基于圖像處理的光學(xué)測量技術(shù)及其應(yīng)用研究

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，測量技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和改進(jìn)。近年來，基于圖像處理的光學(xué)測量技術(shù)逐漸興起并得到應(yīng)用，其利用智能化、科學(xué)化、可視化的測量手段，在接觸事物的前提下將事物進(jìn)行三維呈現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)量。光學(xué)測量技術(shù)不僅可以將一些復(fù)雜的事物呈現(xiàn)得更加具體，同時(shí)相關(guān)商業(yè)領(lǐng)域?qū)ζ溥M(jìn)行了應(yīng)用，從而使得測量技術(shù)可以更好地為相關(guān)業(yè)務(wù)服務(wù)。文章針對圖像光學(xué)測量手段，從概念、原理以及技術(shù)等多方面進(jìn)行研究和分析，以期基于圖像處理的光學(xué)測量技術(shù)可以更好地服務(wù)社會。

關(guān)鍵詞：光學(xué)測量;圖像處理;測量技術(shù)

中圖法分類號：TP701

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research on optical measurement method based on image processing andits application

SHAO Mingli

（Luoyang Institute of Elcctro-Optical Equipmcnt， Luoyang， Henan 471000. China）

Abstract： With the continuous development of computer technology， measurement technology is alsoconstantly innovating and improving. In recent years， optical measurement technology based onimage processing has gradually emerged and been applied. It uses intelligent， scientific and visualmeasurement methods to present things in three dimensions on the premise of contacting things，thereby achieving accurate measurement. Optical measurement technology can not only present somecomplex things more concretely， but also apply it in related business fields， so that measurementtechnology can better serve the business. This paper studies and analyzes the concept， principle andtechnology of image optical measurement methods， hoping that the optical measurement technologyof image processing can better serve modern enterprises， science and human society.

Key words ： optical measurement ， image processing， measurement technology

1 概述

早在20世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和激光技術(shù)的應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)將二者有效結(jié)合，可以將一些復(fù)雜的模型進(jìn)行展現(xiàn)，現(xiàn)代化測量技術(shù)由此進(jìn)入革新時(shí)期。該技術(shù)的應(yīng)用不僅一改傳統(tǒng)的測量方法，實(shí)現(xiàn)了測量技術(shù)的創(chuàng)新，同時(shí)也可以更加精準(zhǔn)、更加全面地展現(xiàn)所測量的事物。圖像處理的光學(xué)測量技術(shù)經(jīng)過多年的實(shí)踐和應(yīng)用，已經(jīng)越發(fā)完善和成熟，并在科學(xué)研發(fā)、現(xiàn)代制造工業(yè)、航空技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，有效幫助相關(guān)領(lǐng)域的企業(yè)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的突破和創(chuàng)新。

1.1 圖像處理技術(shù)的光學(xué)測量方法概念

圖像處理技術(shù)的光學(xué)測量方法是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的影響下，將現(xiàn)代光學(xué)和現(xiàn)代先進(jìn)的信息技術(shù)手段進(jìn)行有效結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)圖像精準(zhǔn)信息信號的提取、加工以及傳遞等工作，不僅充分展示了圖像的具體內(nèi)含信息，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)、快速計(jì)量，極大地提高了工作效率和節(jié)省了時(shí)間成本。并且，在逐步應(yīng)用中，其與互聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)和三維技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合應(yīng)用，出現(xiàn)了測量的三維化技術(shù)?？傊?，圖像處理技術(shù)的光學(xué)測量方法結(jié)合了諸多先進(jìn)的技術(shù)和手段，是一門非常先進(jìn)、科學(xué)的智能化技術(shù)。

1.2 光學(xué)測量技術(shù)所采用的主要方法

光學(xué)測量技術(shù)所采用的方法眾多，在不斷的實(shí)踐和應(yīng)用中，飛行時(shí)間法和干涉法應(yīng)用居多，并在諸多方法中脫穎而出，取得了不俗的成績。

