CN1684185B - 用于补偿全息系统再现图像的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种方法和装置，用于对全息系统中从存储介质再现的页面图像进行预处理。本发明对页面图像中的每行计算像素的总和以选出一个最大总和，利用最大总和及其相邻的总和计算出修正的最大总和，利用修正的最大总和确定畸变像素的补偿位置，以及参照被扩大像素的补偿位置，对数据图像进行过采样，从而以子像素级的高精度对数据图像进行补偿。

Description

用于补偿全息系统再现图像的方法和装置 

技术领域

本发明涉及全息系统，尤其涉及补偿从全息系统的存储介质再现的全息数据图像的畸变。 

背景技术

近来，随着半导体激光器、电荷耦合器件(CCD)和液晶显示装置(LCD)的迅猛发展，关于全息数字数据存储的研究已经被有效地用于各个方面。在一个全息系统中，当来自物体的信号光和参考光相互干涉，产生的干涉图案就被记录在全息图存储介质中。例如，这样一种存储介质，其中含有对干涉图案的幅度反应灵敏的光折射晶体。通过改变全息存储介质上的参考光的入射角，全息系统能够记录信号光的振幅和相位，从而显示物体的三维图像，并且在单个存储介质上能够存储几百至几千幅全息图。 

在全息系统的一种记录模式中，光源发出的激光被分为参考光线和物光线。将参考光线以预设偏转角反射，然后生成为参考光线的形式，入射到全息图存储介质用于记录。物光线被调制为代表二进制输入数据的页面图像(page image)的信号光，用以记录在全息图存储介质上。被调制的信号光和参考光相互干涉，产生干涉图案。然后，干涉图案的图像被记录在存储介质上，作为对应于二进制输入数据的全息图数据。该全息图数据以N×N的像素尺寸(例如，240×240的尺寸)被记录，并且在被存储在存储介质之前经过一系列预处理过程(例如，在其中插入纠错码(即奇偶校验码)以及生成边框用于过采样，然后通过SLM(空间光调制器)调制入信号光中)。 

在全息系统再现模式中，记录在存储介质上的干涉图案通过使用 成像装置，例如CCD，被转换为页面图像，转换的方式为在SLM中的一个像素映射到CCD中的3×3个像素。例如，图6A示出了一个从存储介质再现并通过CCD呈现的示例性页面图像，具有1024×1024个像素。该页面图像包括一个具有720×720像素尺寸的数据图像以及环绕在该数据图像的上、下、左、右四边的具有3个像素尺寸的边框。 

为了获得N×N像素尺寸的原始数据图像，即240×240像素，需要进行一个过采样过程，其中为从分辨率大小为720×720像素的数据图像中提取一个像素，再跳过两个像素(即在每3×3掩模中提取一个中心像素)。图6B示出了一个通过对图6A中的页面图像过采样，抽取出的具有240×240像素尺寸的示例性数据图像。 

为了实现这个目的，需要探测边框，从而限定数据图像。其中一种探测边框的方法是获取排列在页面图像每行像素值的总和以及排列在页面图像每列像素值的总和，每个像素具有一个二进制值代表其像素亮度。 

图7是一个示意图，示出了所获取的排列在页面图像中的每列像素的总和，其中，X轴表示该像素列的位置，Y轴表示像素总和。如图7所示，在Y轴上，在图的X轴上相对两侧有两个比较高的总和(用圆圈标出)。在X轴上，对应于该两个较高总和的坐标代表左右边框的位置。在边框像素的总和比较高的原因是形成边框的像素具有同样的二进制值，大致为“1”，而在数据图像中的像素则随机为“1”或“0”一起存在。在图7中，左边框对应第140个像素的位置，右边框对应第877个像素的位置。在这种情况下，左边框宽度为8个像素，从第140个像素至第147个像素的范围。 

按如上所述探测完边框位置后，采用过采样方式对每三个像素提取一个中心像素，同时将掩模从被边框包围的数据图像的左上角顺序移动到右上角，如图8A和8B所示。 

如上所述，如果左边框的位置是第140个像素，右边框的理论位 置应该是第875个像素。但是，在图7中示出右边框的实际位置是第877个像素，这意味着与理论结果相比扩大了两个像素。 

因此，为了补偿被扩大的像素的畸变，现有技术将整个数据图像(即每行和每列)分割成3个相等的部分，并且按如下方法进行过采样：即仅在第二和第三相等部分的起始位置跳过3个像素，而不是2个像素。例如，在具有720×720像素的数据图像中，执行过采样过程时每次跳过两个像素，而在第389个和第630个像素位置时，跳过3个像素，第389个像素和第630个像素的位置分别对应从第140个像素至第877个像素的1/3分割位置和2/3分割位置。这样做的结果，可以实现以逐个像素为基准的数据图像畸变补偿。 

