MATLAB仿真及其在光学课程中的应用（第3版）

本书结合光学类课程的特点,主要介绍MATLAB在“光学原理”“信息光学”“光电图像处理”等课程中的应用。本书在结构上包括三个部分,共6章。第一部分为语言篇,包括第1章和第2章,是MATLAB基础部分,主要介绍MATLAB语言的基本语法、计算功能、编程基本方法和绘图功能。第二部分为应用篇,包括第3~5章,讲述MATLAB在光学类课程中的应用。其中,第3章介绍了MATLAB在光学原理课程中的应用;第4章介绍了MATLAB在信息光学课程中的应用;第5章介绍了MATLAB在光电图像处理课程中的应用。第三部分为课程设计综合实例,包括第6章,演示了光学实践教学中MATLAB系统仿真的应用。本书特点:由浅入深,结构层次清楚;紧扣专业,仿真实例丰富,针对性强;语言精练,通俗易懂。

本书可作为高等院校光学、光学工程、光电信息科学与工程、电子科学技术等相关专业本科生和研究生学习专业知识的辅助教材、参考书和仿真实验指导书,也可供相关专业的教师和科技工作者参考。对参加相关课程设计和毕业设计的读者来说,书中所给实例有一定的参考价值。

胡章芳，女，重庆邮电大学教授，硕士生导师，1994年毕业于电子科技大学，先后讲授过“MATLAB及其工程应用”“通信系统仿真”“计算机辅助光电系统设计”等课程；从事光电信息处理方面的教学与科学研究，主持与参加省部级以上科研与教改项目10余项，发表科研与教改论文30余篇。

重庆邮电大学胡章芳教授的MATLAB与光学课程结合的学习参考书，实例多，代码全，辅以课件和习题答案，可供教师教学参考、学生自学相关课程

用。

基于MATLAB 2020a版本。书中代码和数据可以通过论坛、北航科技图书公众号免费下载。

MATLAB具有编程简单、数据可视化功能强、可操作性强等特点,已经成为国际公认的最优秀的科技应用软件之一。它是集成了数值计算、符号运算和图形处理等多种功能于一体的科学计算软件包,包含许多工具箱,可以进行科学计算、动态仿真、图形处理、信号处理、系统控制、数据统计等。目前,MATLAB 已得到了广泛的应用,许多本科生和研究生经常要用MATLAB进行数值计算和图形处理,并且借助它来学习基础课程、专业基础课程和专业课程。本书讲述了如何应用MATLAB语言进行编程仿真,并针对光学类专业的本科生,重点介绍MATLAB在“光学原理”“信息光学”和“光电图像处理”等课程中的具体应用。

本书围绕上述课程,结合典型例题及丰富的图形实例讲解,使原本枯燥、抽象的内容变得直观形象,帮助学生更好地理解课程内容,以及如何使用MATLAB编程。本书的主要特点可以概括为以下几点:

1. 由浅入深,结构层次清楚

全书内容由浅入深,在介绍MATLAB基本知识的基础上,紧扣专业基础课程及专业课程,提供了MATLAB在相应领域的应用方法。目的是让读者在学会使用MATLAB进行性能分析验证和建模仿真的同时,加强对专业知识的理解和掌握,从而有助于后续课程的学习。

2. 紧扣专业,仿真实例丰富,针对性强

本书对复杂的理论及算法只做简单介绍,重点放在MATLAB的实现(应用)上。根据专业基础课程和专业课程的要求,精选了具有代表性的实例,使读者在实例中加深对专业知识的理解,并学会如何使用相应的MATLAB函数。建议读者在使用本书时最好结合相应的教材做参考。

3. 语言精练,内容易于理解

本书避免了复杂的数学公式推导,对知识进行提炼,语言简洁,通俗易懂。书中提供的程序代码中,对关键处进行了注释,易于读者理解和掌握MATLAB的编程方法和思路。

本书可作为高等院校光学、光学工程、光电信息科学与工程、电子科学技术等相关专业本科生和研究生学习专业知识的辅助教材、参考书以及仿真实验指导书,也可供相应专业的教师和科技工作者参考。对参加相关课程设计和毕业设计的读者来说,书中所给实例有一定的参考价值。

本书由胡章芳、罗元、席兵、毛雪峰共同编写完成。本书再版编写过程中,肖航、蹇芳、吕润哲、杨勇、斯星童、曾念文等做了部分的资料查阅、插图制作、文字校对和编排工作,对他们的辛勤付出表示感谢!