飛行時(shí)問法通過對檢測物體信號的時(shí)間分辨率進(jìn)行測量，從而計(jì)算出測量距離。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，很多被測物體因體積大、空間相對較遠(yuǎn)并且移動不便，傳統(tǒng)的測量方法岡為技術(shù)限制等原因，很難對其進(jìn)行全方位、系統(tǒng)測量，而光學(xué)測量技術(shù)很好地解決了這一點(diǎn)。光學(xué)測量技術(shù)通過激光技術(shù)以及電子信息技術(shù)首先實(shí)現(xiàn)了對被測物體的實(shí)際距離進(jìn)行測量，然后通過掃描設(shè)備發(fā)射出的光束實(shí)現(xiàn)對被測物體全方位的掃描，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維信息的呈現(xiàn)。

干涉法應(yīng)用了分光技術(shù)和分光系統(tǒng)，首先將光分為測量光和參考光，然后將兩束光進(jìn)行疊加計(jì)算，從而得出測量物體的深度信息。由于該方法的測量準(zhǔn)確度以及精密度非常高，并且獲取的信息相對較多，因此其經(jīng)常用于精密測量和小體積物體的測量中，并不適合大體積物體的測量。

2 光學(xué)測量技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 光學(xué)測量技術(shù)的現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，測量技術(shù)尤其是光學(xué)測量技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，不僅有效促進(jìn)了測量領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展，同時(shí)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，促進(jìn)了社會的穩(wěn)定與和諧。光學(xué)測量技術(shù)在不斷革新，如今其已從片面測量發(fā)展到了全面測量，靜態(tài)測量發(fā)展到了動態(tài)測量，由低速測量發(fā)展到了快速、精準(zhǔn)、全面測量階段，并具有存儲和分析功能。

光學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展標(biāo)志著人們由過去的肉眼測量發(fā)展到了現(xiàn)在的三維測量，代表著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)和測量技術(shù)的進(jìn)步。同時(shí)，光學(xué)測量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對測量事物的描繪，并使得內(nèi)部重要的信息和信號得到挖掘并儲存，有效滿足了現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)對測量技術(shù)的要求。此外，光學(xué)測量技術(shù)具備一定的穩(wěn)定性和方向性，是現(xiàn)代測量領(lǐng)域中不可或缺的測量技術(shù)之一[1]。

2.2 光學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展趨勢

光學(xué)測量技術(shù)充分利用了現(xiàn)代電子信息技術(shù)以及激光技術(shù)，可以有效實(shí)現(xiàn)對被測量物體三維分析。但是，在科技和經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下，光學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展也日新月異，這就需要其不斷進(jìn)行革新，從而更好地為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)服務(wù)。在未來的發(fā)展中，光學(xué)測量技術(shù)也要不斷與先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行科學(xué)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

（1）與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合。人工智能技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)成為影響現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的主要技術(shù)，并且有效推動了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，它們在各行各業(yè)中都得到了一定程度的應(yīng)用。因此，光學(xué)測量技術(shù)在現(xiàn)有科技基礎(chǔ)上，要充分結(jié)合現(xiàn)代信息化技術(shù)的優(yōu)勢，將人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到具體測量之中，同時(shí)對現(xiàn)代信息技術(shù)也要加以利用和結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)測量技術(shù)向智能化、數(shù)據(jù)化、現(xiàn)代化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)自主測量和自助分析，進(jìn)而有效提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。

（2）光學(xué)測量技術(shù)要加強(qiáng)對3D打印技術(shù)的應(yīng)用。雖然目前光學(xué)測量技術(shù)已經(jīng)很好地利用了圖像信號收取的三維呈現(xiàn)技術(shù)，但是在對被測物體的深層次、內(nèi)部信號的挖掘方面仍然存在一定的局限，并且受到外部因素的影響較大。因此，為了更好地呈現(xiàn)被測物體的內(nèi)部深層次信息，并將這些信息通過光學(xué)技術(shù)進(jìn)行三維形式的展現(xiàn)，就要充分利用3D打印技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)測量技術(shù)上的突破。

