TWI457921B - 全像儲存系統及其影像識別方法 - Google Patents

Description

全像儲存系統及其影像識別方法

本發明是有關於一種影像儲存系統及影像識別方法，且特別是有關於一種全像儲存系統及其影像識別方法。

目前市面上主要的光學儲存材料為光碟片，包含了CD、DVD以及BD，其資料儲存方式係藉由雷射光透過物鏡聚焦而在光碟片上單點燒錄二進制的資料，因此可儲存的容量有限。此外，光碟機大多以點對點方式讀取光碟片資料，使得資料傳輸速率受到限制。近年來，一種頁碼儲存方式的全像儲存系統被提出，使得資料儲存裝置可同時具有高儲存容量與高傳輸速率之優點。

然而，由於全像儲存系統中的光學系統存在像差與雜訊，使得投射在二維感測器上的影像產生扭曲、亮度分佈不均、光斑以及高斯雜訊，致使無法達到正確的影像辨識與影像還原。

因此，迄今習知技術仍具有上述缺陷與不足之處需要解決。

本揭示內容之一態樣是在提供一種全像儲存系統，包含儲存媒體、感測器以及處理器。儲存媒體用以儲存原始影像相對應之干涉條紋。感測器配置於參考光束入射儲存媒體後所產生之繞射光束的傳遞路徑上，用以接收繞射光束投射所產生之影像圖案，並將影像圖案所對應之影像資訊轉換為影像信號。處理器電性耦接感測器，用以接收影像信號，其中處理器依據資料庫中複數個參考圖案所對應之影像畫素的數量與排列型式對影像圖案進行複數個定位點之搜尋，並依序將定位點所對應之複數個區域圖案與資料庫之參考圖案進行結構相似度之比對，以還原原始影像。

依據本揭示內容之一實施例，其中干涉條紋係由物體光束經過空間調製器編碼後與參考光束之間產生干涉效應而得到。

依據本揭示內容之一實施例，其中物體光束與參考光束之間係為同軸或離軸。

本揭示內容之另一態樣是在提供一種全像儲存系統之影像識別方法，包含下列操作步驟。首先，建立資料庫。隨後，獲取影像信號。接著，搜尋影像信號所對應之影像圖案的複數個定位點。然後，依序擷取定位點所對應之複數個區域圖案，以與資料庫中所儲存之複數個參考圖案進行結構相似度之比對。其後，選擇與區域圖案具有最高相似度之參考圖案。隨後，依據所選擇之參考圖案還原原始影像。

依據本揭示內容之一實施例，其中區域圖案與參考圖案所對應之影像畫素的數量以及排列型式係為相同。

依據本揭示內容之一實施例，其中區域圖案與參考圖案所對應之影像畫素的數量以及排列型式係為可調整。

依據本揭示內容之一實施例，其中參考圖案所對應之影像畫素的排列型式包含十字形、交叉形、圓形、三角形、矩形、正方形、菱形以及多邊形中之任一者。

依據本揭示內容之一實施例，其中參考圖案所對應之影像畫素的灰階位準係為可調整。

依據本揭示內容之一實施例，其中參考圖案之間具有相異之影像編碼資訊。

依據本揭示內容之一實施例，其中搜尋定位點之方法包含灰階權重法、結構相似定位法以及方塊中心搜尋法中之任一者。

因此，應用本揭示內容可透過擷取與區域圖案具有最高相似度之參考圖案，以還原全幅原始影像，克服了感測器因影像扭曲與雜訊而無法進行影像識別的問題。

以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本揭示內容之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本揭示內容之較佳實施例後，當可由本揭示內容所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本揭示內容之精神與範圍。

第1圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種全像儲存系統100之結構示意圖。全像儲存系統100可包含儲存媒體170、感測器180以及處理器190。儲存媒體170所儲存之原始影像的編碼資訊可透過參考光束30入射儲存媒體170而產生繞射效應，以投射影像圖案於感測器180上，然後藉由處理器190將感測器180所接收到之影像圖案與預先建立的參考圖案依序進行區域性的結構相似度(Structural SIMilarity,SSIM)運算與比對，以還原原始影像。在本實施例中，感測器180可為二維感測器，用以感測全幅影像資訊。

