数字图象处理在光学实验中的应用

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1、数字图像处理在光学实验屮的应用报告任向河孙义张继超摘要在光学实验中，由于长期观测试验结果，常常导致视觉疲劳以致带來实验误差。若是能用计算机加以辅助，将达到意想不到的效果。而且将计算机接收到的数据在Wlab±进行处理，将会大大加速数据处理过程，同时，也会锻炼学生的编程能力，提高编程水平。这里只介绍使用Nhtlab技术使一些实时操作的光学实验图像史加可视化，方便实验人员操做实验，达到更好的实验目的。除此之外，此类方法应用在光学实验中的应用比较罕见，是极大的创新。关键词：matlab;数字图象处理；引言这里介绍使用Matlab技术使实时大学物理光学实验图像更加可

2、视化，方便实验人员操做实验，达到更好的实验目的。光学预备知识1•光的衍射现象当波传播过程中遇到障碍物吋，波就不是沿直线传播，它可以到达沿直线传播所不能达到的区域。这种现象称为波的衍射现象（或绕射现象）（原因是波阵面受到了限制而产生的）。定义：光波遇到障碍物以后会或多或少地偏离几何光学传播定律的现象。包括：单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射及泊松亮斑。2•光的干涉现象干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象.1801年，英国物理学家托马斯•杨（17711829在实验室里成功地观察到了光的干涉•两列或几列光波在空间相遇时相互叠加,在某

3、些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。3.干涉、衍射图像分析在物理光学中，我们常见的干涉是指满足一定条件的两列相干光波相遇叠加，在叠加区域某些点的光振动始终加强，某些点的光振动始终减弱，即在干涉区域内振动强度有稳定的空问分布；衍射分狭缝衍射、矩孔衍射和圆孔衍射，其中狭缝衍射的图像是明暗相间的衍射条纹；矩孔衍射是狭缝衍射朝两垂直方向扩展的特例，图像是互相垂直的明暗相间的矩孔；圆孔衍射的理论图像是明暗相间的圆形衍射光环。图像的像素值范围从（）至255,和明暗有直接的联系，越亮像素值越高，而在物理意义上图像越亮代表光强越大，所以一个点

4、的像素值越高则该点的光强越大。使用Wlab分析衍射图像的方法是把衍射照片灰度处理后从屮提取各坐标点的像素值，把平面的衍射图像转化成一个包含坐标点位置（X坐标，Y坐标）的矩阵并显示该图像，显示结果详见后述。IVhtlab分析l.Mitlab进行编程要用到的主要函数在平常的程序编辑和运行过程中，Wlab中的命令或M文件都是以函数的形式出现，通常的数学函数和作图函数都是以大家都较为熟悉的英文单词或英文单词的前几个字母来命名的，因而便于记忆和利于使用。对于大学物理实验中的数据处理，针对其数据处理的要求和特点，经常要选择适当的函数。一般来说，常用版本的Mitlab是

5、具有科学计算符号运算、视频处理和图形处理等多种功能的专业软件。随着人们的需求,Mitlab从5.0以后的版本开始就提供了对GUI的支持，使Mitlab在超强的计算和数据处理功能的基础上发挥更大的优势，为学习、工作带来便利，提高了效率。本文提出了一个基于MitlabaJI界面的分析程序，可以对干涉、衍射产生的明暗条纹或光环的视频和图像进行数字化处理并分析，并能直观地检验干涉、衍射图像及时时观测其成像的质量。2•实验应用操作程序将摄像头对准实验仪器的观察窗口，然后进行一下实验操作，就能够实现在计算机中看到实时的物理图像视频。实验步骤1、查询USB2.OCame

6、ra的具体参数2最简单采集实验，输入相应代码，可以得到预览下的默认格式的摄像头捕捉窗口艮输入相应的视频接入代码(详见附录)，进行接入视频4对figure中的视频点击保存按钮，选择图片属性，然后保存。(1)选择图像点击文件一汶件一淞择图像，出现对话框，文件类型可选jpgbmpAllfiles三类,现打开bmp格式的圆孔衍射图像。原始衍射图像显示在GUI界面的窗口中。(2)灰度处理点击“切图”按钮，经过即可灰度处理，后的衍射图像显示在GUI界面上的窗口屮。(3)截取图像，如图1在灰度图像中截取取图像操作后可得该图像，该图像为瞬时截取的牛顿环，其他实验类似。(4

7、)求过中心强度分布点击“屮轴线”按钮,。下排左侧的窗口显示过截图屮轴线沿X轴方向的相对光强分布；下排右侧的窗口显示过截图屮轴线沿Y轴方向的相对光强分布，如图2操作后可得该图像，该图像为瞬时截取的牛顿环，其他实验类似。(5)求过中心强度分布点击“过中心”按钮。下排最右的窗口显示过原图水平中轴线向的相对光强分布。如图3上述结果，操作后可得该图像，该图像为瞬吋截取的牛顿环，其他实验类似。3.下图4为GUI环境下的操作界面：此界面简洁而实用的把此程序的部分功能跃然纸上，当在matlab下运行已编辑的程序时便会出现此图。当我们点击“实时彩色处理”按键时，计算机的us

8、b摄像头就会接入实验图像，此时的图像(视频)是未经处理的真实图像。