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苏州大学本科生毕业设计（论文） 0 目 录 摘要2 ABSTRACT3 第一章 引 言.4 第二章 条形码的概念和结构.7 2.1 条形码的基本概念.7 2.2 条形码在交通管理中的应用汽车年检标签 9 2.3 条形码在人事考勤中的应用 .10 2.4 条形码在图书馆管理中的应用 .12 第三章 全息技术概况14 3.1 关于全息技术的概述.14 3.2 计算全息图的制作和光学再现 .16 3.3 数字全息术及重现方法 .17 第四章 全息技术针对条形码防伪的研究19 4.1 研究意义.19 4.2 研究方法 .20 苏州大学本科生毕业设计（论文） 1 4.3 具体分析 .24 小结与展望.28 参考文献.29 致谢.30 苏州大学本科生毕业设计（论文） 2 基于全息技术的条形码防伪基于全息技术的条形码防伪 苏州大学应用技术学院 06测控 吴峥嵘 摘要摘要 条形码技术已被广泛应用到生产生活中的诸多领域，在商品的分类识别等方面发挥了 越来越重要的作用，以条形码的类型来看可分为一维条形码和二维条形码，一维条形码制 作简单，但易被仿制。针对一维条形码的缺点，出现了许多种二维条形码的制作方法，二 维条形码分别在水平与纵向方向进行双重信号扫描，通过解码系统得到所需信息。 本文从条形码的基本原理和概念出发，针对目前一维条形码易被复制和磨损后无法 恢复的缺点，运用数字全息的方法对条形码的制作进行研究，从实验效果来看，本文的条 形码制作方法具有抗剪切能力。不易被复制的特点，因此对条形码制作方法具有现实意义。 关键词关键词：条形码 计算全息 数字全息 全息技术 苏州大学本科生毕业设计（论文） 3 Abstract Bar code technology has been widely used in many fields such as production and lives. It plays an increasingly important role in the classification and recognition of commodities and some other aspects. Bar code can be divided into one-dimensional bar code and two-dimensional bar code. The former one is easy to be made, but also easy to be copied. Since one-dimensional bar code has disadvantages, many two-dimension bar code generating methods appeared. Two- dimensional bar code scanned signals from both horizontal and vertical directions and get information by using codec system. This paper begins with the basic principle and concept of bar code. Aiming at overcoming disadvantages of one-dimension bar code such as easy to be copied and cant be recovered after being damaged, researches have been taken at making bar code by digital hologram. From the results of experiments, the making methods of bar code mentioned in this paper have the characteristics of anti-shearing and hard to be copied; therefore, it has realistic significance to the making methods of bar code. Key word : Bar code, Computer-generated hologram，Digital hologram，Hologram technology 苏州大学本科生毕业设计（论文） 4 第一章第一章 引引 言言 条形码技术的迅速发展和在诸多领域的广泛应用，已挺起了许多国家的重视。