在本實施例中，全像儲存系統100更可包含光源110、空間濾波器120、第一透鏡131、第二透鏡132、第三透鏡133、分光鏡140、空間調製器150、第一反射鏡161、第二反射鏡162以及資料庫195。由光源110所發出之具有原始影像資訊的影像光束10依序經過空間濾波器120、第一透鏡131以及分光鏡140。分光鏡140可將影像光束10分為物體光束20以及參考光束30，其中物體光束20經過空間調製器150而傳遞給儲存媒體170，參考光束30則經由第一反射鏡161與第二反射鏡162之反射而傳遞給儲存媒體170，使得物體光束20與參考光束30可在儲存媒體170中產生干涉效應而形成干涉條紋。然後，儲存媒體170可儲存與原始影像相對應之干涉條紋於其中。

當讀取儲存媒體170之影像資訊時，可利用參考光束30入射儲存媒體170而產生繞射光束40。感測器180配置繞射光束40的傳遞路徑上，用以接收繞射光束40投射所產生之影像圖案，並可將影像圖案所對應之影像資訊轉換為影像信號。處理器190電性耦接感測器180，用以接收影像信號，其中處理器190可依據資料庫195中複數個參考圖案所對應之影像畫素的數量與排列型式對影像圖案進行複數個定位點之搜尋，並依序將定位點所對應之複數個區域圖案與資料庫195之參考圖案進行結構相似度之比對，以還原原始影像。

在本揭示內容之一實施例中，干涉條紋係由物體光束20入射空間調製器150進行編碼，經過編碼後之物體光束20可與參考光束30產生干涉效應而得到干涉條紋。因此，干涉條紋具有空間調製器150之編碼資訊以及原始影像資訊。

在本揭示內容之一實施例中，物體光束20與參考光束30之間係為同軸或離軸。需說明的是，在第1圖所示之全像儲存系統100中，物體光束20與參考光束30之間係配置為離軸之傳遞方法。此外，全像儲存系統100之物體光束20與參考光束30之間更可配置為同軸之傳遞方法，而不以上述實施例為限。

第2圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種全像儲存系統100中資料庫195之參考圖案設置示意圖。在本實施例中，資料庫195可包含第一參考圖案0000～第十六參考圖案1111，其中每個參考圖案均可為2x2矩陣，並具有四個影像畫素。此外，所有參考圖案均可具有相異之影像編碼資訊。亦即，所有參考圖案中之四個影像畫素可具有不同排列組合。例如，第一參考圖案0000係具有四個黑色灰階位準之影像畫素，第十六參考圖案則具有四個白色灰階位準之影像畫素。需說明的是，上述參考圖案所對應之影像畫素的灰階位準係可依據實際操作需求而調整。以8位元灰階位準為例，黑色灰階位準可調整為20或40，而白色灰階位準則可調整為220或240，以符合實際影像亮度之需求。

在本揭示內容之一實施例中，第2圖所示之第一參考圖案0000～第十六參考圖案1111所對應之影像畫素的排列型式可為2x2之矩陣形式。此外，上述參考圖案之影像畫素更可排列成十字形、交叉形、圓形、三角形、矩形、正方形、菱形以及多邊形中之任一者，而不以上述實施例為限。

第3A圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種全像儲存系統100中感測器180上之影像圖案示意圖。上述影像圖案可為8x8矩陣，並包含第一影像畫素301～第六十四影像畫素364。處理器190可藉由灰階權重法、結構相似定位法以及方塊中心搜尋法中之任一者搜尋上述影像畫素之定位點。舉例來說，上述8x8矩陣之影像畫素可藉由灰階權重法找出第一影像畫素301的中心點作為第一定位點。接著，依據資料庫195所建立之參考圖案的大小(例如：2x2矩陣)以選取第一影像畫素301週邊相對應範圍之第一區域圖案(由第一影像畫素301、第二影像畫素302、第九影像畫素309以及第十影像畫素所構成之2x2矩陣圖案)。需說明的是，上述區域圖案所對應之影像畫素與資料庫190所建立之參考圖案所對應之影像畫素之間的數量以及排列型式係為相同，以方便進行結構比對。此外，若區域圖案之影像畫素數量大於參考圖案之影像畫素時，則可依據實際情況放大參考圖案，以方便對區域圖案與參考圖案進行結構比對。

