基于叠加螺旋相位滤波器的多方向边缘检测方法技术

本发明专利技术提供一种基于叠加螺旋相位滤波器的多方向边缘检测方法，将激光器的高斯光进行准直、扩束处理后，照射到待检测物体上，待检测物体放置在一4f成像系统的物平面上，4f成像系统包括傅里叶透镜L3、傅里叶透镜L4和叠加螺旋相位滤波器，傅里叶透镜L3和傅里叶透镜L4的焦距相同且距离为2f，在傅里叶透镜L3的后焦平面上，放置叠加螺旋相位滤波器，用于滤除多个不同方向上的边缘信息，在傅里叶透镜L4的后焦平面得以恢复出待检测物体的多方向边缘检测信息。该方法具有实时地、灵活地进行多方向边缘检测的优点，能够根据实际需求，同时滤除多个不同方向上的边缘信息，从而达到强调某些方向上信息的效果。上信息的效果。上信息的效果。

【技术实现步骤摘要】
基于叠加螺旋相位滤波器的多方向边缘检测方法


[0001]本专利技术涉及一种基于叠加螺旋相位滤波器的多方向边缘检测方法，涉及螺旋相位衬度成像领域。

技术介绍

[0002]螺旋相位衬度(Spiral phase contrast，SPC)成像，作为一种光学中的边缘检测方法，近年来受到了极大的关注。在许多成像应用中，检测物体的轮廓(称为物体边缘)就足够了，这将大大减少成像所需要的资源。边缘检测主要根据物体的透射率或反射率的一些显著变化来识别物体边缘。如今，边缘检测已经广泛地应用于目标识别、安全检查、地球观测等领域。螺旋相位衬度成像是其中一种重要的边缘检测手段，其通过对物体进行径向希尔伯特变换来获取物体的边缘信息。相较于只能检测强度物体的经典边缘检测算子，螺旋相位衬度成像的优点在于对强度及相位物体都具有良好的边缘检测能力。这使得螺旋相位衬度成像最早被应用于显微镜来观测生物细胞，因为生物细胞一般只对相位敏感。
[0003]2005年，F
ü
rhapter等人研究表明，用螺旋相位法可以将纯相位物体的相位跳跃分辨率提高几个数量级，并首次将SPC技术与显微技术相结合，证明SPC方法边缘增强的亮度和对比度都比传统的暗场成像要好得多。2006年，Bernet等人进一步定量地重建了具有螺旋相位滤波器不同取向的SPC图像的生物样本的相位和幅度信息。2013年，Lauterbach等人提出了一种光学设计，该设计允许在宽视野和扫描模式下，直接将相位衬度通道在受激发射耗尽显微镜(STED)中实现。近年来，还有研究者提出一种新的非线性滤波器，利用二次谐波(SHG)将螺旋相位板等效印制在磷酸钛钾晶体上，实现了简单而高效的SPC成像，在不可见的光照下实现了可见的边缘增强。为了进一步提高边缘增强的对比度，还有研究者们提出了几种改进的螺旋相位滤波器，例如Laguerre
‑
Gaussian空间滤波器和Airy螺旋相位滤波器。
[0004]由于螺旋相位的奇对称性，物体的相位梯度和强度梯度均会向各向同性地增强，而与它们的局部方向无关。然而，在实际应用中，当需要强调物体的某些边缘时(例如，检测低相位对比度生物样品的晶体位错)，就需要实现各向异性边缘增强。为了解决这一问题，人们提出了许多基于螺旋相位滤波的选择性边缘增强方法。2005年，Jesacher等人通过改变螺旋相位全息图中心区域的相位分布，实现了SPC显微镜中的阴影效应。分数阶螺旋相位滤波器通过打破滤波过程的对称性也被用来实现边缘增强的各向异性效应。2011年，Sharma等人提出了一种各向异性涡旋相位掩模，该方法利用正弦函数在传统涡旋掩模中引入各向异性，并对振幅物体进行选择性边缘增强。通过改变正弦函数的功率和偏移角，各向异性可以在选择区域和所需方向上实现边缘增强。随后，在2014年，Sharma又提出了一种新的方向性边缘增强滤波器。该滤波器可以看作是两个拓扑荷值相反的径向希尔伯特滤波器的叠加，也可以实现方向性的边缘检测。
[0005]然而，现有的各向异性边缘检测方法仍然有待完善的部分。其中之一就是，现有方案虽然通过不同原理都实现了方向性边缘检测，但只能过滤掉同一方向的边缘。对于想要
同时滤除多个方向上的边缘信息，缺乏简单高效的方法。
[0006]上述问题是在边缘检测过程中应当予以考虑并解决的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种基于叠加螺旋相位滤波器的多方向边缘检测方法解决现有技术中存在的只能过滤掉同一方向的边缘的，如何简单高效实现同时滤除多个方向上的边缘信息的问题。
[0008]本专利技术的技术解决方案是：
