CN108388102B - 一种低频抑制的随机多元搜索二值化相位全息图生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低频抑制的随机多元搜索二值化相位全息图的生成方法，该方法包括如下步骤：(1)将原始图像的傅里叶频谱分为低频和高频两部分，对低频区振幅较高的区域进行抑制；(2)对抑制后的图用GS迭代法，在迭代中逐步进行二值化；(3)将二值化的结果用改进后的随机多元搜索法迭代得到二值化相位全息图。该方法将二值化相位全息图设计成分频段并对低频区进行抑制，配合GS迭代法和改进后的随机多元搜索法，二值化相位全息图再现像质量大大提高，有助于实现动态三维全息显示。

Description

一种低频抑制的随机多元搜索二值化相位全息图生成方法
技术领域
本发明属于计算全息领域，具体涉及一种二值化相位全息图的生成方法。
背景技术
三维全息显示技术相比于二维显示技术来说，能提供满足人眼生理观察需求的所有三维场景的深度信息，被认为是最终的显示技术。计算全息与传统光学全息相比更加灵活，不仅可以记录真实物体，还可以记录虚拟物体。计算全息术通常和光致折变材料或者空间光调制器结合以实现三维显示，但是在调制过程中相位会随灰度变化，一般对全息图作二值化处理，这样不仅可以解决干扰问题，还能方便光学再现。全息图设计成相位全息图可获得任意期望的光强分布，相比于振幅全息，具有极高的衍射效率。
目前全息三维显示技术可以通过光致折变材料来实现实时的三维显示。但是常见光致折变材料的刷新速度达不到视频显示的要求而难以实现动态显示。VO2薄膜材料具有相变时间短、折射率变化大的特点，可以解决这个问题，其对计算全息图的调制是二值的，所以需要设计二值化的相位全息图来用于VO2薄膜材料，以达到动态显示的要求。
如果直接将全息图二值化，对全息图实质上是一种破坏，因为原始图像频谱动态范围大，直接二值化会一定程度上造成信息的丢失，使再现图像质量下降。在计算全息领域，GS(Gerchberg–Saxton)迭代法和直接二元搜索算法是最常见的两个算法，可以提高二值化相位全息图的再现质量。GS迭代法基于已知光强通过多次迭代来确定相位分布，大大提高了相位全息图的再现质量。直接二元搜索法对全息图上每一个点逐个逆转并判断来优化二值化相位全息图。但是，GS迭代法是一种迭代算法，多次迭代后得到的是优化后的灰度相位全息图，没有考虑到二值化过程，且不是所有情况下都会得到一个严格收敛的结果。直接二元搜索法的初始值敏感，且牺牲了计算时间来换取高质量的再现像，计算量巨大。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足和缺陷，本发明提出一种基于低频区抑制的随机多元搜索的二值化相位全息图生成方法，通过结合GS迭代法和二值化和改进后的随机多元搜索法，能够提高二值化相位全息图的再现质量。
技术方案：一种基于低频区抑制的随机多元搜索的二值化相位全息图生成方法，包括以下步骤：
(1)将原始图像傅里叶频谱分为低频和高频两部分，对低频区振幅较高的区域进行抑制。其中，低频区范围的确定包括：选取频谱图中振幅最大的一个点，以此点为中心不断扩大范围，通过计算并比较再现像RMS值直到选取出符合指定条件的低频区范围。低频区振幅较高的区域进行抑制包括：每选取到一个频率范围，找出范围内最小和最大的幅值，为最小幅值依次增加指定步长，通过计算并比较再现像RMS值保留效果最好的幅值点，作为抑制后的值。
(2)将抑制后的图用GS迭代法并在迭代过程中逐步进行二值化，最后得到一个二值化分布。逐步二值化的方法为：一个周期的相位区间内，第一次迭代以两端点和中间点为中心选取靠近该三个点的三个小相位区间的相位进行二值化，把位于中间点区间的点相位设为0，位于两端点区间的点相位设为π，然后以预设的递增梯度逐步增大二值化的相位区间，直到三个相位区间依次相交，迭代结束。
(3)将二值化的结果用改进后的随机多元搜索法迭代得到二值化相位全息图。其中改进的随机多元搜索法将直接二元搜索法每次只翻动一个点改进为每一次翻动n个点，并且在2n种分布中保存最好的结果，多次翻动判断之后可以得到较好的二值相位全息图。
有益效果：与现有技术相比，本发明的二值化相位全息图生成方法具有以下突出的优势：
1、本发明结合了GS迭代法和直接二元搜索法的优点，再现像质量较好。该方法低频区频谱抑制引起的误差在后续的迭代中进行修正。
2、本发明针对图像傅里叶频谱高频区频谱较平滑、低频区频谱动态范围过大的特点，将物体的傅里叶频谱分为高频区和低频区，将低频区几个振幅较高的值进行抑制使频谱光滑，使频谱分布平滑，以减小二值化时的信息损失。仿真结果表明从图像频谱角度去优化设计二值化相位全息图，有助于提高二值化相位全息图再现像的质量，再现像质量评估值RMS值更小。
