基于图像处理的光学测量方法及其应用探究

(三江学院电子信息工程学院,江苏南京 210012)

0 引言

基于图像处理的光学测量技术是近年来在测量领域发展起来的新型测量技术,它是一种智能化、可视化的测量手段,能够在不接触测量物体的前提下,实现对测量物体复杂、精准的三维测量。基于图像处理的光学测量技术的应用十分广泛,充分了解光学测量方法,有利于实现光学测量技术的发展和革新。光学测量技术的革新对其他学科的变革也有着很大的影响,更多实用性系统的诞生,可以方便人们对环境和自然的变化做出及时的反应,从而创造出更好的人类生存和居住环境。

1 光学测量方法概述

20世纪70年代,由于计算机技术、光波导技术、激光技术的产生,以及傅里叶光学的出现,使得光学受到了巨大革新而成为现代光学。现代光学的主要特征是以激光为主要手段,对光学测量技术进行革新,继而开始形成近代光学测量方法[1]。后来,经过技术演变和革新,计量领域的主要研究方法转变为以光学为主要手段的检测方法。光学测量法目前在近代科学研究、现代制造工业生产和空间技术、国防领域中都得到了广泛应用。

1.1 图像处理的光学测量法基本概念

图像处理的光学测量法是一种将光电技术与机械测量技术相结合的高科技手段,以现代光学为基础,依托目前先进的信息技术从图像中提取有用的信号,并将图像当做载体来传递信息,从而实现迅速、精准的测量。现在应用最为广泛的是光学三维测量技术。

光学三维测量是一种集机械、光学、电子和计算机技术于一体的高科技智能手段。

1.2 光学三维测量技术主要方法

飞行时间法主要是通过对检测信号的时间分辨率来计算出实际的距离测量精度,这种原理常应用于大尺度远距离的测量[2]。具体来说就是,三维图形因其自身的特点会对检测的光束结构产生一些时间调制,无法进行实时测量,所以通过计算激光和测量光波的飞行时间来获取具体的距离数据,然后通过扫描设备让光脉冲精准扫描到待测对象的全部,就能够计算出待测对象的三维信息。

干涉法是通过分光系统将一束相干光分成测量光和参考光,利用测量光波和参考光波的相互叠加来确定两束光之间的相位差,并由此获得测量物体表面的深度信息。干涉法的测量精度比较高,可由于测量范围受到光波长度的限制无法测量更远的维度,因此干涉法只能测量微观物体的表面轮廓以及微小的位移,不适用于大尺度物体的测量。

2 光学测量法技术现状与发展方向

2.1 光学测量法的技术现状

首先从功能的角度来说,图像处理的光学测量技术已经从逐点测量发展成为全场测量;从静态测量发展为动态测量;从低速测量发展成快速的、具有存储和记录功能的测量[3],进而从原理的角度来说,近代光学测量技术的现状主要有三点。首先,光电探测器的发明取代了人眼这个传统且有很大局限性的主观探测器,提高了测量准确度与测量的效率,标志着过去的主观光学向现代的客观光学的转变;其次,以往的光电结合的模式转换为更为先进的光机电算一体化模式,从而实现了控制与测量的应用结合;最后,基于激光具有方向性和稳定性较好的特点,加之其单色性,激光便取代了传统的测量光源,成为现在各种光学测量的主要光源。

2.2 光学测量法的发展趋势

现代工业已经实现了智能化、精密化生产,进而对图像处理的光学测量方法提出了新的要求,促使光学测量方法开始了新的改革进程。此外,在学科领域,微光学得到明显发展,由此产生的微结构系统也将为测量发挥更大的作用;在技术方面,3D测量技术即将取得重大突破,纳米级别的高精密光学测量手段也会得到发展[4]。将来图像处理的光学测量技术的主流趋势将会变成对小尺寸、高精度、低成本的集成光学传感器的广泛应用。

3 基于图像处理的光学测量法应用研究

基于图像处理的光学测量法由于具有快速、非接触等优点而被广泛使用在工业生产中,例如,机械形状的测量、元件的检测等,且随着微型计算机性能的不断提高和发展,以微型计算机图像测量系统为基础的光学测量法得到了很大的发展。最重要的是,微型计算机储存量的扩大和处理速度的不断加快使得图像处理的光学测量发具有更高的速度和更大的动态范围等优点,目前,图像处理的光学测量发分析领域涵盖了医学、军事、工业、环境监测等众多方面。本文就光学测量法在环境监测中的应用进行详细研究和探讨。当下水污染很严重,形式也很多,其中水体富营养化可以运用光学显微镜来直接观测,但空气的流动性特点致使光学显微镜无法发挥作用,为了更好地实现环境监测,科学家发现还能够通过对光的其他特性的利用来进行对环境的动态实时监测。光电检测技术是一种新型的检测技术,它的原理是利用光的光谱特性实现对环境的有效监测[5]。它可以帮助人们直接检测到环境中的污染物,省时省力。光电检测技术能够对空气中有害物质的浓度和成分进行直接反映,这种技术不仅可以监测水质,还可以监测气体,比如二氧化碳气体、甲烷气体、含硫气体等。

3.1 光学显微镜在环境监测中的应用探讨

目前,水体富营养化是影响水质健康的重大问题。环保部门对水质进行采样、化验、观察、分析的过程中,就要用到光学显微镜。对水质的检测主要体现在三个方面:对细菌霉菌等的检测、对水中生物群落类别的检测、对水质毒性的具体检验。

