探析計算機圖像處理在全息學中的應用

全息技術是學中的重大發(fā)現(xiàn)，近年來在各個行業(yè)得到廣泛的應用。作為全息技術中的兩個重要部分——CCD和計算機圖像處理技術，在推動數(shù)字全息新一輪發(fā)展中起到至關重要的作用。本文將著重從方面闡述圖像處理技術在全息中的應用。

全息技術是物中一重要發(fā)現(xiàn)，越來越多的應用于各個行業(yè)。伴隨著CCD技術和計算機技術的發(fā)展，全息技術也得到一次質(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，影響數(shù)字全息技術發(fā)展有兩個重要方面：CCD技術和計算機圖像處理技術。

1.圖像處理技術。圖像是現(xiàn)代人們獲取信息的一個主要手段。人們用各種觀測系統(tǒng)以不同的形式和手段獲得圖像，以拓展其認識的范圍。圖像以各種形式出現(xiàn)，可視的、不可視的，抽象的、實際的，計算機可以處理的和不適合計算機處理的。但究其本質(zhì)來說，圖像主要分為兩大類：一類是模擬圖像，包括光學圖像、照相圖像、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。從數(shù)字上看，數(shù)字圖像就是被量化的二維采樣數(shù)組。它是計算機技術發(fā)展的產(chǎn)物，具有精度高、處理方便和重復性好等特點。

圖像處理就是將圖像轉(zhuǎn)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。圖像處理的基礎是，最主要任務就是各種算法的設計和實現(xiàn)。目前，圖像處理技術已經(jīng)在很多方面有著廣泛的應用。如通訊技術、遙感技術、生物、生產(chǎn)、計算機科學等等。根據(jù)應用領域的不同要求，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。③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?qū)⑥D(zhuǎn)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。當今的模式識別方法通常有三種：識別法、句法結構模式識別法和模糊識別法。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。

2.計算機圖像處理技術在全息學中的應用。圖像處理技術在全息中的應用主要表現(xiàn)在：一是計算全息，基于計算機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。因此它可以記錄物理上不存在的實物。二是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：①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。空域處理法主要有下面兩大類:一是領域處理法。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)和卷積運算(Convolution Algorithm)。二是點處理法。包括灰度處理 (grey processing)，面積、周長、體積、重心運算等等。②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、特征提取等處理。

3.模擬實驗。本文運用matlab軟件，利用圖像處理技術，編寫了程序，以模擬計算全息和實現(xiàn)全息圖像的濾波。

本文將運用matlab程序設計實現(xiàn)計算全息的制作、再現(xiàn)過程。標有“涉”一字，圖像尺寸為1024像素×1024像素；。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638.2nm；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。

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。

參考文獻：

[1]周燦林，亢一瀾.數(shù)字全息干涉法用于變形測量.光子學報，2004，13（2）：171－173。

[2]劉誠，李銀柱，李良鈺等.數(shù)字全息測量技術中消除零級衍射像的方法[J].中國激光，2001，A28(11)：1024-1026。

[3]戴福隆等.現(xiàn)代光測力學.科學出版社，1990。

[4]劉誠，劉志剛，程笑天等.數(shù)字濾波法再現(xiàn)全息圖[J].光學學報，2003，23(2)：150-154.

更多計算機與外設信息請關注：21ic計算機與外設頻道