CN103136737B - 用于将合成全息图合并于半色调图像中的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将合成全息图合并于半色调图像中的方法。一种用于将合成全息图合并于场景图像中的方法，所述方法包括以下步骤：从所述场景的第一图像形成第一矩阵和第二矩阵，所述第一矩阵包括根据所述第一图像的对应像素的灰度级的两个色调的像素，所述第二矩阵的各个元素包括所述第一图像的对应像素和所述第一矩阵的对应像素之间的灰度级差值的值;基于第二图像形成第三矩阵;形成第四矩阵，所述第四矩阵具有均包括中心区域的像素，所述中心区域具有由所述第二矩阵的对应元素确定的且根据所述第三矩阵的对应像素在像素中偏离中心的表面区域;以及根据由所述第四像素矩阵定义的图案在板的表面上进行不透明层的光刻。

Description

用于将合成全息图合并于半色调图像中的方法
技术领域
本发明涉及用于将合成全息图合并于可见图像中的方法。具体地说，本发明涉及将合成编码孔径全息图合并于具有灰度外观的半色调图像中的方法。
背景技术
在许多领域，特别是在奢侈品行业（例如，香水、珠宝或皮革制品），或在药品领域，打击品牌产品的仿制品是日常生活中关注的问题。目前许多方法和装置用于试图保证品牌产品的真实性。
在这些技术中，已提供将具有在其上形成的全息图的透明的芯片置于待识别的产品上。这样的全息图从可见图像获得，通过读取全息图可重新发现可见图像。全息图的存在很难用肉眼检测到，以及没有合适的读取装置的直接读取不能够识别全息图的可见源图像。
图1是示出用于形成全息图的方法的流程图。图2示出在合成编码孔径全息图的情况下通过图1的全息图形成方法获得的外观的示例。
图1中，从全息图的源图像IMAGE_H 10开始，在步骤12中计算其傅立叶变换。计算该傅立叶变换提供傅立叶变换振幅图像AH 14和傅立叶变换相位图像然后，将振幅图像14和相位图像16结合在一新图像中，该新图像对应于最终的全息图（步骤18，全息图）。可以进行振幅图像14和相位图像16的不同组合，其思想是结合执行傅立叶反变换的光学器件，利用合适的光束照射全息图，以便能够读取该全息图的源图像IMAGE_H 10。
全息图18由具有通过由计算傅立叶变换12而获得的图像的对应像素所限定的形状的许多像素形成。因此，全息图18具有与初始图像10相同的分辨率。
图2示出通过图1的方法而获得的全息图的示例，该全息图是合成编码孔径全息图，也被称为合成迂回相位全息图。图2示出由5×5个像素形成的全息图部分。参考帧（x，y）用来标记各个像素。各个像素22包括椭圆形的暗中心区域24，并且像素背景是亮的。在各个像素22中，区域24的中心沿轴线y与像素中心对齐。
各个像素中的暗区24的尺寸取决于相同坐标的像素的源图像IMAGE_H的傅立叶变换12的振幅图像14的计算结果。因此，在全息图中提供各种尺寸的区域24。
此外，在像素中各个区域24沿轴线x的中心偏移取决于相位图像相同的坐标的像素的值。
应当注意，已知不同的编码孔径全息图定义方法。例如，在像素22中的区域24的形状可以不同于本文中所提供的椭圆形形状。具体地提供根据振幅图像14尺寸可变的且根据相位图像16（沿轴线x）在像素中或多或少偏离中心的矩形区域24。
图3示出用于读取通过如图1中的方法而获得的如图2中所示的合成全息图的装置。在图3中，读取装置是反射装置。应当注意，具有类似的传输读取装置。例如，通过立方分束器32向形成在芯片36上的全息图34（未详细示出）发射光束30。全息图34的像素反射该光束。
由全息图反射的光束返回穿过立方分束器32，然后由透镜38组合，该透镜38具有对接收的光束施加傅立叶反变换，以在置于透镜的焦点处的显示装置（未示出）上显示图像的功能。
应当注意，如果在形成全息图的过程中提供全息图的相位密钥加密，则类似于该相位密钥的波板应被置于图3的读取装置中以读取全息图。
已经提供用于将全息图合并于图像中的技术。Joseph Rosen和Bahram Javidi在Appl.Opt.40,第20,3346-3353号发表的题目为“在半色调图像中的隐藏的图像（Hiddenimages in halftone pictures）”的文章中，公开了这样的技术。
图4A和图4B分别示出第一图像40和第二图像42，第一图像40具有灰度外观，第二图像42由第一图像产生且具有合并在其中的合成编码孔径全息图。通过上述出版物中所描述的方法来获得第二图像。
图4A是通过灰度图像的半色调而获得的图像。目前使用的半色调方法，例如，在印刷工艺中的半色调方法，包括与初始灰度级像素的各个色调有关的像素，该像素包括在黑色背景上的白色中心区域（或在白色背景上的黑色中心区域），中心区域根据灰度图像的等效像素的色调呈现可变的尺寸。在视觉上，远离图像移动，半色调图像和灰度图像看起来是相同的。
