CN112212807B - 基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法和读取装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于图像处理技术领域，公开了基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法和读取装置，所述相位加速读取方法包括以下步骤，拍摄并获取单幅频谱强度图像；在计算迭代过程中，不同迭代次数时采用不同采样的频谱图进行计算；在评价相位图像读取效果时，用数据误码率来表征；针对不同特征输入的相位图像，通过多次数据训练进行最佳动态迭代频谱采样曲线的标定；其在图像采集过程中仍然拍摄单幅频谱图，但是在图像读取过程中，在不同迭代次数时采用不同采样的频谱图进行计算，以实现相位加速读取。
Description
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，尤其涉及基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法和读取装置。
背景技术
目前，相位图像多是依靠干涉法进行读取，其缺点是干涉结果不稳定，非常易受环境影响。另外一种相位图像读取技术依靠非干涉法记录图像传输过程中的频谱强度信息，并通过迭代计算，得到相位图像的最佳计算解。
如图1所示为非干涉相位重建的原理示意图。其中相位由空间光调制器上载，此处可以看到相位图的强度分布是均一的，因此如果直接利用光电探测器对空间光调制器上的相位分布进行探测，则只能看到均一的白色图块。而如果加入一个透镜，将光电探测器放置在透镜的后焦面上再进行探测，则可利用透镜的傅里叶变换作用，使相位图中的相位分布转化成傅里叶面的频谱强度分布，该强度分布可以被光电探测器拍到，作为非干涉相位重建的约束条件之一。有了傅里叶频谱强度分布，再利用傅里叶变换迭代算法就可以迭代计算出原始的相位分布。
在很多领域，例如数据存储、生物医疗等，对于数据的处理速度有一定要求，因此仅拍摄单幅频谱强度图并经过较少的迭代次数进行相位图像的读取是很有意义的。传统的基于单幅频谱进行相位图像读取的方法都是在计算迭代过程中利用全部频谱图，实际上并不是最快的相位图像读取方法。
发明内容
针对现有技术存在的干涉法进行读取相位图像的干涉结果不稳定，非常易受环境影响，以及非干涉法相位图像读取过程为在计算迭代过程中利用全部频谱图，影响相位图像读取速度的问题，本发明的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位读取方法和读取装置，在图像采集过程中仍然拍摄单幅频谱图，但是在图像读取过程中，在不同迭代次数时采用不同采样的频谱图进行计算，以实现相位加速读取。
本发明是这样实现的，本发明一方面提供基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法，包括以下步骤，
拍摄并获取单幅频谱强度图像；
在计算迭代过程中，不同迭代次数时采用不同采样的频谱强度图像进行计算；
在评价相位图像读取效果时，用数据误码率来表征；
针对不同特征输入的相位图像，通过多次数据训练进行最佳动态迭代频谱采样曲线的标定。
在以上方案中优选地是，相位重建后的图像数据为连续值，将所述连续值设置阈值变成离散值，使得解码出的相位为离散值。
还可以优选地，用于数据训练的数据与输入相位图像拥有同样的特征参数及系统参数。
本发明另一方面提供基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取装置，包括激光器(1)、针孔滤波器(2)、准直透镜(3)、快门(4)、同轴全息光阑组(5)、第一中继透镜(6)、第二中继透镜(7)、非偏振立体分束器(8)、二分之一波片(9)、相位调制空间光调制器(10)、第三中继透镜(11)、光阑(12)、第四中继透镜(13)、第一物镜(14)、全息材料层(15)、第二物镜(16)、平面镜(17)、傅里叶变换透镜(18)和强度探测器(19)；激光器(1)、针孔滤波器(2)、准直透镜(3)、快门(4)、同轴全息光阑组(5)、第一中继透镜(6)、第二中继透镜(7)、非偏振立体分束器(8)的一个分光面、二分之一波片(9)和相位调制空间光调制器(10)同光轴地依次设置；非偏振立体分束器(8)的另一个分光面、第三中继透镜(11)、光阑(12)、第四中继透镜(13)、第一物镜(14)、全息材料层(15)、第二物镜(16)及45°倾斜的平面镜(17)的入射光方向同光轴地依次设置；45°倾斜的平面镜(17)的反射光方向、傅里叶变换透镜(18)及强度探测器(19)同光轴地依次设置。
本发明的有益效果如下：
