数字激光（精选6篇）
数字激光 篇1
一、项目简介
(一) 技术原理
第一步:原始数据采集。使用激光扫描车沿目标区域街道进行原始数据的采集, 得到具有精确位置信息的原始点云数据及与点云数据同步的数字图像数据。
第二步:数据预处理。使用基于点云的噪声分布计算及点云分割算法去除原始采集点云数据中的噪声及非目标数据, 得到按目标个体分块的点云数据。
第三步:建粗略模型。根据第二步得到的经过预处理的点云数据, 使用自主研发的三维建模软件中的粗略建模重建得到粗略的三维实体模型。
第四步:建精细模型。在第三步的基础上, 改变建模算法的参数得到精细模型。
第五步:纹理贴图。使用在第一步获得的图像数据给精细模型贴上纹理, 使得模型更具真实感。
第六步:模型的显示。使用三维显示平台加载重建好的三维实体模型, 用户基于此平台可以开展各种各样的个性应用。 (见图1)
黄色的是汽车行走路线, 白色部分是激光扫描得到的点云数据重建的场景。由于设备的采样频率高, 达到20万赫兹, 因此可双在瞬间获得大量的测量数据, 可获得高精度数据, 而且该设备是动态采样, 采集时速度最高可达50km/h。工作效率极高, 保守估计每天可测量200公里的公路或者几十平方公里的区域。
(二) 技术优势
1、数据采集技术优势
现有数据采集技术:
手工测绘:需要工作人员多, 每次要出动5人, 效率低, 数据量少, 误差高, 相对成本高。
定点激光扫描测绘:需要工作人员少, 每次作业只要2-3人, 效率中, 数据量中, 误差低, 相对成本中。
机载激光扫描测绘:需要工作人员少, 作业范围大, 效率高, 数据量大, 误差中, 相对成本高。
相比较而言, 此项目车载激光扫描采集技术, 测量距离长、范围宽, 数据采集速度快, 需要工作人员极少, 每次大规模作业也只要2人就可完成, 效率极高, 数据量极大, 误差低 (厘米级别) , 相对成本低。
下面对上述各项采集技术作一下对比:
2、数据处理技术优势
*现有软件特点:目前普遍应用的工程三维建模软件, 主要有SpaceClaim, 3Dmax, maya, pro/E, Autocad等软件。其特点为:
人工建模:建模、加纹理、加阴影等都由人工手动完成。
需时长, 需要专业技术人员。
对已知物体 (如建筑物、生物体) 建模时缺乏精度。
且需要额外的测量工作。
*此项目所采用的软件ScanMapper核心优势:
可在软件上实现自动的建模、加纹理、加阴影, 实现自动化和序列化过程。
对技术人员的要求低, 只要3D建模的普通技术从员即可操作软件。
在自动建模的基础上, 技术人员也可在建模的过程中加入一系列的可控性操作, 按需要进行交互式建模, 能得到更精确的模型。
目前只有剑桥大学研究出了类似的3D快速建模软件 (ProFORMA系统) 。
二、项目应用
(一) 初级应用
初级应用主要包括对公路、隧道、桥梁及古建筑物修复等的数据采集业务。针对大规模且对测绘精度要求高的项目, 以便充分发挥此技术效率高、精度高的优势。
(二) 高级应用
在进行大规模城市建模的过程中, 可以将以前项目所积累的数据进行二次利用, 从而降低成本。而最后处理好的数据可以交付给客户获取一次性的盈利;还有一部分的客户会需要对处理好的数据进行及时的更新和维护, 可以持续性地获取利润。另外, 还可以根据客户的需求, 在三维建模的基础上进行一些后续服务如:小区的消防监控、社区的景观设计等来满足客户的需求, 提高产品的附加值。
三、行业概况
(一) 行业现状
