CN1713707A - 补偿全息数字数据存储系统中像素错位的图像校正方法 - Google Patents

Abstract

在全息数字数据存储(HDDS)系统中，为了补偿再现时像素的错位，并从而校正所存储的基于页面的图像，该图像是再现时使用电荷耦合器件(CCD)通过在数据像素和CCD探测器像素之间一比一(1∶1)像素匹配探测到的。并且，然后，如果在该1∶1像素匹配中发生像素的错位，则计算在相应的数据像素和相应的CCD探测器像素之间的错位量d(0≤d≤1)。此外，在计算出的错位量的基础上，计算相邻像素对相应的CCD探测器像素的干涉影响，从而校正该CCD探测器像素的图像数据。并且，最后，补偿根据该错位量的错位影响，从而校正该CCD探测器像素的该图像数据。

Description

补偿全息数字数据存储系统中像素错位的图像校正方法

发明领域

本发明涉及一种全息数字数据存储系统；并且，尤其涉及一种图像校正方法，其在全息数字数据存储系统中，当探测记录在全息存储介质中基于页面的(page-based)信息图像时，利用电荷耦合器件通过一比一的像素匹配信号处理，补偿电荷耦合器件的像素错位。

技术背景

从数据记录/再现原理的观点来看，全息数字数据存储系统(HDDS)是一种典型的利用体积全息图原理的面向页面的存储器。通过使用一种并行数据处理方案作为输入/输出方案，HDDS系统可以实现1Gbps或者更高的超高输入/输出速度，并且不需要机械驱动单元就可以构建，从而实现100μs或者更少的超快数据访问时间。因此，作为一种先进的存储器件，HDDS系统已经引起注意。

同时，HDDS系统在再现时使用CCD探测并解码记录在存储介质中的基于页面的信息图像。这种情况下，为了将从存储介质再现的基于页面的图像数据解码为原始数据，即二进制像素数据，使用CCD等进行一比一(1∶1)的匹配信号处理。也就是说，从存储介质再现的图像的像素和CCD阵列的像素以一比一的方式匹配，从而再现原始像素数据。

然而，使用上述1∶1像素匹配的移位多路系统存在如下问题：一旦数据像素和CCD像素之间的错位大约达到CCD像素尺寸的1/2时，CCD阵列探测到的数据会发生严重的退化。

为了解决这个问题，IBM的Burr提出了一种反算空间光调制器(SLM)开或关电平的常规方法，该方法通过在光学模型的基础上使用该光学模型的反变换由此来校正错位的像素。在Burr提出的方法中，如果假定点扩散函数(PSF)为一个sinc函数，当傅里叶变换窗(Fouriertransform aperture)宽度为D以及奈奎斯特窗(Nyquist aperture)宽度为D_N时，通过该SLM(其填充系数为ff_s)的光场h(x)可以用方程1表示。

$h\left(x\right)=c{\∫}_{{-\mathrm{ff}}_s/2}^{{\mathrm{ff}}_s/2}\sin c\left(\frac{D}{D_N}\left(x{-x}^{\′}\right)\right){\mathrm{dx}}^{\′}$ 方程1

在这种情况下，如果假定透射过SLM的信号的强度为p₀，p₁和p₂，如图1所示，并且点扩散函数(PSF)没有扩展为超过像素间距的光束，则被CCD探测单元探测到的光场，例如图1中的r₂，只受到p₁和p₂的影响，从而r₂可以由方程2表示的给出。

$r_2={\∫}_{{-\mathrm{ff}}_d/2}^{{\mathrm{ff}}_d/2}[\sqrt{p_2}h(x-\mathrm{\σ})+\sqrt{p_1}h(x-\mathrm{\σ}+1){]}^2\mathrm{dx}$ 方程2

在这种情况下，ff_d是该探测器的填充系数，以使得可以重新整理方程2，并以如下面方程3中的三项来表示。

$r_2=p_2{H}_{00}\left(\mathrm{\σ}\right)+2\sqrt{p_1{p}_2}{H}_{01}\left(\mathrm{\σ}\right)+p_1{H}_{11}\left(\mathrm{\σ}\right)$ 方程3

