CN1578160B - 压缩全息数据的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于压缩全息数据的装置，包括的图像获取装置用于获取参考光束照射时再现出的干涉图案的图像，并将图像转变成m位。在这种装置中，分离器从m-位数据中去除最低的j位，并将m-位中的m-j位分成最高的k位和剩余的m-j-k位。之后，压缩器将最重要的k位转换成l位，并与m-j-k位组合后输出n位，其中l＜k且n＝l+m-j-k。以这种方法，通过将m-位数据中一定量的最高位压缩，从而相对增大m-位数据中剩余的最低位的数量，可提高最终再现图像数据的BER。

Description

压缩全息数据的方法和装置
发明领域
本发明涉及一种全息数据再现系统；并具体涉及一种对在存储介质中再现出的全息数据进行压缩，同时通过对数据进行简单的位操作而使误码率(BER)最小的方法和装置。
技术背景
全息数据存储和再现系统在存储介质中记录干涉图案，该存储介质可以是例如对干涉图案的幅值敏感反应的光折射聚合物，并再现所记录的干涉图案，其中通过参考光束与由目标物体产生的信号光束的干涉产生干涉图案。在这种全息数据存储和再现系统中，通过改变参考光束的入射角将信号光束的幅值和相位记录在其中，从而再现出物体的三维形状。此外，可将大量由二进制数据组成的页面全息数据(page-based holographic data)存储在同一存储介质中。
图1为表示传统全息存储和再现系统的示图，该系统用于将信号光束与参考光束干涉产生的三维全息数据(即干涉图案)存储在全息介质中，然后再现出存储在全息介质中的三维全息数据。
如图1中所示，传统全息数据存储和再现系统包括用于发射激光束的光源100，以及其中存储全息数据的全息介质114。在光源100与存储介质114之间形成两条路径，即信号光束处理路径S1和参考光束处理路径S2，每个路径包括多个光学系统。
参照图1，图1示出用于将光源100发射出的入射激光束分成参考光束和信号光束的分束器102。参考光束被反射后提供给参考光束处理路径S2，而信号光束穿过分束器102后提供给信号光束处理路径S1。
提供给参考光束处理路径S2的参考光束由反射镜108反射，反射参考光束经过由光学透镜组成的光学系统112进入全息介质114。
同时，在参考光处理路径S2上，由激励器110操纵的反射镜108将参考光束偏转预定角度，即记录角或再现角，然后将经过偏转的参考光束提供给记录介质114。在这里，用于再现所记录数据的再现角应当等于用于记录数据的记录角。
在信号光束处理路径S1上沿信号光束入射到全息介质114上的方向依次设置空间光调制器(SLM)104，反射镜106和光学透镜107。
在信号光束处理路径S1上，SLM 104将信号光束调制成由多个像素组成的页面数据，其中像素代表基于外部输入数据的二进制数据。然后，经过调制的信号光束由反射镜106反射，并经由光学透镜107提供给全息介质114。
这样，分别沿信号光束处理路径S1和参考光束处理路径S2进入全息介质114中的信号光束和参考光束，在全息介质114中彼此干涉。根据干涉产生的干涉图案的幅值，在全息介质114中发生光致变化，从而将干涉图案记录在全息介质114中。
在上述全息数据记录过程中记录在全息介质114中的数据可按照如下方式再现。
即，为了读出记录在全息介质114中的数据，如果用参考光束，即再现参考光束照射全息介质114，存储介质114中记录的干涉图案将再现参考光束衍射.结果，恢复出由代表二进制数据的多个像素组成的页面数据(信号光束)，并且由CCD 116获取所恢复的信号光束的图像。
CCD 116将所获取的图像(页面)的各像素值(pixel level)变换成一系列m位二进制数据，然后将二进制数据输出至分离器118。分离器118从CCD 116输出的m位数据中去除最低(the least significantbit)的a(0≤a＜m)位，然后输出剩余的m-a位。此处，尽管假设CCD 116输出的数据为数字数据，但输出数据也可以为模拟数据。在输出数据为模拟数据的情形中，在CCD 116的输出端与分离器118之间可额外连接一A/D转换器。
