[發明專利]一種基于分數傅里葉變換的高分辨圖像邊緣增強方法

有效

• 申請號: 202110751917.5
• 申請日: 2021-07-02
• 公開（公告）號: CN113362256B
• 公開（公告）日: 2023-02-17
• 發明（設計）人: 楊昊成;匡華星;王琦
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七二四研究所
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00;G06F17/15;G06F17/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明針對傳統螺旋相位圖像邊緣增強的方法受限于光學元件的尺寸，導致卷積核的尺寸難以調控，因而處理的圖像大小受到限制的問題，提出了一種基于分數傅里葉變換的高分辨邊緣增強方法。首先對原圖進行調制，將調制后圖像的逆分數域分布記錄在光學調制器件上，將其成像到螺旋相位調制器件上；其次，通過相位調制器件進行階數相反的分數傅里葉變換。本發明可以實現任意小卷積核的操控，能夠提升小目標圖像與精細結構邊緣增強的效果。

技術領域

本發明涉及光學信號處理技術領域。

背景技術

邊緣增強是光學信息處理中的重要領域，能夠很好地抑制噪聲、提高圖片邊界區域的成像質量、增強細節信息等，對圖像的分析、識別、編碼等意義重大。上世紀八十年代，就有利用希爾伯特變換進行邊緣增強的研究。2017年，國外有相關期刊發表了采用螺旋相位進行光學圖像邊緣增強的學術研究。我國學者在此基礎上進一步將其拓展到非線性光學領域。因其奇對稱性，在與圖像作卷積時，螺旋相位的卷積核可以使圖像存在強度梯度的部分得到增強，因而可以用于邊緣增強等領域，以觀察圖像的細微結構。此前的研究利用螺旋相位調制器件在圖像頻域對圖像進行調制，再利用透鏡的傅里葉特性，實現了邊緣增強的效果。這種方法受限于光學元件的尺寸，導致卷積核的尺寸難以調控，因而處理的圖像大小受到限制。如果能有效減小卷積核的尺寸，則可以提升可處理的圖像分辨率。

發明內容

本發明提出了一種基于分數傅里葉變換的高分辨圖像邊緣增強方法，實現任意小卷積核的操控，能夠提升小目標圖像與精細結構邊緣增強的效果。

實現本發明的技術解決方案為：利用螺旋相位調制器件對逆分數域的圖像進行相位調制，經過分數傅里葉變換作用，基于分數傅里葉變換的卷積定理，獲得理論上任意小尺寸的具有螺旋相位的卷積核，從而實現高分辨的、可用于細微結構成像的邊緣增強效應。具體步驟為：

步驟1：計算圖像在逆分數域的強度及相位分布

(1)根據所需卷積核的大小，確定分數傅里葉變換的階數。如果分數傅里葉變換的階數是α，那么卷積核的大小與普通傅里葉變換情況下卷積核的比為sin²(α)；

(2)原圖像用相位調制進行預處理；

(3)選擇輔助計算的逆分數傅里葉變換器件。根據階數為(1)中分數傅里葉變換階數相反數的其逆分數傅立葉變換階數，確定物距和像距。設目標圖像為虛物，利用角譜法和傳遞函數計算虛像的強度和相位分布；

步驟2：利用光學調制器件進行光學波前調制。根據步驟1(3)虛像的強度和相位分布，制作光學調制器件。用入射光束照射該器件；

步驟3：用成像器件將強度和相位分布成像在成像面上，并在此成像面上放置螺旋相位調制器件進行相位調制。

步驟4：用相位調制器件進行分數傅里葉變換。傳遞函數為exp(jk(x²+y²)/2f)。根據步驟1(1)確定的階數，確定物距與像距。在成像面上，得到邊緣增強后的圖像。

本發明與現有技術相比，其顯著優點為：本發明在分數域對圖像進行調制，依據分數傅里葉變換的卷積定理，得到易于操控尺寸的、任意小尺寸的螺旋相位卷積核，大幅擴展可處理的圖像類別，能夠針對處理小圖像進行邊緣增強、進行微小結構的信號放大等。

下面結合附圖對本發明做進一步詳細的描述。

附圖說明

圖1為Lohmann I型分數傅里葉變換原理圖。A為物平面，B為像平面。Q和R是和階數有關的參數，R＝tan(α/2)，Q＝sin(α)；若要實現逆變換，將相位調制器件的傳遞函數變更為其復共軛，物像平面位置調換，且物為虛物，像為虛像。

圖2為邊緣增強設施的例圖。A為物平面，B為像平面。

具體實施方式