基于圖像處理的光學(xué)測(cè)量方法及其應(yīng)用探究

(三江學(xué)院電子信息工程學(xué)院,江蘇南京 210012)

0 引言

基于圖像處理的光學(xué)測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)在測(cè)量領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的新型測(cè)量技術(shù),它是一種智能化、可視化的測(cè)量手段,能夠在不接觸測(cè)量物體的前提下,實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量物體復(fù)雜、精準(zhǔn)的三維測(cè)量。基于圖像處理的光學(xué)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛,充分了解光學(xué)測(cè)量方法,有利于實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和革新。光學(xué)測(cè)量技術(shù)的革新對(duì)其他學(xué)科的變革也有著很大的影響,更多實(shí)用性系統(tǒng)的誕生,可以方便人們對(duì)環(huán)境和自然的變化做出及時(shí)的反應(yīng),從而創(chuàng)造出更好的人類生存和居住環(huán)境。

1 光學(xué)測(cè)量方法概述

20世紀(jì)70年代,由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、光波導(dǎo)技術(shù)、激光技術(shù)的產(chǎn)生,以及傅里葉光學(xué)的出現(xiàn),使得光學(xué)受到了巨大革新而成為現(xiàn)代光學(xué)?，F(xiàn)代光學(xué)的主要特征是以激光為主要手段,對(duì)光學(xué)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行革新,繼而開(kāi)始形成近代光學(xué)測(cè)量方法[1]。后來(lái),經(jīng)過(guò)技術(shù)演變和革新,計(jì)量領(lǐng)域的主要研究方法轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨鈱W(xué)為主要手段的檢測(cè)方法。光學(xué)測(cè)量法目前在近代科學(xué)研究、現(xiàn)代制造工業(yè)生產(chǎn)和空間技術(shù)、國(guó)防領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。

1.1 圖像處理的光學(xué)測(cè)量法基本概念

圖像處理的光學(xué)測(cè)量法是一種將光電技術(shù)與機(jī)械測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的高科技手段,以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ),依托目前先進(jìn)的信息技術(shù)從圖像中提取有用的信號(hào),并將圖像當(dāng)做載體來(lái)傳遞信息,從而實(shí)現(xiàn)迅速、精準(zhǔn)的測(cè)量?，F(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的是光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)。

光學(xué)三維測(cè)量是一種集機(jī)械、光學(xué)、電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高科技智能手段。

1.2 光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)主要方法

飛行時(shí)間法主要是通過(guò)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間分辨率來(lái)計(jì)算出實(shí)際的距離測(cè)量精度,這種原理常應(yīng)用于大尺度遠(yuǎn)距離的測(cè)量[2]。具體來(lái)說(shuō)就是,三維圖形因其自身的特點(diǎn)會(huì)對(duì)檢測(cè)的光束結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一些時(shí)間調(diào)制,無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,所以通過(guò)計(jì)算激光和測(cè)量光波的飛行時(shí)間來(lái)獲取具體的距離數(shù)據(jù),然后通過(guò)掃描設(shè)備讓光脈沖精準(zhǔn)掃描到待測(cè)對(duì)象的全部,就能夠計(jì)算出待測(cè)對(duì)象的三維信息。

干涉法是通過(guò)分光系統(tǒng)將一束相干光分成測(cè)量光和參考光,利用測(cè)量光波和參考光波的相互疊加來(lái)確定兩束光之間的相位差,并由此獲得測(cè)量物體表面的深度信息。干涉法的測(cè)量精度比較高,可由于測(cè)量范圍受到光波長(zhǎng)度的限制無(wú)法測(cè)量更遠(yuǎn)的維度,因此干涉法只能測(cè)量微觀物體的表面輪廓以及微小的位移,不適用于大尺度物體的測(cè)量。

