基于圖像處理的光學(xué)測(cè)量方法及其應(yīng)用探析

金 雪

西安航空學(xué)院，陜西 西安 710089

0 引言

作為一種新興的測(cè)量技術(shù)，基于圖像處理的光學(xué)測(cè)量是一種智能化、科學(xué)化的測(cè)量手段，其在實(shí)際測(cè)量中能夠不接觸物體就對(duì)物體進(jìn)行復(fù)雜、精確的測(cè)量。在社會(huì)各個(gè)行業(yè)，光學(xué)測(cè)量都起到了非常重要的作用，在一定程度上推動(dòng)著社會(huì)的變革。

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

1.1 技術(shù)現(xiàn)狀

從功能方面來(lái)說(shuō)，基于圖像處理的光學(xué)測(cè)量技術(shù)在技術(shù)上已經(jīng)由點(diǎn)擴(kuò)散為面，從靜態(tài)發(fā)展為動(dòng)態(tài)，同時(shí)從低速發(fā)展成高速。就光學(xué)測(cè)量法的原理而言，當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：其一，相比于傳統(tǒng)方法中的人眼探測(cè)，光學(xué)探測(cè)器的發(fā)明在極大程度上提高了測(cè)量的精度與準(zhǔn)度，使光學(xué)測(cè)量能夠更加科學(xué)合理；其二，以往在測(cè)量過(guò)程中采取的方法主要是光電結(jié)合，而現(xiàn)階段則更新為光機(jī)電算一體化模式，有效提高了測(cè)量的質(zhì)量；其三，由于激光具有一定的穩(wěn)定性，激光測(cè)量比傳統(tǒng)光源測(cè)量更具優(yōu)勢(shì)[1]。

1.2 發(fā)展方向

在現(xiàn)代工業(yè)中，智能化、精密化、集成化的程度越來(lái)越高，因此在處理圖像時(shí)，相關(guān)的光學(xué)測(cè)量方法需要更加先進(jìn)。同時(shí)，在科學(xué)領(lǐng)域，微光學(xué)在發(fā)展中取得了重大進(jìn)步，在此過(guò)程中產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也將在光學(xué)測(cè)量中發(fā)揮重要作用。在科學(xué)技術(shù)上，3D技術(shù)的發(fā)展也非常迅速，納米級(jí)別的光學(xué)測(cè)量也實(shí)現(xiàn)了較大進(jìn)步。未來(lái)，光學(xué)測(cè)量會(huì)向著更小尺寸、更高精度和更小誤差的方向發(fā)展。

2 基于圖像處理的光學(xué)測(cè)量方法應(yīng)用研究

在光學(xué)測(cè)量的應(yīng)用中，因?yàn)榛趫D像處理的光學(xué)測(cè)量方法具有比傳統(tǒng)測(cè)量方式更優(yōu)越的特點(diǎn)，所以在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用得比較廣泛，如在對(duì)機(jī)械形狀進(jìn)行測(cè)量、對(duì)元器件進(jìn)行檢測(cè)等。同時(shí)，隨著微型計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，以微型計(jì)算機(jī)圖像測(cè)量系統(tǒng)為依據(jù)的相關(guān)光學(xué)測(cè)量也取得了巨大發(fā)展。對(duì)此，文章以環(huán)境監(jiān)測(cè)為例，以此對(duì)基于圖像處理的光學(xué)測(cè)量方法進(jìn)行探究。

另外，當(dāng)前全球都在面臨水污染的問(wèn)題，雖然水體的富營(yíng)養(yǎng)化可以用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行直接觀測(cè)，但空氣的流動(dòng)性等特點(diǎn)則無(wú)法使光學(xué)顯微鏡發(fā)揮相應(yīng)的作用。對(duì)此，利用光電檢測(cè)技術(shù)可以有效解決上述問(wèn)題。光電檢測(cè)技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，其原理是通過(guò)光的光譜特性而對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行有效檢測(cè)，能夠直接對(duì)環(huán)境中的污染物開展檢測(cè)，能提高檢測(cè)的效率與質(zhì)量。