但是，由于边框位置是基于像素进行测量的，所以不可能补偿基于半个像素的畸变，从而导致不能得到高质量数据图像的问题。 

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种对全息系统中再现的页面图像进行预处理的装置和方法，以补偿其中具有畸变像素的数据图像。 

根据本发明的一个方面，提供一种装置，用于对从全息系统中存储介质再现的页面图像进行预处理，其中该页面图像包括数据图像以及围绕该数据图像的上、下、左、右边框，该装置包括：对页面图像中的每行计算像素的总和，以选出在页面图像中上、下、左、右角上计算的总和中的最大总和的装置，其中对应最大总和的像素位置对应于边框位置；利用最大总和及其相邻的总和计算出修正的最大总和的装置，其中对应于修正的最大总和的像素位置对应于边框修正的位置；利用修正的最大总和确定畸变像素的补偿位置的装置；以及参照补偿位置，对数据图像中的像素过采样的装置。 

根据本发明的另一个方面，提供一种方法，用于对从全息系统中存储介质再现的页面图像进行预处理，其中该页面图像包括数据图像以及围绕该数据图像的上、下、左、右边框，该方法包括以下步骤： (a)对页面图像中的每行计算像素值的总和以选出在页面图像中上、下、左、右角计算总和中的最大值，其中对应最大总和的像素位置对应于边框位置；(b)利用最大总和及其相邻的总和计算出修正的最大总和，其中对应修正的最大总和的像素位置对应于边框修正的位置；(c)计算边框位置和边框修正的位置之间的畸变误差，以确定计算出的畸变误差是否超过了半个像素；(d)当确定计算出的畸变误差超过半个像素，利用修正的最大总和确定畸变像素的补偿位置；以及(e)参照补偿位置，对数据图像中的像素过采样。 

附图说明

本发明的上述及其他目的和特点将通过对优选实施例的说明来体现，实施例与下列附图相结合。其中： 

图1是本发明中适于应用过采样的全息系统的方框图； 

图2是本发明中用于对在全息再现系统中再现的全息数据进行预处理的装置的方框图； 

图3示出了本发明中关于左边框的曲线拟合结果； 

图4示出了本发明中关于右边框的曲线拟合结果； 

图5示出了本发明中，确定数据图像中的畸变像素的补偿位置的过程； 

图6A示出一幅具有1024×1024像素大小的示例性页面图像； 

图6B示出一幅通过过采样抽取出的具有240×240像素大小的示例性数据图像； 

图7示出从一幅页面图像中获取的每列像素的像素的总和的结果的示意图；以及 

图8A和8B示出了将一个掩模从被边框包围的数据图像的左上角顺序移动到右上角的过程。 

具体实施方式

参照附图，将对本发明的优选实施方式进行详细说明。 

图1是用于再现的全息系统的方框图，该系统适于采用根据本发明的过采样。该全息再现系统包括一主轴电动机102，存储介质104，一图像探测模块110以及一译码模块120。主轴电动机102带动存储介质104旋转。为了从存储介质104中再现全息数据，来自光源(未示出)的读出光线106被照射至存储介质104之上。然后，通过读出光线106的照射，从存储介质104中再现页面图像光线108。图像探测模块110，例如，一个CCD模块，设置为用以接收再现的页面图像光线108。图像探测模块110以光电转换的方式，将再现的页面图像光线108转换成一页面图像，其中将页面图像中的每一像素以n×n像素(例如，3×3像素)的形式表现。结果，页面图像的分辨率为：例如1024×1024像素，该页面图像中包括一数据图像以及围绕该数据图像的上、下、左、右边框602。然后，如图6A所示，该页面图像被提供给译码模块120。 

如图1所示，译码模块120用于对页面图像译码，并且其包括一页面图像处理模块121，一解调模块123，一ECC译码模块125以及一存储模块127。页面图像处理模块121对来自图像探测模块110的页面图像探测其边框，以通过一过采样过程抽取数据图像，该数据图像具有N×N像素的原始像素尺寸。解调模块123对页面图像处理模块121抽取出的数据图像译码，以在记录在存储介质104上之前，生成一原始二进制数据图像。例如，解调模块123采用数据变换方法对数据图像译码，例如6:4，8:6，或12:8变换。ECC译码模块125通过在数据图像中插入纠错码这样的纠错译码方式，对数据图像进行纠错。通过ECC译码模块125纠错的该数据图像被暂时存储在存储模块127。 

