全息学中计算机图像处理技术的应用研究

郑 影

ZHENG Ying

（齐齐哈尔大学 计算机与控制工程学院，齐齐哈尔 161006）

0 引言

近年来，随着计算机技术和相关设备的完备，数字全息术的研究应用得以飞速发展。顾德门在20世纪70年代提出数字全息的概念，用 CCD代替全息干涉等全息记录材料记录全息图。采用计算机模拟再现取代光学衍射过程，实现了全息图记录、存储、处理和再现过程的数字化。数字全息的突出优点为直接得到的是被记录物体再现像的复振幅分布，而不是光强分布，被记录物体的表面亮度和形貌信息皆可由此复振幅获得，因此能方便地用来进行多种测量。

全息技术是物理学中一个重要发现，被越来越多的应用于各个行业。借助于CCD技术和计算机技术的发展，全息技术也得到质的飞跃，从传统光学全息到数字全息。传统光学全息将物光和参考光干涉得到全息照片来记录光的振幅和相位信息；而数字全息则用 CCD记录物光和参考光的干涉，形成数字全息图，再通过计算机图像处理技术处理全息图。因此，CCD技术和计算机图像处理技术是影响数字全息技术发展有两个重要因素。国外在此方面的实验研究很活跃，研究工作涉及的范围也非常广泛，涵盖了面形测量、变形测量、振动测量等一系列领域，取得了较大的进展。本文将从计算机应用方面阐述图像处理技术在全息中的应用。

1 图像处理技术

图像是人们获取信息的一个重要手段。人们用各种观测系统采用不同方法和技术获得图像，以拓展认识的范围。图像可以表现为各种形式，可视的、 不可视的、抽象的、实际的、可处理的和不可处理的等等。但大致都分为两类：一类是模拟图像，包括光学图像、照相图像、电视图像等。它的处理速度快，但精度和灵活性差；另一类是数字图像，它是将连续的模拟图像离散化后处理变成为计算机能够辨识的点阵图像。计算机图像处理是将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理。计算机具有处理速度快、信号失真小、易保存、易传输和抗干扰能力强等特点，因而计算机图像处理被广泛应用于：航空航天、遥测技术、自动化检测、安全识别和导航等各大领域。

图像处理就是将图像转化为一个数字矩阵存放在计算机中，并采用一定的算法对其进行处理。数学是图像处理的基础，最主要任务就是各种算法的设计和实现。根据不同领域的应用要求，可以将图像处理技术划分为许多分支，其中比较重要的分支有：1）图像数字化：通过采样和量化将模拟图像变成便于计算机处理的数字形式。2）图像的增强和复原：主要目的是增强图像中的有用信息，削弱干扰和噪声，使图像清晰或将转化为更适合分析的形式。3）图像编码：在满足一定的保真条件下，对图像进行编码处理，达到压缩图像信息量，简化图像的目的，以便于存储和传输。4）图像重建：主要是利用采集的数据来重建出图像。图像重建的主要算法有代数法、傅立叶反投影法和使用广泛的卷积反投影法等。5）模式识别：识别是图像处理的主要目的。如：指纹鉴别、人脸识别等是模式识别的内容。6）计算机图形学：用计算机将实际上不存在的，只是概念上所表示的物体进行图像处理和显现出来。

二十世纪20年代电缆图片传输系统（纽约和伦敦之间海底电缆）传输一幅图片所需的时间由一周多减少到3个小时之内。50年代，在美国出现了以电子管计算机配合滚筒式、平板式绘图仪等仅具有输出功能的设备的图像处理。60年代至70年代，计算机图像处理技术得到了快速发展，计算机图像处理已经可以用来改善图像质量，或是从图像中获得有效信息，并且能对图像进行体积压缩，便于传输和保存。此时的计算机图像处理已经就用到了卫星遥感、医学等方面。 l964年美国喷气推进实验室对航天探测器徘徊者7号发回的月球照片由计算机进行图像处理，成功地绘制出月球表面地图，为人类探索宇宙奥妙奠定了基础。 1972年由英国工程师发明的用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置，也就是我们通常所说的CT( Computer Tomograph)。其基本原理是根据人的头部截面的投影，经计算机处理来重建截面图像。