3、本发明在直接二元搜索法的基础上，提出了改进后的随机多元搜索法，将逐个翻转判断改进为每一次随机翻动n个点，并且在2n种分布中保存最好的结果，使各个点之间有关联地翻转并判断，解决了直接二元搜索方法中全息光栅中相位相互之间无法关联的问题，进一步提高了再现像的质量。
4、本发明的方法对各种特征图形具有普适性，结合可调控二维薄膜材料可实现动态三维显示，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为128*128分辨率的Lena图和其对应的傅里叶频谱图；
图3为128*128分辨率的Lena图傅里叶频谱中心区域具体的振幅值图示；
图4为GS迭代中逐步二值化的示意图；
图5为未经过二值化而直接数值再现的再现像；
图6为最终得到的二值化相位全息图再现像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参照图1，本发明将原始图像傅里叶频谱分为低频和高频两部分，对低频区振幅较高的区域进行抑制；将抑制后的图用GS迭代法，在迭代过程中逐步进行二值化；将二值化的结果用改进后的随机多元搜索法迭代得到二值化相位全息图。在一个具体实施例中，本发明包括以下步骤：
(1)原始图像选用图2(a)所示的128*128分辨率的Lena图，用MATLAB软件计算该图的傅里叶频谱，所得结果如图2(b)所示，对该傅里叶频谱图振幅值进行具体分析，通过计算选取出合适的低频区范围并对振幅进行抑制。
具体分析过程如下：选取频谱图中振幅最大的一个点，以此点为中心不断向周围高频区方向扩大，形成一定的范围；再针对每一个选取范围内的所有点，找出最小幅值，为该最小幅值依次增加指定步长。因为抑制后的值肯定是在最小值和最大值之间，幅值抑制的步长选取可以通过将最小幅值至最大幅值之间的范围划分为N等分，取每等分相应值的倍数实现；或者考虑计算的方便性基于实际幅值范围取一个整数值，例如每次幅值增加1e+4，直到靠近最大值。这样就获得了多个范围，每个范围内多个幅值，将每一次幅值改变后的图通过GS迭代和直接二元搜索法得到全息再现图，并计算再现像的RMS值，选取出RMS最小的一个范围和幅值点，即是最合适的低频区范围和抑制值。图3示出了中心区域振幅值的具体取值情况，如图3所示，选取以2.02e+6点为中心的振幅值较大的11个点(背景为白色区域)作为低频区，并将其振幅抑制为8e+4。
(2)将抑制后的图像用GS迭代法多次迭代，并在迭代中逐步二值化最后得到二值化相位分布。常规情况下对相位全息图进行直接二值化，一般是选取一个阈值π，将(0-π)区间的相位置为0，将(π-2π)区间的相位置为π。也就是每次将整个π区间内的相位都置为π，造成了大量的误差。针对这个问题，本发明采用逐步迭代法进行二值化，一个周期的相位区间内，第一次迭代以两端点和中间点为中心选取靠近该三个点的三个小相位区间的相位进行二值化，把位于中间点区间的点相位设为0，位于两端点区间的点相位设为π，然后以预设的递增梯度逐步增大二值化的相位区间，直到三个相位区间依次相交，迭代结束。初始小相位区间以及相位递增梯度的选取可以根据迭代次数进行均分设置。如图4所示，先选取靠近-π、0和π的①②③小区间内的相位值进行二值化，其中①③范围内置为π，②范围内为0，后面迭代过程中逐步增大每个区间，直至三个区间相交，此时将-π/2到π/2区间内的相位都置为0，将其余区间内的相位都置为π。小区间和递增梯度的选择跟迭代的次数相关，例如迭代300次，中间小区间②左侧最后一次会逐步扩大到在-π/2点，如果初始取(-π/2)/300这个位置，那么正好300次之后到达-π/2。最后一次和选取一个阈值π直接二值化的范围一样，但是本方法中逐步扩大区间能够减少信息丢失。图5为未经过二值化而直接数值再现的再现像，再现质量较好，可以作为二值化全息图再现质量的上限。
(3)将二值化相位全息图作为初始值带入随机多元搜索法进行迭代。
随机多元搜索法将直接二元搜索方法(依次翻动每一个点并计算RMS值判断是否保留翻转，各点相位相互之间无关联)改进为随机获取一些幅值比较接近的点，同时翻转这几个获取的点并计算得到最好的情况，具体过程如下：随机获取n个点，其他点分布不变。这n个点中每一个点二值可能是0或者π，n个点二值化一共有2n种情况，在本实施例中n取值范围为3-5。在2n种分布中，遍历计算每一种情况的RMS值，在这2n种情况中取RMS值最小的情况，保留这个分布的结果。
重复执行上述过程，保证随机数能够取到所有图像的所有点，直到得到较好的二值相位全息图，如图6所示。当再现像RMS值不再进一步减小时，就得到了一个再现质量较高的二值化相位全息图。
在其他条件相同的条件下，采用本发明的方法与传统GS迭代法和直接二元搜索法相比，再现图像的RMS值有了显著提高，具体如下表所示：
表1本发明与其他方法再现像的RMS值对比
Figure GDA0002559696840000041
Figure GDA0002559696840000051