应当注意，通常利用足够高的分辨率来进行半色调技术，这是因为半色调对肉眼是不可见的。
图4B的图像42是从图4A的图像40获得的并且合并了合成全息图。在图像42中，根据待被合并的全息图，通过修改具有不同像素的中心区域的尺寸和对准而合并全息图。
例如，通过例如与滤波器相关联的图3中的装置读取图4B的图像，提供用于形成全息图的源图像。
上述技术的缺点显示在图4B中：实际上，在该图中可以看出，某些偏离中心的亮区域叠加到其他相邻像素的亮区域。这种叠加意味着显著的信息损失，这是不可取的。
因此，这种合并负面地影响编码全息图的读取。此外，上述技术意味着较差的灰度对比度和明显的相位编码限制。
发明内容
本发明实施方式提供一种克服现有技术的将全息图合并于图像中的全部缺点或部分缺点的方法。
更具体地，本发明实施方式提供一种能够将全息图合并于具有良好的质量以用于直接读取的灰度图像中的方法。
因此，本发明实施方式提供一种用于将合成全息图合并于场景的可直接观察到的图像中的方法，所述包括以下步骤：定义所述场景的第一图像，所述第一图像包括灰度像素;基于所述第一图像形成第一矩阵和第二矩阵，根据所述第一图像的对应像素是否具有大于阈值的灰度值或小于阈值的灰度值，所述第一矩阵包括第一色调的像素和第二色调的像素，所述第二矩阵的各个元素包括等于所述第一图像的对应像素和所述第一矩阵的对应像素之间的灰度值之差的值;通过计算源自所述全息图的第二源图像的图像的傅里叶变换的相位图像来形成第三像素矩阵;形成第四像素矩阵，所述第四像素矩阵的各个像素包括中心区域，所述中心区域具有基于所述第二矩阵的对应元素确定的且根据所述第三像素矩阵中的对应像素而在像素中偏离中心的表面区域;以及根据由所述第四像素矩阵定义的图案在板的表面上进行不透明层的光刻，如果所述第一矩阵的等效像素是所述第一色调的像素，则光刻用于从像素中去除所述中心区域内的不透明层，如果所述第一矩阵的等效像素为第二色调的像素，则光刻用于去除所述中心区域外的不透明层。
根据本发明实施方式，根据第五像素矩阵的对应像素的值计算所述第四矩阵的各个像素的所述中心区域的尺寸，通过计算在像素中限定的孔的衍射幅值来获得所述第五矩阵的各个像素，所述孔的表面积与所述像素的表面积的比率等于所述第二矩阵的对应元素的值。
根据本发明实施方式，所述第五矩阵IMAGE_GA的像素的幅值Ah nm根据下列关系式取决于所述第二矩阵的对应元素的值Inm：
其中，J1为第一贝塞尔函数。
根据本发明实施方式，通过执行下列步骤来获得所述第三矩阵:（a）通过执行与能够从所述第二矩阵获得所述第五矩阵的步骤相同的步骤，来计算从所述全息图的所述第二源图像获得的第六振幅矩阵;（b）将所述第六振幅矩阵的像素与随机相位分布结合或将所述第六振幅矩阵的像素与连续分量结合以获得复值;以及（c）计算所述复值的傅里叶变换的相位图像。
根据本发明实施方式，通过利用所述第五矩阵的优化方法来获得所述第三矩阵。
根据本发明实施方式，所述优化方法包括如下步骤：（a）通过执行与能够从所述第二矩阵获得所述第五矩阵的步骤相同的步骤，来计算从所述全息图的所述第二源图像获得的第六振幅矩阵;（b）将所述第六振幅矩阵的像素与随机相位分布结合或将所述第六振幅矩阵的像素与连续分量结合以获得第一复值；（c）计算所述第一复值的傅里叶变换;（d）将所述第五像素矩阵的像素与由步骤(c)的傅里叶变换产生的相位图像的像素结合以获得第二复值;（e）计算所述第二复值的傅里叶反变换;（f）将所述第六振幅矩阵的像素与由步骤(e)的计算产生的相位图像的像素结合以获得新的第一复值;以及（g）重复步骤(c)以计算所述新的第一复值的傅里叶变换，所述第三矩阵对应于通过该最后一次傅里叶变换而获得的相位图像。
根据本发明实施方式，所述优化方法还包括以下步骤：重复步骤(d)至步骤(g)，所述第三矩阵对应于在多次循环重复步骤(d)至步骤(g)后在步骤(g)中获得的相位图像。
根据本发明实施方式，至少执行三次循环。
根据本发明实施方式，所述第四矩阵的各个像素中的所述中心区域的偏心值直接与所述第三矩阵的对应像素的值成比例。
根据本发明实施方式，在归一化的灰度级上，所述灰度值的阀值等于0.5±10%。
根据本发明实施方式，所述第四矩阵的各个像素的所述中心区域是椭圆形的。
根据本发明实施方式，所述第四矩阵的各个像素的椭圆形中心区域的纵横比等于π/2。
根据本发明实施方式，所述第一矩阵的所述第一色调为最小色调，所述第一矩阵的所述第二色调为最大色调，如果所述第一矩阵的等效像素具有所述第一色调，则光刻用于去除像素的所述中心区域内的不透明层，并且如果所述第一矩阵的等效像素具有所述第二色调，则光刻用于去除像素的所述中心区域外的不透明层。
根据本发明实施方式，所述第四矩阵的像素的所述中心区域的最小尺寸是被施加严格控制的。