分离器118输出的m-a位数据被转换成二进制数据′0′或′1′，从而最终恢复成由二进制数据组成的页面数据。例如，通过将调制码施加给m-a位数据可以实现这种转换。另外，通过比较m-a位数据与预先确定的阈值，在m-a位数据大于阈值时，将该数据转换成二进制数据′1′；但是在m-a位数据小于或等于阈值时，将该数据转换成二进制数据′0′。
用存储和再现全息数据的传统装置再现出的数据，为由每秒成百上千帧中所包含的1K到1M个像素组成的图像数据。不过，全息数据再现系统应当通过在有限时间内处理输出图像数据而恢复原始页面数据。
全息数据再现系统所处理的数据量与CCD 116输出的数据位数(m)成比例地增大。因此，最好通过增加从CCD 116输出的m-位数据中去除的最低位(least significant bit)的位数，来减小待处理的数据量。不过，传统全息数据再现系统的缺点在于，表示输出页面数据的二进制数据的误码率(BER)随被去除位数(a)的增大而增大。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种方法和装置，通过压缩全息数据各像素的一定数量的最高位(most significant bit)，并因此相对增大了像素中剩余的最低位的数量，来压缩全息数据存储和再现系统中再现出的全息数据，其中被压缩的最高位对于再现图像数据质量的影响很小，因此使再现图像数据的BER最小。
根据本发明一个方面，一种用于压缩全息数据的装置，包括一图像获取装置，该图像获取装置用于获取将参考光束照射在全息介质上时再现出的干涉图案的图像，并将所获取的图像转变成一系列m-位数据，该压缩全息数据的装置还包括：一分离器，用于从m-位数据中去除最低的j位，并将m-位数据中的m-j位分成最高的k位和剩余的m-j-k位；一压缩器，用于将最高的k位压缩成l位；以及一合并器，用于将压缩器输出的l位与分离器输出的m-j-k位合并而输出n位，其中m，j，k，l和n代表正整数，且l＜k和n＝l+m-j-k。
根据本发明另一方面，提出一种压缩全息数据的方法，该方法获取将参考光束照射在全息介质上时再现出的干涉图案的图像，并将所获取的图像变换成一系列m-位数据，该方法包括步骤：(a)从m-位数据中去除最低的j位，然后将m-位数据中的m-j位分成最高的k位和剩余的m-j-k位；(b)将最高的k位压缩成l位；并且(c)将l位与m-j-k位组合，产生n位，其中m，j，k，l和n代表正整数，且l＜k和n＝l+m-j-k。
附图简述
根据下面结合附图给出的优选实施例描述，本发明的上述和其他方面和特征将更加显而易见，其中：
图1的方块图表示传统全息数据存储和再现系统；
图2表示根据本发明优选实施例的用于压缩全息数据的装置；
图3A给出的表格表示根据本发明的一种示例性的位压缩关系(3∶2)；
图3B描述用于压缩全息数据的装置的电路图，该装置采用基于图3A中所示表格的压缩关系的组合逻辑电路；
图4A给出的表格表示根据本发明的一种示例性的位压缩关系(5∶3)；
图4B描述用于压缩全息数据的装置的电路图，该装置采用基于图4A中所示表格的压缩关系的组合逻辑电路；以及
图5的曲线图说明分别根据现有技术去除最低位，和根据本发明压缩最高位获得的被压缩全息数据的分布。
发明详述
下面，将参照附图详细描述本发明的优选实施例。在描述根据本发明的全息数据存储和再现系统时，将省略与传统全息数据存储和再现系统所述的相同或相似部件的详细描述，并且将使用相同附图标记。
图2表示根据本发明优选实施例的全息数据存储和再现系统中包含的用于压缩全息数据的装置。尽管在图2中没有明确表示，不过根据本发明的全息数据存储和再现系统包括用于发射激光束的光源100，和其中存储全息数据的全息介质114，如图1中所示。另外，在光源100与存储介质114之间形成的包括多个光学系统的两条路径，即信号光束处理路径S1和参考光束处理路径S2。
通过执行以下步骤再现记录在全息介质114中的全息数据。即，为读出记录在全息介质114中的数据，如果仅有参考光束，即再现参考光束照射全息介质114上，则记录在存储介质114中的干涉图案将衍射再现参考光束。因此，由代表二进制数据的多个像素组成的页面数据(信号光束)得以恢复，另外，CCD 116获取被恢复的信号光束的图像。
