全息學中計算機圖像處理技術的應用研究

鄭 影

ZHENG Ying

（齊齊哈爾大學 計算機與控制工程學院，齊齊哈爾 161006）

0 引言

近年來，隨著計算機技術和相關設備的完備，數(shù)字全息術的研究應用得以飛速發(fā)展。顧德門在20世紀70年代提出數(shù)字全息的概念，用 CCD代替全息干涉等全息記錄材料記錄全息圖。采用計算機模擬再現(xiàn)取代光學衍射過程，實現(xiàn)了全息圖記錄、存儲、處理和再現(xiàn)過程的數(shù)字化。數(shù)字全息的突出優(yōu)點為直接得到的是被記錄物體再現(xiàn)像的復振幅分布，而不是光強分布，被記錄物體的表面亮度和形貌信息皆可由此復振幅獲得，因此能方便地用來進行多種測量。

全息技術是物理學中一個重要發(fā)現(xiàn)，被越來越多的應用于各個行業(yè)。借助于CCD技術和計算機技術的發(fā)展，全息技術也得到質(zhì)的飛躍，從傳統(tǒng)光學全息到數(shù)字全息。傳統(tǒng)光學全息將物光和參考光干涉得到全息照片來記錄光的振幅和相位信息；而數(shù)字全息則用 CCD記錄物光和參考光的干涉，形成數(shù)字全息圖，再通過計算機圖像處理技術處理全息圖。因此，CCD技術和計算機圖像處理技術是影響數(shù)字全息技術發(fā)展有兩個重要因素。國外在此方面的實驗研究很活躍，研究工作涉及的范圍也非常廣泛，涵蓋了面形測量、變形測量、振動測量等一系列領域，取得了較大的進展。本文將從計算機應用方面闡述圖像處理技術在全息中的應用。

1 圖像處理技術

圖像是人們獲取信息的一個重要手段。人們用各種觀測系統(tǒng)采用不同方法和技術獲得圖像，以拓展認識的范圍。圖像可以表現(xiàn)為各種形式，可視的、 不可視的、抽象的、實際的、可處理的和不可處理的等等。但大致都分為兩類：一類是模擬圖像，包括光學圖像、照相圖像、電視圖像等。它的處理速度快，但精度和靈活性差；另一類是數(shù)字圖像，它是將連續(xù)的模擬圖像離散化后處理變成為計算機能夠辨識的點陣圖像。計算機圖像處理是將圖像信號轉換成數(shù)字信號并利用計算機對其進行處理。計算機具有處理速度快、信號失真小、易保存、易傳輸和抗干擾能力強等特點，因而計算機圖像處理被廣泛應用于：航空航天、遙測技術、自動化檢測、安全識別和導航等各大領域。

圖像處理就是將圖像轉化為一個數(shù)字矩陣存放在計算機中，并采用一定的算法對其進行處理。數(shù)學是圖像處理的基礎，最主要任務就是各種算法的設計和實現(xiàn)。根據(jù)不同領域的應用要求，可以將圖像處理技術劃分為許多分支，其中比較重要的分支有：1）圖像數(shù)字化：通過采樣和量化將模擬圖像變成便于計算機處理的數(shù)字形式。2）圖像的增強和復原：主要目的是增強圖像中的有用信息，削弱干擾和噪聲，使圖像清晰或將轉化為更適合分析的形式。3）圖像編碼：在滿足一定的保真條件下，對圖像進行編碼處理，達到壓縮圖像信息量，簡化圖像的目的，以便于存儲和傳輸。4）圖像重建：主要是利用采集的數(shù)據(jù)來重建出圖像。圖像重建的主要算法有代數(shù)法、傅立葉反投影法和使用廣泛的卷積反投影法等。5）模式識別：識別是圖像處理的主要目的。如：指紋鑒別、人臉識別等是模式識別的內(nèi)容。6）計算機圖形學：用計算機將實際上不存在的，只是概念上所表示的物體進行圖像處理和顯現(xiàn)出來。

二十世紀20年代電纜圖片傳輸系統(tǒng)（紐約和倫敦之間海底電纜）傳輸一幅圖片所需的時間由一周多減少到3個小時之內(nèi)。50年代，在美國出現(xiàn)了以電子管計算機配合滾筒式、平板式繪圖儀等僅具有輸出功能的設備的圖像處理。60年代至70年代，計算機圖像處理技術得到了快速發(fā)展，計算機圖像處理已經(jīng)可以用來改善圖像質(zhì)量，或是從圖像中獲得有效信息，并且能對圖像進行體積壓縮，便于傳輸和保存。此時的計算機圖像處理已經(jīng)就用到了衛(wèi)星遙感、醫(yī)學等方面。 l964年美國噴氣推進實驗室對航天探測器徘徊者7號發(fā)回的月球照片由計算機進行圖像處理，成功地繪制出月球表面地圖，為人類探索宇宙奧妙奠定了基礎。 1972年由英國工程師發(fā)明的用于頭顱診斷的X射線計算機斷層攝影裝置，也就是我們通常所說的CT( Computer Tomograph)。其基本原理是根據(jù)人的頭部截面的投影，經(jīng)計算機處理來重建截面圖像。