其中H₀₀，H₀₁和H₁₁为在探测器像素上探测到的光场的值。如果使用上述的光学模型，在假定已经得到p₁的情况下，可以通过下面的方程4得到p₂。即，利用探测器探测到的光场的值，可以反算出SLM在像素p₀，p₁和p₂处的开或关电平。因此，即使再现的时候发生像素的错位，但探测器所探测到的图像也可以得到校正。

$p_2=\frac{1}{H_{00}\left(\mathrm{\σ}\right)}[-\left(\sqrt{p_1}{H}_{01}\left(\mathrm{\σ}\right)\right)+\sqrt{p_1({\left(H_{01}\left(\mathrm{\σ}\right)\right)}^2-\left(H_{00}\left(\mathrm{\σ}\right)H_{11}\left(\mathrm{\σ}\right)\right))+\left(H_{00}\left(\mathrm{\σ}\right)r_2\right)}]$

方程4

然而，上述使用Burr的光学模型的针对像素错位的图像校正方法存在的问题在于：它利用探测器像素上探测到的光场的值，花费大量的时间计算穿过SLM的原始信号的强度，从而降低了图像数据处理的速度。

同时，有人提出了一种过采样方法，作为解决在进行1∶1像素匹配时CCD阵列探测到的数据严重退化的问题的另一种方法，所提出的过采样方法将从存储介质中再现的图像的单个像素过采样到CCD阵列的9个像素上，并且只将这9个像素中的单个中心像素的数据作为原始数据重建。此方法的优点在于它相较于Burr的光学模型方法而言计算量较小，并且可以相对精确地存储数据，但是问题在于，它必须在再现的时候对原始图像数据进行过采样，因此增加了CCD阵列的尺寸。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种图像校正方法，在全息数字数据存储系统中通过使用电荷耦合器件，以一比一像素匹配信号处理方式，在探测记录在全息存储介质上的基于页面的信息图像时，补偿电荷耦合器件像素的错位。

按照本发明，提供了一种图像校正方法，用于补偿在全息数字数据存储(HDDS)系统中再现的时候的像素错位，包括的步骤有：a)在再现的时候，使用电荷耦合器件(CCD)，通过在数据像素和CCD探测器像素之间以一比一(1∶1)像素匹配的方式探测存储的基于页面的图像；b)一旦在1∶1像素匹配过程中发生像素错位，计算在相应的数据像素和相应的CCD探测器像素之间的错位量；c)在计算出的错位量的基础上，计算相邻像素对相应的CCD探测器像素的干涉影响，并校正CCD探测器像素的图像数据；以及d)按照错位量补偿错位的影响，校正CCD探测器像素的图像数据。

附图简述

通过下面结合附图对优选实施例的描述，本发明上述的和其他的目标和特点将会变得显而易见，其中：

图1为概念性视图，示出了在常规的HDDS系统中使用光学模型进行的图像校正处理；

图2为应用本发明优选实施例的HDDS系统的示意框图；

图3至5举出例子，示出了按照本发明的优选实施例的数据像素和CCD探测器像素之间的错位；

图6给出了按照本发明的优选实施例，在HDDS系统中对具有错位像素的图像的校正过程的流程图；

图7A和7B示出按照本发明的优选实施例以像素间的错位量δ为基础设定图像校正方向的例子；以及

图8至10示出按照本发明的优选实施例在全息存储介质中记录的原始数据图案和在CCD中复原的图案。

发明详述

现在将参考附图，详细描述本发明的优选实施例。

图2示出应用本发明优选实施例的HDDS系统的框图。下文中，参考图2，描述在该HDDS系统中的记录/再现全息数据的操作。

首先，光束分束器202将来自光源200的入射激光分束为参考光束和物光束。沿着参考光束行进的光路S1设置垂直偏振光束的参考光束，并且沿着物光束行进光路S2设置物光束。此外，在参考光束行进的光路S1中，在参考光束行进的方向上设置有快门204和反射镜206。通过这条光学传输路径，该参考光束行进路径S1以预定的偏转角度反射记录或者再现全息数据所需要的参考光束，并向存储介质216提供反射的光束。

