专利名称：一种基于高斯核函数离轴数字全息零级像的抑制方法
技术领域：
一种基于高斯核函数离轴数字全息零级像的抑制方法，属于数据识别、记录载体处理领域。
背景技术：
在离轴数字全息再现像中存在着零级像的干扰问题，对数字全息再现像质量有着很大影响。有文献中指出零级像，物光波和参考波在光强相等的情况下，真实像和共轭像能量仅占总衍射能量的I / 6，零级像占据4 / 6。所以，数字再现时零级像的抑制对再现像的质量的好坏有着极其重要的影响。目前较为成熟的数字全息零级像的抑制算法有相移法(phaseshifting)、全息图减去其均值法(the hologram subtracts its mean)、全息图减去其局部均值法(the hologram subtracts its local mean)、步页域法(frequency domain)矛口/j、波变换法(Wavelet transform)等。相移法需要记录多幅全息图，实验装置非常复杂；频域法和小波变换处理由于需要在空域和频域进行之间变换，所以用时较长，并且抑制零级像的效果不好。全息图减去其局部均值能有效抑制零级像，但是在模板较大时，计算速度较慢；减全息图均值法抑制零级像效果较差。
发明内容
本发明的目的在于公开一种基于高斯核函数离轴数字全息零级像的抑制方法，它是利用离轴数字全息再现像互不干扰和零级像的低频特性，引入高斯核函数，并通过在空域高斯核函数与数字全息图做卷积运算，得到全息图的低频信息，再利用原数字全息图减去获得的低频信息以实现零级像的抑制。与现有的前述方法相比，抑制零级像时只需要记录一幅全息图；抑制 离轴数字全息零级像效果更好，速度更快，非常适合于动态测量。本发明的具体实现步骤如下:1、低频信息的提取:离轴数字全息的频谱关于零级像对称，数字全息再现中的零级像处于低频段，二维高斯核函数频谱具有旋转对称性和低通性，通过高斯核函数与数字全息图在空域做卷积运算可以提取低频信息，即零级像。2、零级像的抑制:用原数字全息图减去提取的低频信息，得到零级像受到抑制的数字全息图，对它进行菲涅耳积分再现，就可以获得零级像被抑制的再现像。本发明所涉及的的高斯核函数抑制零级像的方法，是利用离轴数字全息再现像互不干扰和零级像的低频特性，引入高斯核函数，在此基础上，通过在空域高斯核函数与数字全息图做卷积运算，得到全息图的低频信息，再利用原数字全息图减去获得的低频信息以抑制零级像。这一过程是在空域中进行运算，省去了频域和小波变换处理在空域和频域进行变换的时间，比其他空域处理法抑制零级像的效果好。比全息图减去其均值法抑制零级像的效果好，比全息图减去其局部均值运算速度快。综合对比结果显示该方法抑制零级像时只需要记录一幅全息图，适合动态测量，抑制零级像更加有效，计算速度较快。
图1基于高斯核函数离轴数字全息零级像的抑制方法的流程2数字全息实验光路示意3模拟的数字全息4模拟数字全息图(即图3)的直接再现像图5模拟数字全息图(即图3)经本发明处理后的再现像图6实验的数字全息7实验的数字全息图(即图6)直接再现像图8实验的数字全息图(即图6)经本发明处理后的再现像图9用于比较的频域法抑制零级像图10用于比较的减全息图均值法抑制零级像图11用于比较的减全息图局部均值法抑制零级像图12用于比较的小波变换法抑制零级像
具体实施例方式下面给出本发明的优选实施例并结合附图加以说明。如图1所示，一种基于高斯核函数离轴数字全息零级像的抑制方法，包括如下步骤:(I)读入记录的数字全息图；(2)在空域中利用高斯核函数提取数字全息图的低频信息；(3)用原数数字全息图减去提取的低频信息；(4)对步骤3得到的结果进行菲涅耳积分再现。所述的数字全息图低频信息的提取方法是利用MATLABR2009a软件自带函数fspecial产生高斯核函数模板,然后采用函数imfilter,将该模板与数字全息图做二维卷积滤波；菲涅尔积分再现的具体方法是利用一次快速傅里叶变换求解菲涅尔积分运算。图2给出了实现本发明的数字全息实验光路示意图，包括氦氖激光器1、分束镜