根据本发明实施方式，在归一化的灰度级上，所述第四矩阵的像素的所述中心区域的最小尺寸对应于暗像素色调的灰度值0.02和亮像素色调的灰度值0.98。
在下文结合附图的特定实施方式的非限制性描述中将详细讨论本发明的上上述的和其他的特征和优点。
附图说明
图1是如前所述的示出已知的合成编码孔径全息图的形成方法的流程图;
图2示出通过图1的方法而获得的结果的示例;
图3示出用于读取例如通过图1中的方法而获得的例如图2的全息图的装置;
图4A和图4B如前所述分别示出半色调图像和源自图4A的图像且具有合并于其中的全息图的图像；
图5A至图5C示出用于形成在衍射方面等效的编码孔径像素的技术；
图6是示出根据一实施方式的方法的流程图；
图7示出图6的方法的步骤的结果；
图8示出源自根据实施方式的步骤获得的初始灰度图像的矩阵的元素的值的曲线；
图9是根据实施方式的全息图的像素的透视图；
图10是根据半色调像素的灰度值的全息光栅的幅值的曲线；
图11是示出根据本发明实施方式的变型的方法的流程图；
图12A至图12D示出从合并于通过图6和图11的方法形成的可见图像中的全息图根据该方法的迭代次数获得的读取结果；
图13示出了根据本发明实施方式的方法的结果；
图14A至图14D示出通过执行根据本发明实施方式的方法的变型所获得的结果；
图15示出根据本发明实施方式的方法的变型；
图16A至图16C示出通过执行根据本发明实施方式的方法的变型所获得的结果；
图17A至图17D、图18和图19示出根据本发明实施方式的方法的应用。
具体实施方式
为清楚起见，在不同的附图中利用相同的附图标记指代相同的元件。
图5A至图5C示出合成编码孔径全息图像素的等效特性，这将用于将全息图合并于灰度图像中。
这三幅图以三维方式示出透明晶片50的一部分，透明晶片50的表面限定合成编码孔径全息图的像素。所示的像素具有宽度“a”。
在图5A的示例中，所考虑的像素包括在透明背景上的椭圆形状的不透明中心区域52。实际上，可以通过在整个晶片50上沉积例如由氧化铂（PtOx）形成的不透明层（吸收的或反射的），而将不透明区域形成在晶片50上，例如，通过光刻法进行蚀刻以限定中心区域52。
在图5A所示的示例中，不透明区域52的中心在像素中以距离b（沿轴线x）向左偏离中心。如前面所示，中心偏移b取决于全息图的源图像的傅立叶变换的相位图像的对应像素。不透明区域52的尺寸是全息图的源图像的傅立叶变换的振幅图像的对应像素的图像。
当用于形成通过灰度图像的半色调所获得的图像的像素时，本文中所提供的椭圆形状具有对眼睛来说相对光滑的优点。尤其是，与图4A和图4B中的矩形形状相比，椭圆形状令眼睛更加舒适。
图5B示出与图5A的像素互补的像素。在该像素中，像素的不透明区域和透明区域相对于图5A的像素是相反的，即，与图5A的区域52具有相同的表面区域的区域54是透明的，且像素表面其余部分被不透明部分56所覆盖。
从图5B的像素获得图5C的像素，且该图5C的像素包括不透明背景56，该不透明背景56具有限定在其中的透明区域58。透明区域58的尺寸与区域54的尺寸相同。区域58相对于透明的区域54沿轴线x向右偏离中心，以使区域54和区域58之间的等效相移是π相移（相对于全息图的相位图像）。实际上，这样的相移可以通过相对于区域54以等于a/2的距离偏移区域58来获得。
根据Babinet的互补屏幕原则，就隐含的衍射图案来说，当被照亮时，图5A的像素等同于图5C的互补相移像素。鉴于此特性，思想是提供一种用于将全息图合并于具有灰度外观的半色调图像中的方法，其中，灰度图像的最暗的单元，由在不透明背景上的小尺寸的透明中心区域形成，而不是由在透明的背景上的较大尺寸的不透明中心区域形成（这是等效的）。中心区域然后移相以合并全息图，如下文中所看到的。
图6是用于将全息图合并于可见图像的方法的流程图。
一方面，所述方法的初始步骤60包括选择一场景的真实的灰度图像IMAGE_G，一旦全息图被合并于图像中则期望该灰度图像用肉眼可见；另一方面，所述方法的初始步骤62包括选择全息图的源图像IMAGE_H，期望该源图像以合成编码孔径全息图的形式合并于最终的可见图像IMAGE_F中。
基于灰度图像IMAGE_G 60，确定第一黑白图像矩阵IMAGE_GB＆W64，该图像包括第一色调的像素（例如，黑色）和第二色调的像素（例如，白色），图像60的第一色调的像素级小于阈值α（暗像素），图像60的第二色调的像素具有高于阈值α的灰度值（亮像素）。应当注意，相反的情况也是可以的，思想是区分图像60的具有低于阈值α的灰度值的像素或高于阈值α的灰度值的像素。