换句话说，利用光学透镜(未显示)等，对被光束分束器202分束，并穿过快门204的开口入射的垂直偏振参考光束进行调整，并且扩束到某个尺寸(即，扩束得到的尺寸足以覆盖在物光束行进路径S2中通过扩束镜(未显示)扩束得到的物光束的尺寸，物光束的扩束将在后面说明)。利用反射镜206，将扩束后的光束以预定的角度偏折，例如，用于记录的记录角，或者用于再现的再现角，并且，然后入射到存储介质216上。这种情况下，无论何时在存储介质216中记录各个页面的二进制数据，通过旋转反射镜206，控制用于记录或者再现的参考光束，以改变偏折角度θ。通过使用该参考光束偏折技术，在存储介质216上可以记录几百到几千个全息数据页面，或者可以从存储介质中再现被存储的全息数据。

同时，在物光束行进路径S2中，在物光束的行进方向上，按顺序设置有快门210，反射镜212和空间光调制器214。快门210在记录模式中保持打开状态，并在再现模式中保持关闭状态。反射镜212以某一偏折角度反射被光束分束器202分束，并入射穿过快门210开口的物光束，并且，然后传输该光束到空间光调制器214。

然后，从反射镜212传输来的物光束被空间光调制器214调制，成为信号光束，其对应于基于页面、以像素的亮度表达的二进制数据，该数据与来自数据编码单元224的输入数据一致(例如，当输入数据为一幅图像的一帧的图像数据时，入射到空间光调制器214的物光束被调制成为基于帧的信号光束)。然后，已调制的信号光束与从参考光行进路径S1中的反射镜206入射的参考光束同步，并且然后入射到存储介质216。因此，在存储介质216上的记录模式中，记录了由于信号光束和用于记录的参考光束之间的干涉形成的干涉图案，其中信号光束来自空间光调制器214并且被调制为基于页面的二进制数据，而参考光束以相应于信号光束为θ的偏折角度自反射镜206入射。即，依赖由于在已调制物光束和参考光束之间的干涉所获得的干涉图案的强度，在存储介质216中发生移动电荷引起发光的现象。通过这个过程，在存储介质216中记录了三维全息数据的干涉图案。

此外，当再现记录在存储介质216上的全息数据时，在物光束行进路径S2中的快门210关闭，并且在参考光束行进路径S1中的快门204打开。因此，被光束分束器202分束的参考光束(用于再现的参考光束)，被反射镜206反射并且照射到存储介质216上。结果，在存储介质216上记录的干涉图案衍射用于再现的入射参考光束，并将其解调为基于页面的、由像素的原始亮度表达的二进制数据。被解调再现的输出照射到CCD 218上。因此，CCD 218将该从存储介质216照射的再现输出恢复为原始数据，即通过数据解码单元220再现和输出的电信号。

同时，数据解码单元220按照本发明的优选实施例以1∶1像素匹配的方式恢复数据，而在再现时不进行过采样。在这种情况下，为了补偿在1∶1信号像素匹配的信号处理过程中由于数据像素和CCD像素之间的错位而引起的数据退化，解码单元220计算由CCD阵列探测到的错位数据像素的错位量，并在考虑在相应的CCD像素上测得的强度值和由于像素错位导致的相邻像素的干涉的情况下，校正再现的图像。

下文中，详细描述了解码单元220的操作。首先，在通过空间光调制器(SLM)之后，CCD探测到单个开像素，傅里叶变换窗D以及奈奎斯特窗D_N，以Burr的光学模型中的方程1作为模型。

即，当不发生错位时，在CCD探测器像素上的光场如图3所示。图3中，I^s(0)代表在一段曝光时间中，在CCD探测器像素上，方程1中的光场h(x)积分得到的值。如果存在上述的单个开像素时，发生错位δ，如图4所示，光场移动并影响该开像素的相邻CCD探测器像素。