由于计算机图像处理是以计算机软硬件为基础的，所以计算机图象处理技术真正大发展是在八十年代后，随着计算机技术的高速发展而迅猛发展起来。时至今日，计算机图象处理在医遥感及工业自动化领域的应用越来越多，大到科研、国防军事，小至人们生产生活的方方面面。现在人们可以实现声音、文字、图像相结合的多媒体通讯。经过多年的发展，我国在计算机图像处理技术上有了很大的发展。在理论研究和实践应用上已逐步赶上或接近发达国家的水平，在数据获取能力方面。成功研制出了一系列传感器，发射了众多对地观测卫星，组成了风云、 海洋、资源和环境减灾等对地观测卫星体系。

全息技术的下一步发展就是3D全息成像及其传输。它类似一种立体的影像投射，其介质为空气。这是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实3D图像的手段演化而来的。而最新的近乎实时传送水平的3D全息成像技术，即“全息网真”，可以提供真人大小的图像、超高清晰度的视效、具有立体感和特殊设计的环境，营造出一种让身处不同地方的人能身临其境的场所，实现所谓的“咫尺天涯”。 其可以在一个地点记录下3D图像，然后实时地显示在地球任何位置。该技术最简单直接的用途是将淘汰掉全息视频会议，还能使观众在欣赏3D全息影像时，无需佩戴特殊眼镜和任何辅助设备；而其进一步应用甚至可建立一个“3D导图”， 允许各地外科医师会诊，或参与到几百公里之外的病人手术中。

2 全息学中计算机图像处理技术的应用

计算机图像处理技术在全息中的应用主要有以下两个方面：1）计算全息。基于计算机图形学将计算机技术与光全息技术结合起来，通过计算机模拟、计算、处理，制作出全息图。2）利用图像的增强和复原。图像编码技术等对数字全息图像质进行提高以及实现的各种算法。它的应用大致可以分为两大类，即空域法和频域法：空域法，这种方法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这一二维函数进行相应的处理。空域处理法主要有下面两大类：1）领域处理法。其中包括梯度运算( Gradient Algorithm )，拉普拉斯算子运算(Laplacian Operator)，平滑算子运算(Smoothing Operator)，积运算(Convolutin Algorithm )。2）点处理法。包括灰度处理（fgrey processing)，面积、周长、体积和重心运算等等。频域法：数字图像处理的频域处理方法是首先对图像进行正交变换，得到变换频域系列阵列，然后再施行各种处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。这类处包括：滤波、数据压缩和特征提取等处理。

美国空军科学研究办公室日前披露一项计划，利用全息技术实现3D高清成像。美国亚利桑那州光学科学学院领导的研究小组称，全息3D技术通过提供能够快速更新的可靠图像，提高战场指挥控制能力。同时这种图像还可被用于军事训练。3D成像能够同步表现许多数据，这是2D图像无法完成的任务。目前尚无适于实际使用的动态、全息3D图像。而该研究小组最新开发的显示技术依赖全息摄影术将目标或场景通过激光存储起来。EDS公司已经有全息视频会议设备。目前应用的商用3D系统只能被称为“类全息”，因为它们在全动态、全彩全息视频上表现不足。马萨诸塞技术学院的研究人员已经开发出更优质、更廉价和更大的3D“电视”系统。今年早些时候该校杂质报道这些全动态显示器已经达到了模拟电视的清晰度。

3 模拟实验

本文利用图像处理技术，运用Matlab软件编写了相关程序，以模拟计算全息和实现全息图像的滤波。全息实现流程图如图1所示。

图1 全息实现流程图

本文将运用matlab实现计算全息的制作、再现。图2是用来制作全息图原始图样，标有“涉”字，图像尺寸为1024像素×1024像素；图3是离散后的参考光波频谱；图4是制作好的全息图频谱；图5是计算全息的再现图。模拟实验中用到的参数为：激光模拟了氦氖激光器，波长为638.3 nm；再现距离为 40cm；因为原始物图的尺寸用像素为单位表示，所以像素分辨率为1。

图2 原始物图

图3 参考光波

图4 计算全息图

图5 全息再现图

从模拟实验中可以看出，数字全息的处理过程其实就是计算机图像处理在全息技术的应用过程。利用计算机图像处理技术对全息图进行了记录，将物光和参考光干涉得到了全息图。并利用图像的增强和复原对图像进行了处理，以消除噪声，得到更好的全息再现象。

4 结束语

本文仅模拟了计算全息的实现和再现过程，其实，计算机图像处理在全息技术中的应用是全方位的，用实验方法得到的全息图中包含了更多的其他无用信息，图像处理技术在这里就显得尤为重要。随着计算机图像处理技术的进一步发展，全息技术必然有更大的发展。

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