基于全息数字图像补偿技术的教育资源云存储平台设计

刘元庆



摘 要: 为了提高全息数字图像重现的质量,提高教育资源云存储平台的效率,提出一种基于全息数字图像补偿技术的教育资源云存储平台设计方法。阐述了教育资源云存储平台的框架设计方法,教育资源云存储模块由全息数据写入/读取模块、全息数字图像补偿模块、加密/解密模块和客户端等4个模块构成,并对各个模块的功能进行详细分析。实验结果表明,全息数字补偿技术能有效提高全息数字图像重现的质量,提高了教育资源云存储平台的运行效率,效果令人满意。
关键词: 全息数字图像; 相位补偿; 教育资源云存储平台; 图像补偿技术
中图分类号: TN911.73?34; Q438.1 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2017)17?0075?04
Design of education resources cloud storage platform based on
holographic digital image compensation technology
LIU Yuanqing
(Education Bureau of Xuzhou, Xuzhou 221000, China)
Abstract: In order to improve the quality of the holographic digital image reproduction and the efficiency of education resources cloud storage platform, a design method of education resources cloud storage platform based on holographic digital image compensation technology is put forward. The framework design method of the education resources cloud storage platform is described. The education resources cloud storage module is composed of the holographic data write/read module, holographic digital image compensation module, encryption/decryption module and client module. The functions of each module are analyzed in detail. The experimental results show that the holographic digital compensation technology can improve the quality of the holographic digital image reproduction effectively and the running efficiency of education resources cloud storage platform, and has a satisfied effect.
Keywords: holographic digital image; phase compensation; education resources cloud storage platform; image compensation technology
0 引 言
在高度信息化的今天,教育资源的数字化、网络化已经成为不可逆转的趋势,构建教育资源云存储平台正在全国各地如火如荼的开展[1]。教育资源虽种类繁多,数量庞大,但都需要完好无损的长久保存[2]。教育资源的数字化有利于提高教育资源的管理效率,以及人们使用、共享教育资源的效率,但对构建教育资源云存储平台所需的存储技术提出了更高的要求,即教育资源的存储设备需要足够的容量和读写速度来满足多媒体教育资源的存储与读取[3]。同时,数字化教育资源的类型也变得越来越复杂,如3D影像、数字高清影像、高保真音频等类型[4]。这些数字资源对存储技术有着更高的要求,要求计算机的处理能力和存储能力必须满足现实需求[5]。然而,经过多年的发展,现有的计算机存储体系仍不能满足教育资源云存儲平台对海量数据的存储需求[6]。因此,在现有条件下如何解决好教育资源云存储平台中数据存储及利用的问题已经成为教育领域中的一个研究热点,受到越来越多专家和学者的重视[7]。
全息数字存储技术是在近些年出现的一种大容量存储技术,该技术的基础是激光干涉技术,将感光介质作为存储载体[8]。随着全息数字存储技术及配套设施的不断发展,全息数字存储技术得到了更广泛的应用[9]。
