專利名稱：根據成像數據重建數據頁的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于根據數據頁的過采樣的檢測圖像來重建該數 據頁的電子設備及相應的方法。此外，本發明涉及包括所述電子設備 的光學全息設備。另外，本發明涉及供所述光學全息設備中使用的相 應方法。最后，本發明涉及一種用于在軟件中實現所述方法的計算機 程序。
背景技術：
光學存儲系統特別是全息數據存儲系統(HDSS )保證高數據容量(例 如在12厘米盤上的1T字節)和高數據傳輸率(G位/秒)。全息數據存儲系 統優于其他光學存儲系統的優點在于，其利用媒體的真實三維(3D)體 積來存儲數據，使大容量成為可能。在IEEE的會議紀錄(2004年)第92 巻第8號第1231-1280頁刊登的由Lambertus Hesselink、 Sergei S. Orlov和MatthewC. Bashaw撰寫的"全息數據存儲系統，，("Holographic Data Storage Systems" ， Lambertus Hesselink, Sergei S. Orlov， and Matthew C. Bashaw， Proceedings of the IEEE, vol. 92， no. 8， pp. 1231-1280， 2004 )中給出了全息數據存儲系統的概述。
在全息數據存儲(HDS)中，可以將數字數據以基于頁面的形式存儲 在全息媒體中，即作為數據頁存儲在全息媒體中。激光可以透射通過空 間光調制器(SLM)，其包含二進制數據。該光束和參考光束的干涉圖可 以被記錄在該媒體中作為被記錄的數據頁。可以僅利用參考光束而由光 學全息設備讀出所記錄的數據頁，并且可以在CCD傳感器或CMOS芯片上檢 測原始數據頁。由于該記錄的全息性質，可以在該全息媒體的同一個位 置存儲好幾百個數據頁。
CCD傳感器上的圖像應當被變換成原始二進制數據。重建數據頁的一 種方法是通過利用像素匹配的SLM和CCD傳感器。 一種可能是SLM的每個像 素都與CCD上的一個像素匹配并且僅利用閾值電平來決定數據位是O還是 1。但是，這對光學全息設備的所有光學器件的對準設置了限制。CCD區域的內部成像，即CCD對該圖像過采樣，從而檢測到過采樣的檢測 圖像。因此，在這種全息數據存儲中，CCD上的數據頁圖像的放大率、旋 轉和位置都是未知的。現在該數據頁中的對準標記可用來計算該CCD上的 數字數據的放大、旋轉和位置。然后基于CCD上的位置利用這些參數來重 建該數字數據。
已經提出了一些方法來檢測誤差，特別是圖像檢測器中的不均勻性 或者激光束輪廓中的不均勻性，例如在US 2005/0018263中描述的方法利 用分數延遲濾波技術，其中基于檢測圖像中的配準(registration)標 記來確定放大系數和偏移系數。在WO 2005/057584 Al中描述的另一種方 法提議對所檢測的成像數據頁中的莫爾圖進行檢測并且根據莫爾圖對成 像數據頁進行修改。根據CCD圖像來重建數據頁經常依賴于對準標記的使 用。
發明內容
本發明的目的在于提供一種改進的用于根據數據頁的過采樣的檢測 圖像來重建該數據頁的電子設備和相應的方法。此外，本發明的目的在 于提供一種分別包括所述電子設備和方法的光學全息設備和相應的方 法。另外，應當提供一種用于實現所述方法的計算機程序。特別地，有 益的是實現一種不使用參考標記或莫爾圖的電子設備和相應的方法。
在本發明的第一方面，提供一種如權利要求l中限定的電子設備，所 述設備包括
提取單元，其用于從所述過釆樣的檢測圖像中提取過采樣因子， 確定單元，其用于通過利用所述提取出的過采樣因子來確定相對于
所述數據頁而對所述過采樣的檢測圖像進行校正的校正信息，以及