（3）材料成本降低。光學(xué)測量技術(shù)包含一套相對復(fù)雜的設(shè)備和專業(yè)技術(shù)，其所需要的原材料也是特定的，因此光學(xué)測量設(shè)備的造價(jià)通常較高，并且在使用過程中的維護(hù)和檢修也較為復(fù)雜，這是造成光學(xué)技術(shù)沒有在低端領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的主要原因之一。所以，在未來的發(fā)展過程中，隨著技術(shù)的改善和精進(jìn)，材料造價(jià)也會降低，使得一般企業(yè)以及低端企業(yè)可以充分利用相關(guān)設(shè)備，從而讓光學(xué)測量技術(shù)可以更好地為企業(yè)提供服務(wù)。

（4）光學(xué)測量技術(shù)會得到普及。光學(xué)測量技術(shù)是一門相對復(fù)雜的測量技術(shù)，其應(yīng)用的理論知識眾多，且設(shè)備的操作難度較大，需要工作人員具備一定的專業(yè)知識和實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)。在未來發(fā)展的過程中，光學(xué)測量技術(shù)知識會得到普及，使得一般工作人員可以有效對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作，同時(shí)在設(shè)備維修方面的難度也會降低。

3 基于圖像處理技術(shù)的光學(xué)測量方法的應(yīng)用研究

基于圖像處理的光學(xué)測量方法是相關(guān)測量方法中最常見的方法，其在諸多領(lǐng)域（如醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、航天、軍事等）得到了廣泛應(yīng)用。圖像處理的光學(xué)測量技術(shù)主要是應(yīng)用光的原理，并在計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備和軟件支持下，快速、精準(zhǔn)、非接觸式實(shí)現(xiàn)對被測物體的測量，然后進(jìn)行相關(guān)的儲存工作[2]。比如，在水污染的治理方面，雖然光學(xué)測量技術(shù)可以通過顯微鏡等專業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對污染水質(zhì)進(jìn)行測量，但是對于空氣污染則無法進(jìn)行較好測量，這是因?yàn)榭諝獾男螒B(tài)很難通過肉眼進(jìn)行識別，并且空氣具有較強(qiáng)的流動性?；趫D像處理的光學(xué)測量技術(shù)可以很好地對空氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對空氣中的物質(zhì)進(jìn)行測量分析?？梢哉f，基于圖像處理技術(shù)的光學(xué)測量方法彌補(bǔ)了此前測量技術(shù)的局限性，使得測量范圍大大增加。

3.1 光學(xué)顯微鏡在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

水污染是在工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中常見的污染之一，并且嚴(yán)重的水污染會直接影響地下水的水質(zhì)，從而影響我們的正常生活。近年來，人們更加重視環(huán)境治理，水污染問題得到了有效改善，因此做好對水質(zhì)的監(jiān)測至關(guān)重要。目前，水體的富營養(yǎng)化是常見的污染之一，做好水質(zhì)的監(jiān)測主要包含對水質(zhì)的采樣、化驗(yàn)、觀察、分析等多個(gè)步驟，需要利用光學(xué)顯微鏡對水質(zhì)進(jìn)行測餐，其測量的主要內(nèi)容分為水體細(xì)菌霉菌的檢測、水中生物群體類別的檢測以及水體毒性檢測。

由于水中的浮游植物較多以及丁業(yè)污水等富營養(yǎng)化水的排放，水中的浮游植物很容易吸收相關(guān)物質(zhì)，從而造成水中的浮游植物繁殖迅速，一方面直接影響了水中其他物種的存活，另一方面也直接影響了淡水的飲用，所以對水中浮游物種的檢測非常重要，不僅可以充分了解水中浮游植物的具體情況，同時(shí)有關(guān)部門也可以積極出臺相對應(yīng)對策，避免水中浮游植物的泛濫。此外，對水體的細(xì)菌、霉菌以及水體的毒性檢測也非常重要，通過光學(xué)顯微鏡對水體進(jìn)行檢驗(yàn)分析，可以了解水中包含的細(xì)菌情況以及水體的毒性，從而保證人們的飲水安全。在對淡水資源進(jìn)行檢測時(shí)，光學(xué)顯微鏡發(fā)揮了重要作用，是我們飲水安全和環(huán)境監(jiān)測的重要保證。

