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Python光学仿真学习处理高斯光束分布图像

作者:微小冷

这篇文章主要为大家介绍了Python光学仿真学习之如何处理高斯光束的分布图像,有需要的朋友可以借鉴参考下,希望能够有所帮助,祝大家多多进步

通过python处理光斑图像

1 相关包与图像读取

首先需要科学计算必备包numpy和画图包matplotlib.pyplot,我们通过后者进行图像数据的读取.

plt.imread读取图片之后为数据格式为numpy数组,可以通过成员函数astype将整型数据变成浮点型,有利于后期处理。

plt.imshowimg的数据加载到窗口,plt.show()显示绘图窗口,默认显示为伪彩图。

python自动画出了伪彩图,可以通过在plt.imshow的过程中输入cmap参数使之得到灰度图

>>> plt.imshow(img,cmap=plt.cm.gray)
<matplotlib.image.AxesImage object at 0x000002E84F5B4788>
>>> plt.show()

2 图像截取

由于光斑只占据图片中很小一部分,大量的冗余信息等同于噪声,会对后期的数据处理造成影响,故需截取感兴趣的区域,plt.ginput函数提供一种交互操作方法,可返回鼠标点击的位置,其输入参数为选取点数,输出为点击的点的坐标。

>>> plt.imshow(img)
<matplotlib.image.AxesImage object at 0x000002E857A21448>
>>> plt.ginput(2)
[(717.0757575757577, 299.8290043290042), (783.5692640692644, 233.33549783549768)]

在python中,通过方括号进行矩阵索引,图片的截取方法为

>>> roi = img[233:299,717:783]
>>> plt.imshow(roi)
<matplotlib.image.AxesImage object at 0x000002E84F5B4948>
>>> plt.show()

img/py2.png

3显示强度

为了更加直观地反映光斑强度,以图片行列为坐标,可以绘制3d强度图。

绘制二维曲线,要求输入相应的自变量和因变量,通过点和点的一一对应,画出曲线。三维图像绘制亦然,通过np.meshgrid生成网格坐标,作为其 x , y x,y x,y向的自变量,其输入参数为两个一维数组,返回两个二维数组,用以表示这两个数组方向的坐标。

>>> xNum,yNum = roi.shape						#获取roi的维度
>>> xAxis,yAxis = np.meshgrid(range(yNum),range(xNum))	#range创建长度为xNum的自然数列
>>> ax = plt.gca(projection='3d')				#建立3D坐标轴
>>> ax.plot_surface(xAxis,yAxis,roi)			#创建面元图
<mpl_toolkits.mplot3d.art3d.Poly3DCollection object at 0x0000019EAFF19D48>
>>> plt.show()

结果为

img/py3.png

4数据拟合

光斑在空间中的分布形式呈中心对称的特征,故可抽取出其径向坐标进行降维操作,考虑到数据的稳定性,并排除非信号区的影响,可提取每一列的最大值

>>> arr = np.max(roi,0)
>>> x = np.arange(len(arr))
>>> plt.plot(x,arr)
[<matplotlib.lines.Line2D object at 0x0000019EB469EB48>]
>>> plt.show()

结果如图所示

在这里插入图片描述

在python中,需要通过引入科学计算库scipy中的优化拟合包optimize中的curve_fit函数来进行数据的高斯拟合。curve_fit的输入参数为拟合函数,自变量和因变量;输出参数为拟合函数中的其他参数以及拟合评价参数。

其中高斯函数的表达形式为

在这里插入图片描述

>>> from scipy.optimize import curve_fit
>>> def gauss(x, a, b, c):
...     return a*np.exp(-(x-b)**2/c**2)
...
>>> abc,  para = curve_fit(gauss,x,arr)
>>> abc							#即上式中的a,b,c
array([89.72326971, 35.58522403, 20.86186403])	
>>> fitValue = gauss(x,abc[0],abc[1],abc[2])	#拟合值
>>> plt.scatter(x,arr)			#绘制原始数据的散点图
<matplotlib.collections.PathCollection object at 0x0000019EB5438D88>
>>> plt.plot(x,fitValue)		#绘制拟合数据的曲线图
[<matplotlib.lines.Line2D object at 0x0000019EB46D4048>]
>>> plt.show()

在这里插入图片描述

问题

如果包没有安装的话,可以在命令行中用pip文件进行安装

> pip install numpy
> pip install matplotlib
> pip install scipy

以上就是Python光学仿真学习处理高斯光束分布图像的详细内容,更多关于Python处理高斯光束分布图像的资料请关注脚本之家其它相关文章!

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