Цифровая голография находит применение в самых различных областях, включая медицинскую диагностику и неразрушающий контроль материалов в промышленности. Однако одним из основных препятствий, стоящих на пути качественной обработки данных в этих системах, является наличие значительного уровня шума на восстановленных изображениях, возникающего при записи голограмм. В частности, спекл-шум, представляющий собой мелкое «зерно» на изображениях, затрудняет анализ и скрывает важные детали объектов, снижая контрастность и четкость.
Научный коллектив Лаборатории фотоники и оптической обработки информации Института лазерных и плазменных технологий Плаз НИЯУ МИФИ разработал новый метод, который кардинально изменяет подход к обработке данных. Вместо работы с отдельными изображениями, ученые обрабатывают целую серию голограмм одного и того же объекта. Каждый кадр содержит случайно распределенное «зерно», что позволяет с помощью специального алгоритма объединить данные в трехмерный массив. В результате программа определяет, где расположен шум, а где реальные детали объекта, создавая итоговое изображение с высокой четкостью и детализацией.
«Наш метод позволяет обрабатывать сразу набор цифровых голограмм, каждая из которых имеет свою спекл-структуру, с использованием адаптированного 3D-фильтра», — объясняет кандидат физико-математических наук и доцент Павел Черëмхин. Он добавляет, что этот подход использует статистическую адаптивность для улучшения подавления шума при сохранении мелких деталей. По его словам, результаты как численного моделирования, так и оптических экспериментов подтверждают эффективность метода.
Разработка демонстрирует значительно лучшие результаты по шумоподавлению по сравнению с современными алгоритмами, такими как BM3D и BM4D. «Наш метод на 30–40% эффективнее в подавлении «зернистости» и на 50% лучше сохраняет точность передачи мелких деталей», — сообщает магистрант и инженер Андрей Керов. Кроме того, он подчеркнул, что алгоритм работает в 200 раз быстрее своих предшественников, обрабатывая кадры практически в реальном времени, и для его работы требуется всего 10-15 голограмм.
Новая технология открывает широкие возможности для различных областей, требующих точной визуализации 2D- и 3D-объектов. В медицине она может помочь в детальном анализе клеток и тканей, что существенно повысит точность диагностики. В промышленности метод может использоваться для контроля качества микросхем и выявления микроскопических дефектов. Также эта технология обеспечит получение высокодетальных изображений в области нано- и микроскопии. Кроме того, она улучшит качество и скорость работы голографических систем, применяемых для кодирования и защиты информации.
Исследование, проведенное учеными из НИЯУ МИФИ при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ), демонстрирует, как синергия лазерных оптико-цифровых систем и современных компьютерных алгоритмов может решить давние технические проблемы, открывая новые горизонты в области голографии.