3.2 光學(xué)分析法在水質(zhì)檢測中的應(yīng)用

光學(xué)分析法的原理是：水中物體在受到光照后會形成一定的光譜，從而根據(jù)光譜的不同來分析水中物體的不同。光學(xué)分析法在一定程度上解放了大量的人力，工作人員不需要利用諸多化學(xué)藥劑對水體進(jìn)行檢測，有效節(jié)省了工作時(shí)間，提高了工作效率。同時(shí)，光學(xué)分析法的檢測速度非?？欤异`敏性很高，常見的光學(xué)分析法有比色分析法、間接測定法和直接測定法。

（l）利用比色分析法可以檢測水中有色金屬的濃度，即通過光在水中的作用讓有色金屬形成不同的顏色，然后對其顏色進(jìn)行對比和分析，從而可以了解水中有色金屬的分布情況。該分析法具有較高的靈敏度，并在應(yīng)用的過程中不斷改善和精進(jìn)，其精準(zhǔn)程度變得越來越高。

（2）利用間接測定法可以對水中的重金屬濃度進(jìn)行間接檢測。該方法有效利用了電子信息技術(shù)以及圖像技術(shù)，通過將水中的重金屬離子形成熒光圖像，然后對該圖像進(jìn)行重金屬濃度的提取和分析，從而得出相關(guān)水域中重金屬的濃度情況。間接測定法的檢測程序相對復(fù)雜，并且在特殊情況下需要一定的化學(xué)試劑，因此花費(fèi)的時(shí)問相對較長。

（3）直接測定法有效改進(jìn)了間接測定法，直接省去了間接測定法中化學(xué)藥劑的匹配情況，從而縮短了檢測時(shí)間，檢測速度也是大大加快。

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

光電檢測技術(shù)充分利用了光電效應(yīng)和計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)技術(shù)，首先是利用光的原理對被測物體的信號進(jìn)行提取，然后將這些信號輸入專門的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之中，最后得出被檢測物體中的各種信息。但是，因?yàn)槲矬w和光自身的不穩(wěn)定性，我們將光電檢測技術(shù)分為激光檢測系統(tǒng)和寬帶光源檢測系統(tǒng)，二者在不同領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用。

（1）激光檢測系統(tǒng)可以對窄區(qū)光源進(jìn)行檢測分析。因?yàn)榧す鈾z測系統(tǒng)的精準(zhǔn)程度和靈敏性都非常高，所以可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的光源檢測。但是，如果檢測范圍較大，不建議使用該系統(tǒng)。

（2）寬帶光源檢測系統(tǒng)可以對寬區(qū)光源進(jìn)行檢測分析[3]。其可檢測范圍非常廣，可以有效對大范圍、大領(lǐng)域的被測物體進(jìn)行檢測。比如，在大型企業(yè)事故中，常常會出現(xiàn)有毒化學(xué)物質(zhì)泄露的情況，若有毒化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入自然環(huán)境，或造成大面積污染，這就需要對大范圍的光源進(jìn)行分析，寬帶光源檢測系統(tǒng)很好地滿足了這一點(diǎn)。

4 總結(jié)

基于圖像處理的光學(xué)測量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域較廣，并在諸多領(lǐng)域中發(fā)揮了巨大作用。有效利用基于圖像處理的光學(xué)測量技術(shù)不僅方便了人們的生活，同時(shí)也促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步。與此同時(shí)，基于圖像的光電測量技術(shù)也要不斷進(jìn)行革新，從而更好地滿足人們和社會的需求。

參考文獻(xiàn)：

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[2]黃艷，張君，曲晨，一種基于圖像處理的光學(xué)平板玻璃彈性模量快速測量方法：CN1106319IIA[P].2019.

[3]席慶奎，陳磊，朱日宏，等.基丁圖像處理的光纖測量方法研究[J].半導(dǎo)體光電，2003（5）：3.

作者簡介：

邵明禮（1981-），碩士，高級工程師，研究方向：光電探測與對抗.