非采样方向滤波的光学实现是将光学信息处理与非采样方向滤波理论相结合的一种应用方法。该方法充分发挥了光学信息处理技术具有并行性、超高速、大容量、小尺寸等光子信息系统的优越性,而且可以极大的减小多方向滤波所花的时间,这具有重要的理论意义和实用价值。本文先从方向滤波理论出发,介绍了方向滤波的基本原理、基本结构以及几种方向滤波器的设计实例,再介绍非采样方向滤波的概念,并从理论上分析非采样滤波与采样滤波之间的优缺点,生成了非采样八方向分解与重构滤波器组。最后将非采样多方向滤波理论与非采样拉普拉斯塔形滤波理论相结合形成非采样轮廓波变换的理论,为光学非采样方向滤波器和光学非采样轮廓波变换滤波器的设计提供了理论依据。4 f系统是实现光学非采样方向滤波和光学非采样轮廓变换的一种重要光路,本文从傅里叶光学原理出发,分析了4 f系统的基本原理和组成,构建了光学非采样方向滤波和光学非采样轮廓波变换所需要的4 f系统。一方面,针对4 f系统中图像空间频率特性、空间滤波范围受限以及系统噪声的影响,给出了输入图像、光学滤波器图像以及采集图像的尺寸约束条件;另一方面,针对实际4 f系统中图像加载设备和图像采集设备对空、频域滤波器的特殊要求,分别对空域滤波器进行拆分存储,对频域滤波器进行校正、归一化和量化处理,并给出了光学非采样方向滤波器和光学非采样轮廓波变换滤波器的最终形式,最后对非采样八方向滤波和非采样轮廓波变换的分解部分进行了仿真及光学实验,并利用计算机通过数值计算得到上述变换的重构部分,最终结果验证了本论文方法的可行性、有效性和准确性。