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水下气泡场数字全息图的再现方法研究

作　者: 王添
导　师: 王金城
学　校: 中国海洋大学
专　业: 光学工程
关键词: 数字全息术粒子场探测水下气泡场数字再现数字图像处理
分类号: O438.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

数字全息术,即数字记录全息图及数字再现全息图,为全息术提供了另一种崭新的记录和再现方式。它是以CCD作为记录介质直接记录物场的全息图,并存储于计算机,再以数字方式再现,得到原始物场波前分布。由于其结合了计算机的数字性和光学全息术的三维性等优点,因此,在光测量方面具有很好的应用前景,已广泛的应用于科研、工程、生物医学等领域。粒子场的测试和诊断在许多工程技术及科研领域有着重要的意义,在众多的粒子场测试方法中,全息摄影法以其不干扰水体,拍摄景深大、可再现三维粒子场信息以及分辨率高等优点得到了广泛的应用。本论文根据数字全息术的特点,提出将数字全息技术应用到水下粒子场探测领域。围绕这个内容,本文从理论分析、具体实验和计算机再现三个方面对其进行了初步的研究,主要完成了以下工作：1.介绍了传统的光学全息术和数字全息技术的基本原理和各自的特点。探讨了水下环境对气泡场探测带来的影响以及数字全息相对于光学全息在水下气泡场探测方面的优势。同时介绍了水下气泡场探测的研究背景和国内外研究现状。2.建立了数字全息图记录和数字再现的数学模型,对数字全息中的数字再现算法以及相关的数字图像处理方法进行了详尽的理论分析。3.给出两种不同的数字再现思路,即菲涅耳变换法和卷积法,完成了数字全息记录及再现程序的编写。并给出了相应的计算机再现结果。同时,研究并讨论了全息图再现过程中应用的数字图像处理技术。4.将数字全息技术应用于水下气泡场的探测,进行了气泡场的数字全息拍摄实验,并对拍摄得到的全息图进行了数字再现。5.对气泡场再现全息图进行气泡的识别、提取和数据统计工作。首先,利用阈值提取法消除再现图中的背景噪声以便气泡的识别；接下来通过边缘检测技术提取出在焦气泡,在此过程中,分别采用四种不同的检测算子进行气泡提取,选择出最优算法进行特征提取。然后,利用扫描法计算气泡的粒径大小,并采用邻域再现法再现出所有层面的气泡,最后设计程序自动统计气泡个数,统计结果准确率达到91.2%,效果比较理想。本论文良好地结合了数字全息技术和水下粒子场探测技术,完成了数字全息技术研究中的基础性工作。论文所做的理论分析、计算机模拟和实验为今后数字全息技术进一步的深入研究提供了有益的帮助和借鉴。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
1 引言  11-21
  1.1 数字全息技术的概念  12-13
  1.2 数字全息与传统光学全息技术的区别  13-14
  1.3 数字全息技术在粒子场探测中的应用  14-19
    1.3.1 数字全息应用于粒子场探测的研究现状  14-15
    1.3.2 数字全息应用于水下气泡场探测的研究背景  15-16
    1.3.3 水下环境对全息图记录的影响  16-18
    1.3.4 数字全息应用于粒子场探测的优势  18-19
  1.4 本论文主要工作及安排  19-21
2 数字全息术的理论基础  21-34
  2.1 菲涅耳积分—球面波理论  21-23
  2.2 三维物体的全息记录和再现原理  23-28
    2.2.1 全息图的记录和再现的物理模型  23-24
    2.2.2 全息图的光学记录原理  24-25
    2.2.3 全息图的光学再现原理  25-28
    2.2.4 全息图的数字再现原理  28
  2.3 数字全息术的相关技术  28-34
    2.3.1 光电图像传感器技术  28-30
    2.3.2 数字图像处理技术  30
    2.3.3 二维傅里叶变换的基本理论  30-33
    2.3.4 MATLAB编程语言简介  33-34
3 数字全息再现方法研究  34-46
  3.1 数字再现算法的选择  34-35
  3.2 数字全息再现算法的原理  35-40
    3.2.1 菲涅耳变换算法的原理  35-37
    3.2.2 卷积再现算法的原理  37-39
    3.2.3 两种再现方法的比较  39-40
  3.3 图像的预处理—数字图像处理  40-42
    3.3.1 全息图对比度增强  40-41
    3.3.2 数字相减法  41
    3.3.3 全息图减平均值法  41-42
  3.4 图像的特征提取—边缘检测  42-44
    3.4.1 边缘检测技术简介  42-43
    3.4.2 边缘检测算子及其实现  43-44
  3.5 图像的区域标记  44-45
  3.6 本章小结  45-46
4 水下气泡场数字全息图的再现技术  46-57
  4.1 水下气泡场探测实验  46-47
  4.2 全息图的数字再现  47-48
  4.3 气泡的识别和提取  48-52
    4.3.1 气泡的阂值提取  48-49
    4.3.2 在焦气泡的判定  49-50
    4.3.3 气泡的特征提取—边缘检测  50-52
  4.4 气泡的分布统计  52-55
    4.4.1 邻域再现法统计气泡个数  52-53
    4.4.2 气泡场的区域标记  53-55
  4.5 本章小结  55-57
5 总结与展望  57-59
参考文献  59-62
致谢  62-63
作者个人简历  63
发表的学术论文  63

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