基于全息數(shù)字圖像補償技術的教育資源云存儲平臺設計

劉元慶

摘 要： 為了提高全息數(shù)字圖像重現(xiàn)的質量，提高教育資源云存儲平臺的效率，提出一種基于全息數(shù)字圖像補償技術的教育資源云存儲平臺設計方法。闡述了教育資源云存儲平臺的框架設計方法，教育資源云存儲模塊由全息數(shù)據寫入/讀取模塊、全息數(shù)字圖像補償模塊、加密/解密模塊和客戶端等4個模塊構成，并對各個模塊的功能進行詳細分析。實驗結果表明，全息數(shù)字補償技術能有效提高全息數(shù)字圖像重現(xiàn)的質量，提高了教育資源云存儲平臺的運行效率，效果令人滿意。

關鍵詞： 全息數(shù)字圖像； 相位補償； 教育資源云存儲平臺； 圖像補償技術

中圖分類號： TN911.73?34； Q438.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）17?0075?04

Design of education resources cloud storage platform based on

holographic digital image compensation technology

LIU Yuanqing

（Education Bureau of Xuzhou， Xuzhou 221000， China）

Abstract： In order to improve the quality of the holographic digital image reproduction and the efficiency of education resources cloud storage platform， a design method of education resources cloud storage platform based on holographic digital image compensation technology is put forward. The framework design method of the education resources cloud storage platform is described. The education resources cloud storage module is composed of the holographic data write/read module， holographic digital image compensation module， encryption/decryption module and client module. The functions of each module are analyzed in detail. The experimental results show that the holographic digital compensation technology can improve the quality of the holographic digital image reproduction effectively and the running efficiency of education resources cloud storage platform， and has a satisfied effect.

Keywords： holographic digital image； phase compensation； education resources cloud storage platform； image compensation technology

0 引 言

在高度信息化的今天，教育資源的數(shù)字化、網絡化已經成為不可逆轉的趨勢，構建教育資源云存儲平臺正在全國各地如火如荼的開展[1]。教育資源雖種類繁多，數(shù)量龐大，但都需要完好無損的長久保存[2]。教育資源的數(shù)字化有利于提高教育資源的管理效率，以及人們使用、共享教育資源的效率，但對構建教育資源云存儲平臺所需的存儲技術提出了更高的要求，即教育資源的存儲設備需要足夠的容量和讀寫速度來滿足多媒體教育資源的存儲與讀取[3]。同時，數(shù)字化教育資源的類型也變得越來越復雜，如3D影像、數(shù)字高清影像、高保真音頻等類型[4]。這些數(shù)字資源對存儲技術有著更高的要求，要求計算機的處理能力和存儲能力必須滿足現(xiàn)實需求[5]。然而，經過多年的發(fā)展，現(xiàn)有的計算機存儲體系仍不能滿足教育資源云存儲平臺對海量數(shù)據的存儲需求[6]。因此，在現(xiàn)有條件下如何解決好教育資源云存儲平臺中數(shù)據存儲及利用的問題已經成為教育領域中的一個研究熱點，受到越來越多專家和學者的重視[7]。

全息數(shù)字存儲技術是在近些年出現(xiàn)的一種大容量存儲技術，該技術的基礎是激光干涉技術，將感光介質作為存儲載體[8]。隨著全息數(shù)字存儲技術及配套設施的不斷發(fā)展，全息數(shù)字存儲技術得到了更廣泛的應用[9]。

由于全息圖像（CCD）是經過放大的實像，顯微物鏡的相位因子經過衍射后會發(fā)生畸變，從而降低全息數(shù)字圖像重現(xiàn)的質量。為此，提出一種基于全息數(shù)字補償技術的教育資源云存儲平臺的設計方法。

1 教育資源云存儲平臺的框架設計

1.1 系統(tǒng)的設計方案

Hadoop是Apache基金會開發(fā)的分布式系統(tǒng)基礎框架，用戶無需清楚分布式底層細節(jié)就可以開發(fā)分布式程序。該框架可以充分發(fā)揮集群的性能實現(xiàn)信息資源的高速運算和存儲，因此，教育資源云存儲平臺以Hadoop（分布式系統(tǒng)基礎框架）作為設計基礎。其中，將HBase作為云存儲平臺的數(shù)據庫系統(tǒng)，它作為Hadoop框架中的一部分，其本質是一個開源的非關系型分布式數(shù)據庫，為Hadoop提供與BigTable類似的服務；將HDFS作為云存儲平臺的文件存儲系統(tǒng)，利用全息數(shù)字技術對教育數(shù)據資源進行讀取、寫入，并進行文件、數(shù)據庫和密鑰的三重加密，從而構建基于全息數(shù)據技術的教育資源云存儲平臺。endprint

