刘宏杰同学在全息存储研究中取得新进展
全息数据存储技术利用激光干涉原理，在光敏介质中以三维方式记录二维数据页，具有高存储容量、长寿命和快速数据传输速率等特点。然而，记录介质的非均匀衍射效率会导致重建图像能量分布失真，影响深度学习解码网络模型的训练性能，并导致传统阈值解码方法出现高误码率。 为解决这一问题，本文提出了一种定权多阶数据页编码方法，在编码阶段确保数据页实现均匀能量分布。在此基础上，进一步引入自适应同态滤波方法，基于定权数据页的均匀能量特性，降低重建图像能量分布的方差。随后，利用滤波后的数据集训练复振幅解码卷积神经网络，并在解码过程中利用已知定权编码信息缓解能量分布不均的影响。最终，该方法将复振幅振幅数据的误码率降低了60%以上。该数据页编码方法和自适应同态滤波为全息存储的进一步发展提供了有力支持，并具有跨领域应用潜力。 在研究中，首先设计了新型定权多阶数据页编码方案，确保单个数据页内能量分布均匀，且不同数据页的总能量一致。这种均匀能量分布作为先验知识，为后续图像处理和解码提供了支持。图1 为定权编码示意图，在最小编码单元（例如 4×4）中，每个灰度阶的像素数量固定（如每阶 4 个像素），通过区域比较解码方法排序像素灰度值进行分类，避免了强度混淆。编码容量计算显示，对于 4×4 四阶编码单元，有 63,063,000 种独特组合，编码率为 1.5625。实验中，选择四阶编码应用于振幅和相位数据页，最终编码率为 3.125。 |
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| 图1. 定权多阶编码方法的原理图 |
如图2所示，使用传统直接阈值法解码四阶数据页，由于记录介质不均匀的影响，错误率达到 53%。在编码单元内使用区域比较法结合已知的编码信息进行解码，则完全解码正确。表明定权编码方式结合区域比较法解码能够有效避免记录介质不均匀带来的误码。 |
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| 图2. 数据页的编码和解码过程。(a)四阶数据页的真图，通过记录介质重建的图像，重建图像的 归一化强度分布；(b)传统的直接阈值的解码方法；(c)提出的区域比较解码方法 |
其次，引入自适应同态滤波技术，针对介质非均匀性引起的图像失真进行校正。该方法基于图像形成乘法模型，通过对数变换、傅里叶变换和高斯滤波器压缩动态范围并增强细节对比。同态滤波工作流程分离照明和反射成分，实现强度分布均匀化。针对不同数据页的能量包络差异，自适应机制以编码单元总能量方差作为评价指标（如图3），动态优化滤波参数。优化过程采用迭代扰动和概率接受，确保滤波失败避免。图4 显示，390 张重建图像的平均强度分布方差从 0.0454 降至 0.0187，能量包络更平滑。 |
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| 图3. 自适应同态滤波方法流程图 |
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| 图4. 自适应同态滤波前后的强度方差比较 |
复振幅全息数据存储系统如图5 所示，使用振幅 SLM 和相位 SLM 加载数据页，通过 PQ/PMMA 介质记录和重建，CMOS 传感器捕获重建图像。数据集包括 390 张图像，使用 U-Net 网络训练。解码结果显示，使用区域比较方法，振幅和相位错误率分别降低 53% 和 47%（如图6 所示）。结合自适应同态滤波后，错误率进一步下降，振幅和相位解码准确率分别提升 71.9% 和 62.5%，如图7 所示。图8 比较了直接阈值法、区域比较法及结合比较和滤波的三种方案的解码性能，明确了协同优化的带来的提升。 |
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| 图5.复振幅全息数据存储系统 |
我们使用 DRAMCU-Net 来训练 Dataset-2。结果如图6 所示。图中显示了在不同训练轮次下使用 U-Net 和 DRAMCU-Net 训练 Dataset-2 得到的信噪比变化曲线的比较。结果表明，随着训练轮次的增加，DRAMCU-Net 网络的信噪比不断上升并最终收敛，在第 93 个周期达到 9.98 的峰值。信噪比进一步提高。同时，DRAMCU-Net 重建图像的错误点较少。DRAMCU-Net 网络的BER在第 93 轮次达到 2.92%。 |
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| 图6. 直接阈值法和区域比较法的解码结果比较 (a)振幅和 (b)相位 |
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| 图7. 直接阈值法与结合区域比较法和自适应同态滤波方法的解码结果比较 (a)振幅和 (b)相位 |
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| 图8. 直接阈值、区域比较和区域比较结合自适应同态滤波三种方案的解码性能比较 |
该研究验证了定权多阶编码和自适应同态滤波在提升全息存储解码精度方面的有效性，为应对噪声干扰和介质老化等复杂场景提供了基础。未来可扩展到更高阶编码、多维度复用，并推动算法与硬件集成，实现全息数据存储的实际应用。 |
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上述研究成果以“Fixed-weight coding method for uniformity processing in holographic data storage”为题，整理发表在美国光学学会 (The Optical Society of American, OPTICA) 期刊杂志 Optics Express, Vol.33, No.26, 55017-55030 (2025)上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.582350 |
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(2025.12.11)
