（模式识别与智能系统专业论文）体全息数据存储系统中噪声抑制的研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术日新月异的发展，人们越来越追求超大容量和具有超高速 寻址能力的存储设备，特别是随着网络和多媒体技术的广泛应用，这种需求更 是急剧膨胀。因此，体全息数字数据存储技术以其大容量和高数据读取速率的 优点进入人们的视野，受到国内外研究人员的关注。 作为一项存储技术，噪声抑制工作是实用化进程中的重要组成部分。本论 文的研究内容就是以如何有效的抑制体全息数据存储系统中的噪声干扰为目 标，结合数字图像处理技术，进行体全息数据存储系统中噪声抑制方法的研究。 本论文首先根据体全息数据存储系统的原理和特点，分析了系统中存在的 主要噪声；并设计了针对再现图像的噪声抑制方法，经过1 2 0 0 幅再现图像测试， 该方法使再现图像的原始误码率降低了1 2 5 ，验证了它有效性。 然后根据再现图像的畸变表现，构造了基于针孔成像原理的再现图像成像 模型，分析得到了图像畸变纠正的方法，并通过实验验证了该方法的有效性。 最后总结了研究内容的完成情况，提出了进一步工作的研究方向。 关键字 噪声原始误码率全息存储成像模型图像畸变 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mm ei m p r o v e m c n to ft 1 1 et e c h n o l o g yo fc o m p u t e rs c i e n c e ，t 1 1 er e q u i r e m e n t s f o rs t o r a g ec 印a c i 够a 1 1 df 酞t 仃a n s f e rm t eh a v ei n c r e a s e dd r 锄a t i c a l l y ，a i l da r e e x p l o d i n ge s p e c i a l l y 、v i t l lt 1 1 ep o p u l 耐t ) ，o ft h ei n t e m e ta i l dm u l t i m e d i a s o ，v o l 啪e h o l o g r a p l l i cs t o r a g e ，、i t l li t sh i 曲s t o r a g ec a p a c i t ya n dd a t a 订a i l s f e rr a t e ，p r o m i s e st o b e c o m ean e x t - g e n e r a t i o ns t o m g et e c l l l l o l o g y t h et e c h n o l o g yo fn o i s es u p p r e s s i o ni ss u p p o s e dt ob ea 1 1i m p o r t a n tp a r to ft l l e p m c t i c a lc o n d m o no fv o l 啪eh o l o 笋a p h i cs t o r a g e n l i si s 也et a r g e to f 也er e s e a r c h m a tb a s e do nd i g i t a li m a g e sp r o c e s s i n gt os u p p r e s s i n gt l l en o i s ei nh o l o 鲫t l i c s t o r a 喀es y s t e m 1 1 1 er e s e a r c hi sa r r a l l g e da sf o l l o w ： f i r s t l y ，a c c o r d i n g t ot l l e p r i n c i p l ea i l dc h a m c t e r i s t i co fv o l 啪eh o l o 卿h i c s t o r a g es y s t e m ，n l ed i s s e r t a t i o ns t i l d i e sm en o i s eo fm i ss y s t e m an o i s es 叩p r e s s i i l g m e t l l o di sd e s i g n e dt ot l l er e m e v ei m a g e sf 而mt h es y s t 锄t h er e s u l tt 1 1 a tt l l i s m e m o dr e d u c e dt l l em wb i t e r r o rb y1 2 5 p m v e st h a ti ti su s e f h l s e c o n d l y ，b a s e do nt l l ep i i 山o l em o d e l ，t l l ed i s s e 删o nc o