2 光學(xué)測(cè)量法技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向

2.1 光學(xué)測(cè)量法的技術(shù)現(xiàn)狀

首先從功能的角度來(lái)說(shuō),圖像處理的光學(xué)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)從逐點(diǎn)測(cè)量發(fā)展成為全場(chǎng)測(cè)量;從靜態(tài)測(cè)量發(fā)展為動(dòng)態(tài)測(cè)量;從低速測(cè)量發(fā)展成快速的、具有存儲(chǔ)和記錄功能的測(cè)量[3],進(jìn)而從原理的角度來(lái)說(shuō),近代光學(xué)測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀主要有三點(diǎn)。首先,光電探測(cè)器的發(fā)明取代了人眼這個(gè)傳統(tǒng)且有很大局限性的主觀探測(cè)器,提高了測(cè)量準(zhǔn)確度與測(cè)量的效率,標(biāo)志著過(guò)去的主觀光學(xué)向現(xiàn)代的客觀光學(xué)的轉(zhuǎn)變;其次,以往的光電結(jié)合的模式轉(zhuǎn)換為更為先進(jìn)的光機(jī)電算一體化模式,從而實(shí)現(xiàn)了控制與測(cè)量的應(yīng)用結(jié)合;最后,基于激光具有方向性和穩(wěn)定性較好的特點(diǎn),加之其單色性,激光便取代了傳統(tǒng)的測(cè)量光源,成為現(xiàn)在各種光學(xué)測(cè)量的主要光源。

2.2 光學(xué)測(cè)量法的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代工業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化、精密化生產(chǎn),進(jìn)而對(duì)圖像處理的光學(xué)測(cè)量方法提出了新的要求,促使光學(xué)測(cè)量方法開(kāi)始了新的改革進(jìn)程。此外,在學(xué)科領(lǐng)域,微光學(xué)得到明顯發(fā)展,由此產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也將為測(cè)量發(fā)揮更大的作用;在技術(shù)方面,3D測(cè)量技術(shù)即將取得重大突破,納米級(jí)別的高精密光學(xué)測(cè)量手段也會(huì)得到發(fā)展[4]。將來(lái)圖像處理的光學(xué)測(cè)量技術(shù)的主流趨勢(shì)將會(huì)變成對(duì)小尺寸、高精度、低成本的集成光學(xué)傳感器的廣泛應(yīng)用。

3 基于圖像處理的光學(xué)測(cè)量法應(yīng)用研究

基于圖像處理的光學(xué)測(cè)量法由于具有快速、非接觸等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用在工業(yè)生產(chǎn)中,例如,機(jī)械形狀的測(cè)量、元件的檢測(cè)等,且隨著微型計(jì)算機(jī)性能的不斷提高和發(fā)展,以微型計(jì)算機(jī)圖像測(cè)量系統(tǒng)為基礎(chǔ)的光學(xué)測(cè)量法得到了很大的發(fā)展。最重要的是,微型計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存量的擴(kuò)大和處理速度的不斷加快使得圖像處理的光學(xué)測(cè)量發(fā)具有更高的速度和更大的動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn),目前,圖像處理的光學(xué)測(cè)量發(fā)分析領(lǐng)域涵蓋了醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多方面。本文就光學(xué)測(cè)量法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)研究和探討。當(dāng)下水污染很嚴(yán)重,形式也很多,其中水體富營(yíng)養(yǎng)化可以運(yùn)用光學(xué)顯微鏡來(lái)直接觀測(cè),但空氣的流動(dòng)性特點(diǎn)致使光學(xué)顯微鏡無(wú)法發(fā)揮作用,為了更好地實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè),科學(xué)家發(fā)現(xiàn)還能夠通過(guò)對(duì)光的其他特性的利用來(lái)進(jìn)行對(duì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。光電檢測(cè)技術(shù)是一種新型的檢測(cè)技術(shù),它的原理是利用光的光譜特性實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的有效監(jiān)測(cè)[5]。它可以幫助人們直接檢測(cè)到環(huán)境中的污染物,省時(shí)省力。光電檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)諝庵杏泻ξ镔|(zhì)的濃度和成分進(jìn)行直接反映,這種技術(shù)不僅可以監(jiān)測(cè)水質(zhì),還可以監(jiān)測(cè)氣體,比如二氧化碳?xì)怏w、甲烷氣體、含硫氣體等。

3.1 光學(xué)顯微鏡在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探討

目前,水體富營(yíng)養(yǎng)化是影響水質(zhì)健康的重大問(wèn)題。環(huán)保部門(mén)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行采樣、化驗(yàn)、觀察、分析的過(guò)程中,就要用到光學(xué)顯微鏡。對(duì)水質(zhì)的檢測(cè)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:對(duì)細(xì)菌霉菌等的檢測(cè)、對(duì)水中生物群落類別的檢測(cè)、對(duì)水質(zhì)毒性的具體檢驗(yàn)。