由于計算機圖像處理是以計算機軟硬件為基礎的，所以計算機圖象處理技術真正大發(fā)展是在八十年代后，隨著計算機技術的高速發(fā)展而迅猛發(fā)展起來。時至今日，計算機圖象處理在醫(yī)遙感及工業(yè)自動化領域的應用越來越多，大到科研、國防軍事，小至人們生產(chǎn)生活的方方面面?，F(xiàn)在人們可以實現(xiàn)聲音、文字、圖像相結合的多媒體通訊。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在計算機圖像處理技術上有了很大的發(fā)展。在理論研究和實踐應用上已逐步趕上或接近發(fā)達國家的水平，在數(shù)據(jù)獲取能力方面。成功研制出了一系列傳感器，發(fā)射了眾多對地觀測衛(wèi)星，組成了風云、 海洋、資源和環(huán)境減災等對地觀測衛(wèi)星體系。

全息技術的下一步發(fā)展就是3D全息成像及其傳輸。它類似一種立體的影像投射，其介質(zhì)為空氣。這是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實3D圖像的手段演化而來的。而最新的近乎實時傳送水平的3D全息成像技術，即“全息網(wǎng)真”，可以提供真人大小的圖像、超高清晰度的視效、具有立體感和特殊設計的環(huán)境，營造出一種讓身處不同地方的人能身臨其境的場所，實現(xiàn)所謂的“咫尺天涯”。 其可以在一個地點記錄下3D圖像，然后實時地顯示在地球任何位置。該技術最簡單直接的用途是將淘汰掉全息視頻會議，還能使觀眾在欣賞3D全息影像時，無需佩戴特殊眼鏡和任何輔助設備；而其進一步應用甚至可建立一個“3D導圖”， 允許各地外科醫(yī)師會診，或參與到幾百公里之外的病人手術中。

2 全息學中計算機圖像處理技術的應用

計算機圖像處理技術在全息中的應用主要有以下兩個方面：1）計算全息?；谟嬎銠C圖形學將計算機技術與光全息技術結合起來，通過計算機模擬、計算、處理，制作出全息圖。2）利用圖像的增強和復原。圖像編碼技術等對數(shù)字全息圖像質(zhì)進行提高以及實現(xiàn)的各種算法。它的應用大致可以分為兩大類，即空域法和頻域法：空域法，這種方法是把圖像看作是平面中各個像素組成的集合，然后直接對這一二維函數(shù)進行相應的處理?？沼蛱幚矸ㄖ饕邢旅鎯纱箢悾?）領域處理法。其中包括梯度運算( Gradient Algorithm )，拉普拉斯算子運算(Laplacian Operator)，平滑算子運算(Smoothing Operator)，積運算(Convolutin Algorithm )。2）點處理法。包括灰度處理（fgrey processing)，面積、周長、體積和重心運算等等。頻域法：數(shù)字圖像處理的頻域處理方法是首先對圖像進行正交變換，得到變換頻域系列陣列，然后再施行各種處理，處理后再反變換到空間域，得到處理結果。這類處包括：濾波、數(shù)據(jù)壓縮和特征提取等處理。

美國空軍科學研究辦公室日前披露一項計劃，利用全息技術實現(xiàn)3D高清成像。美國亞利桑那州光學科學學院領導的研究小組稱，全息3D技術通過提供能夠快速更新的可靠圖像，提高戰(zhàn)場指揮控制能力。同時這種圖像還可被用于軍事訓練。3D成像能夠同步表現(xiàn)許多數(shù)據(jù)，這是2D圖像無法完成的任務。目前尚無適于實際使用的動態(tài)、全息3D圖像。而該研究小組最新開發(fā)的顯示技術依賴全息攝影術將目標或場景通過激光存儲起來。EDS公司已經(jīng)有全息視頻會議設備。目前應用的商用3D系統(tǒng)只能被稱為“類全息”，因為它們在全動態(tài)、全彩全息視頻上表現(xiàn)不足。馬薩諸塞技術學院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出更優(yōu)質(zhì)、更廉價和更大的3D“電視”系統(tǒng)。今年早些時候該校雜質(zhì)報道這些全動態(tài)顯示器已經(jīng)達到了模擬電視的清晰度。

3 模擬實驗

本文利用圖像處理技術，運用Matlab軟件編寫了相關程序，以模擬計算全息和實現(xiàn)全息圖像的濾波。全息實現(xiàn)流程圖如圖1所示。

圖1 全息實現(xiàn)流程圖

本文將運用matlab實現(xiàn)計算全息的制作、再現(xiàn)。圖2是用來制作全息圖原始圖樣，標有“涉”字，圖像尺寸為1024像素×1024像素；圖3是離散后的參考光波頻譜；圖4是制作好的全息圖頻譜；圖5是計算全息的再現(xiàn)圖。模擬實驗中用到的參數(shù)為：激光模擬了氦氖激光器，波長為638.3 nm；再現(xiàn)距離為 40cm；因為原始物圖的尺寸用像素為單位表示，所以像素分辨率為1。

圖2 原始物圖

圖3 參考光波

圖4 計算全息圖

圖5 全息再現(xiàn)圖

從模擬實驗中可以看出，數(shù)字全息的處理過程其實就是計算機圖像處理在全息技術的應用過程。利用計算機圖像處理技術對全息圖進行了記錄，將物光和參考光干涉得到了全息圖。并利用圖像的增強和復原對圖像進行了處理，以消除噪聲，得到更好的全息再現(xiàn)象。

4 結束語

本文僅模擬了計算全息的實現(xiàn)和再現(xiàn)過程，其實，計算機圖像處理在全息技術中的應用是全方位的，用實驗方法得到的全息圖中包含了更多的其他無用信息，圖像處理技術在這里就顯得尤為重要。隨著計算機圖像處理技術的進一步發(fā)展，全息技術必然有更大的發(fā)展。

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