CCD 116将所获取的图像(页面)的各像素值转换成m-位(m＞0)二进制数据，然后将二进制数据输出至分离器210。此处，使用后面所述的标准化处理将m-位二进制数据最终转换成用于表示记录在全息介质114中的干涉图案亮度的二进制数据(′0′或′1′)。由数据最低位中包含的信息分类度(下面称作“分类分辨率”)决定将m-位数据分成两个区域(′0′或′1′)的精度。同样，数据的最高位提供确定m-位数据所属区域的近似判据。因此，在根据本发明优选实施例的用于压缩全息数据的装置中，对CCD 116输出的m位中的最高位进行压缩。因此，越多的最高位被压缩，则越多地利用m-位中的最低位来将m-位数据分成两个区域(′0′或′1′)，从而增大分类分辨率。
具体来说，在从CCD 116输出的m-位数据中去除j(0≤j＜m)个最低位之后，分离器210将m-j位中的最高的k位提供给压缩器，并将剩余的(m-j-k)位输出给合并器230。压缩器220将输入的k-位数据压缩成l位(l＜k)数据，然后将l-位数据提供给合并器230。之后，合并器230将输入的l位数据与(m-j-k)位数据组合，从而输出n-位(n＝m-j-k+l)数据。
合并器230输出的n-位数据被转换成二进制数据′0′或′1′，以使得最终恢复出由代表亮度的二进制数据组成的页面数据.例如，可通过将调制码施加给n-位数据而执行这种转换.另外，通过比较n-位数据与预先确定的阈值，当n-位数据大于阈值时，将其调整成二进制数据′1′，而当n-位数据小于或等于阈值时，将其调整成二进制数据′0′.
压缩器220使用组合逻辑电路将CCD 116输出的m-位数据中的最高的k位压缩，从而输出l-位(l＜k)数据。可通过以下步骤确定压缩器220的逻辑电路。
例如，在k和l分别为3和2时，可以如下构成压缩器220的逻辑电路。首先，如图3A中所示，制定将输入压缩器220的3位数据d11d10d9转换成2位数据c7c6的压缩表。可根据CCD 116输出的m-位(m＝12)数据(CCD 116获取的图像的像素值)的分布制定压缩表。例如，从图3A中所示的压缩表可以看出，在3位数据d11d10d9≥011时，将其压缩成2位数据c7c6＝11。另外，在3位数据d11d10d9＜011时，将其压缩成多个2-位数据中的一种。即，3-位数据d11d10d9010，001和000可以分别压缩成2-位数据c7c610，01，00。这表明具有其最高位d11d10d9＜011的m-位数据分布得更加密集。
一旦确定了图3A中所示压缩表，就获得了代表压缩表中所示输入/输出关系的逻辑表达式，并可通过使用组合逻辑电路来进一步实现。可使用任何一种众所周知的逻辑电路设计方法根据输入/输出关系而实现设计组合逻辑电路的过程。图3B表示根据图3A中所示压缩表的输入/输出关系实现压缩器220的组合逻辑电路的电路设计。如图3B中所示，CCD 116输出的m＝12位数据d11d10...d1d0中最高的k(k＝3)位d11d10d9，被压缩器220压缩成l＝2位c7c6，并且去除最低的j(j＝3)位d2d1d0。此外，合并器230将CCD 116输出的m＝12位数据d11d10...d1d0中的中间(m-j-k)位数据d8d7d6d5d4d3与l＝2位数据c7c6结合，从而输出n＝8位数据c7c6c5c4c3c2c1c0。
同样，图4A的压缩表表示输入压缩器220中的5-位数据d11d10d9d8d7转换成3-位数据c7c6c5。参照图3A所述，可根据m-位(m＝12)数据的分布(CCD 116获取的图像的像素值)确定压缩表。图4B表示根据图4A中所示压缩表的输入/输出关系而实现压缩器220的组合逻辑电路的电路设计。从图4B可以看出，CCD 116输出的m-位(m＝12)数据d11d10...d1d0中最高的k(k＝5)位d11d10d9d8d7，被压缩器220压缩成l(l＝3)位c7c6c5，而最低的j(j＝2)位d1d0被去除。此外，合并器230将CCD 116输出的m-位数据d11d10...d1d0中的中间(m-j-k)位数据d6d5d4d3d2与l-位数据c7c6c5结合，从而输出n-位(n＝8)数据c7c6c5c4c3c2c1c0。