2.1 光學(xué)顯微鏡在水質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

目前，水體富營(yíng)養(yǎng)化是造成水質(zhì)污染的主要原因之一，在環(huán)保部門對(duì)相關(guān)水體進(jìn)行取樣檢測(cè)的過(guò)程中，需要通過(guò)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)。在對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)的對(duì)象主要包含三個(gè)方面，即水中生物群落類別、水質(zhì)毒性、細(xì)菌霉菌。

水體中，浮游植物在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中扮演著初級(jí)生產(chǎn)者的作用，因?yàn)槠浞敝衬芰Ψ浅?qiáng)大，所以在水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)提升后，浮游植物的生長(zhǎng)速度會(huì)加快，對(duì)水質(zhì)造成嚴(yán)重的威脅，因此對(duì)水中存在的生物群落進(jìn)行檢測(cè)非常必要。同時(shí)，對(duì)細(xì)菌、霉菌等進(jìn)行檢測(cè)也是水質(zhì)檢測(cè)中的重要環(huán)節(jié)，檢測(cè)的對(duì)象包括多個(gè)方面，如大腸桿菌等，利用光學(xué)顯微鏡對(duì)浮游植物進(jìn)行檢測(cè)也是非常有效的。此外，光學(xué)顯微鏡還可以對(duì)指定水域中的水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，從而依據(jù)相關(guān)參考對(duì)水質(zhì)的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行科學(xué)判斷[2]。

2.2 光學(xué)分析方法在水質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

光學(xué)分析法主要是通過(guò)光照后形成的光峰對(duì)物體的光譜特征進(jìn)行研究，此種方法的檢測(cè)速度快，精確度高。先進(jìn)的測(cè)量方法可以有效降低檢測(cè)的成本，提高檢測(cè)的質(zhì)量與效率，同時(shí)減輕檢測(cè)人員的工作壓力，因此對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行科學(xué)合理的改進(jìn)是極為必要的。現(xiàn)階段，主流的光學(xué)分析測(cè)量方法主要有比色分析法、間接測(cè)定法和直接測(cè)定法等。

比色分析法主要是對(duì)水質(zhì)中含有的有色重金屬離子濃度進(jìn)行檢測(cè)，其分為兩種類型，即目視比色分析法和光電比色分析法。在采用目視比色分析法時(shí)，主體通常為人，由于人在進(jìn)行測(cè)量時(shí)存在一定的主觀性，測(cè)量誤差難以避免，而在采用光電比色分析法時(shí)，其主要采用分光光度法，此種測(cè)量方法能夠有效解決人為誤差的問(wèn)題，使測(cè)量的結(jié)果更加精確和靈敏[3]。

間接測(cè)定法主要是對(duì)水質(zhì)中重金屬的離子濃度進(jìn)行檢測(cè)的方法，通常是依據(jù)熒光分析法來(lái)進(jìn)行。熒光分析法是指通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)獲取水中重金屬離子的熒光圖形，以此對(duì)水中重金屬離子的濃度進(jìn)行檢測(cè)。在采用此方法時(shí)，還額外需要重金屬離子的匹配試劑。

相對(duì)于間接測(cè)定法，直接測(cè)定法無(wú)需進(jìn)行試劑匹配的環(huán)節(jié)，因此在實(shí)際檢測(cè)的過(guò)程中其檢測(cè)的效率也相對(duì)較高。但在使用間接測(cè)定法時(shí)，需要被檢測(cè)物質(zhì)能夠發(fā)出熒光，因此相比于其他方法，其具有一定的劣勢(shì)。

隨著科技的不斷進(jìn)步，研究人員發(fā)現(xiàn)激光具有其他光源無(wú)可比擬的優(yōu)越性，因此相關(guān)人員結(jié)合激光的獨(dú)特特性發(fā)明了激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，此種測(cè)量技術(shù)使激光技術(shù)在直接測(cè)定法中有著相當(dāng)重要的地位[4]。

2.3 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)在環(huán)境檢測(cè)中的應(yīng)用也較為廣泛，其原理主要是，當(dāng)物體被光束照射后，其自身的電導(dǎo)率發(fā)生一定程度的改變，同時(shí)產(chǎn)生物體的光電動(dòng)勢(shì)能，此種現(xiàn)象即為光電效應(yīng)。光電檢測(cè)技術(shù)主要是對(duì)相關(guān)的光信息進(jìn)行分析和研究，接著將相關(guān)信息導(dǎo)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，最后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的總結(jié)和整理，使被測(cè)物體的信息能夠被獲取。