n s 仇l c t st h ei m a g i n g m o d e lo f r e 埘e v e di m a g e a ni m a g ed i s t o 币o nr e c t i f i c a t i o nm e t l l o dh a sb e e nd e s i g n e d ， t 1 1 r o u 曲锄a l y s e st l l ed i s t o n i o no ft i l er e 研e v e di m a g e s i th 够b e e np r 0 v e di n e x p e r i m e n t e v a m l a l l 孔也ed i s s e r t a t i o nh a sc o r l c i u d e dm er e s e a r c ha c h i e v e m e n t ，a n dh a s d i s c u s s e dt l l ed i r e c t j o no f t l 屺凡t i l r ew o r k k 吖w i r d s n o i s e ，r a wb m e r m r ， v o l 啪eh o l o g m p h i c s t o r a g e ，i i i l a g i n gm o d e l ，i m a g e d i s t o n i o n 图目录 图2 1 全息图的记录与再现 图目录 7 9 1 1 1 2 图2 2 典型体全息存储其示意图 图2 3 角度复用示意图l 图2 4 角度复用示意图2 图2 5 等重调制码1 5 图2 6 体全息数据存储系统 图2 7 存储光路示意图 图2 8 参考光偏转装置 图2 9 平移台 图2 1 0 系统控制框图 图3 1 体光栅的形成和衍射 图3 2 基于同态变换的模糊多级中值滤波 图3 3 可信度函数一3 5 图3 4 传统同态滤波算法 堪 堪 加 n 勉 笛 弘 图目录 图4 1 再现图像对比样本图 图4 2 经过图像增强处理后的样本图3 9 图4 3 经过高斯滤波处理后的样本图 图4 4 经过灰度值归一化处理后的样本图 图4 51 2 帅幅再现图像实验前后的原始误码率 图5 1 差分编码示意图 图配再现图像数据区边界示意图 图5 3 数据位块的畸变 图5 4 数据位左半部分区域边界判定示意图 图5 5 数据位的区域边界判定示意图 图5 6 摄像机成像模型 图5 7 改进后的成像模型 图5 8 再现图像畸变纠正算法流程图 图5 9 原再现图像样本图 图5 1 0 畸变纠正处理后的样本图 图5 1 1 畸变纠正后的图像数据区边界判定示意图一鼹 v n 加 舳 钉 船 甜 钙 牾 稻 钉 锯 弱 靳 靳 表目录 表目录 表3 1 加权参数a 与高斯滤波变换窗口大小0 ) 的关系3 4 表4 1 再现图像实验前后的平均原始误码率 表5 1 各点坐标列表 表5 2 爿曰c d 与彳曰c - d t 顶点坐标列表 表5 3 再现图像中顶点坐标列表 表5 4 已知坐标与未知坐标列表 表5 5 图像畸变纠正处理前后数据区域顶角对比列表5 7 v 铊 册 甜 豁 弱 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：1 ；杂素年 缈6 年( 月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 砾南华 渺1 ) 年歹月加日 第一章引言 第一章引言 第一节研究的目的与意义 随着计算机技术的发展，人类进入了信息化社会，各种媒体数据量进入了 一个“爆炸性”的增长时期，如何来满足急剧增长的数据存储需求已成为人们面l 临 亟待解决的问题。目前广泛应用于计算机中的磁盘存储技术和光盘存储技术日 益成熟完善，存储面密度增长迅速；但是磁性存储的面密度在物理上受到超顺 磁性的限制，不可能无限提高。在过去的十几年中，硬磁盘的面密度以每年6 0 的速度递增，很快将逼近超顺磁性的极限。同时，光盘存储器虽然也有很高的 面密度，但是光学存储受到l 昭的面密度限制，即使采用短波长和先进的编码 技术，存储密度也无法超越1 g 6 打册2 【”。并且，磁盘和光盘的机械运动寻址方 式和按位存储的本质，限制了数据传输率的进一步提高。 作为一种新的存储技术，体全息数字数据存储以其特有的高密度存储优点进 入人们的研究视野。全息存储是一种光学存储技术，通常以光折变晶体作为存 储介质，基于光折变效应和全息原理，将光信息以全息电子光栅的形式存储于 光折变晶体中。全息存储属于三维光学存储，是最具特色和潜力的海量信息存 储技术。与现行存储技术相比，它具有以下优点： 1 存储密度高。三维全息存储器的存储容量上限可以达到l 量级，其中五 是记录光波的波长。 2 数据传输速率快。全息存储器采用页面的方式进行数据的存储和读出， 一个高达百万象素的数据页面可以被一次读出或者记录。 3 冗余度高。信息以全息图的形式存储在介质中，每个数据位都存储在全 息图的整个体积中，所以记录体局部的缺陷或损伤，不会引起信息的丢失。 