由于全息图像(CCD)是经过放大的实像,显微物镜的相位因子经过衍射后会发生畸变,从而降低全息数字图像重现的质量。为此,提出一种基于全息数字补偿技术的教育资源云存储平台的设计方法。
1 教育资源云存储平台的框架设计
1.1 系统的设计方案
Hadoop是Apache基金会开发的分布式系统基础框架,用户无需清楚分布式底层细节就可以开发分布式程序。该框架可以充分发挥集群的性能实现信息资源的高速运算和存储,因此,教育资源云存储平台以Hadoop(分布式系统基础框架)作为设计基础。其中,将HBase作为云存储平台的数据库系统,它作为Hadoop框架中的一部分,其本质是一个开源的非关系型分布式数据库,为Hadoop提供与BigTable类似的服务;将HDFS作为云存储平台的文件存储系统,利用全息数字技术对教育数据资源进行读取、写入,并进行文件、数据库和密钥的三重加密,从而构建基于全息数据技术的教育资源云存储平台。
1.2 系统的框架设计
根据教育资源云存储平台的特点,将其划分为应用层、业务层、保护层、虚拟层和设备层。各层的功能分别如下:
应用层:是一个面向用户的Web客户端,其功能是为客户提供各种教育资源的云存储服务、相关的文件以及数据库操作。
业务层:是应用层的基础,为应用层提供基础支持,负责各项业务的部署和运营。
保护层:为教育资源云存储平台的运行提供保护。在该层的基础上构建Hadoop,并与HBase和HDFS相配合。其中,数据库加密模块对HBase中的数据进行加密保护,文件加密模块对HDFS中的文件进行加密保护,密钥加密模块对这两个模块的密钥进行加密保护。
虚拟层:通过KVM虚拟机对教育资源云存储平台中的设备进行虚拟化。
设备层:该层主要由教育资源云存储平台中的硬件设备构成,包括计算机、全息数字存储设备等。
2 模块的设计
教育资源云存储模块共设有全息数据写入/读取模块、全息数字图像补偿模块、加密/解密模块和客户端4个模块。
2.1 全息数字写入/读取模块
该模块主要用于全息数字教育资源的写入与读取。教育资源中的全息图像可以是图书的全部信息,由光波强度分布和相位分布构成。全息数字写入/读取模块中的全息数字写入和读取过程分别如下所述。
图1为全息数字的存储过程。
在图1中,MO为显微物镜,为参照光波,为图书页面的平面,为显微物镜的平面,为全息平面(即CCD平面),为像平面。轴与这四个平面垂直,且穿越它们的中心。图书页面的光波经过显微物镜放大后与参照光波发生干涉,CCD对该干涉条纹进行记录。设CCD平面与图书页面成像平面之间的距离为并将该距离称为全息图的工作距离。则在CCD上形成的数字全息图可表示为:
(1)
式中:为全息数字图;分别为全息数字图像的长度和高度;为全息平面的面积;为像素大小,且有为CCD中像元的数目;为全息数字图的放大系数。
教育资源云存储平台中全息数字读取过程的理论依据为标量衍射理论。通过计算机模拟光学的衍射过程来实现。令全息平面与像平面之间的距离为并将其作为全息数字的读取距离,则全息图数字的读取过程能够表示为:
(2)
式中:为重现的全息数字图像;为光波的振幅;均为常数,分别为重现全息数字图像的长度和宽度;为全息数字读取距离;为波长;为重现像平面的采样间隔;FFT为快速傅里叶变换。
教育资源云存储平台中全息数字存储技术的应用是一个开源的非关系型分布式数据库的应用,用户通过该平台可以进行教育资源的查询。全息数字存储技术不仅能够避免传统扫描方式的过程繁琐、文件体积大、不易排版、显示效果差等缺陷,同时能够保留原印刷版的显示效果。
2.2 云存储平台客户端模块的设计
教育资源云存储平台客户端模块的主要功能是为用户提供教育资源数据的“上传”(写入)和“下载”(读取),其中“上传”由文件管理的子模块提供,“下载”由数据库管理子模块提供。客户端模块还能通过调用API对文件及数据库进行加密与解密。
2.3 加密/解密模块的设计
加密与解密模块的功能是对文件、数据库以及密钥进行加密与解密。将该模块设计为三个子模块,分别进行文件、数据库以及密钥的加密与解密。
(1) 文件加密/解密子模块:对从客户端发送过来的文件进行加密,加密后的文件保存在HDFS中;若用户需要读取文件,则HDFS提供经过解密的文件,并传输到客户端。所有文件都有独立的数据密钥,用户只有提供私钥、用户ID与文件ID后才能获得文件的数据密钥,通过数据密钥对文件进行加密和解密。
(2) 数据库加密/解密子模块:其主要功能是对数据库进行加密和解密,并保存在HBase中。对于大容量的数据库可以用AES算法进行加密与解密。
(3) 密钥的加密/解密子模块:该模块的功能是对文件的加密与解密子模块、数据库的加密与解密子模块提供数字密钥。数字密钥不能是明文的形式,需要利用公钥加密RSA 算法对数字密钥进行加密。
2.4 全息数字图像补偿模块的设计