图2是图1所示的页面图像处理模块121的详细框图。页面图像处理模块121包括一存储器1211，一最大总和计算器1213，一最佳 位置探测器1215，一畸变误差计算器1217，一补偿位置计算器1219以及一过采样处理器1221。 

来自图1所示的图像探测模块110的页面图像被暂时存储在存储器1211中。最大总和计算器1213计算页面图像中排列的每行和每列中的像素的亮度总和，以选出在页面图像上、下、左、右角上的每个所计算出的亮度总和中的最大总和。在页面图像上、下、左、右角上的每个中具有最大总和的一行表示该页面图像的上、下、左或右边框。在图7中，例如，第140个像素成为左边框位置，并且第877个像素成为右边框位置。 

最佳位置探测器1215利用最大总和以及与其直接相邻的总和进行曲线拟合，从而获得一近似曲线，该曲线的形状用参考标记3a指示。图3中的参考标记3b表示用传统方法获得的最大总和。然后，最佳位置探测器1215对近似曲线上的值进行微分计算，获得修正的最大总和，其中具有修正最大总和的一行成为边框修正的位置。例如，曲线拟合可以被模拟成如下的最小二乘多项式： 

Y＝M₀+M₁X¹+...+M_(k-1)X^(k-1)+M_kX^k

其中，k是一正整数，Y表示一最大总和及其相邻总和，X表示具有最大总和及其相邻总和的行。 

例如，假设第140行具有最大总和，因此它为左边框位置，通过利用第140行的总和以及与其直接相邻行的总和，即在其左右的第139行和第141行，进行曲线拟合，可以获得一近似曲线。然后，对近似曲线进行微分计算，找到斜率为“0”的修正的最大总和，从而得到左边框的修正位置，该位置在图3中示意性示出为第140.36个像素的位置。也就是说，左边框的修正位置不是为整数的第140个像素，而是为具有十进制小数的实数的第140.36个像素。 

类似地，最佳位置探测器1215在最大总和及其相邻总和的基础上进行曲线拟合，从而获得一近似曲线(如图4中参考标记4a所示)。 例如，如果右角是第877个像素的位置，通过曲线拟合可以得到近似曲线4a，其中利用了第876行和第878行的像素总和。图4中的参考标记4b表示通过传统方法获得的最大总和。对近似曲线上的值进行微分，计算出斜率为“0”的最大值，从而得到右边框的修正位置是第876.89个像素。也就是说，右边框的修正位置不是为整数的第877个像素，而实际上是具有十进制小数的实数的第876.89个像素。 

在这点上，给出的本实施例中近似曲线是通过在与具有最大总和的边框线左右直接相邻的像素总和的基础上进行曲线拟合获得的。然而，也应该理解本发明不局限于本实施例，如果有必要，也可以利用与边框相邻的两行或多行像素的总和进行曲线拟合。 

然后，畸变误差计算器1217计算出理论数据图像和测得的数据图像之间的畸变误差，以确定该畸变误差是否超过了半个像素。例如，在左边框位置是第140.36个像素的情况下，右边框的理论位置是第875.36(＝140.36+735)个像素。然而，右边框实际探测的位置是第876.89个像素。因此，畸变误差为1.53个像素。也就是说，从存储介质再现的数据图像被扩大了1.53个像素。 

补偿位置计算器1219确定左边框和右边框(或上边框和下边框)的修正位置之间的子像素级(sub-pixel level)的补偿位置。在这种情况下，当进行过采样时，补偿位置表示在其处跳过3个像素，而不是2个像素的各点。 

按照等式1所述进行曲线拟合，可以计算补偿位置，为了简化此处省略了详细说明。在这种情况下，Y是修正的最大总和，X是具有最大修正总和的行。 

参照图5，其示出了本发明中确定被扩大像素的补偿位置的过程。在图5中，实线表示新的方法，而点划线表示传统的方法。例如，假定左边框的修正位置是第140.36个像素的位置，右边框的修正位置是第876.89个像素的位置，理论上右角是第875.36个像素的位置， 而实际测得右角位置是第876.89行。在这种情况下，例如，第270.0个像素的位置和第688.4个像素的位置就是相对于第875.5个像素和第876.5个像素的补偿位置。 