4 检索速度快。相关读出是全息存储的一个独特特性，用携带待搜索信息 的物光照射全息图，将会读出记录该信息的参考光，所衍射出来的参考光的光 强正比于待检索信息与所记录的信息页间的相关强度。 所以，全息存储技术被认为是很有潜力的存储技术之一”。 对于任何一项存储技术来说，存储数据的保真度都是一个重要的问题，而 第l 页 第一章引言 在体全息数据存储系统中决定存储数据保真度的因素有两方面：一方面是存储 系统中的硬件引入的噪声；另一方面则是数据读写过程中的数据处理技术使用 效果。对于抑制噪声干扰的研究来说，硬件和光路系统的改进是一方面，但将 其与信息科学的结合也是不容忽视的，数字图像处理技术在该研究领域应用有 一定的优势。本课题所做的工作便是将图像处理知识引入该研究领域，克服全 息光存储系统中存在的一些噪声干扰，并为系统数据读取方式的改进做出了尝 试。 第二节研究的背景和内容 1 2 1 体全息存储技术的概况 全息术是英国科学家g a b o r 在1 9 4 8 年为提高显微镜的分辨率时发现的 【l j 【2 l ，并制出了第一张全息图。但由于当时没有足够强的相干光源，使其研究前 景一时处于黯淡之中。直到6 0 年代激光的问世、离轴全息和反射全息的相继 被发现，全息术才又重放光彩，全息存储也再度成为研究热点。美国r c a 公 司在1 9 7 5 年便首次报导了在1c m 3 掺铁铌酸锂晶体中记录了5 0 0 幅全息图【2 l o 这些早期的研究成果虽然很有开创性，但由于现实条件的限制，全息存储技术 研究还没有产生实用的系统。 8 0 年代末，光学数据库、光学神经网络、光学互连、模式识别等几个方面 的研究热潮1 4 j ，再度引发了人们对全息存储技术研究的兴趣；同时，精密仪器、 光折变记录材料、激光器、空间光调制器( s p a t i a l l i g h tm o d u l a t o rs l m ) 和高 性能c c dc 锄e r a ( c h a r g e d c o u p l e dd c v i c ec 锄e r a ) 等硬件质量有了实质性的 提高，也加速了体全息存储技术的实用化研究进程。但关键器件的性能仍不够 好，尤其是缺乏完全满足体全息数据存储要求的存储介质。这期间，仅有一些 有限性能的全息存储演示系统出现，而这些系统不能同时达到大存储容量、高 速传率、短存取时间的要求，体积也较大。 9 0 年代初期，全息存储系统的研究有了新的进展。美国n o r t h r o p 公司1 9 9 1 年在1 立方厘米掺铁铌酸锂晶体中成功存储和再现了5 0 0 幅高分辨率存储内容 为车辆的全息图【3 】，1 9 9 2 年又取得了在铌酸锂晶体中存储和无任何错误地再现 第2 页 第一章引言 1 0 0 0 幅数字数据的进展【4 】。到了9 0 年代中后期，体全息存储系统的研究取得了 更多的成就，其中重要的有： 1 9 9 4 年美国加州理工学院的g e o 脓yb u i r 等人实现了在 l c m 3 掺铁铌酸锂晶体中存储1 0 0 0 0 幅图像的实验，达到了约1 0 0m b 的存储容量【4 j 。 1 9 9 4 年美国斯坦福大学的研究小组完成了压缩编码图像和 视频数据存储的实验，实现了彩色图像的存储和恢复【5 1 。 1 9 9 6 年r d c k w e l l 研究中心成功实现了将2 0 0 0 0 幅利用j p e g 标准压缩的彩色视频图像存储在一个1 0 m mxl o m m 2 2 朋m 掺铁铌酸 锂晶体中，并实现了无机械运动的寻址。 2 0 0 1 年i b m 公司a l m a d e n 研究中心的g e o 脏e vb u r r 在掺铁 铌酸锂晶体中实现了存储面密度高达3 9 4 p 妇豇朋2 的体全息数据 存储【6 1 ，其最高原始误码率为1o 3 ，用户误码率达到了l o m 。 2 0 0 2 年美国斯坦福大学研究小组【”在光致聚合物全息盘中 进行了数字全息存储，数据传输率达到了1 0 g b i 以e c 。 2 0 0 3 年北京工业大学光信息存储课题组采用空间角度复用 技术在盘片状掺铁铌酸锂晶中存储了1 0 0 0 0 幅高分辨率全息图像【8 1 。 我国南开大学光子学中心的掺杂铌酸锂晶体及海量数字全 息光存储方面研究在国际上已有一定影响，已经实现在 2 o 2 o 4 5 肌肌3 的空间范围内采用角度复用的方法存储1 0 0 0 幅全 息图。存储密度约为2 6 0 m ，c m 3 ，存储寿命为4 0 天( 亮环境下) ， 采用动态差分编码，最终误码率 n ) ，其中 亮定义块的个数( 码重) 为k ，n 比特信息包含了2 0 种状态，所以码重和码长须 满足关系：m 中取k 的组合种类大于2 0 ，编码效率为1 1 m 。设码长为4 ，码重为 2 ，共有6 种可能的状态，则可表示2 比特信息。上图中暗定义块表示o ，亮定 义块表示1 。有效信息经编码后得到有一定冗余度的信息，然后形成编码图像， 存入记录介质。