水中的浮游植物是水域生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者,它們擁有很強(qiáng)的繁殖能力。水質(zhì)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化之后,會(huì)加快浮游植物的繁殖與生長(zhǎng)速度,從而造成水質(zhì)嚴(yán)重的飲用問(wèn)題,所以對(duì)水中生物群落的檢測(cè)也是水質(zhì)檢測(cè)過(guò)程的重要一環(huán)。另外,辨別水質(zhì)好壞的另一重要指標(biāo)是對(duì)水中細(xì)菌、霉菌的檢測(cè),比如研究人員會(huì)對(duì)水域中的大腸桿菌來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。光學(xué)顯微鏡對(duì)浮游植物的檢測(cè)具有重要作用。光學(xué)顯微鏡可以直接對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)地觀測(cè),這樣就可以及時(shí)了解水體質(zhì)量,判斷水質(zhì)是否有富營(yíng)養(yǎng)化的問(wèn)題。

3.2 光學(xué)分析方法在水質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用探討

光學(xué)分析方法就是一種根據(jù)分析物體在接受光照后形成的光峰來(lái)探究物體的光譜特征的研究方法,其主要優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)速度快和靈敏性很高。一些先進(jìn)的光學(xué)測(cè)量方法可以解放人的雙手和實(shí)踐,不用再像以前那樣去使用很多試劑,由此節(jié)省了時(shí)間,提高了效率。其中使用較多的是比色分析法、間接測(cè)定法和直接測(cè)定法。

比色分析法主要檢測(cè)水質(zhì)中有色重金屬離子的濃度,比色分析法又分為目視比色分析法和光電比色分析法。目視比色分析法的主體是人,而人受到主觀因素的制約會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響,由此得出的測(cè)量結(jié)果也不夠準(zhǔn)確。而光電比色分析法主要采用分光光度法,其精準(zhǔn)性彌補(bǔ)了主觀判斷造成的差錯(cuò),使得測(cè)量的精確度和靈敏性都得到了明顯提高。

間接測(cè)定法是指對(duì)水質(zhì)中重金屬離子濃度的間接檢測(cè)方法,其主要操作方法是熒光分析法。熒光分析法,就是通過(guò)計(jì)算機(jī)編程技術(shù)來(lái)處理從水質(zhì)中獲得的重金屬離子的熒光圖像,從而間接地檢測(cè)出水中重金屬離子的濃度,但是在此過(guò)程中,還需要用到重金屬離子的匹配試劑。

直接測(cè)定法則省去了間接測(cè)定法中進(jìn)行試劑匹配的過(guò)程,這種方法使得檢測(cè)速度得以加快。但使用這個(gè)方法,要求檢測(cè)物質(zhì)本身就能夠發(fā)射出熒光,所以應(yīng)用也有其局限性。因此,無(wú)論是哪種檢測(cè)方法,都無(wú)法忽視掉光源的重要性。

但是隨著科技的發(fā)展,研究人員發(fā)現(xiàn)了激光光源有獨(dú)特的優(yōu)越性,比如能量集中、單色性好等。科研人員根據(jù)這樣的特性發(fā)明出了激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)。這種技術(shù)使得激光技術(shù)在直接測(cè)定法中占據(jù)了主要地位[6]。

3.3 光電檢測(cè)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

光電檢測(cè)技術(shù)的主要原理是:物體在經(jīng)受到測(cè)量光束直接照射后,自身的電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生改變,此外還會(huì)產(chǎn)生物體的光電動(dòng)勢(shì)能,現(xiàn)象就被稱之為光電效應(yīng)[7]。光電檢測(cè)技術(shù)就是將激光檢測(cè)出的光信息進(jìn)行充分的處理分析,然后再通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器將這些信息輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,從而經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)最后的分析整合,最終來(lái)完成獲取被測(cè)物體的各種信息。

此外,相互作用下的物體和光,由于自身特性的不穩(wěn)定,改變了物體的相關(guān)特點(diǎn)。通過(guò)這個(gè)現(xiàn)象可以將光電檢測(cè)技術(shù)分為兩大類,即激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和寬帶光源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。二者的區(qū)別是一個(gè)可以覆蓋窄區(qū)光源,一個(gè)可以覆蓋寬區(qū)光源。它們都在各自的領(lǐng)域發(fā)揮作用,現(xiàn)在下文來(lái)對(duì)二者進(jìn)行具體的介紹。