校正單元，其用于通過利用所述已確定的校正信息來校正所述過采
樣的檢測圖像。
在本發明的另一方面，提出了一種光學全息設備，其用于讀出在全 息記錄媒體中記錄的數據頁，所述設備包括
圖像檢測單元，其用于檢測所記錄的數據頁的過釆樣的檢測圖像，
以及
如權利要求l中限定的電子設備，其用于根據所述過采樣的檢測圖像 來重建數據頁。
6在本發明的又一方面，提出了一種計算機程序，其包括程序代碼裝 置，用于當在計算機上執行所述計算機程序時使該計算機執行如權利要
求11或12中所要求的方法的各個步驟。
其他獨立權利要求中限定了相應的方法。從屬權利要求中限定了本 發明的優選實施例。應當理解，電子設備、方法和計算機程序具有與這 些從屬權利要求中所限定的相似和/或相同的優選實施例。
作為一個基本思想，本發明包括以下認識，即有益的是根據數據頁 的過采樣的檢測圖像來重建所迷數據頁，以便從所述過采樣的檢測圖像 本身中提取有關所述不均勻性的校正信息。然后將這種提取出的校正信 息用于校正所述過采樣的檢測圖像，與大部分已知方法相反，這最終避 免了使用參考標記(也稱為對準標記或基準標志)或莫爾圖進行所述重 建的必要性。
在本發明的實施例中，可以在不使用對準標記的情況下從檢測圖像 中提取數據的放大、旋轉和位置。信號處理方案利用正確的過采樣因子 和起始點(相位t0)對檢測圖像進行重新采樣。此外，可以利用例如快 速傅里葉變換即FFT或者其他已知的巻積變換來提取該過采樣因子，并且 可以利用修正的巻積積分來計算該起始點。
不使用對準標記的兩個主要優點是可以避免費時的交叉相關以精確 地找到對準標記的位置，以及釋放了這些對準標記所需的數據空間，由 此為數據留下更多的可用空間同時還提供數據檢索過程的魯棒性。
優選的是，提取單元進一步包括推導元件，其用于導出在所述過采 樣的檢測圖像中的暗線的周期性，其中優選的是，所述推導元件進一步 包括巻積變換元件，其用于在所述過采樣的檢測圖像的至少一列和/或行 上進行巻積變換，特別是進行快速傅里葉變換(FFT),以便導出所述周期性。
在本發明的另一個優選實施例中，所迷確定單元進一步適于
將所述過采樣的檢測圖像的至少一列/行的所述數據與模擬
(artificial)周期函數相比較，所述模擬周期函數具有與所導出的周
期性相對應的頻率并且具有相對于所述數據頁的已知偏移，
利用至少一個其他的已知偏移來重復所述比較，以及
確定在所述經比較的已知偏移當中的最佳匹配偏移，該最佳匹配偏 移具有與所述過采樣的檢測圖像的至少一列和/或行的數據的偏移的最
7佳匹配，并且將所述最佳匹配偏移確定為所述校正信息的一部分。 在本發明的另一個優選實施例中，所述確定單元進一步適于 對所述模擬周期函數和所述過采樣的檢測圖像的至少 一 列/行進行
巻積，以及
檢測所述巻積的最大值。
根據本發明的另 一個優選實施例，所述確定單元可以進一步適于利 用修正的巻積積分，所述修正包括所述過采樣的檢測圖像的所述至少一 列/行的數據信號與所述周期函數相乘，并且所述確定單元適于將所述周 期函數移動一個周期通過所述數據信號。
在本發明的實施例中，所述校正單元能夠進一步包括重新采樣元件，
;樣的檢測圖像的:列和/或各行進行重新采樣。優選的是:提供閾值元 件，其用于通過利用所述過采樣的檢測圖像的每列和/或行和/或區域的 直方圖確定限制元件的閾值。另外，可以引入起動元件，其用于通過利 用至少一列和/或行的總和的非零值作為所述重建的數據頁的開始來檢 測所述數據頁的至少一個數據邊界從而確定所述重建的數據頁的開始。
本發明的這些和其他方面將從下文中描述的(多個)實施例中變 得明了并且參考所述實施例得以闡明。在下面的附圖中 圖i示出本發明的光學全息設備的實施例，
圖2示出本發明的方法的實施例的流程圖，以及