同時(shí)，在相互作用中物體和光自身不夠穩(wěn)定，因此對(duì)物體的相關(guān)特點(diǎn)有一定程度的改變。基于此，可將光電檢測(cè)技術(shù)分為激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和寬帶光源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩大類，二者唯一的區(qū)別在于各自可以分別覆蓋窄區(qū)光源和寬區(qū)光源，其在各自的領(lǐng)域中都發(fā)揮著極其重要的作用。

由于激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分辨率較高，且掃描范圍相對(duì)較窄，因此靈敏性較高。但激光監(jiān)測(cè)技術(shù)也存在一定的局限性，如物體在被檢測(cè)時(shí)，其接納的光譜波長(zhǎng)與系統(tǒng)中的激光波長(zhǎng)一致。并且激光檢測(cè)是單色性，由于其掃描范圍相對(duì)較窄，因此單次檢測(cè)只能檢測(cè)出一種化合物成分。

寬帶光源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于自身的分辨率較低，無(wú)法對(duì)檢測(cè)到的多種化合物進(jìn)行有效區(qū)分。當(dāng)分辨率低于一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在實(shí)際觀測(cè)中就無(wú)法對(duì)相關(guān)的波峰進(jìn)行觀察，從而對(duì)其濃度的檢測(cè)造成一定的影響。現(xiàn)階段，在寬帶檢測(cè)系統(tǒng)中，主要存在紫外差分光學(xué)吸收光譜儀（Uv-DOAs）檢測(cè)系統(tǒng)和傅里葉變換紅外干涉儀（FTIR）檢測(cè)系統(tǒng)兩種，此兩種系統(tǒng)都可以對(duì)被檢測(cè)物的化合物進(jìn)行深入全面的檢測(cè)。紫外差分光學(xué)吸收光譜儀（Uv-DOAs）檢測(cè)系統(tǒng)主要是通過(guò)光的折射來(lái)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，即光波在發(fā)出之后，被檢測(cè)物體將其進(jìn)行反射，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)反射前后的光波差異進(jìn)行分析，以此得出相關(guān)的比較結(jié)果，最后對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面比對(duì)，以此檢測(cè)出化合物的種類[5]。紫外差分光學(xué)吸收光譜儀（Uv-DOAs）檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試范圍相對(duì)較廣，可以對(duì)多種化合物進(jìn)行測(cè)量，因此在各行業(yè)都較為常見。在一些化工廠，很容易出現(xiàn)毒氣泄漏的狀況，因此需要檢測(cè)范圍較廣的檢測(cè)系統(tǒng)。傅里葉變換紅外干涉儀（FTIR）檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N化合物進(jìn)行有效檢測(cè)，同時(shí)對(duì)污染源中的有害氣體進(jìn)行針對(duì)性的檢測(cè)，以此為相關(guān)檢測(cè)提供科學(xué)全面的數(shù)據(jù)。

早期，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的設(shè)備主要是光學(xué)顯微鏡，而在光學(xué)檢測(cè)技術(shù)普及后，其漸漸應(yīng)用到環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域，不僅提高了檢測(cè)的準(zhǔn)度與精度，還提高了檢測(cè)的效率和質(zhì)量。光學(xué)隨著時(shí)代的變革而不斷發(fā)展，在光學(xué)發(fā)展的同時(shí)，又對(duì)其他學(xué)科形成了積極影響，進(jìn)而為人們的生活帶來(lái)了便利。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于圖像處理的光學(xué)測(cè)量技術(shù)在不斷地發(fā)展，已涉及多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，為社會(huì)帶來(lái)了極大的便利。在三維光學(xué)技術(shù)發(fā)展到四維光學(xué)技術(shù)的過(guò)程中，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)在不斷發(fā)生變化，以此對(duì)社會(huì)各個(gè)行業(yè)提供了堅(jiān)實(shí)的發(fā)展動(dòng)力。對(duì)此，我國(guó)應(yīng)當(dāng)加大光學(xué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展力度，為社會(huì)的整體進(jìn)步提供堅(jiān)定的保障。