因此，如图4所示，I^s(δ)代表当发生δ的错位时，在相应的CCD探测器像素上探测到的强度，并且I_p ^s(δ)代表由于错位δ而加到相邻CCD探测器像素上的强度。这时候，如果另一个相邻像素也是开像素，如图5所示，由于用于全息存储器件的光会导致干涉，因此该相应的开像素与相邻的开像素发生干涉。

即，图5的I(δ)与通过I_p ^s(δ)+I^s(δ)简单得到的值不同。原因在于，由于相邻的开像素，光场501和光场502互相干涉。因此，如果用I_int(δ)表示由于相邻像素光场引起的干涉的影响，I(δ)可以用下面的方程5表示。

$I\left(\mathrm{\δ}\right)=I^s\left(\mathrm{\δ}\right)+\mathrm{\α}[I_p^s\left(\mathrm{\δ}\right)+I_{\mathrm{int}}\left(\mathrm{\δ}\right)],$

其中

因此，如果从当前解码单元220所探测到的光场强度中消除了相邻像素的影响，则一旦在单个开像素存在，发生δ的错位时，在相应CCD探测器像素上探测到的值，即I^s(δ)，可以通过下面的方程6得到。

$I^s\left(\mathrm{\δ}\right)=I\left(\mathrm{\δ}\right)-\mathrm{\α}[I_p^s\left(\mathrm{\δ}\right)+I_{\mathrm{int}}\left(\mathrm{\δ}\right)]$ 方程6

此外，如果能够知道错位量δ，按照下面的方程7可以补偿该错位的影响，因此最终从在CCD探测器的像素上探测到的值I(δ)计算I^s(0)。这种情况下，能够利用简单的试验获得表示错位对强度的影响的值I_diff(0，δ)，并且，可以以例如查找表的形式构建错位量并作为参考，而能够预先获得该值。

I^s(0)＝I^s(δ)+I_diff(0，δ)，

其中I_diff(0，δ)＝I^s(0)-I^s(δ)      方程7

图6给出了利用HDDS系统的解码单元220，在再现时校正具有错位像素的图像的操作的控制流程。下文中，参照图6，详细描述了本发明的优选实施例。

即，如果在步骤S600处有对全息存储介质再现的要求，则HDDS系统的解码单元220前进至步骤S602，以响应该再现请求，并且在步骤S602利用CCD探测记录在全息存储介质上的基于页面的信息图像。

并且，在步骤S604处，当数据像素和CCD像素之间发生错位时，则解码单元220探测在从全息存储介质再现的数据像素和CCD像素之间的错位量δ(0≤δ≤1)。此操作的原因是，如上所述，根据在CCD探测器像素上探测到的值I(δ)以及之后计算的I^s(0)，补偿错位的影响。

然后，在步骤S606中解码单元220判定错位量δ是否超过0.5个像素，从而决定错位图像的强度值将要被校正的方向。

这种情况下，如果在CCD像素和数据像素之间的错位量δ超过0.5个像素，如图7B所示，就判定数据像素向CCD像素的左侧发生错位。这时，如果CCD像素②为开像素，则CCD像素①受到开像素②影响，使得用于决定本发明的图像校正方法的方程5中的α的相邻像素为像素②。因此，解码单元220从步骤S606前进至步骤S608，因此在步骤S608中对CCD探测器像素的右侧进行图像校正。

相反，如果在CCD像素和数据像素之间的错位量δ不超过0.5个像素，如图7A所示，则判定数据像素向CCD像素的右侧发生错位。这时，错位的CCD探测器像素①可能受到开像素②影响。并且因此，解码单元220从步骤S606前进至步骤S610，因此在步骤S610中对CCD探测器像素的左侧进行图像校正。

因此，例如，如果当再现具有图8所示的数据图案的图像的时候，发生0.5个像素的错位，常规的技术中存在一个问题：由于像素的错位，在一个开像素上的信息将影响CCD像素，使其被探测为关像素，并且产生如图9所示的具有退化数据的图像，通过应用图6的图像校正处理流程可以解决该问题，从而如图10所示，没有改变地恢复图案图像的原始数据。