1.2 系統(tǒng)的框架設計

根據教育資源云存儲平臺的特點，將其劃分為應用層、業(yè)務層、保護層、虛擬層和設備層。各層的功能分別如下：

應用層：是一個面向用戶的Web客戶端，其功能是為客戶提供各種教育資源的云存儲服務、相關的文件以及數(shù)據庫操作。

業(yè)務層：是應用層的基礎，為應用層提供基礎支持，負責各項業(yè)務的部署和運營。

保護層：為教育資源云存儲平臺的運行提供保護。在該層的基礎上構建Hadoop，并與HBase和HDFS相配合。其中，數(shù)據庫加密模塊對HBase中的數(shù)據進行加密保護，文件加密模塊對HDFS中的文件進行加密保護，密鑰加密模塊對這兩個模塊的密鑰進行加密保護。

虛擬層：通過KVM虛擬機對教育資源云存儲平臺中的設備進行虛擬化。

設備層：該層主要由教育資源云存儲平臺中的硬件設備構成，包括計算機、全息數(shù)字存儲設備等。

2 模塊的設計

教育資源云存儲模塊共設有全息數(shù)據寫入/讀取模塊、全息數(shù)字圖像補償模塊、加密/解密模塊和客戶端4個模塊。

2.1 全息數(shù)字寫入/讀取模塊

該模塊主要用于全息數(shù)字教育資源的寫入與讀取。教育資源中的全息圖像可以是圖書的全部信息，由光波強度分布和相位分布構成。全息數(shù)字寫入/讀取模塊中的全息數(shù)字寫入和讀取過程分別如下所述。

圖1為全息數(shù)字的存儲過程。

在圖1中，MO為顯微物鏡，為參照光波，為圖書頁面的平面，為顯微物鏡的平面，為全息平面（即CCD平面），為像平面。軸與這四個平面垂直，且穿越它們的中心。圖書頁面的光波經過顯微物鏡放大后與參照光波發(fā)生干涉，CCD對該干涉條紋進行記錄。設CCD平面與圖書頁面成像平面之間的距離為并將該距離稱為全息圖的工作距離。則在CCD上形成的數(shù)字全息圖可表示為：

（1）

式中：為全息數(shù)字圖；分別為全息數(shù)字圖像的長度和高度；為全息平面的面積；為像素大小，且有為CCD中像元的數(shù)目；為全息數(shù)字圖的放大系數(shù)。

教育資源云存儲平臺中全息數(shù)字讀取過程的理論依據為標量衍射理論。通過計算機模擬光學的衍射過程來實現(xiàn)。令全息平面與像平面之間的距離為并將其作為全息數(shù)字的讀取距離，則全息圖數(shù)字的讀取過程能夠表示為：

（2）

式中：為重現(xiàn)的全息數(shù)字圖像；為光波的振幅；均為常數(shù)，分別為重現(xiàn)全息數(shù)字圖像的長度和寬度；為全息數(shù)字讀取距離；為波長；為重現(xiàn)像平面的采樣間隔；FFT為快速傅里葉變換。

教育資源云存儲平臺中全息數(shù)字存儲技術的應用是一個開源的非關系型分布式數(shù)據庫的應用，用戶通過該平臺可以進行教育資源的查詢。全息數(shù)字存儲技術不僅能夠避免傳統(tǒng)掃描方式的過程繁瑣、文件體積大、不易排版、顯示效果差等缺陷，同時能夠保留原印刷版的顯示效果。

2.2 云存儲平臺客戶端模塊的設計

教育資源云存儲平臺客戶端模塊的主要功能是為用戶提供教育資源數(shù)據的“上傳”（寫入）和“下載”（讀?。?，其中“上傳”由文件管理的子模塊提供，“下載”由數(shù)據庫管理子模塊提供?？蛻舳四K還能通過調用API對文件及數(shù)據庫進行加密與解密。

2.3 加密/解密模塊的設計

加密與解密模塊的功能是對文件、數(shù)據庫以及密鑰進行加密與解密。將該模塊設計為三個子模塊，分別進行文件、數(shù)據庫以及密鑰的加密與解密。

（1） 文件加密/解密子模塊：對從客戶端發(fā)送過來的文件進行加密，加密后的文件保存在HDFS中；若用戶需要讀取文件，則HDFS提供經過解密的文件，并傳輸?shù)娇蛻舳?。所有文件都有獨立的?shù)據密鑰，用戶只有提供私鑰、用戶ID與文件ID后才能獲得文件的數(shù)據密鑰，通過數(shù)據密鑰對文件進行加密和解密。

（2） 數(shù)據庫加密/解密子模塊：其主要功能是對數(shù)據庫進行加密和解密，并保存在HBase中。對于大容量的數(shù)據庫可以用AES算法進行加密與解密。

（3） 密鑰的加密/解密子模塊：該模塊的功能是對文件的加密與解密子模塊、數(shù)據庫的加密與解密子模塊提供數(shù)字密鑰。數(shù)字密鑰不能是明文的形式，需要利用公鑰加密RSA 算法對數(shù)字密鑰進行加密。

