专利名称：实现图象实时假彩色化的光学方法
技术领域：
本发明属于现代光学信息处理的图象假彩色化的方法。
遥感、生物医学、环境监测、公安刑侦等领域的黑白图象剧增，急待人们去判读和处理。由于人眼对颜色图象信息的识别能力较对黑白密度图象信息的识别能力强得多，因此黑白密度图象假彩色化后更利于人们判读识别。图象假彩色化的方法主要有两大类。一类是用计算机进行图象假彩色化。将黑白图片经图象输入设备输入计算机，计算机根据图象的密度进行着色处理，然后输出假彩色图象。这类方法灵活性好且精度高，可根据使用要求改变输出图象的颜色分布，但处理高分辨率图象，成本费用高，处理时间长。另一类是用光学方法实现图象的假彩色化。光学方法处理图象是二维并行的，容量大速度快，可以达到实时处理。但现有的光学假彩色化方法由于需要对黑白图象进行预处理，无法实现实时地假彩色化，因而限制了光学假彩色化方法的应用范围。如位相调制密度假彩色编码方法〔《光学学报》1984第二期145页〕。该方法需要在暗室中用黑白罗奇光栅与黑白图象重迭在一张复制底片上，经均匀曝光、显影、定影、水洗后制得光栅抽样负片，再经漂白处理得到光栅调制位相片(制作光栅调制位相片的过程称为预处理)。将此位相片放到白光图象处理系统的输入平面上，经富里叶平面的滤波处理后，在输出平面处便得到黑白图象的假彩色图象。虽然在白光图象处理系统中处理过程很快，但对黑白图象的预处理使得不能实现实时地假彩色化，不能充分发挥光学图象处理速度快的特点。另外，该方法对输出假彩色图象的颜色虽可通过改变滤波级次作适当调节，但颜色变化范围不大，进一步的调节需要重新对黑白图象进行预处理，因此该方法灵活性差，不够方便。
本发明的目的在于提出一种能对黑白密度图象实时进行假彩色化的方法，这种方法不需对黑白图象作预处理，直接将黑白图象输入光学处理系统，即可立刻得到假彩色图象，且假彩色图象的颜色分布易于实时调节。
本发明的要点是在液晶光阀两端加上声频电压，把黑白密度图象成象于液晶光阀的写入面。黑白图象上密度的不同，将使入射到液晶光阀的写入面的光强(以下简称写入光强)也不同，从而液晶层上的电压发生相应的变化，液晶分子的排列规律也发生相应的改变。由于液晶分子具有光学双折射效应，当一线偏振白光从液晶光阀的读出面入射(以下简称线偏振读出光)，经过液晶层并被液晶光阀内的全反射镜反射，再一次通过液晶层后，其偏振状态的变化将与写入光强有关。出射后经检偏和成象系统发生偏振干涉，转换为输出光强度变化。根据偏振光的传播规律和偏振干涉原理，采用简化场效应模型，在选用45°扭曲交流液晶光阀且线偏振读出光的偏振方向与检偏系统的透光方向正交时，输出光强I(φ，χ，f，v)＝ (Ir(λ))/4 ｛2- 3/2 sin22φ-2cos22φcos (2π)/(λ) 〔2△(v，f)〕- 1/2 sin22φcos (2π)/(λ) 〔4△(v，f)〕+2sin4φsin (2π)/(λ) 〔2△(v，f)〕sin (2π)/(λ) △(v，f)｝。
式中φ是线偏振读出光的偏振方向与液晶光阀的读出面上液晶分子长轴之间的夹角，λ是线偏振读出光的波长，f是加在液晶光阀两端的声频电压的频率，v是液晶层上的电压，v与加在液晶光阀两端的声频电压值和写入光强有关，Ir(λ)是线偏振读出光的光谱分布，Δ(v，f)是与液晶层上的电压v和声频电压的频率f有关的平均光程差。当加在液晶光阀两端的声频电压值固定时，v仅与写入光强有关，如果夹角φ和声频电压的频率f均固定，那么对于线偏振读出光中的某一波长λ，输出光强I仅随写入光强变化。当平均写入光强一定时，输出光强I就只随黑白图象的密度变化。图象上的某一密度与确定的输出光谱分布I(λ)对应。根据色度学原理知，确定的光谱分布与确定的混合色相对应，因此不同密度与不同颜色相对应，从而输出假彩色图象。由于液晶光阀是一种实时图象转换器件，其响应时间是毫秒级的，因此只要将黑白图象成象于其写入面上，就立即得到黑白图象的假彩色图象，实现了实时地假彩色化。若改变加在液晶光阀两端的声频电压值，即可改变液晶层上电压v、从而使各波长的输出光强比例发生变化，输出图象的颜色立即随之改变，即实现实时地调色。同理，通过改变电压频率f、夹角φ以及平均写入光强都能实时地调节假彩色图象的颜色分布，而当这些参量复原时，颜色分布也完全复原。
对线偏振读出光的偏振方向与检偏系统的透光方向不正交以及其它角度的扭曲交流液晶光阀也可得出类似结论，即输出光强I也随液晶层上电压v，声频电压的频率f、夹角φ以及线偏振读出光的波长λ变化，所以同样可实现实时假彩色化和实时调色。
附
图1是实现图象实时假彩色化的一种光学系统示意图。
附图2是太原市热电厂冷却水池的热红外黑白图片。
附图3是附图2的假彩色照片。
附图4是某地区的航空黑白图片。
附图5是附图4的假彩色照片。
附图6和附图7分别是声频电压值V＝3.3伏和V＝4.8伏时某黑白图片的假彩色照片。
下面结合附图详述本发明的具体作法。