从图像60开始，处理装置和计算装置用于确定矩阵IMAGE_G'66，其具有与图像IMAGE_G 60的分辨率相同的大小，其中，该矩阵的各个元素包含有与图像60的对应像素的灰度值和图像IMAGE_GB＆W 64的对应像素的灰度值之间的差值成比例的值。下文将结合图8更详细地描述图像60和图像64与矩阵66之间的关系。因此，存储在矩阵66中的值以及初始图像60的对应像素的灰度值增大，直到增大至阈值，然后当图像60的对应像素的灰度值增大到高于阈值时减小（也可以是相反的情况）。
实际上，矩阵66的检测阈值与图像64的检测阈值α是相同的。优选地，在归一化的灰度级上，在图像60的中间灰度值，例如0.5±10％，且优选地0.5处选择检测阈值。
下一步骤68包括从矩阵IMAGE_G' 66获得全息光栅的幅值的图像矩阵IMAGE_GA68。下文将结合图9和图10更详细地描述图像68的像素的确定。
并行地，步骤70包括计算源自全息图的源图像IMAGE_H 62的图像的傅立叶变换。更具体地，从源图像IMAGE_H获得的振幅图像IMAGE_HA的傅立叶变换，以类似于从图像IMAGE_G'66计算图像IMAGE_GA 68的方式计算，如将在下文更详细地描述。在步骤70中计算出的傅立叶变换提供了振幅图像AH和相位图像未使用振幅图像AH。
为了提高全息图的质量，可以在傅立叶变换计算之前，将随机相位分布添加到振幅图像IMAGE_HA。该相位加扰方法对本领域技术人员是已知的。
由计算装置和处理装置执行的步骤74包括结合由傅立叶变换70产生的相位图像黑白图像IMAGE_GB＆W 64和振幅图像IMAGE_GA 68，以获得最终的图像IMAGE_F 76，该图像IMAGE_F 76具有与图像IMAGE_G 60的外观相同的外观，且合并了从全息图的源图像IMAGE_H 62中获得的全息图。
为了实现该目的，最终图像76的各个像素包括由背景环绕的中心区域，其限定如下：
-如果图像IMAGE_GB＆W 64的相同坐标的像素具有第一色调，例如，黑色，则中心区域是透明的且背景是不透明的；并且如果图像IMAGE_GB＆W64的相同坐标的像素具有第二色调，例如，白色，则中心区域是不透明的且背景是透明的;
-从图像IMAGE_GA 68的相同坐标的像素的灰度值计算在各个像素中的中心区域的尺寸;
-如果图像62的傅立叶变换的相位图像的相同坐标的像素是暗的（相位值趋于-π），则在最终图像76的相同坐标的像素中的中心区域朝向像素的一侧强烈地偏离中心，如果图像62的傅立叶变换的相位图像的相同坐标的像素是亮的（相位值趋于+π），则中心区域在图像76的相同坐标的像素中朝向像素的另一侧偏离中心，并且如果相位图像72的相同坐标的像素具有中间色调，则最终图像76的相同坐标的像素的中心区域位于像素的中心（像素中的中心区域偏离中心与图像的等效像素的值成比例）。
一旦获得最终图像IMAGE_F，则根据该图像的图案进行限定在板的表面上的不透明层的光刻。
图7示出图6的流程图的步骤，作为由所述步骤获得的图像的示例。在该图中，利用相应步骤的附图标记后跟'指代在不同的步骤中所获得的图像。在该图中，为了更好地理解，所获得的图像的半色调网屏是可见的。
图8示出从图像IMAGE_G 60形成矩阵IMAGE_G'的元素的原理。矩阵66由元素所形成，该元素具有根据图像60的对应像素的灰度值和图像IMAGE_GB＆W64的对应像素的灰度值之间的差值（绝对值）所定义的值。更具体地，该图示出根据图像IMAGE_G 60的等效像素的灰度值G，矩阵IMAGE_G'66的元素的值G'的曲线。
在该曲线中，可以看出，对于图像IMAGE_G的具有在0至0.5之间的灰度值G的像素（黑像素至中灰像素），矩阵66的元素的值G′增加至值β。
如果灰度图像IMAGE_G的像素的灰度值G在0.5和1之间（中灰像素至白像素），则矩阵IMAGE_G'的等效元素的值在阈值β和零值（当像素非常亮时）之间降低。
为了提供全息图的最佳编码，可以针对图像IMAGE_G 60的全黑像素（G=0）或全白像素（G=1），设定矩阵IMAGE_G'的元素值的最小阈值。如下文所述，这使得能够优化全息图的最后读取的外观。最小阈值通常为最大灰度值的2％或最小灰度值的2％（在归一化的灰度级上，像素的中心区域的最小尺寸对应于暗像素色调的灰度值0.02和亮像素色调的灰度值0.98）。
矩阵66 IMAGE_G'用于获得与全息图相关联的波的振幅图像IMAGE_GA68，该振幅图像用来确定最终图像IMAGE_F的像素的中心区域的尺寸。
应该注意，对于中心区域的椭圆形状，该椭圆形状可以被优化，以使得椭圆沿方向y具有等于像素边长的最大尺寸，并且像素填充率等于50％。简单的几何计算提供这一事实：椭圆的长边与其短边的比率等于π/2，使得对于椭圆的沿着等于像素宽度的方向y的一个维度，获得等于50％的像素填充率。这个比率还提供了非常流畅的视觉外观。
振幅图像68的获得需要考虑平面波的通过孔的衍射方程。
图9以三维方式示出包括由不透明背景包围的透明中心区域的像素。中心区域具有在方向y上被称为wy的尺寸和在方向x上被称为wx的尺寸。
