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数字全息再现像质量及应用的研究

杨涛  
【摘要】: 数字全息用光电传感器件(如CCD、CMOS)代替传统全息材料记录全息图,用计算机模拟光学衍射过程来实现所记录全息图的数字再现,实现了全息的记录、存储和再现全过程的数字化。近年来,随着计算机技术特别是高分辨率图像传感器的发展,数字全息技术及其应用研究备受国内外研究者的关注。在形貌和变形测量、粒子场测量与分析、数字全息显微、图像加密等方面,数字全息能够充分发挥其特点和优势。本文的研究目的是探讨数字全息的记录和再现原理,研究提高再现像质的方法,分析了数字全息在数字水印和三维形貌测量方面的应用及其不足,提出了自己的方案并进行实验验证。 通过理论分析、计算机模拟和光学实验等有效手段,本文着重研究了以下几个方面的内容: (1)详细分析了空域微分算子处理、频域滤波、减均值及减参考光和物光值等四种针对数字全息图所进行的图像处理技术,并通过具体实验证明它们在消除直透光和共轭像等方面的作用并比较了几种方法的优缺点。通过研究发现数字全息的再现像除了直透光和共轭像的影响之外,再现像还受到散斑噪声的影响,并提出了使用多幅图像叠加的方法减小噪声的影响。另外发现当CCD水平和竖直方向像素数不等时,再现象会发生畸变,对其进行了修正。 (2)分析比较了灰度方差法、灰度熵值法和傅里叶频谱法这三种数字成像过程中的自动聚焦算法,结果表明傅里叶频谱法单峰性和锐度更好。 (3)通过对数字全息记录条件的详细分析,确定了影响数字全息再现像分辨率的主要因素。从这些因素入手,提出了利用相移数字全息和合成孔径数字全息来提高数字全息的分辨率。通过实验验证了上述理论的正确性和可行性。 (4)研究了数字全息在数字水印和三维形貌测量方面的应用。提出将菲涅耳数字全息和离散余弦变换结合起来应用于数字水印,具有比傅里叶变换法数字水印具有更好的安全性和实用性;提出了在散斑等噪声较大的情况下,利用层析三维物体重构的方法,只利用物体的强度信息对物体进行三维重构。 (5)用matlab编写一套数字全息程序,这个软件可以用来做全息图的预处理、全息再现、相位滤波、相位去包裹还可以应用于三维形貌测量、形变测量、微小位移测量。


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