隨後，可將第一區域圖案與資料庫195中所建立之第一參考圖案0000～第十六參考圖案1111依序進行結構相似度比對，上述區域圖案之區分方式可參照第3B圖所示。第3B圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種全像儲存系統100中感測器190上之區域圖案示意圖。由上述圖示可知，第一區域圖案係與第2圖之第九參考圖案1000具有最高相似度。然後，依序選取其他區域圖案與資料庫195中所建立之第一參考圖案0000～第十六參考圖案1111依序進行結構相似度比對。經由上述比對程序之後可將與上述區域圖案具有最高相似性之參考圖案作為基底，以取代原來的區域圖案，如第3C圖所示。第3C圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種全像儲存系統100中以具有最大相似度之參考圖案作為還原基底之示意圖。然後，對取代後的區域圖案及其構成之全幅影像圖案進行解碼，以還原原始影像。需說明的是，上述區域圖案與參考圖案所對應之影像畫素的數量以及排列型式係為可調整。例如，可將第3A圖中的第一影像畫素301～第八影像畫素308所構成之8x1長方形矩陣劃分為第一區域圖案，並依此類推將影像圖案由上而下劃分為8個長方形矩陣之區域圖案，且資料庫195中的參考圖案亦可調整成8x1長方形矩陣，以方便進行結構比對，而不以上述實施例為限。

第4圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種全像儲存系統100之影像識別方法的流程圖，其操作步驟以一實施例並搭配參照第1圖～第3C圖進行說明。

首先，在操作步驟410中可預先設置多個參考圖案，如第2圖所示之具有2x2矩陣大小之第一參考圖案0000～第十六參考圖案1111，以建立資料庫195。接著，當對儲存媒體170進行影像資料讀取時，可藉由參考光束30入射儲存媒體170以產生繞射光束，再將繞射光束投射於感測器180上並進行轉換，以獲取相對應之影像信號，如操作步驟420所示。

隨後，在操作步驟430中，可利用灰階權重法、結構相似定位法以及方塊中心搜尋法中之任一者搜尋影像信號所對應之影像圖案中的複數個定位點。例如，可藉由上述搜尋方法找到第一影像畫素310之中心作為第一定位點。

在操作步驟440中，可依序擷取定位點所對應之複數個區域圖案，以與資料庫中所儲存之複數個參考圖案進行結構相似度之比對。例如，可將第一影像畫素301周圍之2x2矩陣劃分為第一區域圖案(由第一影像畫素301、第二影像畫素302、第九影像畫素309以及第十影像畫素310所組成之圖案)，然後，依此類推將8x8之影像圖案劃分為16個區域圖案。

接著，依序將上述區域圖案與資料庫195之第一參考圖案0000～第十六參考圖案1111進行結構相似度比對。上述結構相似度比對係利用下列運算方式：

其中x,y分別為所擷取之區域圖案以及資料庫的參考圖案，C1與C2為調整參數。

μ_x ,μ_y 分別為區域圖案與參考圖案之影像的平均強度(mean intensity)，其公式如下：

σ_x ,σ_y 分別為區域圖案與參考圖案之影像的標準差(standard deviation)，其公式如下：

σ_xy 則為區域圖案與參考圖案之影像的共變異數(correlation coefficient)，其公式如下：

由此可知，將每個區域圖案與資料庫195中的參考圖案進行上述SSIM運算之後可得到相對應之SSIM數值，此SSIM數值係與影像之亮度比對(luminance comparison)、對比比對(contrast comparison)以及結構比對(structure comparison)相關聯。當區域圖案與參考圖案具有高相似度時，SSIM數值則相對較高，以提供影像比對之依據。