激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因其分辨率較高和掃描范圍窄的特點(diǎn),具有很高的靈敏性。但是激光監(jiān)測(cè)技術(shù)比較大的一個(gè)局限性就是被檢測(cè)物體所接納光譜波長(zhǎng)要與激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所發(fā)出的激光波長(zhǎng)相適配;又因?yàn)榧す獗O(jiān)測(cè)是單色性的,加之掃描范圍窄的特點(diǎn),所以一次只能檢測(cè)出物體的一種化合物成分。如果待檢測(cè)物體是混合物的話,就需要安裝另外的檢測(cè)裝置來(lái)進(jìn)行作業(yè)了。

寬帶光源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分辨率不高,不能直接把檢測(cè)到的多種化合物區(qū)分開(kāi)來(lái)。而且,如果其分辨率過(guò)低,低于所要觀測(cè)的物體的組織架構(gòu)時(shí),就看不到清晰的波峰,進(jìn)而影響到對(duì)其濃度值的把握。目前的寬帶檢測(cè)系統(tǒng)主要運(yùn)用到兩個(gè)系統(tǒng),即紫外差分光學(xué)吸收光譜儀(Uv-DOAs,又名DOAs系統(tǒng))檢測(cè)系統(tǒng)和傅里葉變換紅外干涉儀(FTIR)檢測(cè)系統(tǒng),這兩種系統(tǒng)的相同之處是都可以檢測(cè)到某種混合物中的化合物[8]。

DOAs系統(tǒng)的工作原理是用光的反射來(lái)獲取數(shù)據(jù),就是說(shuō)光波在發(fā)出后被待測(cè)物體反射回,然后利用信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)分析反射后光波與之前光波的差異性,從而得到具體的檢驗(yàn)結(jié)果,最后將吸收光譜數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的已知數(shù)據(jù)相比較,來(lái)得出物質(zhì)中存在的化合物種類。DOAs 系統(tǒng)的測(cè)試范圍很廣,可以測(cè)量出多種化合物,在很多領(lǐng)域應(yīng)用都十分廣泛。

在一些較大的企業(yè)事故中,常常會(huì)泄露出種類較多成分較大的有毒化學(xué)物質(zhì),這時(shí)檢測(cè)范圍廣就變得極為重要。FTIR系統(tǒng)就可以做到對(duì)多種化合物進(jìn)行檢測(cè),它具有很強(qiáng)的分辨能力,可以對(duì)污染源中(如煙囪排放的煙霧和汽車排放的汽車尾氣等)釋放出的有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),是目前唯一能夠提供信息空間技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)。

從光學(xué)顯微鏡早期在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用,到后來(lái)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用,再到現(xiàn)在研究人員利用光的其他特點(diǎn)發(fā)明的各種實(shí)用性很強(qiáng)的監(jiān)測(cè)儀器,可以看出光學(xué)對(duì)現(xiàn)代科學(xué)的重要影響。光學(xué)隨著時(shí)代的發(fā)展而發(fā)展,發(fā)展中的光學(xué)又影響著其他學(xué)科的深刻變革,影響著人類的生產(chǎn)生活。

4 結(jié)語(yǔ)

基于圖像處理的光學(xué)測(cè)量技術(shù)發(fā)展至今,其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到空氣、水質(zhì)等環(huán)境監(jiān)測(cè),還涉及到衛(wèi)星、雷達(dá)、航空航天工程和服裝制造等各個(gè)板塊,基于圖像處理的光學(xué)測(cè)量技術(shù)為人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大便利。從光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)到光學(xué)四維測(cè)量技術(shù),人們對(duì)光的認(rèn)知和利用在逐漸加深,這些促進(jìn)了科技和工業(yè)的發(fā)展,科技和工業(yè)的發(fā)展反過(guò)來(lái)又促進(jìn)著光學(xué)的發(fā)展。我國(guó)應(yīng)該加大對(duì)光學(xué)的研究,促進(jìn)光學(xué)與其他科學(xué)進(jìn)行更多的創(chuàng)新與融合發(fā)展。