地理信息产业, 是以现代测绘技术和信息技术为基础发展起来的综合性产业。既包括GIS (地理信息系统) 产业、卫星定位与导航产业、航空航天遥感产业, 也包括测绘业和地理信息技术及其应用。2008年是我国地理信息产业高速发展的一年。调查显示, 我国地理信息产业总规模已达400亿元, 从业人口达33万人。一些地理信息技术产品已达到或接近国际先进水平。地理信息系统 (GIS) 技术在我国已经广泛应用, 在资源环境及设施的管理和规划中发挥着日益重要的作用, 并且逐步成为一门新兴的产业。随着21世纪的来临, 一个新型的信息社会和空间时代即将展现在人们面前。
(二) 技术发展
随着信息技术的飞速发展和用户对多种数据采集以及数据处理业务需求的与日俱增, 给地理信息产业市场带来了巨大的市场机会和挑战, 同时对地理信息采集的高效性、精确性提出了一些新的需求。例如, 势必利市数据信息采集效率;调整地理信息采集室内室外作业时间比例, 降低产出成本;缩短地理信息数据处理周期。我国目前推行的大型三维数字城市建设也必须基于强大的城市数据资源。因此, 随着我国信息化产业的迅速推行, 数据信息采集技术 (RS、GPS、GIS) 以及三维数据处理软件系统也需要满足全球不同市场对产品的特殊要求。
四、市场机遇
(一) 市场容量
市场巨大:城市数字化是中国经济社会发展的必然趋势, 地理信息产业也被写入十一五规划纲要。城市空间信息技术产业市场存在着巨大的容量。2007年, 我国地理信息产业产值已达到420亿元。现在全国90%以上的城市正准备启动“数字城市”工程, 据已有数据统计2009年地理信息产业产值约在600亿元左右。中国国家遥感应用工程抚摩研究心等单位专家预测, 到2010年, 我国地理信息产业年总产值将超过700亿元, 并将以20%左右的速度高速增长。
结构变化:国家测绘局提供的数据显示, 现在地理信息数据服务应用增长迅速。2009年服务应用测量的总产值已经超过了工程应用测量。占整个行业的51.6%, 达到309.6亿元。同比2008年增长30%, 而随着数字化城市的建设, 对GIS数据进行应用的需求出越来越多, 预计应用测绘的增长将继续以30%左右的速度增长。
(二) 市场需求
1、工程测绘
需求稳定:全国城市基础设施位置测量市场约为5亿元人民币每次, 城市三维建模市场约40亿元人民币每次;根据全国高速公路4万公里, 铁路8万公里长度来计算, 路基两侧地形精确测量1亿元每次。而对信息的定期更新需求决定了以上的服务是周期性的。
需求转型:随着我国城市化进程的加速, 国内高速公路、高速铁路的建设速度也是分秒必争。今年武汉至广州的高速铁路正式通车, 而京沪高速的通车时间也提上日程。这就对工程测绘的速度和效率提出了更高的要求。
2、数据应用需求
需求稳定:目前城市化水平已经达到45%, 共有城市人口6.07亿;全国的城市总数为656个, 以前400个城市来计算。假设每个城市平均250平方公里, 共10万平方公里;现在随着数字化城市的建设, GIS数据的周期性实时更新成为数据应用的新需求。因此, 这就对数据更新以及处理速度提出了更高的要求。
需求转型:我国GIS数据应用正在进入一个需求旺盛期, 数据应用工程对数据形式提出更高要求。例如, 消防排险系统, 矿山开采规划等信息服务项目必须依托三维高精度数据来完成。因此, 行业内现有的数据服务产品 (如二维地理信息数据、仿三维模拟数据等) 已经难以满足市场对数据精度的要求, 三维数据的广泛应用必将成为趋势。
2008年地理信息的应用在我国得到了高速的增长。据中国地理空间项目网监测数据显示, 本年度招标项目数年比去年同期有大幅度的增长, 全国招标项目近2000个, 土地调查项目占主导地位。今年5月起地理信息系统平均每月招标项目约200个, 12月是招标项目数量最高的月份, 达到300多个, 如图2所示。
(三) 目标客户
