数字全息在实时动态测量和信息隐藏中的应用研究

论文摘要

数字全息术是利用光电传感器件(如CCD或CMOS)代替干板记录全息图,然后将全息图存入计算机,用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现和处理。它具有制作成本低,成像速度快,记录和再现灵活、全息图易于网络传输等优点,一直成为研究人员关注的热点。数字全息术现已被广泛地应用于物体显微观测、微小形变测量、粒子束监测、目标识别和信息隐藏等应用领域。但数字全息术在提高再现像质量、加速数字全息图再现运算、物体动态变化实时测量、数字全息实时再现显示以及大容量数字全息隐藏等关键问题仍然值得深入的研究。本论文主要围绕如何利用数字全息实现物体动态变化过程实时记录与再现和大容量数字全息的生成与信息隐藏展开讨论和研究的,主要创新点包括以下几个方面：1.针对现有的相移数字全息术,提出了一种基于圆偏振光干涉的相移数字全息术的新方法。该方法利用左旋与右旋偏振光分别作为物光和参考光,经偏振片后相互干涉形成数字全息图,而相移由偏振片旋转角度决定。通过理论推导和数值模拟,研究了提高偏振相移数字全息再现质量的实验优化参数条件。实验结果同时表明在优化参数条件下,该技术能有效去除再现图中零级分量和共轭分量,再现质量好。2.针对利用相位阵列实现瞬时相移数字全息术的方法,提出了基于偏振方向空间周期性瞬时四步相移数字全息实验方案,该方法不需要相移阵列与成像器件CCD间像素对应,大大降低了实际实验的操作难度。通过插值运算,研究了瞬时相移复合数字全息图再现算法,数值模拟所获得的实验结果具有传统相移数字全息图再现特点,并通过光学实验所获得的相移全息图处理与运算验证了该瞬时相移数字全息术方案的可行性,这将会为诸如细胞诊断、等离子分析等动态过程实时探测提供了一种全新的记录手段和可行方案。3.针对CPU并行运算的不足,开发出一种利用MATLAB语言编写、GPU加速数字全息图再现的软件,大大缩短了数字全息图再现运算时间,提高了全息图后期处理的效率。针对物体动态过程的实时表征,基于.Net平台,利用C#编程语言开发出集CCD所记录的全息图实时采集、GPU加速全息图再现运算和再现结果实时显示诸功能于一体的数字全息实时测量软件,解决了以往动态过程后期表征的缺点。利用该软件,实验研究了转速1Rpm三维物体的动态变化过程,实时显示帧速达21fps,验证了该软件的可靠性和实用性,这将会为诸如细胞诊断、等离子分析等动态过程实时表征提供了软件保障和技术支持。4.针对复值图像的空域信息隐藏,提出了一种基于离散余弦变换的复值图像信息隐藏方案。比较多种嵌入系数下宿主图像不可见性和提取出的隐藏图像质量,得出该信息隐藏方式下优化嵌入系数。多种攻击方式下的实验结果表明该方法比空域像素直接相加隐藏更具有抗攻击效果好,再现质量高的优点。利用该信息隐藏方法,研究了三维物体相移数字全息图的信息隐藏和攻击实验,结果表明：相对于二维图像的信息隐藏,数字全息的信息隐藏使得宿主图像更具不可察性,隐藏信息更具有安全性和鲁棒性。5.从大容量信息隐藏需求出发,提出了基于偏振复用和波长复用两种大容量数字全息生成方案。针对实验所获得偏振复用数字全息图与模拟所得的偏振复用相移数字全息图信息隐藏及攻击实验比较发现,隐藏相移数字全息图的系统抗攻击能力强,再现像质量高。研究了含有三幅图像信息的波长复用相移数字全息生成原理、再现方法和信息隐藏,攻击实验结果表明隐藏该波长复用数字全息图,系统鲁棒性能高,隐藏信息容量大,同时所需要的宿主图像冗余信息空间与单幅图像一样,从而巧妙地解决了在有限的载体信息中隐藏尽可能多的秘密信息的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 数字全息术发展与应用概述
• 1.1.1 数字全息技术发展概况
• 1.1.2 数字全息术的应用领域
• 1.1.3 国内数字全息术研究进展
• 1.2 论文研究意义和目的
• 1.3 论文主要研究内容
• 第2章 数字全息基本理论及实验研究
• 2.1 菲涅耳数字全息
• 2.1.1 菲涅耳数字全息记录原理
• 2.1.2 菲涅耳数字全息再现原理
• 2.1.3 菲涅耳数字全息图记录和再现分离条件的讨论
• 2.1.4 菲涅耳数字全息模拟与实验研究
• 2.2 无透镜傅里叶变换数字全息
• 2.2.1 无透镜傅里叶变换数字全息图记录与再现原理
• 2.2.2 无透镜傅里叶变换数字全息模拟与实验研究
• 2.3 数字显微像面全息
• 2.3.1 数字显微像面全息图记录与再现原理
• 2.3.2 数字显微像面全息模拟与实验研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 相移数字全息理论及实验研究
• 3.1 相移数字全息基本理论
• 3.1.1 四步相移数字全息记录与再现原理
• 3.1.2 四步相移数字全息模拟与实验研究
• 3.2 基于圆偏振光干涉相移数字全息术
• 3.2.1 基于圆偏振光干涉相移数字全息术基本原理
• 3.2.2 基于圆偏振光干涉相移数字全息术数值模拟与实验研究
• 3.3 瞬时相移数字全息术理论与预实验研究
• 3.3.1 瞬时相移数字全息原理
• 3.3.2 瞬时相移数字全息理论模拟与预实验
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于GPU数字全息实时再现系统理论与实验研究
• 4.1 基于CUDA架构的GPU通用计算
• 4.1.1 GPU发展历程
• 4.1.2 GPU并行计算
• 4.1.3 CUDA架构与编程模型
• 4.1.4 CUDA版本与安装
• 4.2 数字全息实时再现系统的设计及实验研究
• 4.2.1 基于GPU数字全息加速再现算法研究
• 4.2.2 基于GPU数字全息实时再现系统设计与研究
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于双随机相位编码的数字全息隐藏研究
• 5.1 基于双随机相位编码的图像信息隐藏研究
• 5.1.1 双随机相位编码加密与解密技术
• 5.1.2 复值图像信息隐藏原理
• 5.1.3 双随机相位编码的灰度图像信息隐藏与攻击实验
• 5.1.4 双随机相位编码的数字全息信息隐藏与攻击实验
• 5.2 基于复用技术的大容量数字全息信息隐藏研究
• 5.2.1 基于偏振复用术的大容量数字全息生成及隐藏研究
• 5.2.2 基于波长复用术的大容量数字全息生成及隐藏研究
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文及研究成果
• 一、发表的学术论文
• 二、主持与参与科研项目
• 致谢