖。其他濾波器的生成和濾波過程與0級濾波器的原理類似。圖2顯示了選擇“橫向頻譜通過”濾波器得到的結果。

圖1 空間濾波仿真實驗界面

圖2 橫向頻譜通過效果圖

3.圖像相加減仿真實驗

圖3所示為圖像相加減(利用光柵濾波)仿真實驗界面，包含原物圖，圖像相加圖和濾波圖。讀入的原始物圖中，兩個帶字母的白矩形作為真實實驗中的兩個透光物體，字母的加入只是為了結果看起來更有趣。在輸入框中輸入適當的光柵空間頻率，仿真實驗中的光柵可由數學表達式給出，并由MATLAB將函數可視化為圖像形式。現實中，圖像的相加或減是通過置于頻譜面的一維光柵作為空間濾波器對物光的頻譜作用，從而改變頻譜函數，再經一變換透鏡，在像面上就得到圖像相加或減的結果。在仿真實驗中原理是一樣的，原物圖的頻譜圖與濾波光柵圖相乘，實質是兩幅離散圖像的矩陣相乘。光柵使得0級像和1級像能分開，當光柵的空間頻率合適時，便可實現中心位置圖像相加。圖像相減是由光柵的相位改變得到，現實中是由水平橫向移動光柵得到。

圖3 圖像相加減仿真實驗界面

4.光學微分處理仿真實驗

圖4所示為圖像光學微分仿真實驗界面，包含原物圖，微分濾波光柵和濾波后邊緣效果增強效果圖。原物圖中的小屋圖模擬實物中的透明物體，對圖像的離散傅里葉變換運算模擬4f光路系統中變換透鏡的作用。仿真中復合光柵由數學表達式給出，并由MATLAB的圖形可視化工具展現為光柵圖像，輸入合適的光柵空間頻率，程序生成光柵并對物圖進行濾波微分處理，得到邊緣增強的結果，中間的是0級像即原物圖像，兩側的是正負1級像。光柵的空間頻率可以選擇大一些，能使正負1級像與0級像距離大一點，但空間頻率要選擇合適才能得到良好的邊緣增強效果，光柵頻率的取值應根據待處理圖像的橫向寬度來確定。

圖4 光學微分處理仿真實驗界面

三、結語

在信息光學實驗教學過程中，利用MATLAB軟件構建實驗仿真系統，可以有效地突破教學空間、儀器設備等種種因素的限制，將抽象難懂的理論和概念通過實驗仿真生動、形象地轉換為直觀簡明的圖像，不僅使學生更易于接受，提高對對課程學習的興趣，而且也加深學生對信息光學知識的理解，改善教學效果。

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Exploration and research of information optics experiment teaching

Xu Chu-dong, Weng Jia-wen, Tan Sui-yan

(Science College of South China Agricultural University, Guangzhou Guangdong, 510642, China)

According to the nature of information optics and the status quo of the experimental teaching, combined with the basic requirements of optical information science and technology information optics experiment teaching, design and develop by using the MATLAB software, construct information optics simulation system, the common optical experiment and typical simulated information optics teaching, such as spatial filtering, image addition and subtraction and optical differential treatment experiment, realize the optimization of information optics experiment teaching effect.

information optics; simulation; MATLAB

G642

A

1000-9795（2014）06-0158-02

［責任編輯：劉麗杰］

2014-03-09

徐初東（1979-），男，講師，從事光學方向的研究。

翁嘉文（1979-），女，廣東廣州人，從事光信息處理方向的研究。

譚穗妍（1981-），女，廣東廣州人，從事電子信息處理方向的研究。

華南農業大學校級教改項目《光信息處理仿真系統開發與研究》資助課題。