計(jì)算機(jī)圖像處理在全息學(xué)中的應(yīng)用

摘要： 全息技術(shù)是物理學(xué)中的重大發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)在各個(gè)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。作為全息技術(shù)中的兩個(gè)重要部分，CCD和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，在推動(dòng)數(shù)字全息新一輪發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用，本文將著重從計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面闡述圖像處理技術(shù)在全息中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)；數(shù)字全息

        0  引言
        全息技術(shù)是物理學(xué)中一重要發(fā)現(xiàn)，越來(lái)越多的應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。伴隨著CCD技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，全息技術(shù)也得到一次質(zhì)的飛躍，從傳統(tǒng)光學(xué)全息到數(shù)字全息。傳統(tǒng)光學(xué)全息將物光和參考光干涉得到全息照片來(lái)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(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)處理全息圖。因此，影響數(shù)字全息技術(shù)發(fā)展有兩個(gè)重要方面：CCD技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)。本文將從計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面闡述圖像處理技術(shù)在全息中的應(yīng)用。
        1  圖像處理技術(shù)
        圖像是現(xiàn)代社會(huì)人們獲取信息的一個(gè)主要手段。人們用各種觀測(cè)系統(tǒng)以不同的形式和手段獲得圖像，以拓展其認(rèn)識(shí)的范圍。圖像以各種形式出現(xiàn)，可視的、不可視的，抽象的、實(shí)際的，計(jì)算機(jī)可以處理的和不適合計(jì)算機(jī)處理的。但究其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，圖像主要分為兩大類：一類是模擬圖像，包括光學(xué)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(jì)算機(jī)能夠辨識(shí)的點(diǎn)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(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，具有精度高、處理方便和重復(fù)性好等特點(diǎn)。
        圖像處理就是將圖像轉(zhuǎn)化為一個(gè)數(shù)字矩陣存放在計(jì)算機(jī)中，并采用一定的算法對(duì)其進(jìn)行處理。圖像處理的基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)，最主要任務(wù)就是各種算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。目前，圖像處理技術(shù)已經(jīng)在很多方面有著廣泛的應(yīng)用。如通訊技術(shù)、遙感技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等等。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同要求，可以將圖像處理技術(shù)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(guò)采樣和量化將模擬圖像變成便于計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字形式。③圖像的增強(qiáng)和復(fù)原：主要目的是增強(qiáng)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(duì)圖像進(jìn)行編碼處理，達(dá)到壓縮圖像信息量，簡(jiǎn)化圖像的目的。以便于存儲(chǔ)和傳輸。④圖像重建：主要是利用采集的數(shù)據(jù)來(lái)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(shí)別：識(shí)別是圖像處理的主要目的。如：指紋鑒別、人臉識(shí)別等是模式識(shí)別的內(nèi)容。當(dāng)今的模式識(shí)別方法通常有三種：統(tǒng)計(jì)識(shí)別法、句法結(jié)構(gòu)模式識(shí)別法和模糊識(shí)別法。⑥計(jì)算機(jī)圖形學(xué)：用計(jì)算機(jī)將實(shí)際上不存在的，只是概念上所表示的物體進(jìn)行圖像處理和顯現(xiàn)出來(lái)。

      2  計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)在全息學(xué)中的應(yīng)用
        圖像處理技術(shù)在全息中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在：一是計(jì)算全息，基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)將計(jì)算機(jī)技術(shù)與光全息技術(shù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬、計(jì)算、處理，制作出全息圖。因此它可以記錄物理上不存在的實(shí)物。二是利用圖像的增強(qiáng)和復(fù)原，圖像編碼技術(shù)等對(duì)數(shù)字全息圖像質(zhì)進(jìn)行提高以及實(shí)現(xiàn)的各種算法。它的應(yīng)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(gè)像素組成的集合，然后直接對(duì)這一二維函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理�？沼蛱幚矸ㄖ饕�有下面兩大類:一是領(lǐng)域處理法。其中包括梯度運(yùn)算(Gradient Algorithm)，拉普拉斯算子運(yùn)算(Laplacian Operator) ，平滑算子運(yùn)算(Smoothing Operator)和卷積運(yùn)算(Convolution Algorithm)。二是點(diǎn)處理法。包括灰度處理 (grey processing)，面積、周長(zhǎng)、體積、重心運(yùn)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(duì)圖像進(jìn)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(jié)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(shí)驗(yàn) 
        本文運(yùn)用matlab軟件，利用圖像處理技術(shù)，編寫了程序，以模擬計(jì)算全息和實(shí)現(xiàn)全息圖像的濾波。圖1是計(jì)算全息實(shí)現(xiàn)流程圖。
        本文將運(yùn)用matlab程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)計(jì)算全息的制作、再現(xiàn)過(guò)程。標(biāo)有“涉”一字，圖像尺寸為1024像素×1024像素；。模擬實(shí)驗(yàn)中用到的參數(shù)為：激光模擬了氦氖激光器，波長(zhǎng)為638.2nm；再現(xiàn)距離為40cm；因?yàn)樵�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(shí)驗(yàn)中可以看出，數(shù)字全息的處理過(guò)程其實(shí)就是計(jì)算機(jī)圖像處理在全息技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程。利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)全息圖進(jìn)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(qiáng)和復(fù)原對(duì)圖像進(jìn)行了處理，以消除噪聲，得到更好的全息再現(xiàn)象。
        本文僅模擬了計(jì)算全息的實(shí)現(xiàn)和再現(xiàn)過(guò)程，其實(shí)，計(jì)算機(jī)圖像處理在全息技術(shù)中的應(yīng)用是全方位的，用實(shí)驗(yàn)方法得到的全息圖中包含了更多的其他無(wú)用信息（噪聲），圖像處理技術(shù)在這里就顯得尤為重要。隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，全息技術(shù)必然會(huì)迎來(lái)新的一輪發(fā)展和飛躍。
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