当平面波入射到图9中孔上时，或更一般地如上文所提供的合成编码孔径全息图的座标（n，m）的衍射图案的情况下，尺寸为wxnm和wynm的图案产生幅值Ah nm的球形衍射波，该幅值Ah nm通过下列非线性关系而取决于孔的参数：
J1为第一贝塞尔函数。应当注意，为获得相位的最佳编码，考虑孔的椭圆形状以使wy>wx。
在灰度图像中，相对于像素表面归一化的像素的暗中心部分的表面设定观察者所感知的色度（hue）。色度Inm通过下列关系式而取决于像素的形状：
为获得初始图像IMAGE_G 60的振幅图像，等式（1）被直接应用到具有下列表面区域的孔，该表面区域被限定为使得孔的表面积与像素的表面积的比率Inm对应于矩阵IMAGE_G'66的相应元素的值。为提供振幅图像IMAGE_GA 68的良好清晰度，可以将阈值β设置为0.5（该孔的表面积对应于像素的表面积的一半）。从而获得能够计算图像IMAGE_F的像素的中心区域的尺寸的关系式。
实际上，孔的纵横比被限定为ρ=wy/wx，且wy局限于等于1的最大值（归一化的像素边）。上述两个等式根据ρ提供矩阵IMAGE_G'的对应元素Inm的值和由像素衍射的波的幅值Ah nm之间的关系，如下所示：
因此，上述等式将矩阵IMAGE_G'的元素，并且因此将初始图像IMAGE_G的对应像素的灰度值，与图像IMAGE_GA的相同坐标的像素的幅值联系起来，即，与最终图像IMAGE_F的像素的中心区域的尺寸联系起来。
图10提供对于不同的ρ值的该传递函数的表示。应该注意，椭圆形图案的选择将强度值的范围限制到wx=1且wy=1，即，在像素中的最大强度0.8。
超过此值，该图案超出单元格限制且相位编码的质量降低。在上述方法的情况下，强度Inm局限于由图8中的曲线预定义的阈值α，即，0.5。为了优化所选择的波的幅值同时保持准圆形的图案形状，优选选择ρ=π/2，如上文所述，在这种情况下，公式（3）简化为：
应当注意，为简化该传递函数的编程，贝塞尔函数可以被其具有良好精度的级数展开所替换，级数展开提供下列等式：
因此，由图6的方法获得的最终图像的像素具有包含中心区域的半色调结构，该中心区域具有基于矩阵IMAGE_G'的相同坐标的元素由上述等式限定的全息光栅幅值。
有利地，图6的方法能够获得一图像，该图像具有与灰度图像IMAGE_G的外观相同的外观，并且隐藏可被直接读取的合成编码孔径全息图。然而，由于全息图IMAGE_H的傅里叶变换的振幅图像AH已被振幅图像IMAGE_GA抑制和替换，因此该方法不是最优的。因此，如将在下文描述的，图像IMAGE_H重建的质量下降。
应当注意，具有在图6的步骤70中计算出的傅立叶变换的振幅图像IMAGE_HA是通过与从矩阵IMAGE_G'66获得图像IMAGE_GA 68的方法相同的方法从源图像IMAGE_H 62获得的，即，通过计算由孔衍射的幅值，该孔的尺寸取决于源图像IMAGE_H的等效像素的灰度值。
图11示出提供由振幅图像IMAGE_HA和振幅图像IMAGE_GA的傅立叶变换产生的相位图像的优化方法，该方法能够克服上述方法在读取阶段的质量损失。
本文中提供的用于优化强加给最终图像的相位图像的方法是Gerchberg和Saxton在Optik,第35卷,237-246上发表的题为“用于从图像和衍射平面图片确定相位的实用算法（A pratical algorithm for the determination of the phase from imageanddiffraction plane pictures）”的文章中描述的迭代优化方法。
以与确定由矩阵IMAGE_G'66产生的全息光栅IMAGE_GA的幅值的方法类似的方法，从全息图的源图像IMAGE_H 62确定该图像的振幅图像IMAGE_HA 80。
在下一步骤82中，将振幅图像IMAGE_HA 80和由相位加扰类型的随机相位分布或由连续相位分量产生的初始化相位分量83结合，以获得复值（进程初始化）。然后，在步骤84中计算在步骤82中得到的复图像的傅立叶变换。
不予考虑通过步骤84的傅里叶变换获得的振幅图像A（正如在图6中的振幅图像AH）。在步骤86中，通过结合从灰度图像60获得的振幅图像IMAGE_GA68和在步骤84中获得的相位图像来计算复值。
在步骤88中，计算在步骤86中获得的复值的傅立叶反变换。所获得的结果的振幅图像A不予考虑。通过该傅立叶反变换获得的相位图像代替步骤的初始化相位分布，结合振幅图像IMAGE_HA被引入步骤82的输入端。由于考虑到图像IMAGE_GA68，重复在步骤82中获得的复值的傅立叶变换的计算步骤84，以获得优化的相位图像（步骤90）。可以多次重复步骤82至步骤88的循环以优化在步骤90中得到的相位图像