读出时，再现图像为六种图像，根据四个定义块的光强的强弱， 将它们分为两类，光强强的两个为1 ，光强弱的两个为0 ，得到解调制信息，依 据编码方法，可读出有效的信息。 由于可能情况为6 种，但是实际表示的信息只有4 种，因此等重调制码还 具有一定的检错纠错能力。当读出图像是上图所示4 种图像以外的图时，可以 知道产生了错误。出现这种情况时，可以采用一些方法纠正错误，比如将“0 ” “l ”集合中亮度差值最小的两个位置交换。由于错误个数越少的情况，产生的 几率越大，因此采用一些简单的处理方法可以纠正大部分的错误码。 另外，等重调制编码可以实现自动选取阈值，能抑制大尺度噪音的影响。 2 2 5 主要技术指标 体全息存储性能的技术指标主要有：误码率、存储容量以及数据的存取速 率【n 。 第1 5 页 。口口暇口隙口口鹏口口雌o删口 第二章体全息存储系统 2 2 5 1 误码率 误码率( b i t e n d r r a t e ) 是指数据中错误比特数与总比特数之比，也就是错 误比特出现的概率。体全息数据存储系统中进行数据存储时采用二进制存储， 误码率可直观的从数据正确与否的角度来衡量存储系统，它越小则表明存储系 统的数据保真度越高。现今的体全息存储系统中通常采用直观的误码率对系统 进行衡量。 原始误码率( ( m wb e r ) 通常是指经过调制码译码，到达纠错码译码器输入端 的误码率。通常纠错码对输入的原始误码率有一定要求，原始误码率越低则得 到的用户误码率就越低，若原始误码率太高，则有可能纠错码译码后的用户误 码率反而更差。一般情况下若采用硬判决译码时【l8 】原始误码率至少应达到 1 0 一l o 。4 ，采用软判决译码也应至少达到1 0 一1 0 。用户误码率( u s e r b e r ) ， 是指针对用户存储的数据中出现错误比特的概率。针对不同的用户服务质量要 求对系统误码率的要求也不相同，一般情况下对于数据业务应达到工业标准 1 0 一1 2 。 2 2 5 2 存储容量 超高密度、超大容量一直是存储技术所追求的目标，体全息存储技术也不 例外，它以极高的理论存储极限y 【1 9 l 【2 0 l 而倍受关注。虽然现今的技术发展 还不足于充分展示体全息存储系统的优点，但也已经取得了突出的成果。 由于存储的是二值图像，其每一个数据块则代表一个比特的信息，所以其 实际存储容量n 的计算公式为： = ，虬r( 2 7 ) 式中，是在记录介质中通过复用技术所记录的全息图的页数；是每个全 息图页面内所包含的信息量，也就是数据块数；r 则是存储系统所采用的信道 编码的码率。 i b m 公司a l i i l a d e n 研究中心的g e o 自盹yw b u r r 等人宣布已经实现了存储面 密度高达3 9 4 p 船括，m 2 的体全息数据存储。 2 2 5 3 数据的存储速率 数据的存取速率是评价一个存储系统的重要指标之一。体全息存储是以数 第1 6 页 第二章体全息存储系统 据页面为存取单位，并且是并行处理，因此可以达到高速存取。下面对数据的 保存速率和读取速率进行分别讨论。 数据的保存速率： 体全息存储系统的数据保存速率主要受全息图的记录时问的影响，取决 于记录介质的灵敏度和所要求的衍射效率。若不采用复用技术，则保存速率 如= m ( + f ) ，其中m 是每个存储页面上的像素数，f 是空间光调制器的填充 时间。若采用复用技术，则须同时采用曝光补偿技术，所以每幅全息图的记录 时问会不同，因此仅能用平均保存时间碑= i 自均代替计算平均保存速率，同时 还应考虑寻址时间“，于是： r 平均= ，【碑均+ ，+ f o ) ( 2 8 ) 数据的读取速率： 每个全息图数据页的读取速率主要受探测器c c d 的探测特性的影响，即在 产生足够低的误码率的要求条件下，探测1 比特信息所需接收的最少入射光子 数的积累时间主要决定了读出速率墨。： 8 。= m ( + f 0 ) ( 2 9 ) 式中“是寻址时间。 第三节体全息数据存储系统 本节将介绍本文的实验环境体全息数据存储系统，如图2 6 所示。该原 理样机体积4 0 0 3 0 0 4 0 0 埘用3 ，在上位机的控制下，采用角度一空间混合复用 的方式，实现了在9 5 9 5 9 5 珑m 3 的掺铁铌酸锂晶体中1 2 0 0 幅全息图的存储和 读取过程，并且最终误码率达到了1 0 。6 数量级。 第1 7 页 第二霉俸全塞存耱系统 图2 6 体全息数据存储系统 2 3 1 光学系统 獗溪榉祝光学系统鲡圈2 。7 掰示。系统复麓方式为空闽一强度混合复鬻，其 中角度复用为邻面入射方式。舍弃了传统的4 f 1 2 1 1 方式，采用单透镜记录系统， 缩短了光路，降低了对变换透镜的娶求。 黜bb r 垂2 。存薅竞路示慧强 2 3 1 1 数据读写过程 数撂麓入时，由激必器发出水平偏振的激光荣，经过5 0 遴党率斡分光镜鼹， 篇1 8 页 第二章俸全惑存簇系统 得到的透射光为物光。物光缀过r l 反射、l l 扩束、l 2 准直、l 3 会聚之后，到 达空间光调制器s l m 。