书中所有程序源代码可在北京航空航天大学出版社官网(http://www.buaapress.com.cn)的“下载中心”下载。同时,北京航空航天大学出版社联合MATLAB 中文论坛为本书设立了在线交流版块,网址:http://www.ilovematlab.cn/forum-246-1.html(读者也可以在该版块下载程序源代码)。我们希望借助这个版块实现与广大读者面对面的交流,解决大家在阅读本书过程中遇到的问题,分享彼此的学习经验,共同进步。由于作者水平有限,书中存在的错误和疏漏之处,恳请广大读者和同行批评指正。本书勘误网址:http://www.ilovematlab.cn/thread-432219-1-1.html。

编 者

2020年5月

第一部分 语言篇

第1章 MATLAB语言概述 2

1.1 MATLAB简介 2

1.1.1 MATLAB的发展历程 2

1.1.2 MATLAB的主要特点 2

1.2 MATLAB的系统组成 3

1.3 MATLAB R2020a的安装、启动和退出 4

1.3.1 MATLAB R2020a的安装 4

1.3.2 MATLAB R2020a的启动和退出 9

1.4 MATLAB R2020a的工作环境 9

1.4.1 菜单栏和工具栏 9

1.4.2 命令行窗口 10

1.4.3 工作区 11

1.5 MATLAB R2020a帮助系统 12

1.5.1 帮助窗口 12

1.5.2 帮助命令 12

1.5.3 演示系统(Demos) 13

1.5.4 帮助系统导航浏览器 13

1.5.5 远程帮助系统 14

1.6 MATLAB的基本操作命令 14

1.6.1 通用命令和编辑键 14

1.6.2 文件管理 16

1.7 MATLAB使用初步 16

习 题 16

第2章 MATLAB的基本语法 17

2.1 数据类型 17

2.1.1 数值类型 17

2.1.2 字符串 17

2.1.3 逻辑类型 19

2.1.4 元胞数组 20

2.1.5 构架数组 21

2.1.6 函数句柄(function) 21

2.2 变 量 22

2.2.1 变量命名的规则 22

2.2.2 变量的赋值 22

2.2.3 MATLAB变量的显示 23

2.2.4 MATLAB变量的存取 24

2.3 数组及向量运算 24

2.3.1 数组和向量的创建 24

2.3.2 数组的寻址 26

2.3.3 数组的运算 27

2.3.4 向量运算 29

2.4 矩阵及其运算 30

2.4.1 矩阵的创建 30

2.4.2 矩阵的运算 31

2.4.3 矩阵的常用函数运算 33

2.5 多项式及其运算 33

2.5.1 多项式的构造 34

2.5.2 多项式的运算 34

2.5.3 多项式拟合 36

2.6 符号运算 37

2.6.1 基本符号对象 37

2.6.2 符号表达式 38

2.6.3 符号表达式的运算 38

2.6.4 常用的符号运算 38

2.7 MATLAB绘图 40

2.7.1 MATLAB绘图的基本步骤 40

2.7.2 二维绘图 40

2.7.3 图形修饰 43

2.7.4 三维绘图 45

2.7.5 特殊图形 47

2.7.6 四维图形 49

2.8 MATLAB程序设计 50

2.8.1 M 文件编辑器 51

2.8.2 命令文件 52

2.8.3 函数文件 53

2.8.4 M 文件的规则 53

2.8.5 全局变量与局部变量 53

2.8.6 程序流控制 54

2.8.7 程序设计举例 57

2.8.8 程序设计的基本原则 59

2.8.9 高效编程的一般思路 59

习 题 60

参考文献 62

第二部分 应用篇

第3章 MATLAB在光学原理中的应用举例 64

3.1 平面电磁波在不同媒介分界面上的入射、反射和折射 64

3.1.1 电矢量平行入射面的反射系数和振幅透射系数 64

3.1.2 电矢量垂直入射面 65

3.1.3 菲涅耳公式 65

3.2 光的干涉 67

3.2.1 波的叠加原理 67

3.2.2 光波的干涉 70

3.2.3 杨氏干涉实验 70

3.2.4 牛顿环 73

3.2.5 迈克尔逊干涉仪 74

3.3 光的衍射 78

3.3.1 光的衍射现象 78

3.3.2 矩形孔和圆孔衍射 81

3.3.3 光栅衍射 82

3.4 光的偏振 83

3.4.1 光波的偏振态 83

3.4.2 光波的偏振态仿真 84

3.5 平行光束通过透镜聚焦 86

3.5.1 平凸透镜光线追迹 86

3.5.2 平行光通过透镜的仿真 87

参考文献 89

第4章 MATLAB在信息光学中的应用举例 90

4.1 信息光学函数 90

4.1.1 矩形函数 90

4.1.2 阶跃函数 92

4.1.3 符号函数 93

4.1.4 sinc函数 93

4.1.5 高斯函数 94

4.2 傅里叶变换 96