本发明的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法和读取装置，能够解决现有技术所存在的干涉法进行读取相位图像的干涉结果不稳定，非常易受环境影响，以及非干涉法相位图像读取过程为在计算迭代过程中利用全部频谱图，影响相位图像读取速度的问题；其基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位读取方法在图像采集过程中仍然拍摄单幅频谱图，但是在图像读取过程中，在不同迭代次数时采用不同采样的频谱图进行计算，缩短迭代次数，以实现相位加速读取；本发明的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位读取装置，适用于上述基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位读取方法，实现在迭代过程中采用不同采样的频谱图进行计算，实现相位读取加速，缩短迭代次数。
附图说明
图1为现有技术的非干涉相位重建的原理示意图。
图2为本申请的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法的流程框图。
图3为现有技术的非干涉相位重建利用的傅里叶频谱强度图的二维图。
图4为现有技术的非干涉相位重建利用的傅里叶频谱强度图的三维图。
图5为本申请的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法的与拍摄原图相比、采样保留灰度值大于20的傅里叶频谱强度值示意图。
图6为本申请的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法的与拍摄原图相比、采样保留灰度值大于12的傅里叶频谱强度值示意图。
图7为本申请的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法的与拍摄原图相比、采样保留灰度值大于6的傅里叶频谱强度值示意图。
图8为本申请的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法的第一次迭代保留灰度值的阈值与误码率的曲线示意图。
图9为本申请的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法的利用频谱动态采样方法与传统的固定频谱的相位重建的模拟比较结果示意图。
图10为本申请的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法的实验中利用频谱动态采样方法与传统的固定频谱方法的对比结果示意图。
图11为本申请的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取装置的结构示意图。
图中，100为单波长激光，101为相位图的强度，102为相位图的相位，103为傅里叶频谱强度分布，1为激光器，2为针孔滤波器，3为准直透镜，4为快门，5为同轴全息光阑组，6为第一中继透镜，7为第二中继透镜，8为非偏振立体分束器，9为二分之一波片，10为相位调制空间光调制器，11为第三中继透镜，12为光阑，13为第四中继透镜，14为第一物镜，15为全息材料层，16为第二物镜，17为平面镜，18为傅里叶变换透镜，19为强度探测器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
实施例1：
基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法，参见图2，包括以下步骤，
拍摄并获取单幅频谱强度图像；
在计算迭代过程中，不同迭代次数时采用不同采样的频谱强度图像进行计算；
在评价相位图像读取效果时，用数据误码率来表征；
针对不同特征输入的相位图像，通过多次数据训练进行最佳动态迭代频谱采样曲线的标定。
即在计算迭代过程中，每一个迭代次数，采用其对应的采样的频谱强度图像进行计算。每个迭代次数对应的采样的频谱强度图像不重复。
且针对不同特征输入的相位图像时，通过至少两次的多次数据训练进行最佳动态迭代频谱采样曲线的标定。
上述基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法，随着迭代次数的增加，采样后的频谱强度图像逐渐趋近于拍摄的频谱强度图像本身。
还可以进一步地，相位重建后的图像数据为连续值，将所述连续值设置阈值变成离散值，使得解码出的相位为离散值。
还可以进一步地，用于数据训练的数据与输入相位图像拥有同样的特征参数及系统参数。
如图3和图4所示，图3为现有技术的非干涉相位重建利用的傅里叶频谱强度图的二维图。图4为现有技术的非干涉相位重建利用的傅里叶频谱强度图的三维图。传统方法进行非干涉相位重建时，在每一次迭代运算过程中，都使用同一幅拍摄到的傅里叶频谱强度图进行计算，如图3所示，拍摄到的傅里叶频谱强度图在归一化后灰度值范围在0-255。
上述实施例的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法，作为对拍摄到的傅里叶频谱强度图进行动态采样的方法，能够实现加速相位重建。