圖3示出圖解說明相應的計算機程序的主要步驟的流程圖。
具體實施例方式
圖1示出根據本發明實施例的光學全息設備，其利用相位共軛讀
出。該光學設備包括輻射源100、準直器101、第一分束器102、空間 光調制器103、第二分束器104、透鏡105、第一偏轉器107、笫一望 遠鏡108、第一反射鏡109、半波片110、第二反射鏡lll、第二偏轉 器112、第二望遠鏡113、檢測器114、包括提取單元118的電子設備 117、確定單元119和校正單元120。該光學設備用來將數據記錄在全 息媒體106中并且從全息媒體106讀取數據。電子設備117能夠是專用集成電路或者其他硬件，其單獨地分布 并且能夠例如增加到現有的全息光學設備。可選擇的是，提取單元118、 確定單元119和校正單元120的功能也可以在例如計算機或微處理器 上運行的軟件中實現。
在全息媒體106中記錄數據頁的過程中，借助于第一分束器102 將輻射源100生成的輻射束的一半朝空間光調制器103發送。這部分 輻射束稱為信號束SB。借助于第一偏轉器107將輻射源100生成的輻 射束的一半朝望遠鏡108偏轉。這部分輻射束稱為參考束RB。借助于 空間光調制器103對信號束SB進行空間調制。空間光調制器103包括 透射區和吸收區，其對應于待記錄的數據頁的0數據位和1數據位。 在信號束穿過空間光調制器103之后，其攜帶要被記錄在全息媒體106 中的信號，即要被記錄的數據頁。然后借助于透鏡105將該信號束聚 焦在全息媒體106上。
借助于第一望遠鏡108也將參考束RB聚焦在全息媒體106上。由 于信號束SB和參考束RB之間的干涉，因此數據頁以干涉圖的形式記 錄在全息媒體106中。 一旦將數據頁記錄在全息媒體106中，就將另 一個數據頁記錄在全息媒體106的同一個位置。為此目的，與該數據 頁對應的數據被發送到空間光調制器103。第一偏轉器107旋轉從而修 改參考信號相對于全息媒體106的角度。第一望遠鏡108用于在旋轉 時保持參考束RB處于同一位置。因此在全息媒體106的同一位置利用 不同圖案來記錄干涉圖。這稱為角度多路復用。用于記錄多個數據頁 的全息媒體106的同一個位置被稱為巻(book)。
可選擇的是，可以調諧該輻射束的波長以便將不同的數據頁記錄 在同一巻中。這稱為波長多路復用。也可以利用其他種類的多路復用 將數據頁記錄在全息媒體106中，所述其他種類的多路復用如偏移多 路復用。
在從全息媒體106讀出數據頁的過程中，將空間光調制器103制; 成完全是吸收性的，從而沒有光束能夠穿過空間光調制器103。移開第 一偏轉器107，從而使輻射源100生成且穿過分束器102的那部分輻射 束經由第一反射鏡109、半波片110和第二反射鏡111而到達第二偏轉 器112。如果利用角度多路復用而將數據頁記錄在全息媒體106中并且 要讀出給定數據頁，那么將第二偏轉器12設置為其相對于全息媒體106的角度與用于記錄該給定全息圖的角度相同。因此由第二偏轉器 112偏轉且借助于第二望遠鏡113而聚焦在全息媒體106中的信號是用 于記錄該給定全息圖的參考信號的相位共軛。如果例如利用波長多路 復用而將數據頁記錄在全息媒體106中并且將要讀出給定數據頁，那 么使用相同的波長來讀取該給定數據頁。
然后該參考信號的相位共軛被信息圖衍射，其形成重建的信號束， 然后其經由透鏡105和第二分束器104而到達檢測器114。因此在檢測 器114上形成成像的數據頁，并且由所述檢測器114檢測該已成像的 數據頁。檢測器114包括多個像素。在所顯示的實施例中，檢測器114 具有比成像數據頁更多的像素，即該圖像被檢測器114過采樣。在任 何情況下，成像數據頁應當按照其一個位或給定數量的位照射到檢測 器114的相應像素上的方式而小心地與檢測器114對準。