Claims (3)

1.一种低频抑制的随机多元搜索二值化相位全息图生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将原始图像的傅里叶频谱分为低频和高频两部分，对低频区振幅较高的区域进行抑制，所述低频区的选取包括：选取频谱图中振幅最大的一个点，以此点为中心不断扩大范围，通过计算并比较再现像RMS值直到选取出符合指定条件的低频区范围；所述对低频区振幅较高的区域进行抑制包括：每选取到一个频率范围，找出范围内最小和最大的幅值，为最小幅值依次增加指定步长，通过计算并比较再现像RMS值保留效果最好的幅值点，作为抑制后的值；
(2)对抑制后的图用GS迭代法多次迭代，在迭代过程中逐步进行二值化，迭代过程包括：一个周期的相位区间内，第一次迭代以两端点和中间点为中心选取靠近该三个点的三个相位区间的相位进行二值化，所述相位区间大小根据迭代次数I来设置，相位区间左侧起始位置相距中心点长度为(π/2)/I，把位于中间点区间的点相位设为0，位于两端点区间的点相位设为π，然后以预设的递增梯度逐步增大二值化的相位区间，直到三个相位区间依次相交，迭代结束；
(3)将二值化的结果利用改进后的随机多元搜索法多次迭代，生成二值化相位全息图，所述随机多元搜索法包括：随机获取n个点，其他点分布不变，这n个点中每一个点二值可能是0或者π，n个点二值化一共有2n种情况，在2n种分布中，遍历计算每一种情况的RMS值，在这2n种情况中取RMS值最小的情况，保留这个分布的结果。
2.根据权利要求1所述的一种低频抑制的随机多元搜索二值化相位全息图生成方法，其特征在于：所述预设的递增梯度根据迭代次数进行均分设置。
3.根据权利要求1所述的一种低频抑制的随机多元搜索二值化相位全息图生成方法，其特征在于：所述n取值范围为3-5。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109377504B (zh) * 2018-10-26 2021-11-30 强联智创（北京）科技有限公司 一种颅内动脉血管图像分割方法及系统
CN113238472B (zh) * 2021-04-23 2022-05-10 武汉工程大学 基于频域位移的高分辨率光场显示方法及装置
CN114442313B (zh) * 2021-12-16 2022-11-04 南京大学 一种基于多次迭代的光学超晶格优化设计方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7293712B2 (en) * 2004-10-05 2007-11-13 Hand Held Products, Inc. System and method to automatically discriminate between a signature and a dataform
CN101957171B (zh) * 2010-08-19 2012-02-01 西北工业大学 一种可有效抑制零级和共轭像的同轴数字全息方法
CN102542581B (zh) * 2010-12-18 2014-04-23 江苏慧光电子科技有限公司 全息图生成方法
CN105954994B (zh) * 2016-06-30 2018-09-28 深圳先进技术研究院 无透镜数字全息显微成像的图像增强方法

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