信息光學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與研究

徐初東 翁嘉文 譚穗妍

（廣州華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 廣東廣州 510642）

信息光學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與研究

徐初東 翁嘉文 譚穗妍

（廣州華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 廣東廣州 510642）

針對(duì)信息光學(xué)課程的性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的現(xiàn)狀，結(jié)合光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)對(duì)信息光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求，利用MATLAB軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，構(gòu)建信息光學(xué)仿真系統(tǒng)，模擬信息光學(xué)教學(xué)中常見(jiàn)而典型的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，如空間濾波、圖像相加減和光學(xué)微分處理實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化信息光學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

信息光學(xué)；仿真實(shí)驗(yàn)；MATLAB

一、引言

信息光學(xué)是光學(xué)與通信和信息理論相結(jié)合而產(chǎn)生的一個(gè)現(xiàn)代光學(xué)的新分支，也是信息科學(xué)的重要分支。信息光學(xué)課程注重理論，內(nèi)容豐富而且起點(diǎn)高，而學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)較弱，學(xué)生普遍反映信息光學(xué)內(nèi)容枯燥和難于理解。通過(guò)課程實(shí)驗(yàn)可以將抽象難懂的概念、規(guī)律生動(dòng)形象地表現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生更易于理解和接受?？墒菍?shí)驗(yàn)資源方面的不足，如實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不足，實(shí)驗(yàn)器材短缺尤其是高精密光學(xué)儀器的短缺等會(huì)造成學(xué)生實(shí)驗(yàn)課效果打折扣，還有光學(xué)實(shí)驗(yàn)中光學(xué)儀器和光路精度要求高，容易受環(huán)境影響，如溫度、震動(dòng)、空氣流動(dòng)等的影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不理想。某些實(shí)驗(yàn)需要花上不少時(shí)間和精力在光學(xué)儀器和光路的調(diào)制上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果易受環(huán)境影響而出現(xiàn)較大誤差，學(xué)生容易因此缺乏耐性，并逐漸對(duì)實(shí)驗(yàn)課失去興趣，甚至產(chǎn)生厭倦心理，這不利于教學(xué)。而信息光學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用MATLAB的強(qiáng)大計(jì)算功能和繪圖功能，建立起信息光學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真平臺(tái)。學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，不僅可以脫離實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的限制，減少實(shí)驗(yàn)損耗，而且能夠精確地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，直觀、方便地觀察到模擬的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過(guò)開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生理解信息光學(xué)中的重要概念和光學(xué)信息處理的基本原理，有效改善信息光學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

二、信息光學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.基于MATLAB軟件的仿真系統(tǒng)構(gòu)建

MATLAB作為科學(xué)計(jì)算軟件，主要使用于矩陣運(yùn)算和信息處理領(lǐng)域的分析設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是使用方便、輸入簡(jiǎn)捷、運(yùn)算功能齊全，并且?guī)в写罅康暮瘮?shù)庫(kù)可供使用，與Basic、C和Fortran等編程語(yǔ)言相比，用MATLAB編寫程序，其問(wèn)題的提出和解決只需以數(shù)學(xué)方式表達(dá)和描述，不需要大量繁瑣的編程過(guò)程，節(jié)省時(shí)間和精力。在信息光學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中，我們利用MATLAB的圖形用戶界面開(kāi)發(fā)環(huán)境(GUIDE)含有的工具為仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)圖形用戶界面(GUI)，通過(guò)點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)名稱按鈕可打開(kāi)子級(jí)實(shí)驗(yàn)仿真界面，進(jìn)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真操作，模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的功能過(guò)程。每個(gè)GUI界面對(duì)應(yīng)一個(gè)M文件作為回調(diào)函數(shù)，在M文件中編寫程序，編寫和編輯M函數(shù)模擬光學(xué)實(shí)驗(yàn)中各種變換和作用進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并通過(guò)MATLAB可視化工具將運(yùn)算結(jié)果圖形化顯示出來(lái)。在可輸入?yún)?shù)信息的實(shí)驗(yàn)界面，用戶可直接改變輸入?yún)?shù)實(shí)時(shí)模擬操作，這是實(shí)現(xiàn)了用戶與系統(tǒng)的交互，相對(duì)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作有明顯的優(yōu)異之處。

2.空間濾波仿真實(shí)驗(yàn)

圖1為空間濾波仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)物光柵。物光經(jīng)透鏡的變換作用形成頻譜，此傅里葉變換過(guò)程在MATLAB中模擬是通過(guò)對(duì)圖像使用快速傅里葉變換(FFT)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，在MATLAB運(yùn)算時(shí)，圖像是離散的像素集合，對(duì)離散圖像進(jìn)行離散傅立葉變換，復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算過(guò)程由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。