現在，在該系統中存在許多自由度，從而使成像數據頁不一定小 心地與檢測器114對準。例如，在與重建的信息束的軸相垂直的方向 上，全息媒體106相對于檢測器114的位移導致平移失配。全息媒體 106或檢測器114的旋轉導致在已成像的數據頁與檢測器114之間的角 度誤差。在與重建的信息束的軸相平行的方向上，全息媒體106相對 于檢測器114的位移導致放大誤差，這意味著成像數據頁的位(或者 給定數量的位)的尺寸與檢測器114的像素的尺寸不同。
此外，如上面所解釋的，在數據寫入過程中以及在讀出過程中激 光束的空間光強波動導致在剛一讀出時所獲得的圖像具有不希望有的 變化。另外，圖像檢測器114的不均勻像素響應加重了這些不希望的 變化。此外，全息媒體106可能不均勻地散射該激光，使圖像中的強 度波動甚至更加嚴重。這些變化使正確的位檢測很困難。
因此，根據本發明，用于根據所述數據頁的過采樣的檢測圖像來 重建數據頁的電子設備117利用提取單元118、確定單元119和校正單 元120，該提取單元用于從所述過采樣的檢測圖像中提取過采樣因子，
而對所述過采樣的檢測圖像進行校正的校正信息，該校正單元用于通 過利用所確定的校正信息來校正所述過采樣的檢測圖像。下面參考圖2 和3來描述上面提到的單元118、 119、 120的功能的各個細節。
圖2示出本發明的方法的實施例的流程圖，所述方法用于根據數
10據頁的過采樣的檢測圖像來重建所述數據頁。沿著塊的方向自頂到底 來描述該流程圖。
塊S1 "CCD圖像，，在HDS中，SLM對二進制數據頁成像；例如， 使用分辨率為600 x 800個像素的SLM。這些像素被成像在分辨率為 2048 x 3072個像素的CCD上。
塊S2和S2a "確定過采樣因子(T)":由于SLM的像素不是連續 的，因此每個像素之間的暗線會在CCD圖像中顯露出來。在該CCD圖 像的所有線或行上利用例如快速傅里葉變換(FFT)或其他已知的巻積 變換來確定這些暗線的周期性。這些線的周期性準確地表明多少CCD 像素對應于一個SLM像素。數據頁的CCD圖像的FFT中的峰值顯示出 SLM像素的周期性。例如，如果該峰值在864處，那么3072/864*2是 3.55。因此， 一個SLM像素將被成像在3. 55個CCD像素上。
塊S3和S3a "確定相位(t0)":為了對CCD數據進行重新采樣， 應當提供起始點。既然過采樣因子是已知的，那么可以構造與CCD上 的SLM像素相同頻率的周期函數，例如正弦波。如果該正弦波與CCD 的列進行巻積，那么當正弦波的峰值與該數據信號的峰值對準時二者 的巻積處于最大值。為了對此進行計算，可以使用修正的巻積積分， 其將該數據信號和正弦波相乘，但是僅將該正弦波移動一個周期通過 該數據信號。在下面的公式中，O是過采樣因子，在該例子中n選擇為 32。
<formula>formula see original document page 11</formula>
在該例子中，為每一列計算該修正的巻積。由于該最大值的位置
具有過采樣因子的模，因此在to處兩個相鄰列之差優選不大于該過釆
樣因子的一半，因此允許最大值45度的旋轉。對于對準不良的系統， 在CCD上的數據頁的最大值旋轉更接近于僅僅幾度。在每隔30列之間 的t0的線性外插將仍然允許5度的旋轉。對于各行也可以按照相同的 程序。
塊S4和S4a "對CCD圖像重新采樣"現在可以利用計算出的過 采樣因子和t0對CCD數據的各列和各行重新采樣。在該例子中利用線 性外插進行重新采樣。但是同樣可以利用更復雜的重新采樣方法，如"樣條函數(spline)"。
塊S5和S5a "確定限制電平"現在每個采樣代表一個位。在該 例子中每條線的直方圖用于確定該限制器的閾值。也可以選擇每個區 域的直方圖，這取決于CCD圖像的強度變化。