如今在 世界各国从事条形码及其系列产品开发研究的单位和生产经营的厂商越来越多，条形码技 术产品的品种近万种。 条码最早出现在40年代，但得到实际应用和发展还是在70年代左右。现在世界上的各 个国家和地区都已普遍使用条码技术，而且它正在快速的向世界各地推广，其应用领域越 来越广泛，并逐步渗透到许多技术领域。 为便于了解条形码技术的发展进程，将其发展简史一时间列于下文： 1949年，Beny Silver 和 Joe Wood Land 注册了第一个机器识读的条码“公牛眼” 。 1951年，David Sheppard 博士研制出第一台实用光学字符（OCR）阅读器。1956 年，美国银行协会选择MICR（磁性墨水字符）作为处理支票的标准机器语言。 1960年，提出铁路货车上用的条码识别标记方案。 1964年，识读设备公司（Recognition Equipment Inc.）在美国印第安纳州的 FortBenjamin Harison 安装了第一台带字库的 OCR 阅读器，可用来识读普通打印字符。 1967年，美国辛辛那提的一家超市首先使用条码扫描器。 1969年，第一家全部生产条码相关设备的公司 Compute-Identics 由 David Collins 创建。 1969年第一台固定式氦-氖激光扫描器由 Compute Identics 公司研制成功。 1970年，美国成立UCC；美国邮政局采用长短形条码表示信函的邮政编码；摩托罗拉 公司开发出第一个便携式射频数据采集系统，Norand 公司推出手持便携式数据终端。 1971年，第一个欧洲码制-Plessey 码由英国 Pleassey 公司推出；AIM（自动识别 技术制造商协会）成立；库德巴码由 Pitney-Bowes 公司 Monarch Marking System 分 部推出，主要应用于血库，是第一个利用计算机校验准确性的码制。 1972年，交插25码由 Intemec 公司的 David Allair 博士发明，此码可在较小的空 间内容纳更多的信息；NCR公司推出彩色条码，用于零售POS系统。 1973年UPC条码标准宣布。 ；识别设备公司开发出手持式OCR阅读器，这是仓储业使用 的第一台手持OCR阅读器。 1974年，Intemec 公司推出 Plessey 条码打印机，这是行业中的一台“demand”接 触式打印机；39条码-第一种字符条码码制，由 Intemec 公司的 David Allair 博士和 Ray Sterens 研制出。 1976年，欧洲采用了自己的UPC码，称为EAN码，含义是欧洲物品编码。 1978年，第一台注册专利的条码检测仪 Lasercheck 2701,由 Symbol 公司推出。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 5 1981年，条码扫描与 RF/DC（射频/数据采集）第一次共同使用。第一台线性CCD扫描 器 20/20 由 Norand 公司推出；128码由 Compute Identic 公司推出。 1982年，Symbol 公司推出 LS7000，这是首部成功的商用手持式激光光束扫描器。 1983年，ANSI MH10.8M 成为第一个美国国家技术标准，包括三种码制：39码，库德 巴条码，交插25条码。 1984年，用于标识相同产品的大包装的UPC储运包装代码投入使用。 1985年，图书行业系统顾问委员会采用书刊EAN条码。 1986年，我国邮政确定采用条码信函分捡体制；LXE公司研制出以声音识别作为射频 输入的系统。 1987年，第一个二维条码49条码由 David Allair 博士研制。 1988年，Laserlight 系统公司的 Ted Williams 推出第二种二维条码16K码。 1988年底，我国成立“中国物品编码中心” 。 1990年，扩展频带无线通讯产品进入自动识别市场。Symbol 公司推出二维条码 PDF417。 1991年4月， “中国物品编码中心”代表中国加入“国际物品编码协会” 。 作为自动识别技术之一的条形码技术，从20世纪40年代进行研究开发，70年代逐渐形 成了规模，最近30年则取得了长足的发展。