θ调制空间假彩色编码

一张黑白图像有相应的灰度分布，人眼对灰度的识别能力是不高的，最多有15 ～20个层次。但是人眼对色度的识别能力却很高，可以分辨数十种乃至上百种色彩。若能将图像的灰度分布转化为彩色分布，势必大大提高人们分辨图像的能力，这项技术称之为光学图像的假彩色编码。假彩色编码方法有若干种，按其性质可分为等空间频率假彩色编码和等密度假彩色编码两类;按其处理方法则可分为相干光处理和白光处理两类。等空间频率假彩色编码是对图像的不同的空间频率赋予不同的颜色，从而使图像按空间频率的不同显示不同的色彩;等密度假彩色编码则是对图像的不同灰度赋予不同的颜色。前者用以突出图像的结构差异，后者则用来突出图像的灰度差异，以提高对黑白图像的视判读能力。黑白图片的假彩色化已在遥感、生物医学和气象等领域的图像处理中得到了广泛的应用。

一、实验目的

(1) 掌握θ调制假彩色编码的原理。

(2) 巩固和加深对光栅衍射基本理论的理解。

(3) 通过实验，利用一张二维黑白图像获得假彩色编码图像。

二、主要实验仪器

白色点光源(如溴钨灯、钨卤素灯)，准直透镜，傅里叶透镜，马赫－曾德干涉仪，扩束镜， θ片，干版架，频谱架，白屏等。

三、实验原理

θ调制技术是阿贝成像原理的一种巧妙应用，它将原始像变换成为按一定角度的光栅调制像，将该调制像置于4f系统中用白光照明，并进行适当的空间滤波处理，实现假彩色编码得到彩色的输出像。

对于一幅图像的不同区域分别用取向不同(方位角θ不同) 的光栅预先进行调制，经多次曝光和显影、定影等处理后制成透明胶片，并将其放入光学信息处理4f系统中的输入面，用白光照明，则在其频谱面上，不同方位的频谱均呈彩虹颜色。如果在频谱面上开一些小孔，则在不同的方位角上，小孔可选取不同颜色的谱，最后在信息处理系统的输出面上便得到所需的彩色图像。由于这种编码方法是利用不同方位的光栅对图像不同空间部位进行调制来实现的，故称为θ调制空间假彩色编码。具体编码过程如下。

1． 被调制物

物的样品如图14-1所示。若要使其中草地、天安门和天空3个区域呈现3种不同的颜色，则可在一胶片上曝光3次，每次只曝光其中一个区域(其他区域被挡住)，并在其上覆盖某取向的光栅，3次曝光分别取3个不同取向的光栅，如图14-1(a) 中线条所示。将这样获得的调制片经显影、定影处理后，置于光学信息处理4f系统的输入平面P0，用白光平行光照明，并进行适当的空间滤波处理。

图14-1 被调制物示意图

2． 空间滤波

用4f系统进行空间滤波，如图14-2所示。

图14-2 θ调制空间假彩色编码光路

由于物被不同取向的光栅所调制，所以在频谱面上得到的将是取向不同的带状谱(均与其光栅栅线垂直)，物的3个不同区域的信息分布在3个不同的方向上，互不干扰，当用白光照明时，各级频谱呈现出的是色散的彩带，由中心向外按波长从短到长的顺序排列。在频谱面上选用一个带通滤波器，实际是一个被穿了孔的光屏或不透明纸。

θ调制所用的物是如图14－1(a) 所示中的天安门图案，一个空间频率为100/mm的正弦光栅。其中天安门用条纹竖直的光栅制作，天空用条纹左倾60°的光栅，地面用条纹右倾60°的光栅制作。因此在频谱面上得到的是3个取向不同的正弦光栅的衍射斑，如图14－1(b) 所示。由于用白光照明和光栅的色散作用，除0级保持为白色外，±1级衍射斑展开为彩色带，蓝色靠近中心，红色在外。在0级斑点位置、条纹竖直的光栅±1级衍射带的红色部分、条纹左倾光栅±1级衍射带的蓝色部分以及条纹右倾光栅±1级衍射带的绿色部分，分别打孔进行空间滤波。然后在像平面上将得到蓝色天空下、绿色草地上的红色天安门图案，如图14－1(c) 所示。

如果带孔的光屏挡去水平方向的频谱点，则背景的图像消失;如果挡去另一方向的频谱点，则对应的那部分图像就会消失。因此，在代表草地、天安门和天空信息的右斜、左斜和水平方向的频谱带上分别在红色、绿色和黄色位置打孔，使这3种颜色的谱通过，其余颜色的谱均被挡住，则在系统的输出面就会得到红花、绿叶、茎和黄背景效果的彩色图像。很明显，θ调制空间假彩色编码就是通过口调制处理手段，“提取”白光中所包含的彩色，再“赋予”图像而形成的。

四、实验内容

观察θ调制空间编码效果。本实验中所采用被调制图像为天安门。天空、天安门及草地分别由3个不同方向的光栅所组成。

(1) 设计一个二维图形如图14－1(a) 所示，做3块尺寸完全一样的硬纸板，按同样的相对位置分别画上二维图形。在第一块硬纸板上将天空部分雕空，在第二块纸板上将天安门部分雕空;在第三块纸板上将草地部分雕空。

(2) 用马赫－曾德干涉仪，使两束平行光在干版的位置发生干涉。在两束光重叠处放可调方位干版架。将全息干版装在干版架上，使其药面对光，将第一块硬纸板插在干版之前曝光一次(约几秒);取下第一块硬纸板换上第二块硬纸板，并将第二块硬纸板和干版架一起旋转60°，又曝光一次;取下第二块硬纸板换上第三块硬纸板，将第三块硬纸板和干版架一起继续旋转60°，第三次曝光。每次曝光时间相同，每张硬纸板和干版的相对位置一致。

(3) 将3次曝光的干版在暗室进行常规的显影、定影、水洗、晾干处理，得到一张由3个不同方向光栅组成的二维图像，称为θ调制片。

(4) 用白光再现编码图像，实验光路(4f系统) 如图14-2所示。白光光源，经准直后获得平行光，以照明4f系统。首先，将制得的θ调制片置入4f系统的输入平面P1上，在输出观察面P3上放置毛玻璃观察，如果光路调整正确，将在毛玻璃上呈现出清晰的像。然后在频谱面上放一张不透光白纸屏，可看到其上有3组彩色谱点。根据预想的各部分图案所需要的颜色，在白纸屏上扎小孔，在天安门对应的一组谱点中，让这组频谱的红色通过，在草地对应的一组谱点中让绿色通过，天空对应的频谱中让蓝色通过。再在输出观察面P3上观看经编码得到的假彩色像。显然，假彩色像的颜色可以通过在频谱面上不同颜色对应的谱点部分扎孔来实现，并任意调色。

五、注意事项

编码拍摄时，干版与图案硬纸板之间不能有任何一点相对移动，3次曝光过程中，干版固定在同一位置，换上的硬纸板图案每次都应放在相同位置，否则导致实验失败。

六、思考题

(1) 在θ调制实验中，物面上没有光栅处原是透明的，像面上相应的部位却是暗的，为什么?如果要让这些部位也是亮的，该怎么办?此时还能进行假彩色编码吗?

(2) 用白光再现时，大部分光能向四周辐射损失掉，光能利用率低，再现亮度不大，可从哪些方面改进?