[发明专利]反射式离轴数字全息再现像中的噪声抑制新方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种改善反射式离轴数字全息再现像质量的方法，具体如下：改善再现像质量是针对再现像中零级像和散斑噪声，对于零级像，利用高斯核函数的低通特性，通过在空域数字全息图与高斯核函数做卷积运算，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，经过上述方法的处理可以抑制零级像；对于散斑噪声，采用改进后的非局部均值滤波进行抑制。

背景技术

数字全息技术随着CCD性能的提高和计算机运算速度的加快，已经取得了明显的进步。如今，该项技术已被广泛应用于科学实践中。例如，成功应用于活细胞观测、透明物体形变、精密工程测量等研究中。数字全息技术虽然有着非接触、高分辨率和实时观测的优点，但再现时会受到零级像、共轭像和散斑噪声的干扰，使再现像的细节模糊不清，降低再现像的质量。因此，再现像中这些噪声的抑制是非常必要的。

离轴全息术能将实像、共轭像和零级像在空间分离，使它们之间互不干扰，因此被广泛研究。但在数字再现时，共轭像和零级像会对再现像形成干扰。尤其是零级像它占据了大部分的衍射能量。与此同时，由于物体表面的不光滑，造成散射光的随机干涉，使再现像强度起伏变化，形成颗粒状分布，即散斑分布或散斑噪声，严重影响再现像质量。所以，数字再现时零级像和散斑噪声的抑制对再现像的质量的好坏有着极其重要的影响。

对于零级像和散斑噪声的抑制，目前主要从两方面进行研究：一种方法是基于光学技术。零级像的抑制有一步和两步相移法；散斑噪声的抑制可以通过记录下不同波长记录的全息图取平均值，改变参考光的相位或者是横向移动CCD装置。光学的方法能有效抑制零级像和散斑噪声，但增加光学实验装置的复杂性，不利于实时测量。二是采用数字图像处理技术。零级像的抑制一般是从空域和频域对全息图进行预处理达到抑制零级像干扰的目的。在频域上处理需要正反傅里叶变换，处理时间较慢；散斑噪声的抑制一般采用均值滤波、小波阈值滤波和Lee滤波。均值滤波和小波阈值滤波对图像中的噪声和细节信息不加区分地进行滤波，会造成信息的大量丢失，造成图像模糊不清；Lee滤波是在乘性模型的基础上推导出来的，但是有时对噪声的静态假设与信号的实际情况不符，所以效果并不稳定。

本专利提出的目的是改善反射式离轴数字全息再现像的质量。本专利采用高斯核函数抑制零级像，改进的非局部均值滤波抑制散斑噪声。在空域中对再现像进行处理，零级像得到了有效地抑制，与频域法比较，该法抑制零级像效果好，速度较快，适合动态测量。在双核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奖牌零级像用时0.61s，频域高斯高通滤波抑制法用时2.18s。采用改进后的非局部均值滤波在抑制散斑噪声的同时能较好地保持图像中的细节信息，提高再现像质量。

发明内容

本发明的目的在于改善反射式离轴数字全息再现像的质量：首先利用高斯核函数与数字全息图做卷积运算，提取低频信息，再利用原数字全息图减去获得的低频信息就可以获得无零级像干扰的数字全息再现像；然后在无零级像干扰的再现像上的基础上利用改进的非局部滤波进行散斑噪声的抑制，最后得到高质量的再现像。

本发明的具体实现步骤如下：

1、反射式离轴数字全息图的记录：采用图1所示的数字全息实验光路，记录下数字全息图，如图2(a)所示。

2、零级像的抑制：首先利用高斯核函数与步骤1记录下来的数字全息图卷积提取低频信息，然后利用原数字全息图减去获得的低频信息，最后得到无零级像干扰的数字全息图。在此基础之上，采用菲涅耳积分对无零级像干扰的数字全息图再现，就可以抑制再现像中的零级像，如图2(c)所示。

3、散斑噪声的抑制：在步骤2的基础之上，利用改进的非局部均值滤波对散斑噪声进行抑制。设计窗函数截取图2(c)中实像得到如图3(a)的结果，从图3(a)可以看出图像中存在大量散斑噪声，使图像模糊不清，影响了图像的质量，所以必须进行散斑噪声的抑制。非局部均值滤波(NLM)是由Buades等人提出的，它的基本原理如下：假设一幅含噪图像z={z(i)|i∈Ω}，Ω是图像空间，对其中像素i的估计由公式(1)给出，它是图像中其他像素