1、工程数据客户
2008年测绘行业经济继续保持快速增长态势, 共完成服务总值220.61亿元, 同比增加35.58亿元, 增长19.2%。工程测量是随着国家“扩内需、保增长”、加大基础设施建设投入政策的逐步落实, 其基础性服务作用充分体现, 全年完成工程测量服务总值106.75亿元, 同比增加19.75亿元, 增长22.7%。
在客户的选择上针对大规模、测绘精度要求高的项目, 以便充分发挥该技术效率高、精度高的优势。举例如下:
公路测绘
传统的公路测绘, 采用较多的为手工测绘和定点激光测绘。此技术的主要优势在于速度快、精度高、成本低。以测量100公里公路为例:
传统手工测量:需要5人连续工作2个月。由于完全是人工作业, 误差出现的概率很大, 采集数据量少, 成本约4000元/公里, 共40万元。
定点激光测绘:需要3人, 连续工作1个月。数据采集时有部分是人工参与, 误差中等, 采集数据量中, 成本约2000元/公里, 共25万元。
车载激光扫描:需要2人, 工作1天。数据采集均为稳定的系统作业, 误差极小, 休集的数据量大, 成本约1000元/公里, 共10万元。
其它测绘
例如对精度要求高的桥梁、隧道等。
图4桥梁数据从采集到三维建模
2、应用服务客户
目前, 地理信息数据采集还原后的工程应用领域几乎涉及到国民经济和社会发展的各个方面 (见图5) , 如国土资源、生态环境、城市建设、房产、交通、铁道、统计、公安、紧急事务处理、经济规划、农业、林业、海洋、军事等等。地理信息工程在企业中的应用也非常广泛。举例如下:
消防系统应用
社会问题:在各种灾害中, 火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。而建筑消防高州是保证建筑物消防安全和人员疏散安全的重要设施建筑消防设施主要分两大类, 一类为灭火系统, 另一类为安全疏散系统。
市场规模:据相关资料表明, 某市某区有各类小区80多个, 去年共发生各类火灾86起, 因为疏导路线的不清晰、防火器材老化而造成的人员伤亡为12起, 造成的经济损失达4000多万元。为此, 该市政府以该区为试点, 于2010年起开始在数字城管的平台中建立一个全区消防系统的规划设计。目前, 该市政府将逐步建立起整个城市的现代化消防管理系统, 市场潜力巨大。
如下图所示, 这是某公司提供的.该系统是在仿真三维模型的基础上设计的。结合其它的传感器能显示、查询、定位、消防中队的情况、颁与辖区信息, 消防设施的颁与状态信息, 为消防部门迅速排除险情提供诸如最短路径分析等辅助决策功能。
但是, 由于采用的是GIS二维仿真三维的数据模型为基础, 所以不能对楼房的阳台、窗户、安全通道等进行建模。而在真实情况下往往是楼房的住户最有可能出现火灾, 那么这套系统就很难解决现实问题。
下图是用该技术建立的三维实景模型, 可以很清楚地看到, 能够将楼房的窗户、安全栓、消防门、安全楼梯等都建立三维模型, 再加上一些其它的传感器辅助设施, 就能够为消防部门的火险指挥带来巨大的帮助。而各建筑物内独立的火灾自动报警系统联网, 并综合运用数字视频监控等信息技术, 在监控中心内对所有联网建筑物的火灾报警情况进行实时监测、对消防设施进行集中管理, 为消防部门迅速排除险情提供决策参考。
矿山体积、质量测量
行业问题:矿山包括煤矿、金属矿、非金属矿、建材矿和化学矿等等。目前采用较多的是图解剖面法、面积量算, 这种方法不仅工作量极大且测量的数据精度不高。
市场规模:中国已探明矿产资源总量居世界前列, 矿产资源开采总量居二位, 全国建成大中型矿山企业1万多个, 小型矿山企业11万多个, 从业人员800多万人。矿山测量是矿山建设的眼睛。矿山测量的任何疏忽或轻率都会影响生产或有可能导致严重事故发生。而精确地测量数据也能为安全生产提供信息, 供领导对安全生产做出决策参考。
