激光散斑噪聲抑制方法綜述

鄧慧　賴?yán)蚱肌埲刂?/p>

摘要：激光高相干性導(dǎo)致的散班噪聲給激光的應(yīng)用帶來(lái)很多不利因素。簡(jiǎn)要介紹激光光源的特點(diǎn)和使用激光照明的不利因素以及激光散班噪聲的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)國(guó)內(nèi)外抑制散斑噪聲的光學(xué)方法和圖像處理算法進(jìn)行綜述，介紹多種不同場(chǎng)合下的散班噪聲抑制的有效方法。

關(guān)鍵詞：激光相干性；激光散斑；散斑對(duì)比度；散斑抑制

中圖分類號(hào)：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2018）04-0028-05

Abstract：Laser is widely used in the optical field， but the noise caused by high coherence of laser can also bring disadvantages to the application of laser. The characteristics of laser light source， the disadvantageous factors of laser illumination and the evaluation standard of laser speckle were introducedbrieflyin this paper. Then the optical method and image processing algorithm for suppressing speckle noise at home and abroad were reviewed.Finally， the effective methods of laser speckle suppression in different situations were introduced.

Keywords：

laser coherence； laser speckle； speckled contrast； speckle suppression

1980年，由美國(guó)物理學(xué)家梅曼發(fā)明世界上第一臺(tái)固體激光器——紅寶石激光器，激光由此誕生。激光是一種受激輻射光源，具有很高的光子簡(jiǎn)并度，與普通光源相比，它具有高度的方向性、高單色性、高相干性和高亮度等特點(diǎn)[1]，因此在激光顯示、激光測(cè)量、激光照明等技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。但同時(shí)，激光高相干性的特點(diǎn)也給其應(yīng)用帶來(lái)了不利因素，并引起了科研人員的關(guān)注。

激光應(yīng)用的不利因素主要體現(xiàn)在：1）激光的多模式結(jié)構(gòu)，其多模式結(jié)構(gòu)的特性使得激光器不同模式間的能量不均勻，光束質(zhì)量低；2）激光在傳播過程中，其沿光束截面的能量并不是均勻分布的而是成高斯分布，這使得照明并不均勻，使得被照明物體圖像曝光不均勻，導(dǎo)致圖像邊界難以分辨；3）由激光的相干性引起所得到的物體圖象成顆粒性，當(dāng)用激光照射一般物體時(shí)由于物體表面相對(duì)于激光波長(zhǎng)量級(jí)而言相當(dāng)粗糙，因而經(jīng)物體表面向空間散射出的光束之間存在光程差而發(fā)生干涉，產(chǎn)生呈顆粒狀無(wú)規(guī)則分布的噪聲，該噪聲稱為散斑噪聲[2-5]。散斑噪聲的存在嚴(yán)重影響了圖像的細(xì)節(jié)信息，降低了圖像的清晰度和分辨率。所以，在用激光做照明光源的圖像獲取中，想要得到更為清晰的圖像，就需要研究激光散斑的特性及其影響因素，并采用適當(dāng)方法抑制其對(duì)圖像分辨率的影響。

1 激光散斑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)激光散斑的影響因素及統(tǒng)計(jì)特性做了深入研究，并提出了許多抑制散斑的方法。激光波長(zhǎng)、偏振態(tài)、照明角度、相干性以及照射表面粗糙度都會(huì)對(duì)散斑特性產(chǎn)生影響[6]?；谶@些影響因素的研究，研究者也提出了不同方式的散斑抑制方法。有從散斑形成過程中出發(fā)的，如利用運(yùn)動(dòng)漫反射體進(jìn)行時(shí)間勻滑、利用入射波長(zhǎng)和角度的多樣化、減弱入射激光的時(shí)間相干性和空間相干性、在散斑傳遞光路中加入運(yùn)動(dòng)型相位元件等[7]。

研究人員通常采用散斑對(duì)比度來(lái)作為散斑噪聲的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，抑制手段也通?？紤]如何降低其對(duì)比度值。對(duì)比度表征圖像中噪聲的嚴(yán)重情況，對(duì)比度越大則噪聲情況越嚴(yán)重，對(duì)比度可定義為：

對(duì)比度與圖像的信噪比RSN互為倒數(shù)：

C=1/RSN，

即圖像對(duì)比度越大則信噪比越小，圖像噪聲越明顯。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，由光強(qiáng)值皆為I的N個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立散斑相干疊加得到的合成散斑的對(duì)比度仍然為1，而非相干疊加得到的合成散斑的對(duì)比度為：