图5的曲线图表示根据现有技术将CCD 116输出的m-位(m＝12)数据d11d10...d1d0中的最低的a(a＝4)位截去而输出的n-位(n＝m-a＝8)数据的分布，以及根据图3A至4B中所述的本发明通过使用压缩全息数据的装置获得的n-位数据的分布。如图5中所示，在根据本发明将最高的k1(k1＝5)位和最高的k2(k2＝3)位分别压缩成3位和2位这两种情形中，与根据现有技术截去最低的a(a＝4)位相比，所输出的n-位数据的分类分辨率得到提高。
在图5所示的分布曲线中，可以把用于将被压缩的n-位数据分成两个区域(′0′或′1′)的判据，即阈值，定义为两个脊状曲线的交点。参照图5，在采用现有技术方法时，阈值为大约70。另一方面，在使用根据本发明的方法时，阈值为大约130。因此，在使用根据本发明的压缩器时，被压缩的n-位数据更精确地反映出CCD 116输出的m-位数据的分布.此外，根据本发明，分布在阈值附近的被压缩的n-位数据的数量小于根据现有技术的分布在阈值附近的被压缩的数据的数量.这表明在使用本发明的压缩器时提高了分类分辨率.
在图5所示例子中，CCD 116获取具有240×240像素的图像，并且将图像的每个像素(m＝12位)压缩成n＝8位数据。然后，将被压缩的数据分类成两个位值(′0′或′1′)其中之一，此后计算出表示分类错误个数的计算误差率(CER)。在根据现有技术截去最低的a＝4位时，得出CER为0.92％。另一方面，在使用本发明的压缩器用5∶3和3∶2的比例压缩m＝12位数据的最高位时，得出CER为0.85％。本发明的结果与将未压缩的m＝12位数据分成两个位值(′0′或′1′)后得到的CER(0.84％)几乎相同，这表明在使用根据本发明的压缩器时可提高CER。
如上所述，根据本发明，通过压缩全息数据各像素的一定数量的最高位，并从而相对增大像素中剩余的最低位的数量，可有效压缩全息数据，其中被压缩的最高位对最终再现出的图像数据质量的影响很小，从而使再现图像数据的BER最小。
尽管参照优选实施例表示和描述了本发明，不过本领域技术人员应当理解，在不偏离所附权利要求限定的本发明精神和范围的条件下，可以进行多种改变和变型。

Claims (6)

1.一种用于压缩全息数据的装置，包括一图像获取装置，该图像获取装置用于获取将参考光束照射在全息介质上时再现出的干涉图案的图像，并将所获取的图像中的每一个像素转变成一个m-位数据，该压缩全息数据的装置还包括：
一分离器，用于从m-位数据中去除最低的j位，并将m-位数据中的m-j位分成最高的k位和剩余的m-j-k位；
一压缩器，用于将最高的k位压缩成1位；以及
一合并器，用于将压缩器输出的l位与分离器输出的m-j-k位合并而输出n位，
其中m，j，k，l和n代表正整数，且l＜k和n＝1+m-j-k。
2.如权利要求1所述的装置，其中确定用所述压缩器将k位压缩成l位的变换关系，以使n-位数据的分布反映m-位数据的分布。
3.如权利要求2所述的装置，其中使用表示将k位压缩成l位的变换关系的组合逻辑电路实现所述压缩器。
4.一种压缩全息数据的方法，该方法获取将参考光束照射在全息介质上时再现出的干涉图案的图像，并将所获取的图像中的每一个像素变换成一个m-位数据，该方法包括步骤：
(a)从m-位数据中去除最低的j位，然后将m-位数据中的m-j位分成最高的k位和剩余的m-j-k位；
(b)将最高的k位压缩成l位；并且
(c)将l位与m-j-k位组合，产生n位，
其中m，j，k，l和n代表正整数，且l＜k和n＝1+m-j-k。
5.如权利要求4所述的方法，其中在步骤(b)中，确定将k位压缩成l位的变换关系，以使n-位数据的分布反映m-位数据的分布。
6.如权利要求5所述的方法，其中使用表示将k位压缩成l位的变换关系的逻辑操作执行步骤(b)。
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