(SI)2、全反镜(Ml) 3、准直器4、扩束器5、图像传感器(CCD) 6、分束镜(S2) 7、全反镜(M2)8、扩束器9和物体10。对于本发明公开的零级像抑制方法分别采用计算机模拟和实验得到的数字全息图进行验证。图3是模拟的数字全息图，图4的直接再现像中有明显的零级像干扰，中间亮斑是零级像，零级像周围是物体自相关形成的晕轮光。图5是经本发明处理后的再现像，从图中可以清楚地看到零级像 衍射斑，而且在中央零级衍射斑左右对称地出现这两个斑，原因是在数字全息实验光路中参考光通过分束镜S2射向图像传感器CCD时，分束镜S2下表面有微弱的物体反射光透过分束镜S2到达图像传感器CCD ;这样生成的参考光与微弱的物体反射光干涉后形成另一幅数字全息图，于是就在再现平面上形成了一对孪生“物体像”而非零级像。图8是经本发明处理后的数字全息图再现，从图中可以清楚地看到零级像有效地被抑制。综上，通过计算机模拟和实验两方面的研究有力地证明了本发明的正确性。
为证明本发明的有效性，又与其他抑制零级像算法进行了对比研究。图9是将图6变换到频域，在频域内进行滤波后再现。从此图可以看出，直透光被充分抑制，但是该方法对晕轮光的抑制效果不是很好，也就是说零级像只是抑制了直透光。图10是图6减去其平均值，从此图可以看出零级像抑制效果差。图11是图6减去局部均值后再现，从此图中可以看出零级像得到了充分抑制。图12是图6经小波变换后的再现像，可以从此图中看出对直透光抑制彻底，晕轮光只是抑制了一部分。在CPU处理频率是2.8GHz,内存2GB的计算机仿真得到如下仿真时间:高斯核函数空域抑制法抑制零级像用时0.61s,频域抑制法用时8.86s，减全息图均值抑制法用时
0.07s,空域减局部均值抑制法用时1.0ls,小波变换抑制法用时4.42s。但是，由于频域法、减全息图均值法以及小波变换处理较高斯核函数空域卷积处理抑制零级像不彻底；减局部均值与我们提出的高斯核函数空域卷积处理的零级像的抑制效果差不多，但前者用时长
0.4s。综合起来，基于高斯核函数空域卷积后抑制零级像抑制效果更好，计算速度较快。实验结果表明:本发明提出了一种抑制离轴数字全息再现像中零级像的方法。该发明在不对实验装置做额外要求，只需记录一幅数字全息图的情况下，在空域中进行处理，零级像得到了有效地抑制，适合用于动态实时测量。与频域法、减全息图均值法、减局部均值法以及小波变换综合比较分析，高斯核函数抑制离轴数字全息零级像效果更好，计算速度更快。 ·
权利要求
1.一种基于高斯核函数离轴数字全息零级像的抑制方法，其特征在于包括如下步骤: (1)读入记录的数字全息图； (2)在空域中利用高斯核函数提取数字全息图的低频信息； (3)用原数字全息图减去提取的低频信息； (4)对步骤(3)得到的结果进行菲涅耳积分再现。
2.如权利要求1所述的一种基于高斯核函数离轴数字全息零级像的抑制方法，其特征在于:所述的数字全息图低频信息的提取方法是利用MATLABR2009a软件自带函数fspecial产生高斯核函数模板,然后采用函数imfilter,将所述的模板与数字全息图做二维卷积滤波。
3.如权利要求1所述的一种基于高斯核函数离轴数字全息零级像的抑制方法，其特征在于:所述的菲涅尔积分再现的具体方法是利用一次快速傅里叶变换求解菲涅尔积分运算。
全文摘要
本发明提到的高斯核函数抑制零级像的方法，是利用离轴数字全息再现像互不干扰和零级像的低频特性，引入高斯核函数，在此基础上，通过在空域高斯核函数与数字全息图做卷积运算，得到全息图的低频信息，再利用原数字全息图减去获得的低频信息以实现零级像的抑制。该方法抑制零级像时只需要记录一幅全息图，非常适合于动态测量。与频域法、减全息图均值法、减局部均值法以及小波变换法抑制零级像综合比较分析，利用本发明抑制离轴数字全息零级像效果更好，速度更快。
文档编号G03H1/08GK103235495SQ20131011777
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月7日 优先权日2013年4月7日
发明者汤春明, 张洪科, 于翔, 陈立伟, 廖艳萍 申请人:哈尔滨工程大学