自动识别技术以经初步形成了包括条码技术、 磁条技术、智能卡技术、光字符识别、系统集成化、射频技术、语音识别及视觉识别等以 计算机、光、机、电、通讯技术为一体的高新科学技术。条码技术现已应用在计算机管理 的各个领域，渗透到了商业、工业、交通运输业、邮电通讯业、物资管理、仓储、医疗卫 生、安全检查、旅游、票证管理以及军事装备、工程项目等国民经济各行各业和人民日常 生活中。 条形码标识基本上覆盖了所用产品，商业POS，物流中心、配送中心、大型商业城、 连锁店，甚至家庭商店都基本条码化了。目前，世界各国把条码技术的发展重点向着生产 自动化、交通运输现代化、金融贸易国际化、票证单据数据化、安全防盗防伪保密化等领 域推进，除大力推行13位商品条码外，同时重点推广应用UCC/EAN-128码、EANUCC系统 位置码、EANUCC系统应用标识符、二维条码等；在条码种类上，除大多印制在纸质介质 外，还研究开发了金属条码、纤维织物条码、隐形条码等，扩大应用领域并保证条码标识 在各个领域、各个工作环境的应用。国际物品标码协会和一些经济发达国家，正在将 EANUCC系统的应用，从单独的物品标识推向整个供应链管理和服务领域。 许多国家和地区，投入了大量资金建立地区或行业、国内或国际联通的电子书记数据 交换系统，以提高现代化管理水平和国家贸易的竞争能力。一些国家或地区已在商业批发 零售和分配、工业制造、金融服务、政府行政管理、建筑和房地产、卫生保健、教育和培 苏州大学本科生毕业设计（论文） 6 训、媒介出版和信息服务、交通运输、旅游和娱乐服务等领域推广应用条码技术，取得了 十分明显的成果。随着条码技术不断向着深度和广度发展，也推动了条码自动识别技术装 备的发展，正向着多功能、远距离、小型化、软件硬件并举、信息传递快递、安全可靠、 经济适用的方向发展，出现了许多新型技术装备。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 7 第二章第二章 条形码的概念和结构条形码的概念和结构 2.1 条形码的基本概念条形码的基本概念 2.1.1条形码的介绍及特性 （1）码制 条形码的码制是指条形码符号的类型。每种类型的条形码符号都是有符合特定编码规 则的条和空组合而成。每种码制都具有固定的编码容量和所规定的条形码字符集。条形码 字符中字符总数不能大于该种码制的编码容量。常用的一维码的码制包括：EAN条码、39 条码、交插5条码、UPC条码、128条码、93条码，及库德巴条码等。 （2）条形码字符集 条形码字符集是指某种码制所表示的全部字符的集合。有些码制仅能表示10个数字字 符：0到9，如EAN/UPC条码、25条码；有些码制除了能表示10个数字字符外，还可以表示 几个特殊字符，如库德巴条码。39条码可表示数字字符：0到9，26个英文字母：A到Z以及 一些特殊符号。 （3）连续性与非连续性 条形码符号的连续性是指每个条形码字符之间不存在间隔，相反，非连续性是指每个 条形码字符之间存在间隔。 （4）定长条形码与非定长条形码 定长条形码是指仅能表示固定字符个数的条形码。非定长条形码是指能表示可变字符 个数的条形码。例如：EAN/UPC条形码是定长条形码，它们的标准板仅能表示12个字符， 39条码为非定长条形码。 （5）双向可读性 条形码符号的双向可读性，是指从左、右两侧开始扫描都可被识别的特性。绝大多数 码制都可双向识读，所以都具有双向可读性。对于双向可读的条码，识读过程中译码器需 要判断别扫描方向。有些类型的条形码符号，其扫描法相的判定是通过起始符与终止符来 完成的。例如39条形码、交插25条码、库德巴条码。有些类型的条形码，由于从两个方向 扫描起始符与终止符所产生的数字脉冲信号完全相同，所以无法用它们来判别扫描方向， 如EAN和UPC条码。在这种情况下，扫描方向的判别则是通过条码数据符的特定组合来完成 的。 （6）自校验特性 苏州大学本科生毕业设计（论文） 8 条形码符号的自校验特性是指条形码字符本身具有校验特性。若在一条形码富豪中， 一个印刷缺陷（例如，因出现污点把一个窄条错认为宽条，而相邻宽空错认为窄空）不会 导致替代错误，那么这种条形码就具有自校验功能。 2.1.2 条形码的符号表示 以 EAN-13 商品条码来介绍条形码的符号表示。EAN-13 商品条码是表示 13 位商品标识 代码的条形码符号，由左侧空白区、起始符、左侧数据符、中间分隔符、右侧数据符、校 验符、终止符、右侧空白区及供人识别字符组成，如图 2-1 所示。 