C=1/N （1）

式（1）表明：隨著參與非相干疊加的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立散斑數(shù)目N的增加，合成散斑的對(duì)比度將減小，亦即散斑效應(yīng)將消弱[8]。因此不少科研工作者考慮通過增加圖像中獨(dú)立統(tǒng)計(jì)的散斑場(chǎng)個(gè)數(shù)以實(shí)現(xiàn)非相干疊加降噪的散斑抑制。

2 國(guó)內(nèi)研究情況

郝麗等[9]采用在人眼分辨時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生快速、無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的“沸騰”散斑的方法，利用人眼對(duì)光的積分效應(yīng)，以達(dá)到人眼觀察不到散斑的效果，他們提出了幾種有代表性的減弱激光投影技術(shù)中散斑噪聲的方法。其中一種是利用兩維掃描復(fù)面轉(zhuǎn)鏡掃描法，該轉(zhuǎn)鏡采用 60 個(gè)掃描鏡面，前30個(gè)面，依次遞減10′，從第30面到第60面依次遞增10′，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鏡掃描時(shí)，掃描線先逐行下移，轉(zhuǎn)到第30面后，掃描線開始逐行上移，直到旋轉(zhuǎn)一周回到第1行，此過程如此重復(fù)下去。當(dāng)掃描鏡達(dá)到4 000 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，經(jīng)轉(zhuǎn)鏡掃描的投影光束在屏幕上產(chǎn)生“沸騰”的散斑圖樣。用CCD（charge coupled device，電荷耦合器件）相機(jī)記錄下的圖像散斑對(duì)比度由原來(lái)的5%下降為3.1%。

另一種方法稱為超聲光柵法[10]，利用頻率高于20 kHz的超聲波在液體媒介中傳播，引起介質(zhì)密度的變化，并導(dǎo)致介質(zhì)折射率的變化，這種周期性的變化等效為位相光柵，如圖2所示。光波經(jīng)過這種位相光柵衍射后，它將產(chǎn)生多級(jí)衍射光束，即物理上的拉曼一奈斯衍射。激光束通過超聲波形成的“位相光柵”時(shí)，衍射光會(huì)聚到投影屏幕上產(chǎn)生“沸騰”的散斑圖樣，由于人眼的視覺暫留特性，散斑在人眼中得到均勻化。用CCD相機(jī)記錄的圖像散斑對(duì)比度由原來(lái)的22.9%下降到4.53%。

此外，李霞等[11]提出了一種滿足阿達(dá)姆矩陣分布格式的位相型衍射元件的相位調(diào)制方法。該方法也是根據(jù)散斑非相干疊加原理，在一個(gè)積分時(shí)間內(nèi)使散斑變化N種結(jié)構(gòu)。按照阿達(dá)姆矩陣格式排列的位相元件可滿足以最少數(shù)量的位相分布達(dá)到最大程度的非相干模式。激光入射在快速旋轉(zhuǎn)的該相位元件上（如圖3所示，黑點(diǎn)表示相位改變，亮點(diǎn)表示不改變相位），出射光受到連續(xù)的位相調(diào)制，不同位相格式的散斑疊加將使得散斑對(duì)比度顯著降低。用CCD相機(jī)記錄下的圖像散斑對(duì)比度由原來(lái)的8.4%降低到2.7%。

以上幾種方法都是從考慮如何產(chǎn)生“沸騰”散斑的方法入手，通過多級(jí)衍射和非相干疊加原理達(dá)到抑制激光動(dòng)態(tài)散斑的效果。這些抑制方法都是利用了人眼的時(shí)間分辨極限和視覺暫留現(xiàn)象，其基本思路都是通過在一段時(shí)間內(nèi)增加非相干散班疊加的個(gè)數(shù)進(jìn)而達(dá)到提高圖像對(duì)比度的目的。

Sun等[12]提出一種旋轉(zhuǎn)光導(dǎo)管的方式來(lái)抑制散斑。激光束通過旋轉(zhuǎn)的光導(dǎo)管將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的散斑模式，隨著光導(dǎo)管的勻速旋轉(zhuǎn)，不同散斑模式得以均勻化。該方法中使用的CCD曝光時(shí)間為50 ms，隨著光導(dǎo)管轉(zhuǎn)速的逐漸加快散斑對(duì)比度逐漸減低，由最初光導(dǎo)管靜止時(shí)散斑對(duì)比度為82.9%，到轉(zhuǎn)速為40 /s時(shí)，散斑對(duì)比度下降為0.15%。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3 國(guó)外研究情況