塊S6和S6a "確定邊緣"二進制位同步數據頁現在是可用的。 剩下的就是找到該數據的開始，這能夠通過檢測數據邊界來進行。歹寸/ 行的總和的非零值是原始頁的起點的優選指示器(telltale)。
塊S7 "重建的數據頁"在圖2的例子中，作為一個整體來重建 二進制頁。該方法當將CCD圖像分成4個或9個塊時同樣順利地執行。 這對于補償成像系統的失真是很有用的。
本發明的一種應用在于全息數據存儲的基于頁面的數據檢索中， 因為在CCD圖像上的數據頁的精確位置是未知的。本發明也能夠用于 任何數據存儲和檢索系統中，其中在傳感器陣列上的數據的精確對準 是未知的。
圖3中繪出了另一個流程圖。該流程圖使用如上所述的圖2的實 施例的順序和示范性的數字以便于理解比較。在此基礎上，該流程圖 示出了根據本發明優選實施例的計算機程序的主程序代碼塊，利用該 主程序代碼塊能夠在軟件中實現上述方法。為了避免重復描述，主要 參考上面圖2的描述，該描述同樣可適用于下面的流程圖。對圖2進 行補充，圖3的流程圖也示出了各列的塊S3和S4的另一種循環。因 此，圖3的流程如下
塊S1:定義
塊S2:各步驟的初始化"提取各行和各列的過采樣因子" 塊S3i:"確定每一行的相位(t0)，，，提供t0 —行(3072 ) 快快S4:"對CCD圖像的所有行重新采樣" 塊S3ii:"為每一列確定相位(t0)"，提供tO —列(3072 ) 塊S4:"對CCD圖像的所有列重新采樣"，提供CCD圖像(600 x 800 12bpp )
塊S5:"確定限制器電平(例如全局限制器)"，提供CCD圖像 (600 x 800 lbpp)
塊S6:"確定邊界" 塊S7:重建的數據頁盡管在附圖中示出并在前面的描述中詳細地描述了本發明，但是
圖示和描述被認為是說明性的或者是示范性的而非限制性的；本發明 不限于所公開的實施例。本領域的技術人員根據對附圖、公開內容和 隨附的權利要求的研究，在實現所要求保護的本發明時可以理解并實 現對所公開的實施例的其他變化。
在權利要求中，詞"包括"不排除其他元件或步驟，不定冠詞"一" 不排除有多個。單個元件或其他單元可以實現在權利要求中列舉的若 干功能。在彼此不同的從屬權利要求中列舉某些措施并不表明不能有 利地使用這些措施的組合。
術語"元件，，可以解釋為表示設備的實體部分，表示方法的步驟 和/或表示軟件程序的一部分。
計算機程序可以存儲/分布在適當的媒體上，如光學存儲媒體或者
連同其他硬件一起提供或作為其他硬件的一部分的固態媒體，但是也 可以以其他形式來分布，如經由因特網或其他有線或無線遠程通信系 統。
權利要求中的任何附圖標記都不應當解釋為對該權利要求的范圍 的限制。
1權利要求
1.一種用于根據數據頁的過采樣的檢測圖像來重建所述數據頁的電子設備(117)，所述電子設備包括提取單元(118)，其用于從所述過采樣的檢測圖像中提取過采樣因子，確定單元(119)，其用于通過利用所提取出的過采樣因子來確定相對于所述數據頁而對所述過采樣的檢測圖像進行校正的校正信息，以及校正單元(120)，其用于通過利用所確定的校正信息來校正所述過采樣的檢測圖像。
2. 如權利要求1中所述的電子設備， 其中所述提取單元(118)進一步包括推導元件(121)，其用于導出在所述過采樣的檢測圖像中的暗線的周期性。
3. 如權利要求2中所述的電子設備， 其中所述推導元件(121)進一步包括巻積變換元件(122)，其用于在所述過采樣的檢測圖像的至少一 列和/或行上進行巻積變換，特別是進行快速傅里葉變換(FFT)，以 便導出所述周期性。