4.3 卷积定理 98

4.4 傅里叶透镜的仿真 100

4.5 计算全息 102

4.5.1 全息透镜 102

4.5.2 二元傅里叶变换全息图 104

参考文献 106

第5章 MATLAB在光电图像处理中的应用 107

5.1 图像及数字图像简介 107

5.1.1 索引图像 107

5.1.2 RGB图像 108

5.1.3 二值图像 108

5.1.4 灰度图像 108

5.2 数字图像的读取、显示及输出 109

5.2.1 图像的读取 109

5.2.2 图像的显示 109

5.2.3 图像的输出 111

5.2.4 添加颜色条 111

5.3 图像类型的转化 112

5.3.1 dither函数 112

5.3.2 gray2ind函数 113

5.3.3 im2bw函数 114

5.3.4 rgb2gray函数 115

5.3.5 rgb2ind函数 115

5.4 图像的代数操作 116

5.4.1 图像的相加 116

5.4.2 图像的相减 118

5.4.3 图像的相乘 120

5.4.4 图像的相除 120

5.5 图像的对比度增强 122

5.5.1 线性变换 122

5.5.2 非线性变换 122

5.6 图像的锐化 123

5.6.1 边界提取和锐化 123

5.6.2 锐化滤波器 124

5.7 图像的边缘检测 126

5.7.1 边缘检测算子 126

5.7.2 边缘检测的MATLAB实现 127

5.8 基于灰度的图像分割 130

5.9 图像的膨胀与腐蚀 133

5.9.1 膨胀和腐蚀 133

5.9.2 结构元素 133

5.9.3 膨胀的MATLAB实现 134

5.9.4 腐蚀的MATLAB实现 135

5.10 图形的检测 135

5.10.1 圆的检测 135

5.10.2 多边形的检测 137

5.11 图像与视频的相互转换 138

5.11.1 视频转换成图像 138

5.11.2 图像转换成视频 139

参考文献 140

第三部分 实例篇

第6章 课程设计综合实例 142

6.1 基于MATLAB的汽车牌照识别系统的设计与实现 142

6.1.1 设计目的 142

6.1.2 设计任务及具体要求 142

6.1.3 基本原理概述 142

6.1.4 设计方案及验证 143

参考文献 151

6.2 基于MATLAB的空间滤波仿真实现 151

6.2.1 设计目的 151

6.2.2 设计任务及要求 151

6.2.3 设计原理概述 152

6.2.4 空间滤波的仿真设计实现 152

参考文献 157

6.3 基于MATLAB的高斯光束及传输特性分析 157

6.3.1 设计目的 157

6.3.2 设计任务及要求 158

6.3.3 设计原理概述 158

6.3.4 MATLAB仿真实现 158

参考文献 163

6.4 基于MATLAB的光纤定向耦合器的耦合特性分析 164

6.4.1 设计目的 164

6.4.2 设计任务及要求 164

6.4.3 设计原理概述 164

6.4.4 设计实现 166

参考文献 172

6.5 基于MATLAB的光学图像加密/解密技术的研究 172

6.5.1 设计目的 172

6.5.2 设计任务及要求 172

6.5.3 设计原理概述 172

6.5.4 设计实现 174

参考文献 181

6.6 基于MATLAB的相关识别 181

6.6.1 设计目的 181

6.6.2 设计任务及要求 181

6.6.3 设计原理概述 181

6.6.4 图像相关识别MATLAB的仿真实现 183

参考文献 186

6.7 MATLAB在激光光斑测量中的应用 186

6.7.1 设计目的 186

6.7.2 设计任务及要求 186

6.7.3 设计原理概述 186

6.7.4 设计实现 188

参考文献 190

6.8 基于MATLAB的激光束合成 190

6.8.1 设计目的 190

6.8.2 设计任务及要求 191

6.8.3 设计原理概述 191

6.8.4 设计实现 191

参考文献 196

6.9 MATLAB在透镜像差计算中的应用 197

6.9.1 设计目的 197

6.9.2 设计任务及要求 197

6.9.3 设计原理概述 197

6.9.4 设计实现 200

参考文献 203

6.10 基于MATLAB的人脸识别 203

6.10.1 设计目的 203

6.10.2 设计任务及具体要求 203

6.10.3 基本原理概述 203

6.10.4 设计方案及验证 204

6.10.5 结 论 210

参考文献 210

6.11 基于MATLAB的机读卡评分系统 211

6.11.1 设计目的 211

6.11.2 设计任务及具体要求 211

6.11.3 基本原理概述 211

6.11.4 设计实现 211

参考文献 218