水中的浮游植物是水域生态系统中的初级生产者,它们拥有很强的繁殖能力。水质发生富营养化之后,会加快浮游植物的繁殖与生长速度,从而造成水质严重的饮用问题,所以对水中生物群落的检测也是水质检测过程的重要一环。另外,辨别水质好坏的另一重要指标是对水中细菌、霉菌的检测,比如研究人员会对水域中的大肠杆菌来进行检测。光学显微镜对浮游植物的检测具有重要作用。光学显微镜可以直接对水质进行实时地观测,这样就可以及时了解水体质量,判断水质是否有富营养化的问题。

3.2 光学分析方法在水质检测领域的应用探讨

光学分析方法就是一种根据分析物体在接受光照后形成的光峰来探究物体的光谱特征的研究方法,其主要优点是检测速度快和灵敏性很高。一些先进的光学测量方法可以解放人的双手和实践,不用再像以前那样去使用很多试剂,由此节省了时间,提高了效率。其中使用较多的是比色分析法、间接测定法和直接测定法。

比色分析法主要检测水质中有色重金属离子的浓度,比色分析法又分为目视比色分析法和光电比色分析法。目视比色分析法的主体是人,而人受到主观因素的制约会对测量结果产生很大影响,由此得出的测量结果也不够准确。而光电比色分析法主要采用分光光度法,其精准性弥补了主观判断造成的差错,使得测量的精确度和灵敏性都得到了明显提高。

间接测定法是指对水质中重金属离子浓度的间接检测方法,其主要操作方法是荧光分析法。荧光分析法,就是通过计算机编程技术来处理从水质中获得的重金属离子的荧光图像,从而间接地检测出水中重金属离子的浓度,但是在此过程中,还需要用到重金属离子的匹配试剂。

直接测定法则省去了间接测定法中进行试剂匹配的过程,这种方法使得检测速度得以加快。但使用这个方法,要求检测物质本身就能够发射出荧光,所以应用也有其局限性。因此,无论是哪种检测方法,都无法忽视掉光源的重要性。

但是随着科技的发展,研究人员发现了激光光源有独特的优越性,比如能量集中、单色性好等。科研人员根据这样的特性发明出了激光诱导荧光技术。这种技术使得激光技术在直接测定法中占据了主要地位[6]。

3.3 光电检测技术在环境监测中的应用

光电检测技术的主要原理是:物体在经受到测量光束直接照射后,自身的电导率会发生改变,此外还会产生物体的光电动势能,现象就被称之为光电效应[7]。光电检测技术就是将激光检测出的光信息进行充分的处理分析,然后再通过A/D 转换器将这些信息输入到计算机系统中,从而经过计算机最后的分析整合,最终来完成获取被测物体的各种信息。

此外,相互作用下的物体和光,由于自身特性的不稳定,改变了物体的相关特点。通过这个现象可以将光电检测技术分为两大类,即激光监测系统和宽带光源监测系统。二者的区别是一个可以覆盖窄区光源,一个可以覆盖宽区光源。它们都在各自的领域发挥作用,现在下文来对二者进行具体的介绍。

激光监测系统因其分辨率较高和扫描范围窄的特点,具有很高的灵敏性。但是激光监测技术比较大的一个局限性就是被检测物体所接纳光谱波长要与激光监测系统所发出的激光波长相适配;又因为激光监测是单色性的,加之扫描范围窄的特点,所以一次只能检测出物体的一种化合物成分。如果待检测物体是混合物的话,就需要安装另外的检测装置来进行作业了。

宽带光源监测系统的分辨率不高,不能直接把检测到的多种化合物区分开来。而且,如果其分辨率过低,低于所要观测的物体的组织架构时,就看不到清晰的波峰,进而影响到对其浓度值的把握。目前的宽带检测系统主要运用到两个系统,即紫外差分光学吸收光谱仪(Uv-DOAs,又名DOAs系统)检测系统和傅里叶变换红外干涉仪(FTIR)检测系统,这两种系统的相同之处是都可以检测到某种混合物中的化合物[8]。

DOAs系统的工作原理是用光的反射来获取数据,就是说光波在发出后被待测物体反射回,然后利用信息技术和计算机技术来分析反射后光波与之前光波的差异性,从而得到具体的检验结果,最后将吸收光谱数据与数据库中的已知数据相比较,来得出物质中存在的化合物种类。DOAs 系统的测试范围很广,可以测量出多种化合物,在很多领域应用都十分广泛。

在一些较大的企业事故中,常常会泄露出种类较多成分较大的有毒化学物质,这时检测范围广就变得极为重要。FTIR系统就可以做到对多种化合物进行检测,它具有很强的分辨能力,可以对污染源中(如烟囱排放的烟雾和汽车排放的汽车尾气等)释放出的有害气体进行实时检测,是目前唯一能够提供信息空间技术的检测系统。

从光学显微镜早期在水质监测方面的应用,到后来光学检测技术在环境监测领域的应用,再到现在研究人员利用光的其他特点发明的各种实用性很强的监测仪器,可以看出光学对现代科学的重要影响。光学随着时代的发展而发展,发展中的光学又影响着其他学科的深刻变革,影响着人类的生产生活。

4 结语

基于图像处理的光学测量技术发展至今,其应用领域涉及到空气、水质等环境监测,还涉及到卫星、雷达、航空航天工程和服装制造等各个板块,基于图像处理的光学测量技术为人们的生产生活带来了极大便利。从光学三维测量技术到光学四维测量技术,人们对光的认知和利用在逐渐加深,这些促进了科技和工业的发展,科技和工业的发展反过来又促进着光学的发展。我国应该加大对光学的研究,促进光学与其他科学进行更多的创新与融合发展。