[0009]一种基于叠加螺旋相位滤波器的多方向边缘检测方法，将激光器的高斯光进行准直、扩束处理后，照射到待检测物体上，待检测物体放置在一4f成像系统的物平面上，4f成像系统包括傅里叶透镜L3、傅里叶透镜L4和叠加螺旋相位滤波器，傅里叶透镜L3和傅里叶透镜L4的焦距相同且光束传输距离为2f，在傅里叶透镜L3的后焦平面上，放置叠加螺旋相位滤波器，用于滤除多个不同方向上的边缘信息，在傅里叶透镜L4的后焦平面得以恢复出待检测物体的多方向边缘检测信息。
[0010]进一步地，具体包括以下步骤，
[0011]S1、对来自激光器的高斯光先进行准直，准直后的激光经过一组透镜L1、L2扩束后，照射到待检测物体上；
[0012]S2、待检测物体放置在一4f成像系统的物平面，物平面即为傅里叶透镜L3的前焦平面；携带着物体信息s(r,φ)的透射光束，通过傅里叶透镜L3发生傅里叶变换，并且在傅里叶透镜L3的后焦平面得到物体的频谱信息其中F代表傅里叶变换，(r，φ)和分别代表实域和傅里叶平面的极坐标；
[0013]S3、携带着物体频谱信息的光束透射过叠加螺旋相位滤波器，使得物体频谱信息被叠加螺旋相位滤波器所滤波，从而使滤波光束携带着待检测物体经多方向边缘检测所得到的频谱信息；
[0014]S4、携带该边缘频谱信息的光束通过傅里叶透镜L4，光场信息发生反傅里叶变换，多方向边缘信息从频域变换回实域，从而在傅里叶透镜L4的后焦平面恢复出物体的多方向边缘检测信息，并利用CCD相机进行接收。
[0015]进一步地，步骤S3中，叠加螺旋相位滤波器公式为：
[0016][0017]其中，angle代表取函数的相位分布，i代表虚数单位，代表傅里叶平面的极化角，和分别代表拓扑荷值和
‑
1的螺旋波前相位，角度参数θ
j
代表边缘选择性消失的方向，通过调整叠加的数目j以及对应的角度参数θ
j
，选择性的滤除待检测物体任意多个方向上的边缘信息。
[0018]进一步地，步骤S4中，携带该边缘频谱信息的光束通过傅里叶透镜L4，发生反傅里叶变换：
[0019][0020]其中，e(r，φ)代表多方向边缘检测结果，h(r，φ)代表叠加螺旋相位滤波器的反傅里叶变换，(r，φ)代表实域极坐标，由公式(4)可知，边缘检测结果由输入对象以及滤波器的傅立叶变换之间的卷积给出；根据卷积定理，每个图像点的灰度值都与h(r，φ)相乘；然后，通过对相乘后的结果求和，来完全抵消图像平坦区域即非边缘区域的光场；相反，具有不同强度或相位的区域之间的边界会凸显出来。
[0021]本专利技术的有益效果是：该种基于叠加螺旋相位滤波器的多方向边缘检测方法，具有实时地、灵活地进行多方向边缘检测的优点，能够根据实际需求，同时滤除数个不同方向上的边缘信息，从而达到强调某些方向上信息的效果，且设计的滤波器结构简单，因而具有巨大的应用前景。
附图说明
[0022]图1是本专利技术实施例基于叠加螺旋相位滤波器的多方向边缘检测方法的流程示意图；
[0023]图2是实施例中4f成像系统的说明示意图；
[0024]图3是实施例设计的叠加螺旋相位滤波器的全息光栅示意图；
[0025]其中图3(a)
‑
(d)分别代表j＝1，θ＝0
°
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于叠加螺旋相位滤波器的多方向边缘检测方法，通过将激光器的高斯光进行准直、扩束处理后，照射到待检测物体上，待检测物体放置在一4f成像系统的物平面上，其特征在于：4f成像系统包括傅里叶透镜L3、傅里叶透镜L4和叠加螺旋相位滤波器，傅里叶透镜L3和傅里叶透镜L4的焦距相同且光束传输距离为2f，在傅里叶透镜L3的后焦平面上，放置叠加螺旋相位滤波器，用于滤除多个不同方向上的边缘信息，在傅里叶透镜L4的后焦平面得以恢复出待检测物体的多方向边缘检测信息。2.如权利要求1所述的基于叠加螺旋相位滤波器的多方向边缘检测方法，其特征在于：具体包括以下步骤，S1、对来自激光器的高斯光先进行准直，准直后的激光经过一组透镜L1、L2扩束后，照射到待检测物体上；S2、待检测物体放置在一4f成像系统的物平面，物平面即为傅里叶透镜L3的前焦平面；携带着物体信息s(r,φ)的透射光束，通过傅里叶透镜L3发生傅里叶变换，并且在傅里叶透镜L3的后焦平面得到物体的频谱信息其中F代表傅里叶变换，(r，φ)和分别代表实域和傅里叶平面的极坐标；S3、携带着物体频谱信息的光束透射过叠加螺旋相位滤波器，使得物体频谱信息被叠加螺旋相位滤波器所滤波，从而使滤波光束携带着待检测物体经多方向边缘检测所得到的频谱信息；S4、携带该边缘频谱信息的光束通过傅里叶透镜L4...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵生妹，李哲，王乐，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：