仿真實(shí)驗(yàn)中不同的空間濾波器代表實(shí)物中各種遮擋物，如圓孔、狹縫光闌、小黑屏。選擇0級(jí)頻譜通過(guò)，相當(dāng)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)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(jí)通過(guò)。點(diǎn)擊“0級(jí)頻譜通過(guò)”，程序生成一二值圖像，0級(jí)頻譜范圍內(nèi)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(yùn)算，對(duì)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(jīng)濾波后的頻譜圖像再作逆傅里葉變換運(yùn)算便得到像圖。其他濾波器的生成和濾波過(guò)程與0級(jí)濾波器的原理類似。圖2顯示了選擇“橫向頻譜通過(guò)”濾波器得到的結(jié)果。

圖1 空間濾波仿真實(shí)驗(yàn)界面

圖2 橫向頻譜通過(guò)效果圖

3.圖像相加減仿真實(shí)驗(yàn)

圖3所示為圖像相加減(利用光柵濾波)仿真實(shí)驗(yàn)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(gè)帶字母的白矩形作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)透光物體，字母的加入只是為了結(jié)果看起來(lái)更有趣。在輸入框中輸入適當(dāng)?shù)墓鈻趴臻g頻率，仿真實(shí)驗(yàn)中的光柵可由數(shù)學(xué)表達(dá)式給出，并由MATLAB將函數(shù)可視化為圖像形式。現(xiàn)實(shí)中，圖像的相加或減是通過(guò)置于頻譜面的一維光柵作為空間濾波器對(duì)物光的頻譜作用，從而改變頻譜函數(shù)，再經(jīng)一變換透鏡，在像面上就得到圖像相加或減的結(jié)果。在仿真實(shí)驗(yàn)中原理是一樣的，原物圖的頻譜圖與濾波光柵圖相乘，實(shí)質(zhì)是兩幅離散圖像的矩陣相乘。光柵使得0級(jí)像和1級(jí)像能分開(kāi)，當(dāng)光柵的空間頻率合適時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)中心位置圖像相加。圖像相減是由光柵的相位改變得到，現(xiàn)實(shí)中是由水平橫向移動(dòng)光柵得到。

圖3 圖像相加減仿真實(shí)驗(yàn)界面

4.光學(xué)微分處理仿真實(shí)驗(yàn)

圖4所示為圖像光學(xué)微分仿真實(shí)驗(yàn)界面，包含原物圖，微分濾波光柵和濾波后邊緣效果增強(qiáng)效果圖。原物圖中的小屋圖模擬實(shí)物中的透明物體，對(duì)圖像的離散傅里葉變換運(yùn)算模擬4f光路系統(tǒng)中變換透鏡的作用。仿真中復(fù)合光柵由數(shù)學(xué)表達(dá)式給出，并由MATLAB的圖形可視化工具展現(xiàn)為光柵圖像，輸入合適的光柵空間頻率，程序生成光柵并對(duì)物圖進(jìn)行濾波微分處理，得到邊緣增強(qiáng)的結(jié)果，中間的是0級(jí)像即原物圖像，兩側(cè)的是正負(fù)1級(jí)像。光柵的空間頻率可以選擇大一些，能使正負(fù)1級(jí)像與0級(jí)像距離大一點(diǎn)，但空間頻率要選擇合適才能得到良好的邊緣增強(qiáng)效果，光柵頻率的取值應(yīng)根據(jù)待處理圖像的橫向?qū)挾葋?lái)確定。

圖4 光學(xué)微分處理仿真實(shí)驗(yàn)界面

三、結(jié)語(yǔ)

在信息光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，利用MATLAB軟件構(gòu)建實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，可以有效地突破教學(xué)空間、儀器設(shè)備等種種因素的限制，將抽象難懂的理論和概念通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真生動(dòng)、形象地轉(zhuǎn)換為直觀簡(jiǎn)明的圖像，不僅使學(xué)生更易于接受，提高對(duì)對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣，而且也加深學(xué)生對(duì)信息光學(xué)知識(shí)的理解，改善教學(xué)效果。

[1]呂文華.MATLAB在信息光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用.濰坊學(xué)院學(xué)報(bào),2007,7(6):153-155.

[2]莊建,青莉.基于Matlab的光學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái).成都大學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(1):70-71.

[3]郭榮禮,韓軍,胡小英.信息光學(xué)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的相融性教學(xué)模式的探索.中國(guó)西部科技,2008,7(32):73-74.

[4]謝嘉寧,陳偉成,趙建林.Matlab在光學(xué)信息處理仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.物理實(shí)驗(yàn),2004,24(6):24-25.

[5]胡昌奎,楊應(yīng)平,趙盾.光學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)的構(gòu)建.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2011,24(1):69-72.

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(zé)任編輯：劉麗杰］

2014-03-09

徐初東（1979-），男，講師，從事光學(xué)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(nóng)業(yè)大學(xué)校級(jí)教改項(xiàng)目《光信息處理仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與研究》資助課題。