徐初东 翁嘉文 谭穗妍

（广州华南农业大学理学院 广东广州 510642）

信息光学仿真实验教学的探索与研究

徐初东 翁嘉文 谭穗妍

（广州华南农业大学理学院 广东广州 510642）

针对信息光学课程的性质和实验课教学的现状，结合光信息科学与技术专业对信息光学实验教学的基本要求，利用MATLAB软件进行设计和开发，构建信息光学仿真系统，模拟信息光学教学中常见而典型的光学实验，如空间滤波、图像相加减和光学微分处理实验，实现优化信息光学实验的教学效果。

信息光学；仿真实验；MATLAB

一、引言

信息光学是光学与通信和信息理论相结合而产生的一个现代光学的新分支，也是信息科学的重要分支。信息光学课程注重理论，内容丰富而且起点高，而学生数学基础相对较弱，学生普遍反映信息光学内容枯燥和难于理解。通过课程实验可以将抽象难懂的概念、规律生动形象地表现出来，学生更易于理解和接受。可是实验资源方面的不足，如实验场地不足，实验器材短缺尤其是高精密光学仪器的短缺等会造成学生实验课效果打折扣，还有光学实验中光学仪器和光路精度要求高，容易受环境影响，如温度、震动、空气流动等的影响，导致实验效果不理想。某些实验需要花上不少时间和精力在光学仪器和光路的调制上，实验结果易受环境影响而出现较大误差，学生容易因此缺乏耐性，并逐渐对实验课失去兴趣，甚至产生厌倦心理，这不利于教学。而信息光学仿真实验系统利用MATLAB的强大计算功能和绘图功能，建立起信息光学实验的仿真平台。学生通过计算机对光学实验进行模拟，不仅可以脱离实验仪器和实验场所的限制，减少实验损耗，而且能够精确地进行实验仿真，直观、方便地观察到模拟的实验现象。通过开展仿真实验有助于学生理解信息光学中的重要概念和光学信息处理的基本原理，有效改善信息光学实验的教学效果。

二、信息光学仿真实验系统设计

1.基于MATLAB软件的仿真系统构建

MATLAB作为科学计算软件，主要使用于矩阵运算和信息处理领域的分析设计，其特点是使用方便、输入简捷、运算功能齐全，并且带有大量的函数库可供使用，与Basic、C和Fortran等编程语言相比，用MATLAB编写程序，其问题的提出和解决只需以数学方式表达和描述，不需要大量繁琐的编程过程，节省时间和精力。在信息光学仿真实验系统构建过程中，我们利用MATLAB的图形用户界面开发环境(GUIDE)含有的工具为仿真实验系统设计一个图形用户界面(GUI)，通过点击实验名称按钮可打开子级实验仿真界面，进而进行实验仿真操作，模拟真实实验的功能过程。每个GUI界面对应一个M文件作为回调函数，在M文件中编写程序，编写和编辑M函数模拟光学实验中各种变换和作用进行数值计算，并通过MATLAB可视化工具将运算结果图形化显示出来。在可输入参数信息的实验界面，用户可直接改变输入参数实时模拟操作，这是实现了用户与系统的交互，相对于真实实验操作有明显的优异之处。

2.空间滤波仿真实验

图1为空间滤波仿真实验的GUI界面，读入原始图像为一正交光栅，此光栅图像可用画图工具手工制成，为灰度图像，用以表示实物光栅。物光经透镜的变换作用形成频谱，此傅里叶变换过程在MATLAB中模拟是通过对图像使用快速傅里叶变换(FFT)算法来实现，在MATLAB运算时，图像是离散的像素集合，对离散图像进行离散傅立叶变换，复杂的数学运算过程由计算机来完成。

仿真实验中不同的空间滤波器代表实物中各种遮挡物，如圆孔、狭缝光阑、小黑屏。选择0级频谱通过，相当于真实实验中的狭缝光阑在变换透镜的后焦面使物光栅的频谱的0级通过。点击“0级频谱通过”，程序生成一二值图像，0级频谱范围内的像素值为1，其他为0，此二值图像与原始图像的频谱图相与运算，对于灰度图像，与1相与像素值不变，与0相与即为0，这就模拟了滤波作用。经滤波后的频谱图像再作逆傅里叶变换运算便得到像图。其他滤波器的生成和滤波过程与0级滤波器的原理类似。图2显示了选择“横向频谱通过”滤波器得到的结果。

图1 空间滤波仿真实验界面

图2 横向频谱通过效果图

3.图像相加减仿真实验

图3所示为图像相加减(利用光栅滤波)仿真实验界面，包含原物图，图像相加图和滤波图。读入的原始物图中，两个带字母的白矩形作为真实实验中的两个透光物体，字母的加入只是为了结果看起来更有趣。在输入框中输入适当的光栅空间频率，仿真实验中的光栅可由数学表达式给出，并由MATLAB将函数可视化为图像形式。现实中，图像的相加或减是通过置于频谱面的一维光栅作为空间滤波器对物光的频谱作用，从而改变频谱函数，再经一变换透镜，在像面上就得到图像相加或减的结果。在仿真实验中原理是一样的，原物图的频谱图与滤波光栅图相乘，实质是两幅离散图像的矩阵相乘。光栅使得0级像和1级像能分开，当光栅的空间频率合适时，便可实现中心位置图像相加。图像相减是由光栅的相位改变得到，现实中是由水平横向移动光栅得到。

图3 图像相加减仿真实验界面

4.光学微分处理仿真实验

图4所示为图像光学微分仿真实验界面，包含原物图，微分滤波光栅和滤波后边缘效果增强效果图。原物图中的小屋图模拟实物中的透明物体，对图像的离散傅里叶变换运算模拟4f光路系统中变换透镜的作用。仿真中复合光栅由数学表达式给出，并由MATLAB的图形可视化工具展现为光栅图像，输入合适的光栅空间频率，程序生成光栅并对物图进行滤波微分处理，得到边缘增强的结果，中间的是0级像即原物图像，两侧的是正负1级像。光栅的空间频率可以选择大一些，能使正负1级像与0级像距离大一点，但空间频率要选择合适才能得到良好的边缘增强效果，光栅频率的取值应根据待处理图像的横向宽度来确定。

图4 光学微分处理仿真实验界面

三、结语

在信息光学实验教学过程中，利用MATLAB软件构建实验仿真系统，可以有效地突破教学空间、仪器设备等种种因素的限制，将抽象难懂的理论和概念通过实验仿真生动、形象地转换为直观简明的图像，不仅使学生更易于接受，提高对对课程学习的兴趣，而且也加深学生对信息光学知识的理解，改善教学效果。

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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

［责任编辑：刘丽杰］

2014-03-09

徐初东（1979-），男，讲师，从事光学方向的研究。

翁嘉文（1979-），女，广东广州人，从事光信息处理方向的研究。

谭穗妍（1981-），女，广东广州人，从事电子信息处理方向的研究。

华南农业大学校级教改项目《光信息处理仿真系统开发与研究》资助课题。