图 2-1 EAN-13 条码符号结构 条形码字符集的二进制表示见下表 表 2-2 商品条码字符集的二进制表示 数字字符A 子集B 子集C 子集 0000110101001111110010 1001100101100111100110 2001001100110111101100 3011110101000011000010 4010001100111011011100 5011000101110011001110 6010111100001011010000 7011101100100011000100 苏州大学本科生毕业设计（论文） 9 8011011100010011001000 9000101100101111110100 2.2 条形码在交通管理中的应用条形码在交通管理中的应用汽车年检标签汽车年检标签 使用汽车年检标签的好处 1.不需要重复录入数据，提高了汽车年检速度 由于年检标签上的 PDF417 符号中包含了汽车的重要参数，在汽车年检时，工作人 员就不需要重复进行数据抄录，只需要扫描 PDF417 符号，所有数据不要一秒钟就进入 计算机中，车检速度可以得到明显提高。 2.减轻了网络负担，弥补了网络建设的不足 目前，我国的网络建设尚不能满足实际应用的需要，并且网络建设投资大，费用 高，PDF417 二维条形码是一种纸面 EDI（电子数据交换） ，对网络建设没有要求，通过 一张标签纸就可以方便的实现数据的储存，传输以及自动输别的功能，并且投资很低， 可以很好的弥补 EDI 及网络建设的不足。即使将来网络建设十分健全，PDF417 条形码 作为一种纸面 EDI，可以快速准确的实现网络的数据获取功能，等检测完所有车辆后， 再利用下班时间和中心数据库通讯，从而避开了网络拥堵时间，为客户提供准确及时 的服务。 3.提高了交通违章的处理速度，保障了交通的安全与畅通 由于 PDF417 条形码中包含了必要的车辆信息，当车辆违章时，交通警察只需要扫 描带有 PDF417 条形码的年检标签以及驾驶执照，所有需要的数据将技术准确的输入到 便携式的数据采集器中，此时交通警察只需要输入违章代码，一张清晰标准的罚款通 知单通过便携式打印机马上交到违章者手中，所有程序在短短 30S 内就可以完成！那 么在下一个 30 S 内，该名交警就可能腾出时间来处理下一个违章者。因此，可以看出， PDF417 二维条形码的使用可以明显提高交警的执法效率，有效的保障了交通的安全和 畅通。不仅对所有的驾驶员起到很好的警示作用，而且作为副产品，也可以提高国家 的财政收入。 4.可以有效打击和制止盗窃车辆的违法行为 由于 PDF417 条形码具有很好的防伪能力，因此是不容易进行伪造的。当粘贴有 PDF417 标签的车辆丢失以后，公安部门可以通过扫描可疑车辆的 PDF417 符号来查验汽 车的真实身份，并对没有粘贴标签的车辆进行仔细盘查，从而有效提高了丢失车辆的 查找速度，同时对盗窃车辆的违法行为具有很好的威慑作用。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 10 2.3 条形码在人事考勤中的应用条形码在人事考勤中的应用 人事考勤时企事业单位的一项基础性管理工作，它对提高本单位的工作效率，展现 本单位的现代管理风貌起了很大的作用。国外早在 20 世纪 70 年代便兴起了采用先进的 条形码技术进行人事考勤管理。 在国内，由于多方面的因素，很多单位都是采用机械式打卡钟进行考勤，有些 单位甚至仍然停留在手工记录考勤阶段。采用人工考勤的落后性显而易见，而采用机械 式电子打卡钟进行考勤，对于数据的后续处理，如自动统计、查询、打印报表、数据及 时传输等问题都无法解决，而且存在着工作量大、速度慢、统计不及时、有时可能误报 或谎报及电子打卡头容易损坏，打卡片每月要更换一次，运行费用较高等问题，不仅浪 费了大量的人力物力，而且与现时飞速发展的计算机技术也极不相符。条形码技术是一 种先进的信息采集和输入技术，把他用于企事业单位的人事考勤管理，则能克服机械打 卡的各种弊端，同时也是一个企业现代化管理的重要标志。如金陵饭店便把考勤管理作 为一项日常管理中的大事来抓，他们认为考勤管理的好坏，不仅会影响员工的工作责任 心，而且会影响一个企业对外形象。 如果用一种比较熟悉的词语来形容考勤方式的变更，我们不妨这样认为：从手工记 录到机械打卡，为考勤管理上的第一次革命，它完成了人工到机械的转变，使人在考勤 中处于辅助配合的地位，大大减轻了人的工作量；从机械打卡到条形码智能考勤， ，为 第二次革命，它从机械式生硬管理上升到利用先进技术进行智能管理，使人完全从考勤 中解脱出来。