國(guó)外不少科研人員也對(duì)激光散斑的影響因素及抑制方法開展了相關(guān)研究。Goodman[13]使用“隨機(jī)行走”模型對(duì)散斑特性作了詳細(xì)而直觀的解釋，分析了激光散斑的振幅、相位和強(qiáng)度的各階統(tǒng)計(jì)特性，討論了激光波長(zhǎng)和角度的多樣化與散斑的尺寸之間的關(guān)系，研究了激光時(shí)間和空間相干性與散斑統(tǒng)計(jì)特性的關(guān)系、激光空間相干性對(duì)照明均勻性的影響，并介紹了多種成像應(yīng)用中激光散斑的特點(diǎn)及抑制手段。

Redding等[14]提出了一種運(yùn)用膠體溶液中散射粒子的布朗運(yùn)動(dòng)來(lái)降低激光散斑對(duì)比度的方法。該方法使用光纖傳導(dǎo)激光射入盛有30 mm TiO2膠體溶液的試管中，試管外圍涂有白色乳膠漆以防止光線從試管壁散射（如圖5所示）。激光在膠體內(nèi)發(fā)生多重散射，從底部輸出，輸出的擴(kuò)散激光服從朗伯型分布。采用這種方法在129 μs的時(shí)間積分內(nèi)，產(chǎn)生的散斑對(duì)比度低于4%。該方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單有效，低能耗，無(wú)需外部驅(qū)動(dòng)且使用壽命長(zhǎng)，而且129 μs的曝光時(shí)間相對(duì)前述幾種方法較短。

Akram等[15]提出引入快速振動(dòng)掃描微鏡產(chǎn)生空間和角度的多樣性來(lái)降低激光散斑，該方法通過快速振動(dòng)掃描微鏡以產(chǎn)生不同方向和角度的入射激光，達(dá)到非相干疊加的效果。用He-Ne激光入射，經(jīng)過第一個(gè)旋轉(zhuǎn)的偏振片以控制光束強(qiáng)度，再經(jīng)過第二個(gè)固定方向的偏振片，光束經(jīng)震動(dòng)的掃描微鏡反射由透鏡聚焦在隨機(jī)表面上（如圖6所示）。在這種方式下，當(dāng)CCD積分時(shí)間為31.25 ms時(shí)，散斑對(duì)比度約為0.033；當(dāng)積分時(shí)間縮短為0.98 ms時(shí)，對(duì)比度約為0.05。

Mehta等[16]提出了用多模光纖束振動(dòng)的方法抑制散斑。用兩束TM00模He-Ne非相干光束經(jīng)放大（ND）、合成（BS1）、準(zhǔn)直后用分光鏡（BS2，BS3）分成強(qiáng)度相同的3束光，這3束光線經(jīng)反光鏡反射（M1、M2）從不同角度入射到擴(kuò)束器上，則入射到擴(kuò)散器的光有6種相互獨(dú)立、強(qiáng)度疊加的散斑模式。之后散射光進(jìn)入振動(dòng)的多模光纖束（MMFB），出射光照射到觀察物，最后經(jīng)透鏡匯聚成像，用CCD記錄散斑圖像（如圖7所示）。激光從不同角度進(jìn)入該光纖束而激光本身具有6種獨(dú)立的散斑模式，激光經(jīng)振動(dòng)多模光纖束傳播后將產(chǎn)生具有時(shí)間、空間、角度多樣性的疊加散斑。該方法使用的CCD曝光時(shí)間約為100 ms，實(shí)驗(yàn)中分別用一束激光、兩束激光、白光的效果作比較，用單束激光照射時(shí)散斑對(duì)比度可由9.8%下降到4.1%，用兩束激光照射時(shí)散斑對(duì)比度可由8.8%下降到3.5%，用白光照射時(shí)散斑對(duì)比度可下降到2.7%。

相對(duì)于Goodman提出的使用大量不同長(zhǎng)度的光纖束來(lái)產(chǎn)生相位差的方法，這種利用分光并從不同角度入射的方式同樣達(dá)到了相位差的目的，避免了產(chǎn)生上千束不同長(zhǎng)度的光纖束，并通過多模光纖束振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)間、空間、角度的多樣性，但100 ms的曝光時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，產(chǎn)生的獨(dú)立散斑模式較少。

4 光學(xué)抑制方法總結(jié)