图5至图7为不同采样的傅里叶频谱强度示意图，其中，图5为本申请的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法的与拍摄原图相比、采样保留灰度值大于20的傅里叶频谱强度值示意图。图6为本申请的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法的与拍摄原图相比、采样保留灰度值大于12的傅里叶频谱强度值示意图。图7为本申请的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法的与拍摄原图相比、采样保留灰度值大于6的傅里叶频谱强度值示意图。由于频谱强度图有一个特点，即频率较低的部分能量相对较高，且趋于频谱强度图像像的中心位置，而频率较高的部分能量相对较低，且趋于频谱强度图像像的四周位置。因此采样去掉某一灰度值，实际上更多的去掉了频谱强度图像像的高频成分，而保留了频谱强度图像像的低频成分。在非干涉相位迭代的初始几次计算中，低频成分因其能量较高起到了更为重要的作用，而在迭代进行了一段时间以后，高频成分因其饱含细节信息对迭代精度起到更为重要的作用。根据图5的采样示意图，在实际迭代计算过程中，第一次迭代计算我们使用图5的采样频谱强度图像进行，第二次迭代计算我们使用图6的采样频谱强度图像进行，第三次迭代计算我们使用图7的采样频谱强度图像进行。后面以此类推，随着迭代次数的增加，采用的频谱强度图像逐渐释放高频成分，即保留更小的灰度值。最终，迭代收敛区域稳定为止。当然，根据实际情况，采样时保留灰度值的具体阈值是可以调整的，但是总体趋势是随着迭代次数的增加，保留灰度值的阈值从大到小，最终收敛稳定后保持不变化。
图8为本申请的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法的第一次迭代保留灰度值的阈值与误码率的曲线示意图。如图8，某输入条件下，预先计算出第一次迭代保留灰度值的阈值与误码率的曲线，在曲线中找出误码率最低时对应的灰度值阈值作为该次迭代的最佳阈值。其他次迭代次数以此类推进行计算。然后再换若干相似输入条件，做同样的计算。最终得到各输入条件下，每次迭代保留灰度值的最佳阈值的平均值，这就是学习的过程。之后可以推知所有相似输入条件下的其他输入情况，都可依据此学习后的采样曲线进行相位重建。
图9为本申请的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法的利用频谱动态采样方法与传统的固定频谱的相位重建的模拟比较结果示意图。可以看出利用上述实施例的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位读取加速方法的频谱动态采样方法后，相位重建的收敛速度更快，原本需要18次迭代才能使误码率到0，现在只需要9次就可以是误码率到0，迭代次数减少1倍。
实际实验中，拍摄到的傅里叶频谱强度图像中是含有噪声的，图10为本申请的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法的实验中利用频谱动态采样方法与传统的固定频谱方法的对比结果示意图。实验中由于噪声的存在，误码率很难降到0，因此这里都只选取10次迭代，比较其误码率。可以看出利用本专利频谱动态采样方法后，在同样迭代次数时，误码率更低。而且明显相位重建收敛速度也更快。
实施例2：
基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取装置，用于实现实施例1中所述的任一基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位读取方法，参见图11，包括激光器1、针孔滤波器2、准直透镜3、快门4、同轴全息光阑组5、第一中继透镜6、第二中继透镜7、非偏振立体分束器8、二分之一波片9、相位调制空间光调制器10、第三中继透镜11、光阑12、第四中继透镜13、第一物镜14、全息材料层15、第二物镜16、平面镜17、傅里叶变换透镜18和强度探测器19；激光器1、针孔滤波器2、准直透镜3、快门4、同轴全息光阑组5、第一中继透镜6、第二中继透镜7、非偏振立体分束器8的一个分光面、二分之一波片9和相位调制空间光调制器10同光轴地依次设置；非偏振立体分束器8的另一个分光面、第三中继透镜11、光阑12、第四中继透镜13、第一物镜14、全息材料层15、第二物镜16及45°倾斜的平面镜17的入射光方向同光轴地依次设置；45°倾斜的平面镜17的反射光方向、傅里叶变换透镜18及强度探测器19同光轴地依次设置。