4. 如權利要求3中所述的電子設備， 其中所述確定單元(119)進一步適于將所述過采樣的檢測圖像的至少一列/行的所述數據與模擬周期函 數相比較，所述模擬周期函數具有與所述導出周期相對應的頻率并且具 有相對于所述數據頁的已知偏移，利用至少一個其他的已知偏移來重復所述比較，以及 確定在所述經比較的已知偏移當中的最佳匹配偏移，該最佳匹配 偏移具有與所述過采樣的檢測圖像的至少一列和/或行的數據的偏移 的最佳匹配，并且將所述最佳匹配偏移確定為所述校正信息的一部分。
5. 如權利要求4中所述的電子設備， 其中所迷確定單元(119)進一步適于將所述模擬周期函數和所述過采樣的檢測圖像的至少一列/行巻積，以及檢測所述巻積的最大值。
6. 如權利要求5中所述的電子設備， 其中所述確定單元(119)進一步適于利用修正的巻積積分，所述修正包括所述過采樣的檢測圖像的所 述至少一列/行的數據信號與所述周期函數相乘，以及 將所述周期函數移動一個周期通過所述數據信號。
7. 如權利要求1或4中所述的電子設備， 其中所述校正單元(120)能夠進一步包括重新采樣元件(123)，其用于通過利用所述提取出的過采樣因子 和所確定的偏移而逐線對所述過采樣的檢測圖像的各列和/或各行進 行重新采樣。
8. 如權利要求1中所述的電子設備， 其中所述校正單元(120)進一步包括閾值元件(124)，其用于通過利用所述過采樣的檢測圖像的每列 和/或行和/或區域的直方圖確定限制元件的閾值。
9. 如權利要求1中所述的電子設備， 其中所述校正單元(120)進一步包括起動元件(125)，其用于通過利用至少一列和/或行的總和的非 零值作為所述重建的數據頁的開始來檢測所述數據頁的至少 一個數據 邊界從而確定所述重建的數據頁的開始。
10. —種光學全息設備，其用于讀出在全息記錄媒體(106)中記錄的數據頁，所述設備包括圖像檢測單元(104， 105， 114)，其用于檢測所記錄的數據頁的過 采樣的檢測圖像，以及如權利要求l中限定的電子設備(117)，其用于根據所述過采樣 的檢測圖像來重建數據頁。
11. 一種用于根據數據頁的過采樣的檢測圖像重'構所述數據頁的 方法，所述方法包括以下步驟從所述過采樣的檢測圖像中提取過采樣因子，通過利用所提取出的過采樣因子來確定相對于所述數據頁而對所 述過采樣的檢測圖像進行校正的校正信息，以及通過利用所確定的校正信息來校正所述過采樣的檢測圖像。
12. —種在如權利要求10中所述的光學全息設備中所使用的方法， 所述光學全息設備用于讀出全息記錄媒體(106)中記錄的數據頁，所 述方法包括以下步驟檢測所記錄的數據頁的過采樣的檢測圖像利用如權利要求11中所述的方法根據所述過采樣的檢測圖像來重 建數據頁。
13. —種計算機程序，其包括程序代碼裝置，當在計算機上執行 所述計算機程序時所述程序代碼裝置使計算機執行如權利要求11或 12中所述的方法的各步驟。
全文摘要
本發明涉及一種用于根據數據頁的過采樣的檢測圖像來重建所述數據頁的電子設備(117)和相應的方法。為了避免必需將參考標記用于所述重建，本發明提供提取單元(118)，其用于從所述過采樣的檢測圖像中提取過采樣因子；確定單元(119)，其用于通過利用所述提取出的過采樣因子來確定相對于所述數據頁而對所述過采樣的檢測圖像進行校正的校正信息，以及校正單元(120)，其用于通過利用所確定的校正信息來校正所述過采樣的檢測圖像。本發明特別涉及一種用于讀出在全息記錄媒體(106)中記錄的數據頁的光學全息設備。
文檔編號G11B7/00GK101601091SQ200780035742
公開日2009年12月9日 申請日期2007年9月19日 優先權日2006年9月26日
發明者F·M·H·克羅姆普沃茨, O·M·J·范特埃夫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司