在步骤90中得到的相位图像可以通过取代相位图像72而直接使用在图6所示的方法中。事实上，由于进行了上述循环，因此相位图像不仅合并源于全息图的源图像IMAGE_H的数据，还合并校正元素，该校正元素能够抵消一事实：获得的最终图像IMAGE_F的像素的中心区域的尺寸不依赖于全息图的源图像，而是依赖于可见灰度图像IMAGE_G的灰度值。进行相位图像的改进的上述循环能够改善合并于半色调图像中的全息图的读取。应当注意，可以视需要经常重复上述循环，使得步骤90的最终相位图像包括由于没有使用全息图的源图像的傅立叶变换的振幅图像而导致的信息损失的有效校正。
在数次迭代后获得用于图6的方法中的优化相位图像如下文中描述的，迭代次数可以变化。
图12A示出全息图的源图像IMAGE_H的示例。图12B、图12C和图12D示出了基于诸如图3中的读取装置在通过图6的方法而获得的半色调图像上获得的模拟结果。
更具体地说，图12B示出在没有执行图11的相位图像的调整循环的情况下利用图6的方法而获得的图像的读取，图12C示出通过执行图11的调整循环三次利用图6的方法而获得的图像的读取，以及图12D示出通过重复图11的调整循环300次利用图6的方法而获得的图像的读取。
在这些图中，应当注意，考虑到由全息图的源图像的傅立叶变换的振幅的信息的初始损失，图11的优化方法的执行（即使是小数目的循环）提供了施加到最终图像的相位图像的有效校正。
实际上，在仅进行图11的循环的三次迭代后通过图6的方法而获得的图像(图12C)的读取具有非常好的质量，具有与图12D的读取几乎相同的质量。
在上述方法的情况下，灰度图像可视化的质量是所期望的优点。
图13示出在示出栅格的屏幕分辨率下（像素的中心区域的纵横比ρ=1.5）从示为插入物的图像获得的结果。当在足够的距离处观察图像时，灰度外观质量是相当令人满意的，图像的距离引入视觉模糊，从而消除半色调效果。
为了模拟这种模糊的效果，已经试图采用宽度为2像素和4像素的高斯模糊人为地模糊图像。图14A和图14B示出获得的结果，图14D示出初始图像，图14A和图14B的图像源自该初始图像：由于半色调图案的连接处的一定的位移，因此图像上出现间隔。
正如前面所讨论的，通过分配给该像素的相位值来限定半色调图案的位置。如果两个连续的像素有显著不同的相位值，图案之间的距离也将显著。根据半色调背景是否是亮的或暗的，这种差异将转化为白点或黑点的出现
图15示出灰度图像IMAGE_G的细节，基于该灰度图像IMAGE_G计算图像IMAGE_GA和这些值使得能够计算图像IMAGE_F中所示的图案的分布。可以看出，在相位从最大值（的白像素）切换到最小值（的黑像素）的位置处，获得两个图案的相对的中心偏移，这导致“真空“的出现。在高斯模糊操作后，这个真空会转化为在生成的图像IMAGE_F上出现暗像素。
如果重构图像的检测必须与原始图像严格一致，则这种现象是令人烦恼的。在数据保存中通常是这种情况。
然而，这种效果可以被减小。为实现该目的，可以提及下列方法：
-在模拟写入和检测效果后，修改源图像，以期望遮住或变亮某些像素;
-将幅值的修改直接引入相位计算环路中以考虑存在的相移。
-对源图像IMAGE_G进行过采样，以便在没有图像分辨率损失的情况下增加模糊。
在图14C中示出以因子2过采样、同时保持2-像素图像模糊的图像上的最后的方法的结果。可以清楚地观察到灰度外观的改进。
图16B和图16C示出了对上文提供的半色调图像通过现有技术进行模糊处理的结果，其初始图像如图16A所示。在现有技术的情况下,如同在本发明实施方式中缺少暗单元和亮单元会导致单色调的缺陷，既，本发明示例中亮色调的缺陷。因此，当这样的缺陷出现在相反色调的背景（图16B和图16C）下时，会尤其可见。本文中提供的方法解决了这个问题。
可以设想上述方法的许多应用。
第一应用涉及图像的模拟存储。所提供的解决方案由于可视保存模式而允许图形数据的长期保存。在不经过数字解码的情况下进行数据复原，并且数据复原不会有读取格式过时的风险。
该解决方案的缺点是具有相对较长的数据复原模式，因此，其解决方案可以是在保留模拟存储的持久性的同时，利用数字数据复原的迅速性。
以1,000×1,000像素、被编码成超过256个灰度值（1字节）的图像为例。在未压缩的位图格式下，它的数字容量大约是103ko。
本发明的思想是编码全息图的源图像IMAGE_H的数字版本。为了使检测更容易，假定只有50％的全息图表面区域是可利用的，选择全息图的源图像IMAGE_H的二进制表示。此限制是由于在相干光学中获得无噪声图像的难度。这将导致对应于像素的数量的50%的位存储容量。获得约62ko的数字容量。可以通过存储原始图像IMAGE_G的压缩图像（例如，以jpeg格式）来获得文件大小的减小。
因此，用户可以在压缩格式的数字图像的快速数字检测和原始格式的原文件的慢速模拟检测之间选择。