利用本发明对黑白图象假彩色化时可在附图1所示的光学系统中进行。若为实际景物或屏幕显示的图象可直接成象于液晶光阀P2的写入面;若为黑白透明片，则将其放在输入平面P1处，被均匀照明后经成象透镜L1成象到液晶光阀P2的写入面上。液晶光阀P2可采用45°扭曲交流液晶光阀，这时夹角φ的最佳值是10°至40°;也可采用90°扭曲交流液晶光阀，这时夹角φ的最佳值是20°至70°。液晶光阀P2两端所加的声频电压可由XD1型信号发生器E或声频信号发生器或低频信号发生器产生。光源S发出的白光光波经由透镜L2和L3组成的扩束准直系统后，或经起偏器P3形成线偏振白光，被半反半透镜P4反射到液晶光阀P2的读出面，出射后经检偏器P5和成象透镜L4到达输出平面P6，检偏器P5可在成象透镜L4的前面或后面;光源S发出的白光光波经透镜L2和L3组成的扩束准直系统后，或经一起偏检偏棱镜形成线偏白光进入液晶光阀P2的读出面，出射后再次经过该起偏检偏棱镜，并通过成象透镜L4到达输出平面P6，在输出平面P6上得到假彩色图象。
调色时，或改变P1面的照明光强，即改变平均写入光强;或使液晶光阀P2和起偏器P3相对转动，即改变夹角φ;或使起偏器P3和检偏器P3相对转动，即改变线偏振读出光的偏振方向与检偏系统的透光方向之间的夹角，起偏器P3与检偏器P5的透光方向平行或正交时假彩色效果最佳;或通过信号发生器E改变声频电压值和声频电压频率，也可同时改变两个以上的上述条件，都能使输出平面P6上的假彩色图象颜色分布立即发生变化，且颜色可调范围大。而上述操作都是很简便的。
本发明的实施例之一是对附图2的太原市热电厂冷却水池的热红外黑白图片进行了实时假彩色化。液晶光阀采用45°扭曲交流液晶光阀，夹角φ为30°，起偏器与检偏器的透光方向正交，声频电压值为3伏，频率为900Hz，其假彩色图象用彩色相纸记录，得到附图3的照片。照片中至少有7个色调，细致直观地反映了不同地方的温度分布，明显的轮廓线正是等温区界线，这有利于了解冷却水池中的温度分布情况。
本发明的实施例之二是对附图4的某地区的航空黑白图片进行了实时假彩色化。液晶光阀仍采用45°扭曲交流液晶光阀，声频电压值为3.05伏，频率为1KHz，夹角φ为25°。附图5是其假彩色照片，显然假彩色化后更有利于分辨江水和滩头以及分界线的位置，可更清晰地了解滑坡体的情况，为专业工作者提供解释判读的方便。
本发明的实施例之三是对某黑白图片在声频电压频率为4.4KHz时进行了实时假彩色化，声频电压值为3.3伏时得到附图6，声频电压值为4.8伏时得到附图7。由此可见改变电压值明显地改变了输出假彩色图象的颜色分布，从而可满足对假彩色图象的各种使用要求。
本发明使光学假彩色化方法实现实时，且调色简便，既充分发挥了光学图象处理速度快的特点，又增强了光学假彩色化方法的灵活性和适应性，还比计算机假彩色化方法处理费用低。本发明可广泛用于遥感、生物医学、环境监测、公安刑侦等领域。
权利要求
1.图象假彩色化的光学方法，其特征在于液晶光阀的两端加上声频电压，将黑白密度图象成象于液晶光阀的写入面，线偏振白光从液晶光阀的读出面入射，出射后经检偏和成象系统，实时地输出黑白密度图象的假彩色图象。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于光源发出的白光光波经扩束准直系统后，或经起偏器形成线偏振白光，被半反半透镜反射后，从液晶光阀的读出面入射，出射后经检偏器和成象透镜，实时地输出假彩色图象，检偏器可在成象透镜的前面，也可在其后面，光源发出的白光光波经扩束准直系统后，或经起偏检偏棱镜形成线偏振白光，从液晶光阀的读出面入射，出射后再次经过该起偏检偏棱镜，并通过成象透镜，实时地输出假彩色图象。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于起偏器与检偏器的透光方向平行或正交。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于液晶光阀为45°扭曲交流液晶光阀或90°、扭曲交流液晶光阀。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于对45°扭曲交流液晶光阀，线偏振白光的偏振方向与液晶光阀读出面上液晶分子长轴之间的夹角为10°至40°，对90°扭曲交流液晶光阀，线偏振白光的偏振方向与液晶光阀读出面上液晶分子长轴之间的夹角为20°至70°。
全文摘要
实现图象实时假彩色化的光学方法。该方法不需要对黑白图象作预处理，直接将黑白图象输入光学处理系统，利用液晶光阀对光波偏振态的调制作用以及偏振干涉的显色性，实时地输出假彩色图象，且假彩色分布易于实时调节和控制。本发明增强了光学假彩色化方法的灵活性和适应性，充分发挥了光学图象处理速度快的特点，且较计算机假彩色化处理费用低，可在遥感、生物医学、环境监测、公安刑侦等领域广泛应用。
文档编号G02F1/13GK1041225SQ8810594
公开日1990年4月11日 申请日期1988年9月15日 优先权日1988年9月15日
发明者何战, 陈祯培, 周英 申请人:四川大学