本发明的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取装置，激光器1发出的激光，例如可以是532nm波长的绿色激光，经过针孔滤波器2和准直透镜3后成为光束质量良好的平行光，该平行光经过快门4和同轴全息光阑组5后，圆形光束变为同轴全息光阑组5的形状的光束；第一中继透镜6和第二中继透镜7优选为构成4f系统，以使得同轴全息光阑组5和相位调制空间光调制器10的成像面相同；同轴全息光阑组5的形状的光束再继续经过非偏振立体分束器8和二分之一波片9，非偏振立体分束器8将相位调制空间光调制器10反射回来的光束反射到一个方向上，二分之一波片9的作用是调节光束的偏振状态，使得光束入射到相位调制空间光调制器10上后，带上准确的相位信息。相位调制空间光调制器10的作用是上载设计好的相位图，光束照射相位调制空间光调制器10后即带有相位图信息。相位调制空间光调制器10优选为反射式结构，这样光束原路返回，并再次经过非偏振立体分束器8时被反射到另一个方向上。第三中继透镜11和第四中继透镜13优选为构成4f系统，二者之间光阑12的作用是剪切频谱，控制记录在材料中的频谱范围。第一物镜14和第二物镜16优选为一对参数相同的物镜，用于记录和重现物面信息。全息材料层15对光场具有响应，并通过材料结构的变化产生折射率差，记录下相位调制空间光调制器10上带有的相位图信息。平面镜17使得光束反射到另一个方向上，傅里叶变换透镜18对第二物镜16后重建的相位图信息进行光学傅里叶变换，其变换后的频谱强度由强度探测器19接收。
全息材料层15可以为PQ(phenanthrenequinone)-doped PMMA(polymethylmethacrylate)菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯层，即有机光致聚合物材料层，光照到该材料层上，能够引起材料的聚合反应，产生折射率调制，从而记录全息图。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (7)
1.基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法，其特征在于，包括以下步骤，
拍摄并获取单幅频谱强度图像；
在计算迭代过程中，不同迭代次数时采用不同采样的频谱强度图像进行计算，进行相位重建，获取相位图像；
其中，在迭代过程中，随着迭代次数的增加，采用的频谱强度图像逐渐释放高频成分；
在评价相位图像读取效果时，用数据误码率来表征；
针对不同特征输入的相位图像，通过多次数据训练进行最佳动态迭代频谱采样曲线的标定；用于数据训练的数据与输入相位图像拥有同样的特征参数及系统参数。
2.如权利要求1所述的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取方法，其特征在于，相位重建后的图像数据为连续值，将所述连续值设置阈值变成离散值，使得解码出的相位为离散值。
3.基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取装置，用于实现如权利要求1或2所述的基于单幅频谱动态采样进行迭代的相位加速读取方法，包括激光器（1）、针孔滤波器（2）、准直透镜（3）、快门（4）、同轴全息光阑组（5）、第一中继透镜（6）、第二中继透镜（7）、非偏振立体分束器（8）、二分之一波片（9）、相位调制空间光调制器（10）、第三中继透镜（11）、光阑（12）、第四中继透镜（13）、第一物镜（14）、全息材料层（15）、第二物镜（16）、平面镜（17）、傅里叶变换透镜（18）和强度探测器（19）；其特征在于，激光器（1）、针孔滤波器（2）、准直透镜（3）、快门（4）、同轴全息光阑组（5）、第一中继透镜（6）、第二中继透镜（7）、非偏振立体分束器（8）的一个分光面、二分之一波片（9）和相位调制空间光调制器（10）同光轴地依次设置；非偏振立体分束器（8）的另一个分光面、第三中继透镜（11）、光阑（12）、第四中继透镜（13）、第一物镜（14）、全息材料层（15）、第二物镜（16）及45°倾斜的平面镜（17）的入射光方向同光轴地依次设置；45°倾斜的平面镜（17）的反射光方向、傅里叶变换透镜（18）及强度探测器（19）同光轴地依次设置。
4.如权利要求3所述的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取装置，其特征在于，第一中继透镜6和第二中继透镜7构成4f系统。
5.如权利要求4所述的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取装置，其特征在于，相位调制空间光调制器10为反射式结构。
6.如权利要求5所述的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取装置，其特征在于，第三中继透镜11和第四中继透镜13构成4f系统。
7.如权利要求6所述的基于单幅频谱强度图像动态采样进行迭代的相位加速读取装置，其特征在于，第一物镜14和第二物镜16为一对参数相同的物镜。
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