应该注意，压缩格式的图像的检测也可以用来提高重构源图像的质量，特别是帮助校正粒度效应。
图17A至图17D示出了根据这个原理的图像IMAGE_G的两个示例，图17A和图17C为全视图，图17B和图17D为放大图。更具体地，图17A示出了以位图格式的具有1,000-ko尺寸的图像且17B示出以jpeg格式的具有62-ko尺寸的图像。
在相同的应用领域中，也可以提供变型以增加模拟存储介质的表面区域容量。
除了模拟数据，该存储介质必须能够保存与音像文件相关联的元数据。该数据包含在数字文件背景中且可能涉及所有形式的信息（文件名、创建日期、文件格式、注释等）。可以以二进制格式（字符序列）可视化这些信息且这些信息可以接受一些质量损失（格式次于内容）。因此，这种类型的数据有效地应用于合成全息存储。
图18示出该应用。激光束穿过形成在载体100上且具有灰度视觉外观的图像的半色调表示。在傅里叶透镜102的后面，相关的元数据104是可见的。通过激光和简单设计的光学元件，可视地获得这些元数据。有利地，对元数据内容的获取不依赖于数字解码格式。
重新数字化模拟数据是一漫长的过程，图像IMAGE_G的半色调表示必须成像在阵列传感器上，以恢复原始灰度像素矩阵。此过程是由连续的图像拍摄，其后将拍摄图像放在一起来进行的。如果图像中几乎没有细节，则放在一起可能是复杂的。
一种解决方案可以是在图像内部布置对齐的全息图，如在图19中示出。
半色调表示104呈现出一系列全息图106。每个全息图106在傅立叶透镜108的焦平面上形成在特定坐标上的亮点110。如果探测光束恰好在4个全息图的交叉处，则在读取平面上检测到四个不同的光点110。因此，可以通过检测这些亮点来控制在具有形成在其上的全息图的板的光轴上的定位。因此，这个系统可以通过将自身定位在特定位置上来扫描图像，在这个位置上，独立于图像的视觉内容，这四个点的强度是平衡的。
本文中提供的方法的另一应用是ID证件的安全性，更广泛地说是任何类型的证件的安全性，这个应用已经不在模拟存储的场景中。可以设想，在ID的照片中编码能够确保文件的真实性的全息图。
已描述了本发明的特定实施方式。本领域技术人员可以容易地进行各种变型、修改和改进。尤其是，可以提供将编码孔径全息图集成于具有灰度外观的半色调图像中的其它应用。此外，应当注意，已知的全息图的加扰方法可以提供为结合本文中所描述的方法，已知的全息图的加扰方法意味着不能直接读取全息图的。在这种情况下，可以设置成利用如图3的读取装置读取全息图的情况下使用相位密钥或读取掩码。
上文已经描述了具有不同变型的各种实施方式。应当注意，本领域技术人员可以无需任何创新性结合各种实施方式以及变型中的各种元素。
这样的变型，修改和改进意图为本发明的一部分，并且意图包含在本发明的精神和范围之内。因此，前面的描述仅作为示例的方式，并未意图限制本发明。本发明的仅受限于所附权利要求书及其等同内容。

Claims (15)

1.一种用于将合成全息图合并于场景的可直接观察到的图像中的方法，所述方法包括以下步骤：
定义所述场景的第一图像(IMAGE_G)，所述第一图像包括灰度像素；
从所述第一图像形成第一矩阵和第二矩阵，根据所述第一图像(IMAGE_G)的对应像素具有大于阈值α的灰度值或小于阈值α的灰度值，所述第一矩阵(IMAGE_GB&W)包括第一色调的像素或第二色调的像素，所述第二矩阵(IMAGE_G')的各个元素包括等于所述第一图像(IMAGE_G)的对应像素和所述第一矩阵(IMAGE_GB&W)的对应像素之间的灰度值之差的值；
通过计算源自所述全息图的第二源图像(IMAGE_H)的图像的傅里叶变换的相位图像来形成第三相位图像
形成第四像素矩阵(IMAGE_F)，所述第四像素矩阵的各个像素包括中心区域，所述中心区域具有基于所述第二矩阵(IMAGE_G')的对应元素确定的且根据所述第三相位图像的对应像素而在像素中偏离中心的表面区域；以及
根据由所述第四像素矩阵(IMAGE_F)定义的图案在晶片的表面上进行不透明层的光刻，如果所述第一矩阵(IMAGE_GB&W)的等效像素为所述第一色调的像素，则光刻用于从像素中去除所述中心区域内的不透明层，如果第一矩阵(IMAGE_GB&W)的等效像素为所述第二色调的像素，则光刻用于去除所述中心区域外的不透明层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据第五振幅图像(IMAGE_GA)的对应像素的值计算所述第四像素矩阵(IMAGE_F)的各个像素的所述中心区域的尺寸，通过计算在像素中限定的孔的衍射幅值来获得所述第五振幅图像(IMAGE_GA)的各个像素，所述孔的表面积与所述像素的表面积的比率等于所述第二矩阵(IMAGE_G')的对应元素的值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第五振幅图像(IMAGE_GA)的像素的幅值Ah nm根据下列关系式取决于所述第二矩阵(IMAGE_G')的对应元素的值Inm:
A n m h = I n m 2 . J 1 ( 8 I n m )
其中，J1为第一贝塞尔函数。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，通过进行下列步骤来获得所述第三相位图像
(a)通过执行与能够从所述第二矩阵(IMAGE_G')获得所述第五振幅图像(IMAGE_GA)的步骤相同的步骤，来计算从所述全息图的第二源图像(IMAGE_H)获得的第六振幅矩阵(IMAGE_HA)；
(b)将所述第六振幅矩阵(IMAGE_HA)的像素与随机相位分布结合或将所述第六振幅矩阵(IMAGE_HA)的像素与连续分量结合以获得复值；以及
(c)计算所述复值的傅里叶变换的相位图像。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，通过利用所述第五振幅图像(IMAGE_GA)的优化方法来获得所述第三相位图像
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述优化方法包括下列步骤：
(a)通过执行与能够从所述第二矩阵(IMAGE_G')获得所述第五振幅图像(IMAGE_GA)的步骤相同的步骤，来计算从所述全息图的第二源图像(IMAGE_H)获得的第六振幅矩阵(IMAGE_HA)；
(b)将所述第六振幅矩阵(IMAGE_HA)的像素与随机相位分布结合(82)或将所述第六振幅矩阵(IMAGE_HA)的像素与连续分量结合(82)以获得第一复值；
(c)计算(84)所述第一复值的傅里叶变换；
(d)将所述第五振幅图像(IMAGE_GA)的像素与由步骤(c)的傅里叶变换产生的相位图像的像素结合(86)以获得第二复值；
(e)计算(88)所述第二复值的傅里叶反变换；
(f)将所述第六振幅矩阵(IMAGE_HA)的像素与由步骤(e)的计算(88)产生的相位图像的像素结合(82)以获得新的第一复值；以及
(g)重复步骤(c)以计算(84)所述新的第一复值的傅里叶变换，所述第三相位图像对应于通过最后一次傅里叶变换而获得的相位图像。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述优化方法还包括以下步骤：重复步骤(d)至步骤(g)，所述第三相位图像对应于在多次循环重复步骤(d)至步骤(g)后在步骤(g)中获得的相位图像。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，至少执行三次循环。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第四像素矩阵(IMAGE_F)的各个像素的所述中心区域的偏心值直接与所述第三相位图像的对应像素的值成比例。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在归一化的灰度级上，所述灰度值的阈值α等于0.5±10％。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第四像素矩阵(IMAGE_F)的各个像素的所述中心区域是椭圆形的。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第四像素矩阵(IMAGE_F)的各个像素的椭圆形中心区域的纵横比等于π/2。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一矩阵(IMAGE_GB&W)的所述第一色调为最小色调，所述第一矩阵(IMAGE_GB&W)的所述第二色调为最大色调，如果所述第一矩阵(IMAGE_GB&W)的等效像素具有所述第一色调，则光刻用于去除像素的所述中心区域内的不透明层，并且如果所述第一矩阵(IMAGE_GB&W)的等效像素具有所述第二色调，则光刻用于去除像素的所述中心区域外的不透明层。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第四像素矩阵(IMAGE_F)的各个像素的所述中心区域的最小尺寸被施加严格控制。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在归一化的灰度级上，所述第四像素矩阵(IMAGE_F)的像素的所述中心区域的最小尺寸对应于暗像素色调的灰度值0.02和亮像素色调的灰度值0.98。
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