2.4 全息數(shù)字圖像補償模塊的設計

在全息數(shù)字存儲的過程中，全息圖像（CCD）是經過放大的實像。顯微物鏡的相位因子經過衍射后會發(fā)生畸變。為了獲取清晰的全息圖像，全息數(shù)字存儲設備會不斷糾正畸變帶來的偏差，從而降低了教育資源云存儲平臺的運行效率，因此，需要對這種畸變帶來的偏差進行補償。在該模塊中，具體的補償方法如下所述。

在全息數(shù)字存儲設備中，設置顯微物鏡產生的相位因子為，則顯微物鏡在像平面中的相位因子可描述為：

（3）

式中：為圖書頁面的像與顯微物鏡之間的距離，為顯微物鏡的焦距。已知物像關系式為，則在像平面中的二次相位因子可表述為：

（4）

綜合式（3），式（4）及物像關系式，則有：

（5）

式中：表示顯微物鏡焦距的調節(jié)系數(shù)；為圖書頁面與顯微物鏡之間的距離。

因此，為了對顯微物鏡引起的相位畸變進行補償，需要讓此二次相位因子的共軛項作用于全息圖的重現(xiàn)之前。共軛項可以表示為數(shù)字相位掩模，即：

（6）

由式（6）可知，通過選擇合適的系數(shù)，相當于選擇合適的就能補償相位畸變。在全息數(shù)字存儲設備中，由于圖書頁面與CCD之間的距離是固定的，由物像關系式可知，的值也隨之確定。因此，只需要對進行調整就能夠消除相位中的畸變條紋，對畸變偏差進行補償。

通常情況下，全息數(shù)字存儲設備利用參照光進行全息圖像的重現(xiàn)（即全息圖像的讀?。?，可以表示為：

（7）

式中為參照光的兩個矢量的分量。endprint

在傳統(tǒng)的全息圖像讀取過程中，是在菲涅耳積分內完成的，當?shù)闹蛋l(fā)生改變時，重現(xiàn)的全息圖像也會發(fā)生變化，對相位畸變的補償區(qū)域會造成影響。因此，需要將移到菲涅耳積分以外，這樣就能保證相位畸變補償?shù)馁|量。具體的方法如下。

調制的性質可以表示為：

（8）

式中：為菲涅爾變換的二維參量；為光波的頻率；為菲涅爾變換；表示全息數(shù)字圖像在長度和寬度上的調節(jié)系數(shù)。則波前再現(xiàn)表示為：

（9）

式中：為波前再現(xiàn)的相位；為全息數(shù)字圖像的相位；利用進行參照光的修正；為記錄的全息數(shù)字圖像。

式（9）的離散形式可表示為：

（10）

式中：為全息圖像重現(xiàn)距離；為波長；為全息平面的采樣間隔；為相位掩模；為經過修正的參照光，其表達式為： （11）

3 實驗結果分析

3.1 實驗環(huán)境設置

為了驗證教育資源云存儲平臺的有效性，需要進行一次實驗。實驗環(huán)境如圖2所示。

在圖2中，激光器發(fā)出的波長為528.2 nm的激光，激光經BS1后被分成兩束：其中一束激光首先穿過顯微物鏡MO1和針孔濾波器PH，然后穿過透鏡L擴束準直，形成參照光；另一束激光經過M2反射后射向圖書頁面，圖書頁面經過顯微物鏡MO2放大后形成圖書頁面的像光。兩束光經過合束鏡BS2后在CCD靶面上干涉，產生圖書頁面的全息數(shù)字圖。CCD的尺寸大小為8.47 mm×7.10 mm，像元的尺寸為3.45 μm×3.45 μm，像元的數(shù)目為1 024×1 024，顯微物鏡的放大倍率為20倍，針孔濾波器的孔徑為0.25 mm。實驗樣本如圖3所示。

3.2 實驗結果及分析

圖4為沒有經過相位畸變補償?shù)娜?shù)字圖像，從圖中能夠看出，圖像中存在明顯的二次相位變形，清晰度低；圖5為經過相位畸變補償?shù)娜?shù)字圖像，從圖中能夠看出，圖像中的二次相位變形已經消除，清晰度高。

為了進一步驗證數(shù)字圖像補償技術的有效性，在樣本圖像中選取一條虛線進行相位輪廓的提取。實驗結果如圖6所示。由圖6可知，圖6（a）中的相位存在明顯的彎曲變形，圖6（b）中的相位分布輪廓非常平坦。上述實驗驗證了全息數(shù)字補償技術在教育資源平臺設計方面的有效性。

4 結 語

針對全息數(shù)字存儲技術在教育資源存儲平臺應用方面的不足，提出一種基于全息數(shù)字圖像補償技術的教育資源云存儲平臺設計方法。闡述了教育資源云存儲平臺的框架設計方法，對教育資源云存儲平臺中的4個模塊的設計方法進行了詳細說明，最后進行了實驗，實驗結果表明，全息數(shù)字補償技術在教育資源平臺設計方面的有效性取得了令人滿意的效果。

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