从人的角度来看，我们完全可以说这是考勤史上的第二次革命。 考勤管理系统 条形码智能考勤机采用刷卡槽与主机一体化设计。考勤管理系统不仅适用于各企 事业单位，而且也适用于各类科研院校，因为它外观大方，功能齐全，操作简单，方便 可靠。它可联网亦可单独使用，这样就符合了大小客户的不同需求。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 11 考勤系统各个要点简介： 1. 计算机 采集考勤机内的考勤数据，对考勤数据进行后台处理，打印或查询各种统计报 表。 基本配置： 奔腾级以上微型计算机 32M 以上内存 370M 以上硬盘有 com1、com2、LPT(打印口)通讯接口 注：不需要为考勤另外配一台电脑，只需在原来电脑上拷贝一份软件即可。 2. 条形智能考勤机 条形智能考勤机采用高亮度 LED 显示当前时间，液晶显示屏显示员工的卡号及刷 卡情况。卡槽用于员工划卡，具有快速、准确、声音提示刷卡是否正常等特点。机器 快速准确记录员工出勤资料，包括刷卡时间、员工卡号、班次等。每台机器有 7000 多条考勤数据容量，断电情况下可以长时间（一个月）保留数据。同时，在停电时内 部提供 UPS，可继续正常使用。数据是通过自带的通讯口和计算机通讯，将数据传输 给计算机，并自动清除考勤机内数据重新使用。考勤机无需每时每刻都连在互联网上， 可脱机单独使用。 3. 远程通讯器 当放置于门口的考勤机和位于计算机内的计算机相隔较远，RS232 不能有效通讯 时，可采用通讯器进行实时通讯，最大距离可达 1KM。如果不需要经常实时通讯，则 可不用通讯器。 4. 员工考勤卡 人手一张员工考勤卡，上面除了员工姓名、部门、厂标以及员工照片等内容外， 区别于其他证卡的特殊之处，在于卡上有和员工一一对应的条形码号。他将员工和系 统相连，并且是系统自动识别每个员工。 卡的正面为工作证，反面用于考勤，一卡两用，经济实惠。既提高了企业的自 身形象，有增强了员工的凝聚力和自豪感。这一点，机械打卡钟是无法与之相比的。 5. 通讯电缆 四芯带屏蔽普通电缆连接考勤机和计算机。 6. 考勤软件 考虑到人事部门对计算机的熟悉程度，整个系统采用中文菜单，操作快捷，简单 明了。可打印或查询所有员工原始考勤数据，也可打出单项报表（如所有迟到早退人 员或所有请假人员名单） 。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 12 此系统的特点如下: 自动统计考勤结果，克服了人为的谎报、漏报，可减轻管理人员负担，节省企 业开支，提高企业效率 采用中文屏幕菜单操作方式，使计算机的外行也能得心应手，运用自如。 本系统亦可应用在员工中午计次就餐的管理中。 采用磁盘镜像功能以及数据备份，可有效保证系统和数据的可靠性和安全性。 2.4 条形码在图书馆管理中的应用条形码在图书馆管理中的应用 去过图书馆的同学都知道，现在的图书借阅速度和还书手续都很快、很方便，往 往一个图书馆的前台只需要两名工作人员，一名负责借书登记，一名负责还书管理就 够了。当有人借书时，借书处的工作人员将借书人的借阅卡上的条形码在一道细细的 红光线上照一下，听到一声清脆的响声，然后工作人员将借阅人所借的几本书都翻到 书的扉页上印有条形码的地方，用红光线照一下，便送给读者，表明手续都已办完。 节约四五本书的登记时间几十秒钟就办完了，而这在过去都要等上几分钟，十几分钟。 当有人还书时，工作人员手持光笔往书的扉页的条形码符号上轻轻扫一下，听到一声 清脆的响声，便表明还书手续已毕。整个手续只需要几秒钟。这种惊人的速度正是条 形码的功劳。像这样的图书管理系统在国外早已普及，在信息化社会的时代，图书馆 是信息流通量很大的一个场所，也是条形码技术的用武之地。目前我国几乎所有的图 书馆都已将条形码技术引入到图书的管理之中。本节将详细讨论一下条形码管理系统。 条形码管理系统首先要求在每一本书上贴上一个条形码标签，为了确保条形码 符号有适当的使用寿命，标签上可加薄膜保护。每一本书都有一个专用码，该码可以 是 ISBN（International Standard Book Number国际标准图书号码）码，也可以使 图书馆自行制定的序列流水号码。现在许多的图书杂志行业都采用在图书出版时就印 有的 ISBN 码。