经过s l m 调制后的物光由r 3 反射，透过偏振片p 投射到 铌酸键鑫体上。透过铌酸锂鼹体的物光经r 4 反射后，出l 4 将s l m 上的图像 成像副c c d 摄像枫上。经分光镜反射豹雯路光律为参考光，经过袋5 、r 6 、 r 7 反射，l 5 、l 6 扩束准直，r 8 、r 9 、r l o 、r l l 反射，到达铌酸锂晶体。平面 参考光与物光在铙酸锂晶体中大约l 聊m l m m 1 m m 的区域干涉，平移复用间隔 兔o 7 5 魁，由筏羧锺鑫俸记袋于涉条绞。葵孛r 9 、r 1 0 、r l l 三块厦必镜虿一 起绕z 轴转动，w 以产生任意角度的平面参考光。 数据读出时，用原参考光再现存储时的物光。关闭物光，参考光经过铌酸 锂鼹髂豹霹；射光缀过r 4 、l 4 藏像到e e d 摄像机。 2 3 1 2 光学元件和主要参数 写入光路中的激光器采用长春光学精密机械研究所嫩产的单纵横、单横模 霾体激毙器，波长必5 3 2 越l ，输出臻率荛1 0 0 搬w 。爨鸾爱毙镜驽为全爱袈壹蹩 棱镜，这种反光镜的光能量损耗比普通镀锅反光镜小一个数量级。掇像机采用 s a n y ov c c 3 9 7 2 p 型，4 7 0 电视扫描线，炙敏度为2 l u x 。记录介质采用南开 大学生产豹铌酸键鑫体，锟酸键晶体中掺铁o 0 5 。分光镜是由两块囊建棱镜胶 台蕊成的正方傣，获合面镀反射膜，反瓣膜为多层介质膜，反射率约为7 0 。 空间光调制器s l m 采用o 7 英寸透射型液晶阵列板( l c d ) ，分辨率为 1 0 2 4 7 6 8 点阵。换算成通常意义的分辨率为每毫米3 6 对线。图像接收器件为 l 为英寸c c d ，辩嚣足寸爻3 融鞠4 。8 珏臻，钌0 羟接线，换算痰分辨攀稳当予 每麓米7 9 对线。成像镜头焦躐f ，= 3 8 m m ，栩对孔径d r l ：4 ，按放大倍率b - 2 9 6 ( 物象共轭距2 0 3 m m ) 校正像差后，分辨率不低于每毫米1 2 0 对线。此外，参 考必悫爨孛有7 个平面反光镜，建学材斟采耀k 9 光学玻璃( 遣特牌号为b x 7 ) ， 直角面镀单层氟化镁增透膜，簿个直角面瓣透射率为9 8 7 ，7 个反巍镜的光能 损必仅为1 o 9 8 7 l 牡1 6 7 。如果用普通镀铝的反光镜，每个镀铝袭面反射率 8 0 ，7 个面共损失光能l - o 8 7 7 9 。 2 3 2 机械与控制系统 原理样机采用空间一角度混合的复用方式，系统的精确寻址对于存储性能 第1 9 磺 第二章体全息存储系统 有很大的影响。精确寻址包括参考光偏转器的旋转和平移台的平移，下面对它 们进行详细的介绍。 图2 8 参考光偏转装置 存储器的参考光偏转控制结构如图2 8 所示，它的重复定位精度直接关系到 存储图像的恢复程度。其中，直流减速电机连接一级蜗轮蜗杆，末端连接绝对 式光电编码器。一级蜗轮蜗杆再串联二级蜗轮蜗杆，实现对转盘的高精度控制， 以改变参考光路中的棱镜位置，达到改变参考光角度。经过两级蜗轮蜗杆减速， 电机输出转速和棱镜转动速度之比为1 2 2 5 ：l 。电机输出端连接的绝对式光电编 码器分辨率为0 5 度，则棱镜端的分辨率理论上可以达到1 5 角秒( 1 角秒= 1 3 6 0 0 度) ，满足了角度复用所需要的角度分辨率要求。实际测试时两次参考光角度位 置偏差约为5 角秒，基本满足旋转轴定位精度的要求。 参考光偏转装置用于实现角度复用技术，而用来实现存储介质的空间复用 技术的则是晶体平移台。平移台采用了微操作机器人系统中的组件，如图2 9 所 示。该平移台为滚珠丝杠结构，两组一维平移台垂直交错安装，实现存储晶体 的二维平移。 第2 0 页 第二章体全息存储系统 图2 9 平移台 原理样机的控制系统如图2 1 0 所示，它的主要功能包括：和上位机进行交 互，接收上位机传来的命令和数据，反馈给上位机当前系统的状态，并完成对 下层器件的控制功能。 其中，上位机与系统控制器之间的通信是通过r s 2 3 2 串口来实现，上位机 负责存储的具体流程。控制器只定义三种最基本的控制过程，包括系统初始化、 开关物光参考光快门和驱动电机到某个位置。具体的文件读写过程和图像采集 过程等都可由上述三种基本操作合成，这种分层控制的方式简单有效，既简化 了控制器的程序，又可由上位机来保证整个存储流程的健壮性。 第2 l 页 第二章体全息存储系统 图2 1 0 系统控制框图 2 3 3 文件读写过程 系统首先进行系统配置，包括设置曝光时间参数( 曝光时间之物光和参考 光在晶体中教会形成一幅干涉图所需要的时间) 、设置存储器的起始地址、设置 视频采集参数( 亮度、对比度等) 和串口通信测试等。 读文件时，首先由存储器的文件分配表计算出该文件的起始地址，通过串 口发送该地址给控制电路板，由控制电路来控制执行电机的运动到达目标位置， 打开参考光和数字摄像机的快门，准备好读取该全息图，计算机通过图像采集 卡截取该全息图，保存下来，通过必要的识别、纠错译码过程恢复成二进制的 数据序列。