然后，过采样处理器1221在来自补偿位置计算器1219的补偿位置的基础上进行过采样。例如，利用一个3×3掩模对中心像素进行抽取，但是在补偿位置对四个像素抽取其中之一。因此，从一个具有720×720像素大小的数据图像中得到一个具有240×240像素大小的数据图像。利用这种方法得到的数据图像被传送到图1中的解调模块123，以进行随后的译码操作。 

尽管参照优选实施方式对本发明进行了描述，但是，对本领域技术人员而言，在不脱离权利要求书中限定的本发明精神和范围的条件下进行不同的改变和修正是可以理解的。 

Claims (8)

1.一种用于对从全息系统中存储介质再现的页面图像进行预处理的装置，其中该页面图像包括一数据图像以及围绕该数据图像的上、下、左、右边框，该装置包括：

对该页面图像中的每行和每列计算像素的亮度总和以选出在该页面图像中上、下、左、右角上计算的总和中的最大总和的装置，其中对应于该最大总和的像素位置对应于边框；

利用该最大总和及其相邻像素的总和通过执行曲线拟合计算出修正的最大总和的装置，其中对应该修正的最大总和的像素位置对应于该边框修正的位置，该相邻像素的总和是与对应于最大总和的行线或列线直接相邻的行线或列线的像素总和；

计算边框的位置和该边框修正位置之间的畸变误差的装置，以确定计算的畸变误差是否超过半个像素；

当确定计算的畸变误差超过半个像素，利用修正的最大总和确定畸变像素的补偿位置的装置，该补偿位置是该计算的畸变误差变得大于半个像素的位置；以及

参照该补偿位置，对该数据图像中的像素过采样的装置。

2.根据权利要求1所述的装置，

其中该曲线拟合用以下的最小二乘多项式表示：

Y＝M₀+M₁X¹+...+M_(k-1)X^(k-1)+M_kX^k

其中，k是正整数，Y表示最大总和及其相邻像素的总和，X表示具有该最大总和及其相邻总和的行，M₀到M_k表示通过曲线拟合计算的系数。

3.根据权利要求2所述的装置，其中用于确定补偿位置的装置进行曲线拟合以找出所述补偿位置， 

其中所述寻找该补偿位置的曲线拟合用以下的最小二乘多项式表示：

Y＝M₀+M₁X¹+...+M_(k-1)X^(k-1)+M_kX^k

其中，k是正整数，Y表示修正的最大总和，X表示具有该修正的最大总和的行，M₀到M_k表示通过所述寻找该补偿位置的曲线拟合所计算的系数。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述补偿位置表示一个点，其中过采样时在该点跳过3个像素。

5.一种用于对从全息系统中存储介质再现的页面图像进行预处理的方法，其中该页面图像包括一数据图像以及围绕该数据图像的上、下、左、右边框，该方法包括以下步骤：

(a)对该页面图像中的每行和每列计算像素的亮度总和以选出在该页面图像中上、下、左、右角上计算的总和中的最大总和，其中对应该最大总和的像素位置对应于边框位置；

(b)利用该最大总和及其相邻像素的总和通过执行曲线拟合计算出修正的最大总和，其中对应于该修正的最大总和的像素位置对应于该边框修正的位置，该相邻像素的总和是与对应于最大总和的行线或列线直接相邻的行线或列线的像素总和；

(c)计算该边框位置和该边框修正的位置之间的畸变误差，以确定计算的畸变误差是否超过了半个像素；

(d)当确定计算的畸变误差超过半个像素，利用该修正的最大总和确定畸变像素的补偿位置，该补偿位置是该计算的畸变误差变得大于半个像素的位置；以及

(e)参照该补偿位置，对该数据图像中的像素过采样。 

6.根据权利要求5所述的方法，

其中该曲线拟合用以下的最小二乘多项式表示：

Y＝M₀+M₁X¹+...+M_(k-1)X^(k-1)+M_kX^k

其中，k是正整数，Y表示最大总和及其相邻像素的总和，X表示具有该最大总和及其相邻总和的行，M₀到M_k表示通过曲线拟合计算的系数。

7.根据权利要求6所述的方法，其中用于确定补偿位置的步骤进行曲线拟合，以找出该补偿位置，

其中所述寻找补偿位置的曲线拟合用以下的最小二乘多项式表示：

Y＝M₀+M₁X¹+...+M_(k-1)X^(k-1)+M_kX^k

其中，k是正整数，Y表示修正的最大总和，X表示具有该修正的最大总和的行，M₀到M_k表示通过所述寻找该补偿位置的曲线拟合所计算的系数。

8.根据权利要求5所述的方法，其中该补偿位置表示一个点，其中过采样时在该点跳过3个像素。 

Images