这种码包含有出版社、出版国、作者、价格及其它编目数据等，用条 形码将这些数据与计算机的数据管理库联系起来，每一本书有对应的信息，并存在数 据库中，即在数据库中有该本书的确切位置。 每位借阅者都发给带有条形码符号的借阅卡，该借阅卡上的条形码符号含有读 者身份号码或是编排的序列号码，同时还有反映该读者身份的信息，以防借阅者的条 形码符号与图书的条形码符号相混。每一借阅者的信息和借阅卡上的条形码符号数据 也与计算机的数据管理库相联系，并建立读者信息和借阅证号码数据库。如图 2-2 所 苏州大学本科生毕业设计（论文） 13 示 图 2-2 图书馆借阅台的条形码系统示意图 借书时，读者将书带到借阅台处并出示借阅卡，工作人员只需做: (1).用条形码阅读器扫描借阅卡上的条形码。 (2).扫描每本书的条形码符号。 (3).按工作结束键。 这样，整个借阅手续全部完成。条形码阅读器扫描完一个符号便发出一次悦耳的响 声，以便提醒操作者阅读完毕，可以进行下一个操作。整个处理顺序可以由条形码阅读器 显示，或由连接的计算机终端显示。 操作完毕后，计算机的数据管理系统自动的将该借阅者和借阅的图书号码写入对应 的数据库中，并自动的提示借阅期限，当超过借阅期限时，将自动输出催还单给借阅者， 若借阅量超过限制，则自动的提示操作者不予借阅。 当退还图书时，还书台同样设有条形码阅读器和系统终端，只要将书送给工作人员， 工作人员用条形码阅读器将书后的条形码符号读入计算机，便自动的消除库中的借阅记录， 即达到还书的目的，极为方便。 条形码技术除了应用到退书的借阅管理之外，还可用于书库的清点、过程整理和信 息统计等工作。 如用此系统可以很方便的统计出哪类的图书借阅量大，那一本图书库存量过小等， 这样可以指导书籍的采购工作，同时给出版社提供必要的书讯信息。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 14 第三章第三章 全息技术概况全息技术概况 3.1 关于全息技术的概述关于全息技术的概述 全息技术是利用干涉和 衍射原理记录并再现物体真实的 三维图像的技术。其第一 步是利用干涉原理记录物体 光波信息，此即拍摄过程：被摄物体在 激光辐照下形成漫 射式的物光束；另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉， 把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反 差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处 理程序后，便成为一张 全息图，或称全息照片；其第二步是利用衍射原理再现物体光 波信息，这是成象过程：全息图犹如一个复杂的 光栅，在相干激光照射下，一张线性 记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象，即原始象（又称初始象）和共轭 象。再现的图像 立体感强，具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上 各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以 在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。 全息技术的基本原理是：物体反射的光波与参考光波相干叠加产生干涉条纹，被记 录的这些干涉条纹被称为全息图。全息图在一定条件下再现，便可重现原物体逼真的三 维像。根据全息图的记录手段和再现方式不同，一般可将全息技术分为三类：(1)光 学全息：如图 3-1（a）所示，全息图的记录过程是光学过程，再现过程也是利用光学 照明来实现的，这种全息过程就是传统的光学全息；(2)计算全息：如图 3-1（b）所 示，利用计算机模拟光的传播，通过计算机形成全息图，打印全息图后微缩形成母板， 也可用激光直写系统形成计算机全息图（ CHG）或空间光调制器显示全息图，利用光 学照明重现，这样的全息方法称为计算全息； (3)数字全息：如图 3-1（c）所示，它 是由顾德门在 1967 年提出的一种新的全息成像方法，以CCD 等光电耦合器件取代 苏州大学本科生毕业设计（论文） 15 传统的干板记录全息图，并由计算机以数字的形式对全息图进行再现，但是当时受到各 种条件的制约，一直没有重大进展，随着 计算机技术的进展和高分辨 CCD 等电荷耦 合器件的出现，数字全息技术才得到迅速 的发展。 