[发明专利]光学系统空域信息传递分析方法

说明书

技术领域

本发明属于信息光学与光学系统成像性能分析技术领域，涉及一种将信息论的分析方法应用于光学系统空域成像性能分析的新方法。

背景技术

利用光学系统对物成像时，物、像均携带着信息，拍照的目的就是从所拍摄的像中获取尽可能多的物的信息。从信息传递的角度分析光学成像过程时，光学系统所要观测的物可看作信源，光学系统对物所成的像可看作信宿，光学系统可看作信道。这样就可以借鉴信息论的思想和方法来研究光学成像系统的信息传递规律，计算光学系统的信息传递性能参数，评价光学系统的信息传递性能。传统的几何光学、光学设计及傅里叶光学分析方法无法分析物经光学系统成像后的信息损失量，也无法计算像中含有多少无失真的物的信息。

然而，信息论分析方法中的信源与信宿仅仅是一组数据流(一维向量形式)，信源、信宿中的各元素间只有一维的前后顺序的对应关系，没有二维空间位置的对应关系。二维的信道矩阵可以准确地描述信源中每个元素到信宿的每个元素的信息传递关系。而光学成像系统中的物与像通常是二维的，每个物点、像点与其相邻的物点、像点均有明确的二维位置对应关系，每个物点与每个像点之间的信息传递关系可由光学系统的点扩散函数确定。那么，此时的光学系统空域信道矩阵应是一个四维矩阵，四维矩阵在计算机中是无法表示的。另外，在傅里叶光学分析方法中，物与PSF卷积等于像；而在信息论的分析方法中，信源与信道矩阵乘积等于信宿。傅里叶光学中的卷积运算与信息论中乘积运算是两种完全不同的运算方法，这也是将信息论应用于光学系统空域成像性能分析时遇到的难题。所以，目前尚未发现关于采用信息论的分析方法研究光学系统的二维空域成像性能的研究成果。

采用《信息论》的分析方法研究光学系统的空域信息传递性能的核心技术是如何用一维的物向量、像向量表示二维的物矩阵、像矩阵以及如何构建二维光学系统空域信道矩阵。这两项技术的解决可使像的计算方法由物与PSF的卷积运算转化为物向量与二维光学系统空域信道矩阵的乘积运算，对光学系统空域成像性能的深入研究以及光学与信息论的知识体系结合具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学系统空域信息传递分析方法，该方法可将信息论的分析方法应用于光学系统空域成像性能分析，能够更客观、完善地描述光学系统的信息传递规律。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

第一步、二维物矩阵、像矩阵的一维化处理：

所述一维化处理就是将二维物矩阵、像矩阵中的每一行元素依次首尾相接排列为一维物向量、像向量，然后对物向量、像向量进行归一化处理。将物矩阵一维化并归一化后获得的一维物向量看作信源，像矩阵一维化并归一化后获得的一维像向量看作信宿。

第二步、二维光学系统空域信道矩阵的构建：

由于二维物矩阵的某个元素表示的光强传递到二维像矩阵的某个元素表示的光强的信息传递系数可从PSF数据中提取，只要找到与一维物向量、一维像向量中各元素分别对应的二维物矩阵、二维像矩阵中的元素，便可获得一维物向量各元素到一维像向量各元素之间的信息传递系数，将全部一维物向量到全部一维像向量的信息传递系数按编号顺序写成矩阵形式，便可得到二维光学系统空域信道矩阵。

第三步、光学系统空域信息传递性能参数的计算方法：

根据信息论的定义与公式，对一维化所得的归一化物向量表示的信源的信源熵、像向量表示的信宿的信宿熵、信源与信宿的互信息量进行计算，利用这些信息参数评价光学系统的信息传递性能。互信息量是能够在信道中正确传输的信源的那部分信息量的大小，也是经信道传递后的信宿中包含的信源信息量的大小。因此，互信息量的大小能反映出光学系统信息传递性能。

本发明提供的方法对二维的物矩阵、像矩阵进行一维化处理后，根据光学系统PSF及物元素与像元素的对应关系写出二维光学系统空域信道矩阵，使像的计算方法由物与PSF的卷积运算转化为物向量与二维光学系统空域信道矩阵的乘积运算，从而实现将信息论应用于光学系统空域成像性能的评价。

附图说明

图1为光学系统空域成像原理图；

图2为物矩阵转化为物向量的一维化过程原理图；

图3为像矩阵转化为像向量的一维化过程原理图；

图4为物向量、像向量与二维光学系统空域信道矩阵关系图；

图5为由5×5个元素构成的物矩阵；

图6为由3×3个元素构成的PSF矩阵；