在全息数字存储的过程中,全息图像(CCD)是经过放大的实像。显微物镜的相位因子经过衍射后会发生畸变。为了获取清晰的全息圖像,全息数字存储设备会不断纠正畸变带来的偏差,从而降低了教育资源云存储平台的运行效率,因此,需要对这种畸变带来的偏差进行补偿。在该模块中,具体的补偿方法如下所述。
在全息数字存储设备中,设置显微物镜产生的相位因子为,则显微物镜在像平面中的相位因子可描述为:
(3)
式中:为图书页面的像与显微物镜之间的距离,为显微物镜的焦距。已知物像关系式为,则在像平面中的二次相位因子可表述为:
(4)
综合式(3),式(4)及物像关系式,则有:
(5)
式中:表示显微物镜焦距的调节系数;为图书页面与显微物镜之间的距离。
因此,为了对显微物镜引起的相位畸变进行补偿,需要让此二次相位因子的共轭项作用于全息图的重现之前。共轭项可以表示为数字相位掩模,即:
(6)
由式(6)可知,通过选择合适的系数,相当于选择合适的就能补偿相位畸变。在全息数字存储设备中,由于图书页面与CCD之间的距离是固定的,由物像关系式可知,的值也随之确定。因此,只需要对进行调整就能够消除相位中的畸变条纹,对畸变偏差进行补偿。
通常情况下,全息数字存储设备利用参照光进行全息图像的重现(即全息图像的读取),可以表示为:
(7)
式中为参照光的两个矢量的分量。
在传统的全息图像读取过程中,是在菲涅耳积分内完成的,当的值发生改变时,重现的全息图像也会发生变化,对相位畸变的补偿区域会造成影响。因此,需要将移到菲涅耳积分以外,这样就能保证相位畸变补偿的质量。具体的方法如下。
调制的性质可以表示为:
(8)
式中:为菲涅尔变换的二维参量;为光波的频率;为菲涅尔变换;表示全息数字图像在长度和宽度上的调节系数。则波前再现表示为:
(9)
式中:为波前再现的相位;为全息数字图像的相位;利用进行参照光的修正;为记录的全息数字图像。
式(9)的离散形式可表示为:
(10)
式中:为全息图像重现距离;为波长;为全息平面的采样间隔;为相位掩模;为经过修正的参照光,其表达式为: (11)
3 实验结果分析
3.1 实验环境设置
为了验证教育资源云存储平台的有效性,需要进行一次实验。实验环境如图2所示。
在图2中,激光器发出的波长为528.2 nm的激光,激光经BS1后被分成两束:其中一束激光首先穿过显微物镜MO1和针孔滤波器PH,然后穿过透镜L扩束准直,形成参照光;另一束激光经过M2反射后射向图书页面,图书页面经过显微物镜MO2放大后形成图书页面的像光。两束光经过合束镜BS2后在CCD靶面上干涉,产生图书页面的全息数字图。CCD的尺寸大小为8.47 mm×7.10 mm,像元的尺寸为3.45 μm×3.45 μm,像元的数目为1 024×1 024,显微物镜的放大倍率为20倍,针孔滤波器的孔径为0.25 mm。实验样本如图3所示。
3.2 实验结果及分析
图4为没有经过相位畸变补偿的全息数字图像,从图中能够看出,图像中存在明显的二次相位变形,清晰度低;图5为经过相位畸变补偿的全息数字图像,从图中能够看出,图像中的二次相位变形已经消除,清晰度高。
为了进一步验证数字图像补偿技术的有效性,在样本图像中选取一条虚线进行相位轮廓的提取。实验结果如图6所示。由图6可知,图6(a)中的相位存在明显的弯曲变形,图6(b)中的相位分布轮廓非常平坦。上述实验验证了全息数字补偿技术在教育资源平台设计方面的有效性。
4 结 语
针对全息数字存储技术在教育资源存储平台应用方面的不足,提出一种基于全息数字图像补偿技术的教育资源云存储平台设计方法。阐述了教育资源云存储平台的框架设计方法,对教育资源云存储平台中的4个模块的设计方法进行了详细说明,最后进行了实验,实验结果表明,全息数字补偿技术在教育资源平台设计方面的有效性取得了令人满意的效果。
参考文献
[1] 周佳佳,牛玉华,李亮.基于全息建模的补偿器类产品参数化设计方法[J].机械制造与自动化,2016(3):95?98.
[2] 张纪磊,张勇,孙江.基于数字全息技术的钢球在线检测分选装置设计[J].新技术新工艺,2015(2):19?22.
[3] 张鑫,吴娱,平子良.基于Matlab GUI的数字图像处理实验平台设计[J].现代电子技术,2014,37(18):6?8.
[4] 段振云,商少龙,赵文辉.基于数字图像的亚像素补偿技术研究[J].数字技术与应用,2014(1):94.
[5] 袁婷.基于Matlab的数字全息记录与重现系统[J].电子测试,2016(12):83?84.
[6] 肖龙飞,李金龙,杨凯.基于Matlab的数字图像处理教学软件的设计[J].信息技术,2014(12):185?187.
[7] 王大勇,王云新,郭莎,等.基于多角度无透镜傅里叶变换数字全息的散斑噪声抑制成像研究[J].物理学报,2014,63(15):167?172.
[8] 胡廣平,周华强.基于Lab空间的图像全息数字水印算法[J].电子技术应用,2014(4):59?62.
[9] 李建忠,江玉珍,钟平.基于四元数离散余弦变换和相移数字全息干涉的彩色图像加密技术[J].韩山师范学院学报,2016(3):34?40.