图 3-1 光学全息示意图 (a)传统的光学全息 (b)计算全息 (c) 数字全息 3.2 计算全息图的制作和光学再现计算全息图的制作和光学再现 计算全息是现代光学的一个分支，尤其近些年来，随着数字计算机与计算技术的迅 苏州大学本科生毕业设计（论文） 16 速发展，计算全息术成为人们研究的热点，备受关注。已在制作全息光学元件、全息三维 显示、全息干涉计量、光学信息存储、激光扫描和防伪加密等领域发挥了重要的作用。影 响计算全息图制作效率和质量的关键因素是计算全息图的编码算法。由于 MATLAB 集数值 计算、图形可视化功能于一身，与传统的 Fortran 语言、C 语言相比，在计算全息图的制 作上具有简洁快速的优势。 傅里叶计算全息图的制作 我们选用字符“F”为原始物，抽样数为 128*128，如图 3-2 所示 图 3-2 抽样字符“F”的原始图 用 imread()函数将经过抽样的字符“F”读入计算机，记为矩阵 I，首先用 rand()函 数对 I 进行毛玻璃化处理，再用 fft2()函数对 I 进行快速傅里叶变换，得到字符“F”的 傅里叶频谱矩阵，记为 H。通过移频函数将高频移到频谱中部之后，对复数矩阵 H 的振幅 和相位进行归一化处理，得到孔径参数 Lmn 和 Pmn。用 Zeros()函数生成全零矩阵 Z,利用 罗曼型编码方法，根据 Lmn 和 Pmn 值，在 Z 中构造通光孔径矩阵（元素全为 1 的矩阵） ， 最后组成全息图矩阵。用 imagesc 函数显示得到的计算全息图，如图 3-3 所示。 图 3-3 抽样字符“F”的傅里叶计算全息图 利用 iftt2()函数对完成的“F”计算全息图在 PC 机上进行计算机模拟再现，得到理 想的“F”模拟再现像，如图 3-4 所示。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 17 图 3-4 计算全息图的 PC 模拟再现像 3.3 数字全息术及重现方法数字全息术及重现方法 数字全息术(Digital Holography) 采用 CCD 数码相机代替传统的光学记录材料记 录全息图，并直接输入计算机进行数据处理和波前信息的提取。由于采用光敏电子元 件作记录介质，数字全息图不需要显影、定影等繁琐的后续处理，因此曝光时间可以 很短，适合记录运动物体的全息图；由于采用计算机数字再现，不需要光学元件聚焦 就能方便、灵活地再现不同截面上的物波分布；全息图以数据形式存贮在计算机中可 移植性大大增强，便于通过计算机编程来消除各种像差、噪声等因素对再现像的影响， 提高再现像的像质；更为重要的是数字全息可以分别定量地得到被记录物体再现像的 振幅和位相信息。 数字全息与传统全息的最大区别是数字记录与数字再现.数字全息采用的光路与传 统全息没有太大区别，区别在于记录过程，数字全息采用数码相机（CCD 或者 CMOS） 进行记录，全息图以二维数据的形式存储在计算机中，再现过程是通过算法实现的.借 助于计算机软件进行数据处理，得到再现的图像。 根据全息技术的基本原理，我们知道全息图只是记录了物光波和参考光波相干叠 加时产生的一系列干涉条纹，要得到物体的再现像，必须对全息图进行重建处理，就 光学全息和计算全息而言，其重建过程属于光学再现过程，即将记录物体全部信息的 全息图经过一系列处理以后，用适当的光照明全息图，光通过全息图时的衍射光和衍 射光之间的干涉形成了与原物光波相似的光波，构成物体的再现像。对于数字全息来 说，是先将 CCD 记录的全息图数字化，然后在计算机中重建数字的再现像，由此可见， 重建方法直接影响再现像的效果，选择适当的数值重建方法是至关重要的，一般有以 下几种常见的数值重建处理方法：(1)菲涅尔变换法(2)卷积法(3)相移法(4)相位恢复 法。接下来我们着重介绍一下菲涅尔变换法： 当物体与全息图平面的距离远大于物体的尺寸时，我们可以利用离散逆菲涅尔变 苏州大学本科生毕业设计（论文） 18 换重建原物像，即 式中忽略了不重要的常数和相位因子，M,N, 分别是 CCD 芯片在两个垂直方 向上的像素数和像素尺寸，(1)式表示了全息图 h(x,y)与参考光 r(x,y)乘积的逆菲涅尔变 换，物波的相位和强度由下面两式给出： 虽然利用离轴的方法可以有效的分离物象，共轭像和直流项，但是要求所使用的 CCD 具有足够大的空间带宽积。 ) ln (2exp)( exp ),(),(),( 2222 1 0 1 0 N icj d j ljrljhnmu M jm M j N i ),(),( ),( ),( Re ),( Im arctan),( * nmunmunmI nmu nmu nm , 苏州大学本科生毕业设计（论文） 19 第四章第四章 全息技术针对条形码防伪的研究全息技术针对条形码防伪的研究 4.1 研究意义研究意义 不可否认条形码技术的产生为我们生活提供了很多便利，但是，现今的条形码也并 不是完美的，它也存在着自身无法克服的弊端，这些弊端主要体现在条形码易被复制和 磨损两方面，条形码由于自身体积小，容易被携带，于是给了不法分子可乘之机，他们 可以将价值较低的 A 商品上的条形码撕下后大量复制，然后将复制的条形码贴到价值较 高的 B 商品上，这样如果商店营业员不了解商品真实价值的话，那么商家的损失会很大； 另一方面，条形码由于是印刷在纸张上，难免会被磨损或遭到污染，那么很可能条形码 就不能被机器识别，失去了条形码原有的作用。针对这两个方面，我们利用全息技术来 对条形码的防伪进行一些研究。 4.2 研究方法研究方法 我们首先搭建一个光路如图所示： 苏州大学本科生毕业设计（论文） 20 M1 M2 M3 L1 实验对象 L2 M4 He-Ne 激光发射器 CCD L3 L4 BS 此图为实验光路图，真实效果图如下图所示 苏州大学本科生毕业设计（论文） 21 如图 M1,M2,M3 为全反镜，L1，L2 为准直透镜，L3，L4 为扩束棱镜，BS 为分光棱 镜，在 M2 和 M3 之间还有一个光阑，He-Ne 激光发生器发出激光后，由 M1 折射，一束 激光经过扩束准直之后照在二维透明物体上，再由物体投射后经过 BS 照射到 CCD 靶面上， 形成了数字全息光路。 实验中所采用的准直透镜焦距为 10cm 和 60cm，条形码尺寸为 30*30mm,实验中，物 体到 CCD 的实际距离为 590mm。实验对象条形码是粘贴在一块一面光滑一面经过打磨的 特质玻璃上，打磨的作用是为条形码乘上一个随机数。 实验结果 下图为实验中利用 CCD 所拍摄到没有经过处理的原效果图 苏州大学本科生毕业设计（论文） 22 经过软件对上面全息图进行处理后我们得到了下面的再现图 接着我们利用 MATLAB 编写程序，引入 imcrop 函数，对原效果图进行百分比剪切操作 （这里的剪切是以图的左上角为基点，按全图百分比进行的） ，由于篇幅原因我们只列出按 90%，70%，50%进行剪切所得的再现图： 苏州大学本科生毕业设计（论文） 23 进行 90%剪切操作后得到的再现图 进行 70%剪切操作后得到的再现图 苏州大学本科生毕业设计（论文） 24 进行 50%剪切操作后得到的再现图 4.3 具体分析具体分析 要对条形码的图像分辨率进行研究，那么我们引入 PSNR(峰值信噪比)这个公式， PSNR=,其中 MSE 是原图像与处理图像之间均方误差。根据这个公)/) 12(10log10 2 MSE n 式利用 MATLAB 编写对某一幅图像求其 PSNR 值的程序，在几秒钟之内就可以很快求出该 图的 PSNR 值。我们的实验目的就是根据 PSNR 值来研究条形码图像的抗剪切能力。基于这 个目的，我们可以对一幅条形码图像进行多次剪切，并且根据基点不同可以分成五部分，分 别以左上角，右上角，左下角，右下角，中心为基点对全图按百分比进行剪切，对每一幅剪 切图求其 PSNR 值，列出表格，如表 4-1 所示： 基点剪切比PSNR 值 100%74.46 90%74.3 80%73.51 70%73.29 50%69.02 左上角顶 点 30%63.55 100%74.46 90%74.09 80%72.67 70%71.43 50%67.94 右上角顶 点 30%63.79 100%74.46 90%74.19 80%72.1 70%71.04 50%67.52 左下角顶 点 30%64.01 100%74.46 90%73.97 右下角顶 点 80%72.6 苏州大学本科生毕业设计（论文） 25 70%71.26 50%66.74 30%63.99 100%74.44 90%74.03 80%73.71 70%72.91 50%67.59 中心点 30%64.41 表 4-1 不同基点不同剪切百分比的各张图片的 PSNR 值 由上表我们得到大量实验数据，为了便于观察分析，以剪切百分比和 PSNR 值分别作 为