重复这个过程直到该文件所有信息页都恢复完成，最后按顺序组合， 第2 2 页 第二章体全息存储系统 恢复源文件。 写文件时，首先计算文件需要分割的段数，必须保证每一段大小适合一页 全息图所包含的信息量。然后从第一段开始进行编码变成黑白方格图像，通过 支持双显示的显示卡输出到空间光调制器，根据文件分配表内容找到存储器中 内容为空的地址，发送给控制电路板，由控制电路来控制执行电机的运动到达 目标位置。再打开物光和参考光的快门，开始计时，达到曝光时间之后关闭两 个快门，这一页全息图已存入晶体中，重复以上过程，直到该文件所有信息页 都存入到晶体中。最后将包含该文件名字、大小、存储的首地址等内容的文件 信息块发送给控制电路板，记入r o m 中的文件分配表内存。 第2 3 页 第三章系统中的噪声分析和抑制方法 第三章系统中的噪声分析和抑制方法 对于任何存储系统来说，抑制误码率都是一项重要的任务。体全息数据存 储也不例外，从实用化角度看，导致存储器误码率偏高的重要原因之一就是系 统中存在复杂的噪声干扰。随着体全息数据存储技术向实用化方向的发展，对 其存储数据的保真要求也日益提高，对噪声的分析研究工作也逐渐受到国内外 研究人员的重视。 本章内容首先介绍了再现图像的相关知识，然后对系统中存在的噪声做了 定性分析，最后给出了再现图像噪声抑制相关的图像处理算法。 第一节体全息图和再现图像 本文从体全息再现图像的角度研究系统噪声的抑制，因此在对系统中的噪 声作分析之前，先介绍一下体全息图和再现图像的概念。 3 1 1 体全息图及其存取过程 当记录介质较厚( 厚度远大于记录的干涉条纹间距) 时，物光和参考光两 相干光束在记录介质的内部相互干涉，形成三维光栅状全息图，称为体积全息 图，也称为体全息图( v o l u m eh o l o g r a m ) 。 体全息图是通过物光( 0 ) 和参考光( r ) 在记录介质内部相互干涉形成的。为方 便起见，假设物光和参考光都是平面波的情形下，根据光的干涉原理，物光和 参考光的相互干涉，在记录介质内部形成等间距的平面族结构，它称为体光栅。 如图3 1 ( a ) 所示【“。图中q 和岛分别是参考光和物光在介质内的入射角1 】【3 1 。条 纹面应处于r 和0 两光的夹角上，它与两束光的夹角口应满足关系式( 3 1 ) ： 日= 一岛) ，2 ( 3 1 ) 体光栅常数人应满足关系式( 3 2 ) ： 2 a s m 口= 五 ( 3 2 ) 式中五为光波在介质内传播的波长。 第2 4 页 第三章系统中的噪声分析和抑制方法 工。 勰 ； 易 l 7 。 彩 z d 口一 ? 置， ( a ) 形成 工。 勰 勰 l 口一 嬲 z c 图3 1 体光栅的形成和衍射 ( b ) 衍射 体全息图对光的衍射作用与布拉格对晶体x 射线现象所作的解释十分相似， 因而常借用“布拉格定律”来讨论体全息图的波前再现，并把式( 3 2 ) 称为“布拉 格条件”，把角度口称为“布拉格角”。只有当再现光完全满足该布拉格条件时才 能得到最强的衍射光。图3 1 ( b ) 是其再现示意图。 在分析体光栅的衍射时，由于光通过光栅传播，所以必须考虑衍射波的振 幅是随入射波的减少而逐渐增加的【1 】【3 】。这一分析过程的完成可以借助耦合波理 论，其主要思想是从麦克斯韦方程出发，根据记录介质的电学和光学常量，直 接求解描述照明光波和衍射光光波的耦合微分方程组，得到衍射波的复振幅， 进而得到再现信号的衍射效率： 透射： 叩= ( c o s 最c o s q ) e 。( d ) e ：( d ) ( 3 3 ) 反射： 叩= ( i c o s 幺i c o s 肆) e 。( o ) e ：( o ) ( 3 4 ) 第2 5 页 第三章系统中的噪声分析和抑制方法 其中，c o s 包和c o s e 分别为晶体内衍射光波和再现光波与z 轴的夹角，e 。是 衍射光波的复振幅，d 为介质的厚度。 “布拉格偏移”现象是实际工作中不可忽视的一个问题。从光折变晶体中 读取全息图时，由于光折变晶体内发生了布拉格偏移，即使用完全相同的参考 光再现物光，也不能够获得最大的衍射效率。通常来说，当光栅很弱时布拉格 偏移较小。但对于厚晶体和曝光时间很长了体全息图的情况，布拉格偏移会很 明显，应注意在最佳条件下读出光栅；即使如此，衍射效率也会不可避免的大 幅下降。 3 1 2 再现图像的质量评价 体全息数据存储的再现图像质量，是限制存储系统的存储容量以及决定其 能否实用化的重要因素。再现图像的信噪比是判断再现图像质量好坏的重要依 据之一。通常对再现图像的质量评价有两条途径，一是在波动光学基础上进行 理论分析；二是从实验测量数据出发发展评价方法。本文中使用第二种方法。 3 1 2 1 数字图像的表示 由于本系统中存储的是黑白二值图像，因此在描述图像质量评价方法之前， 先介绍一下数字图像中关于黑白图像的概念。 一幅黑白图像可以用二维函数，( 石，y ) 表示，其中( x ，y ) 是平面的二维坐标， 厂o ，y ) 表示点o ，y ) 的灰度值( 亮度值) 。