就目前研究情況而言，激光的相干性、相位差、偏振特性、照射物體表面粗糙度等眾多因素都能影響散斑噪聲的強(qiáng)弱。光學(xué)方法抑制散斑噪聲的原理就是利用各種光學(xué)元器件來(lái)獲得多個(gè)獨(dú)立的散斑模式，例如：改變激光的入射方向、改變激光的偏振角、改變激光波長(zhǎng)、通過散色器、空間光調(diào)制器等元件與設(shè)備改變照射光波的參數(shù)；疊加這些含有散斑噪聲的圖像，即可抑制散斑噪聲[8]。實(shí)驗(yàn)表明一般情況下，在對(duì)比度低于4%時(shí)散斑的影響很小，人眼觀察不到散斑的存在。而根據(jù)前述非相干疊加理論C=1/N，即大約需要600個(gè)左右的非相干模式的散斑疊加，對(duì)比度才能達(dá)到此要求[12]。在對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，如何在極短積分時(shí)間內(nèi)達(dá)到這種變化也是目前需要解決的問題。比如在高速攝影以及其他對(duì)時(shí)間要求較高的激光應(yīng)用場(chǎng)合，分辨頻率可達(dá)到100 幀/s，有些甚至達(dá)到ps、fs量級(jí)[2]。在采用光學(xué)方法抑制高速攝影散斑噪聲的方法中，上述許多方法并不十分適用。要在極短積分時(shí)間內(nèi)通過以上方法快速改變激光位相等信息，實(shí)現(xiàn)大量獨(dú)立散斑相干疊加的效果，以減小散斑對(duì)比度，顯然是很難達(dá)到的。所以，不少研究人員也考慮采用圖像處理方法，通過不同濾波算法來(lái)抑制散斑噪聲對(duì)圖像信息的影響。

5 圖像處理抑制方法簡(jiǎn)介

與光學(xué)處理法相比，數(shù)字圖像處理法具有再現(xiàn)性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此，采用數(shù)字圖像處理法來(lái)抑制散斑噪聲的算法備受關(guān)注，各種具體算法涌現(xiàn)。

目前較為常用的圖像處理濾波算法有：傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的線性濾波算法（如中值濾波、均值濾波、同態(tài)濾波）和基于局部統(tǒng)計(jì)特性的自適應(yīng)非線性濾波算法（如LEE濾波法、FROST濾波法、KUAN濾波法等）[17]。

線性濾波算法理論發(fā)展較為成熟，數(shù)字分析簡(jiǎn)單，但本身存在明顯缺陷，對(duì)圖像邊緣細(xì)節(jié)保護(hù)能力較差，不能很好地適應(yīng)圖像的噪聲濾波處理。比如基于同態(tài)映射的同態(tài)濾波算法，將散斑噪聲的非線性簡(jiǎn)化為線性，這種算法只需找出一種相應(yīng)的線性濾波算法即可達(dá)到散斑抑制的效果，但這種抑制方法會(huì)使得圖像的灰度降低，且其邊緣也會(huì)受損。

而非線性濾波方法考慮了人的視覺標(biāo)準(zhǔn)和最佳濾波準(zhǔn)則，提高了圖像邊緣細(xì)節(jié)的保護(hù)能力，而且一般都具備一定的自適應(yīng)性，因而非線性濾波更具有優(yōu)勢(shì)，如小波軟閾值算法，這種算法對(duì)散斑有較好的抑制效果并且還能保留原圖像的細(xì)節(jié)特征，特別是對(duì)對(duì)比度較弱的細(xì)節(jié)信息保留較好。以及基于數(shù)字形態(tài)學(xué)的多方向形態(tài)濾波方法，此種方法能把灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像處理，較好地保留了圖像邊緣信息，雖然此算法的噪聲抑制能力有限，但其硬件邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，通常采用VLSI（Very Large Scale Integration，超大規(guī)模集成電路）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)[18-23]。

目前，非線性濾波算法中NLM非局部方式（Non-Local Means）濾波法是公認(rèn)的、能夠較好去除噪聲的技術(shù)之一，該技術(shù)理論上利用整幅圖像中全部的像素來(lái)參與實(shí)現(xiàn)去噪，屏蔽傳統(tǒng)局部去噪方法的缺陷，運(yùn)用圖像中的相似區(qū)域冗余性來(lái)抑制噪聲，同時(shí)較好地保存邊緣細(xì)節(jié)信息[17]。

以上這些圖像處理的方法有各自的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)在不同的試驗(yàn)條件下選用不同的圖像算法并結(jié)合光學(xué)的降噪處理方法以滿足需求。

6 結(jié)語(yǔ)

總體上看，采用光學(xué)與數(shù)字圖像處理相結(jié)合的方法，在圖像獲取前期采用光學(xué)抑制散斑的方法并經(jīng)光學(xué)元件產(chǎn)生多幅不同相位散斑圖像，在圖像獲取的后期再運(yùn)用不同濾波算法進(jìn)一步降低圖像中散斑噪聲的影響，兩種方式相結(jié)合產(chǎn)生更能滿足需要的清晰圖像。

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