在优选实施例中，描述了一维错位的情况，但是，例如，甚至在二维错位的情况下，通过在水平和垂直方向上应用相同的校正方法，可以恢复图像。

如上所述，当在HDDS系统中，使用CCD通过一比一的像素匹配信号处理探测记录在全息存储介质上基于页面的信息图像时，在用于补偿CCD像素错位的图像校正方法中，本发明的优势在于：其对于在数据像素和CCD探测器像素之间的错位量δ，以查找表的形式预先存储了相邻的CCD探测器像素的干涉影响；并且在再现的时候，利用在查找表中与相应数据像素和相应CCD探测器像素之间错位量对应的相邻像素干涉的影响，以校正相应CCD探测器像素的图像数据，因此减少由于错位用于图像补偿所需的信号处理时间，并执行更可靠的数据解码。

尽管本发明是对于优选实施例示出和描述的，但本领域内的技术人员可以理解，在不背离下面的权利要求中所限定的本发明的精神和范围的条件下，可以进行各种变化和修改。

Claims (6)

1、一种图像校正方法，用于补偿在一种全息数字数据存储(HDDS)系统中在再现的时候的像素的错位，包括的步骤有：

a)使用电荷耦合器件(CCD)，在再现的时候，通过在数据像素和CCD探测器像素之间的一比一(1∶1)像素匹配，探测所存储的基于页面的图像；

b)一旦在该1∶1像素匹配期间发生所述像素的错位，计算在相应的数据像素和相应的CCD探测器像素之间的错位量δ(0≤δ≤1)；

c)基于该计算出的错位量，计算相邻像素对该相应的CCD探测器像素的干涉影响，并校正该CCD探测器像素的图像数据；以及

d)根据该错位量补偿错位影响，并校正该CCD探测器像素的该图像数据。

2、根据权利要求1所述的图像校正方法，其中所述步骤c)包括以下步骤：

c1)当该错位量超过0.5个像素时，计算右侧相邻像素对该相应的CCD探测器像素的干涉影响，并校正该CCD探测器像素的该图像数据；以及

c2)当该错位量等于或者小于0.5个像素时，计算左侧相邻像素对该相应的CCD探测器像素的干涉影响，并校正该CCD探测器像素的该图像数据。

3、根据权利要求2所述的图像校正方法，其中在该CCD探测器像素上排除相邻像素的干涉影响的校正后强度I^s(δ)，通过下面的方程计算：

$I^s\left(\mathrm{\δ}\right)=I\left(\mathrm{\δ}\right)-\mathrm{\α}[I_p^s\left(\mathrm{\δ}\right)+I_{\mathrm{int}}\left(\mathrm{\δ}\right)],$

其中，如果该相邻像素为关，则α为0，而如果该相邻像素为开，则α为1；I(δ)是在该CCD探测器像素上探测到的强度值；I_p ^s(δ)为由错位δ的该相邻CCD探测器像素增加的强度值；并且I_int(δ)为错位δ的该相邻CCD探测器像素引起的干涉的强度值。

4、根据权利要求2所述的图像校正方法，其中，相对于数据像素和CCD探测器像素之间的错位量，已经预先计算该相邻像素对该相应的CCD探测器像素的该干涉影响，并以查找表的形式保存。

5、根据权利要求1所述的图像校正方法，其中执行步骤d)以使得利用下面的方程，补偿根据该错位量的错位影响I_diff(0，δ)：

I^s(0)＝I^s(δ)+I_diff(0，δ)，

其中I_diff(0，δ)＝I^s(0)-I^s(δ)，

其中I^s(0)为在假定不发生错位的情况下，与该数据像素匹配的该CCD探测器像素校正后的强度值；并且I^s(δ)为与该数据像素错位δ的该CCD探测器像素的强度值。

6、根据权利要求5所述的图像校正方法，其中已经相对于错位量预先计算该错位影响，并以查找表的形式存储。

Images