数字图像是指为了适应数字计算机的 处理，对连续图像函数( 模拟图像) 进行空间和幅值数字化。空问坐标0 ，y ) 的 数字化称为图像采样，幅值数字化称为灰度级量化。经过数字化后的图像就成 为数字图像( 也称为离散图像) 。 设连续图像，( 工，y ) 按等时间间隔采样，排成m 阵列，如式( 3 5 ) 所示。 厂( _ y ) = 厂( 0 ，0 ) ，( 1 ，0 ) 厂( m 一1 ，0 ) ，( 0 ，1 ) 厂( 1 ，1 ) 厂( m l ，1 ) ，( o ，一1 ) 厂( 1 ，一1 ) 厂( m 一1 ，一1 ) ( 3 5 ) 图像阵列中每个元素都是离散值，称为像素( p i x e l ) 。厂( 工，y ) 的取值范围称 为灰度级g ，通常g = 2 ”：当m = 1 时图像只有黑白两个灰度级，称为二值图像。 第2 6 页 第三章系统中的噪声分析和抑制方法 数字图像的另一个重要概念是灰度直方图，它直观的反映了图像的灰度分 布情况。通过对图像灰度值进行统计，可以得到一个一维离散的图像灰度统计 直方图函数【2 5 j ： p ( ) = 兰( = o ，1 ，2 ，g 一1 ) ( 3 6 ) 以 该式表达了在第k 个灰度级上的像素的个数怫占全部像素总数的比例， p ( ) 给出了对唧出现概率的统计。因此直方图函数实际上就是图像的各灰度级 的分布情况的反映，即是对该幅图像所有灰度值的描述。 本系统中数据存储时写入的图像是二值图像，读出时为全彩色格式的黑白 图像，为了便于处理，需将它们转换为灰度图像。读出的再现图像灰度化后得 到的图像中，灰度级g = 2 5 6 。 3 1 2 2 质量评价方法 通常而言，图像质量评价包括两方面：客观评价和主观评价。主观评价与 人的心理因素有关，客观评价则是基于图像传送系统的输入、输出物理量之差 的评价。体全息数据存储系统可以看作为一种图像传送系统，作为机器的存储 设备，因此应该采用图像质量的客观评价。对于图像自身而言，评价标准一般 是图像的清晰度，用分辨率来表征。对于全息存储过程而言，可以用调制传递 函数( m t f ) 来描述系统分辨图像细节的能力【l l 。由于希望从体全息图重构的图 像( 也就是再现图像) 与原始图像尽量相似，因此对再现图像质量的评价又使 用了逼真度这一概念。在数字图像处理中，一幅重构图像g ( x ，y ) 对原始图像 厂( x ，y ) 的逼真度有两类常用的计算方法，一类是差值测度口5 1 ，假设对图像所处 的区域为d ，则这类测度的一个代表性计算式为式( 3 7 ) 。按该式算得的值越小， 表示g ( x ，y ) 和，( x ，y ) 在d 上越相似。 ii 【厂( x ，y ) 一g ( 羔，y ) 2 c 6 r 砂 ( 3 7 ) d 另一类是相关测度，通常使用原始图像与再现图像的互相关函数r 来评价 图像质量1 2 5 j ： r = ii 厂( x ，y ) g ( x ，j ，) 西“耖 ( 3 8 ) 占。 也可以采用归一化的互相关函数表征图像g ( 工，y ) 与，( z ，y ) 的相似程度，以 减小再现图像的强度对评价结果的影响。 第2 7 页 第三章系统中的噪声分析和抑制方法 但是在体全息数据存储系统中，由于读出存储图像和记录图像时的条件通 常无法达到完全相同的理想状态如读出光功率和波长等，噪声起因比较复 杂，同时重构的图像( 再现图像) 是光学模拟图像，需要通过图像探测器和模 数转换器才能成为数字图像，因此对实际获得的体全息存储再现图像直接应用 上述的计算公式没有实际意义。换而言之，在实际中尚需根据具体的系统发展 相应的评价准则，而在数字数据( 相当于二值化图像) 存储中，主要采用与信 噪比相联系的误码率。 信噪比l 一直是人们用来描述信号质量的经典方法，通常定义为： 一专 ( 3 ，) 式中，是信号强度，即测量值的数学期望：l 是噪声强度，即相对于信 号的扰动强度，通常采用测量值的标准差来表述。本文中的再现图像质量评价 沿用了这一描述方式，并量化为原始误码率。 第二节体全息数据存储系统中的噪声源 对于一项存储技术来说，最终决定其能否实用化的关键问题就是它存储信 息的保真度田】，如果存储数据保真度没有保证，再高的存储密度和存储容量都 没有实际意义。这里所说的数据保真度的保证，是指要保证所存储的数据在经 过存取之后，得到的信息与源信息的误差应该控制在一定的范围之内【1 4 】。而导 致测量结果失真的本质原因是由于存储数据被一些无用信息所干扰，这些无用 干扰信息相对于存储数据而言就是噪声，因此保证存储信息保真度的主要手段 就是抑制存储过程中的噪声干扰。 体全息数据存储对其所依赖的光学系统有很高的要求，其中每一个器件的 非理想特性都有可能引入噪声，最终导致再现图像的失真，即被噪声烦扰。对 于噪声抑制方法的研究一直贯穿于体全息数据存储研究的整个过程，要想有效 的抑制噪声的影响，必须先了解噪声产生的根源和表现。体全息数据存储中的 噪声可以分成系统噪声和全息图噪声田1 两大类，本节将对这两大类噪声源做一 初步分析，并列举部分已有的处理方法。 