計算機圖像處理在全息學(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)，近年來在各個行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。作為全息技術(shù)中的兩個重要部分，CCD和計算機圖像處理技術(shù)，在推動數(shù)字全息新一輪發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用，本文將著重從計算機應(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： 計算機圖像處理技術(shù)；數(shù)字全息

         引言
        全息技術(shù)是物理學(xué)中一重要發(fā)現(xiàn)，越來越多的應(yīng)用于各個行業(yè)。伴隨著CCD技術(shù)和計算機技術(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(shù)處理全息圖。因此，影響數(shù)字全息技術(shù)發(fā)展有兩個重要方面：CCD技術(shù)和計算機圖像處理技術(shù)。本文將從計算機應(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(rèn)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(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(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。
        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(chǔ)是數(shù)學(xué)，最主要任務(wù)就是各種算法的設(shè)計和實現(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)、計算機科學(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(fù)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(dāng)今的模式識別方法通常有三種：統(tǒng)計識別法、句法結(jié)構(gòu)模式識別法和模糊識別法。⑥計算機圖形學(xué)：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(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：一是計算全息，基于計算機圖形學(xué)將計算機技術(shù)與光全息技術(shù)結(jié)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(fù)原，圖像編碼技術(shù)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(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像素組成的集合，然后直接對這一二維函數(shù)進行相應(yīng)的處理。空域處理法主要有下面兩大類:一是領(lǐng)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(jié)果。這類處包括:濾波、數(shù)據(jù)壓縮、特征提取等處理。
        3  模擬實驗
        本文運用matlab軟件，利用圖像處理技術(shù)，編寫了程序，以模擬計算全息和實現(xiàn)全息圖像的濾波。圖1是計算全息實現(xiàn)流程圖。
        本文將運用matlab程序設(shè)計語言實現(xiàn)計算全息的制作、再現(xiàn)過程。標(biāo)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(shù)的應(yīng)用過程。利用計算機圖像處理技術(shù)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(fù)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。
        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(shù)中的應(yīng)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（噪聲），圖像處理技術(shù)在這里就顯得尤為重要。隨著計算機圖像處理技術(shù)的進一步發(fā)展，全息技術(shù)必然會迎來新的一輪發(fā)展和飛躍。
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(xué)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(shù)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(xué).科學(xué)出版社，1990.
[4]劉誠，劉志剛，程笑天等.數(shù)字濾波法再現(xiàn)電子全息圖[J].光學(xué)學(xué)報，2003，23(2)：150-154.