其後，在操作步驟450中，選擇與區域圖案具有最高相似度之參考圖案，如第3C圖所示，以作為還原影像時的基底。

然後，在操作步驟460中，可對第3C圖中所選擇之參考圖案1000、1011、1010、1001、...、1001進行解碼，以還原原始影像。

相較於習知作法，在本揭示內容上述實施例中，可透過與人眼識別較為接近的結構相似度比對方法，並配合區域影像的最高相似度比對而將相對應之資料庫的參考影像作為影像還原之基底，以克服影像扭曲、亮度分佈不均、光斑以及高斯雜訊，達到正確的全幅影像還原。

在本揭示內容中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行，而不以上述為限。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．全像儲存系統

110．．．光源

120．．．空間濾波器

131～133．．．第一透鏡～第三透鏡

140．．．分光鏡

150．．．空間調製器

161、162．．．第一反射鏡、第二反射鏡

170．．．儲存媒體

180．．．感測器

190．．．處理器

195．．．資料庫

301～364．．．第一影像畫素～第六十四影像畫素

410～460．．．操作步驟

0000～1111．．．第一參考圖案～第十六參考圖案

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種全像儲存系統之結構示意圖。

第2圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種全像儲存系統中資料庫之參考圖案設置示意圖。

第3A圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種全像儲存系統中感測器上之影像圖案示意圖。

第3B圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種全像儲存系統中感測器上之區域圖案示意圖。

第3C圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種全像儲存系統中以具有最大相似度之參考圖案作為還原基底之示意圖。

第4圖係繪示依照本揭示內容之一實施方式的一種全像儲存系統之影像識別方法的流程圖。

410～460．．．操作步驟

Claims (10)

1. 一種全像儲存系統，包含：一儲存媒體，用以儲存一原始影像相對應之一干涉條紋；一感測器，配置於一參考光束入射該儲存媒體後所產生之一繞射光束的傳遞路徑上，用以接收該繞射光束投射所產生之一影像圖案，並將該影像圖案所對應之影像資訊轉換為一影像信號；以及一處理器，電性耦接該感測器，用以接收該影像信號，該處理器依據一資料庫中複數個參考圖案所對應之影像畫素的數量與排列型式對該影像圖案進行複數個定位點之搜尋，該些定位點周圍對應複數個區域圖案，並依序將該些區域圖案與該資料庫之該些參考圖案進行一結構相似度之比對，以選擇與該些區域圖案具有最高相似度的該些參考圖案，用以還原該原始影像。
2. 如請求項1所述之全像儲存系統，其中該干涉條紋係由一物體光束經過一空間調製器編碼後與該參考光束之間產生干涉效應而得到。
3. 如請求項2所述之全像儲存系統，其中該物體光束與該參考光束之間係為同軸或離軸。
4. 一種全像儲存系統之影像識別方法，包含： 建立一資料庫；獲取一影像信號；搜尋該影像信號所對應之一影像圖案的複數個定位點；依序擷取該些定位點周圍所對應之複數個區域圖案，以與該資料庫中所儲存之複數個參考圖案進行一結構相似度之比對；選擇與該些區域圖案具有最高相似度之該些參考圖案；以及依據所選擇之該些參考圖案還原一原始影像。
5. 如請求項4所述之全像儲存系統之影像識別方法，其中該些區域圖案與該些參考圖案所對應之影像畫素的數量以及排列型式係為相同。
6. 如請求項5所述之全像儲存系統之影像識別方法，其中該些區域圖案與該些參考圖案所對應之影像畫素的數量以及排列型式係為可調整。
7. 如請求項6所述之全像儲存系統之影像識別方法，其中該些參考圖案所對應之影像畫素的排列型式包含十字形、交叉形、圓形、三角形、矩形、正方形、菱形以及多邊形中之任一者。
8. 如請求項4所述之全像儲存系統之影像識別方法，其中該些參考圖案所對應之影像畫素的灰階位準係為可調整。
9. 如請求項4所述之全像儲存系統之影像識別方法，其中該些參考圖案之間具有相異之影像編碼資訊。
10. 如請求項4所述之全像儲存系統之影像識別方法，其中搜尋該些定位點之方法包含灰階權重法、結構相似定位法以及方塊中心搜尋法中之任一者。