第2 8 页 第三章系统中的噪声分析和抑制方法 3 2 1 系统噪声 系统噪声主要包括透镜产生的相差、空间光调制器s l m 的缺陷、探测器噪 声和电子线路的电子噪声、透镜和其他光学元件的散射和多次反射、激光束的 不均匀性和涨落、激光散斑噪声，以及s l m 像元与c c d 像元之间的错位偏差 等。 3 2 1 1 光学表面多重反射噪声 体全息数据存储是使用相干光学方法将数据存储在光折变晶体中，通常采 用具有高度空间相干性和时间相干性的激光作为光源。这些高度相干的光束在 系统中会通过相互干涉引入光学噪声。 由于光学元件( 包括存储介质) 与空气的折射率不同，每个折射率突变的 表面都会反射部分入射光，系统光路中的光学元件表面对入射光束多次反射， 结果形成了干扰光波，它与所需要的输出光之间是相干的，从而会形成复杂的 干涉条纹。这些光路中形成的干涉条纹最终与物光叠加，被当作输入数据记录 在存储晶体中。当读出数据时，用参考光再现的物光中，除了再现出这些已被 记录的干涉条纹以外，再现光路中的光学元件也会在成像平面形成干涉条纹。 对于此类光学噪声，通常将系统中光学元件以及记录介质表面都镀上反射 膜，以降低多重反射形成的干涉条纹。 3 2 1 2 激光散斑噪声 激光光束的高度相干性使得系统光学器件中的缺陷和杂质对光束发生散射 时，这些散射波相干并叠加在物波中，进而在再现图像中形成具有高斯分布的 光学噪声散斑噪声。光学散斑噪声也会严重的影响再现图像的质量，它是全息 存储过程中固有的噪声，光束的相干性越强，散斑噪声越严重。 对于散斑噪声，人们已经有了充分研究，从减小光束的时间相干或空间相 干性入手，提出了多种方法来减小全息存储过程中的散斑噪声【1 5 】【1 6 1 。 3 2 1 3 探测器及电子线路的噪声 探测器和电子线路的电子噪声主要是采用c c d 以及一些外围电路等电子设 备引入的噪声干扰，它主要包括电荷载流子的热噪声和散弹噪声、低频噪声、 c c d 噪声、a d 转换引入的量化噪声等。 第2 9 页 第三章系统中的噪声分析和抑制方法 热噪声是由电荷载流子的随机热运动所产生的噪声，它与器件的温度有关， 是一种白噪声。通常通过降低器件温度来减小它的影响。散弹噪声是由于半导 体内的电流是由许多微小的电流脉冲之和组成，于是电流表现出随机的起伏而 引起的噪声。它与通过半导体的直流电流有关，也是一种白噪声。 低频噪声是一种闪烁噪声，其噪声功率谱密度随频率的增加而降低，与电 子器件的材料有关。 c c d 噪声包括多种对真实信号产生影响的噪声。除包含上述几种噪声外， 还包括暗电流噪声，它也是一个随机过程。但它在整个器件上不是完全均匀的， 并且对测量的结果影响很大。通常采用性能较好的c c d 并且通过对c c d 制冷 的方法抑制这种噪声。 a ，d 转换的量化噪声是由于采用有限字长表示的量化值代替幅度连续的模 拟值而产生的一种噪声。增加量化位数能有效抑制这种噪声。 3 2 2 全息图噪声 全息图噪声主要包括记录介质的散射噪声、复用全息图的页间串扰噪声、 页内串扰噪声、衍射效率不均匀等。 3 2 2 1 记录介质的散射噪声 体全息记录介质中的缺陷和杂质会散射入射光，形成再现图像中的散射噪 声。当用光折变晶体作为记录介质时，晶体中的缺陷和杂质在不均匀光照条件 下还会导致“扇形”散射光，即一部分入射光偏离原来的传播方向，向周围扇 形散开。存储过程中，扇形散射光同时被记录下来；再现时，一部分扇形散射 光与再现信息光束的传播方向相同，叠加在了再现图像中，因而被称为扇形噪 声( f a n i l i n gn o i s e ) 【2 4 】。 尽管这部分光的能量很小，只是入射光强度的l 1 0 4 1 1 0 5 ，但由于光折变 晶体内部的耦合效应，这部分光与入射光经过耦合而被放大，形成了较强的扇 形散射。它会消耗一部分记录光的能量，降低有用信息的记录强度和再现图像 的强度，严重时会影响存储图像质量和衍射效率。 对于这种噪声，可以通过提高记录介质的质量、掺入某些杂质改变光折变 晶体的部分性能或采用相应的存储技术来抑制。 第3 0 页 第三章系统中的噪声分析和抑制方法 3 2 2 2 页内串扰噪声 页内串扰指的是一幅数据页中各个像元在再现图像中彼此之间的干扰，它 产生的原因是由于存储系统的信号带宽不足而造成了带宽之外的高频信号被抑 制甚至丢失，导致再现图像于图像模糊不清。 任何一个实际的光学成像系统的孔径都是有限的，因而有一定的空间带宽 限制。包括各种频率成分的物光波在通过成像系统后，超出系统空间带宽的那 一部分频率成分会损失掉【1 】【4 】。同样，体全息数据存储系统也会损失物体中的高 频信息，从而使得同一幅再现图像的像元之间产生串扰，影响再现图像的质量。 其中，当存储的是傅立叶变换全息图时，成像孔径和全息图尺寸两者空间带宽 的较小值决定了系统的空间带宽( 通常情况下为全息图尺寸) 。当页面内像元数 量较大时，这种干扰表现出随机的统计性质，因而被视为噪声。 只有无限宽的传输带宽、精确的c c d 采样和系统放大倍数才能完全消除页 内串扰，这在实际系统中是不可能的，