利用该技术可以对矿山数据三维数据扫描, 就可以非常逼真地还原出真实的三维模型。这样就可以非常直观地知道矿山的各面面积、体积、开头。根据平均的密度就能够计算出矿产的质量。建模好的数据可以为矿产资源的开发利用提供很大帮助, 还能为一些大型企业估算能源储备, 便于生产调度。
其它民用
港口物流、辅助营销、景观设计、古迹复原等领域。
五、风险分析
(一) 政策风险 (低)
就我国目前出台的政策分析, 我国在未来五十年内将大力推动地理信息产业发展, 中国现行的法律政策和税务政策均持续稳定地贯彻执行, 可以充分保障投资商的权益。
(二) 市场风险 (中)
我国的地理信息产业的应用市场才刚刚起步, 市场处于培育阶段。目前, 地理信息数据服务企业主要的商业模式为B 2 G及B2B, 而B2C项目相对较少。根据市场反映调整不同时期的营销管理策略, 做好各种风险防范性措施, 可以将市场风险降低至最低。
(三) 技术风险 (低)
数据采集是地理信息产业的基础, 也是产业链的基础环节。地理信息产业中基础数据的采集和处理至关重要。在目前我国该产业迅速发展的时期, 数据采集及处理的快速、精确的技术成为整个产业中的关键。目前领先的数据采集和数据处理的需求极大。当然不排除更先进的技术进入的风险。
数字激光 篇2
数字激光全息技术是一种光信息处理比较重要的一个发展, 经历了一定的发展过程, 激光全息技术越发成熟, 新型的激光全息技术摈弃了传统全息图不好的方面, 使其摆脱了需要事物拍摄的束缚, 在仿真和虚拟物的显示上有了一定的突破。近几年数字激光全息技术的应用和推广越来越广泛。
1 数字激光全息技术的应用
随着数字激光全息技术的不断发展, 其技术优势不断在不同的领域显现出来。技术上的局限性得到了一定程度的克服, 使其越来越替代传统的全息技术。数字激光全息技术近几年来在存储技术、防伪技术、数字激光全息成像和印刷等领域的应用受到了极大的关注并取得了很大的进展。
1) 存储技术, 随着激光全息技术的发展, 一种新的存储技术出现, 就是数字激光全息存储技术, 这样的技术优势是大容量和高密度。利用傅立叶变换全息图, 制作点全息图排成阵列, 或者像唱片那样排在旋转圆盘上, 利用一个称为空间光调制器的装置, 将一页数字信息转换为二维图像, 就可以生成一幅全息图。全息信息存储具有高存储密度, 它通过在感光材料的同一区域记录多张全息图得到。目前为了达到高密度的存储效果, 一般会采用多波长, 多角度, 多相位记录。这一技术的好处就是具有快速存取的优势。尤其其本身具有较大的空间, 使其信息不会因为缺陷而不能读取。今后的存储技术越来越向图像数字化方向发展, 有可能会实现高数据传输率和高密度光存储。
2) 防伪技术。全息技术的第四代全息防伪收缩膜包装防伪技术是后来发展起来的一项技术。但是新型的防伪技术一般成本比较高, 所以造假者就不会花费如此高昂的成本去作假, 这种防伪技术从技术层面上来说十分复杂与精细化, 这就更加的防止了其可复制性。与此同时, 它具有多彩的外观, 也引起了消费者的关注, 如果普通的印刷图片很容易被复制, 采用数字激光全息技术的防伪技术就不会遇到这样的问题。现在这样的激光全息防伪技术已经被运用在各个领域, 包括食品、医药、身份证等。
3) 成像和印刷技术。这样的一种成像技术是通过计算机程序控制、全智能化设计和制作动态激光全息图像与文字的高新技术。1999年美国推出了真彩色数字化大面积深光聚合物反射全息图, 推动了三维显示全息图的进一步发展和市场化。而在2001年, 曹汉强、朱光喜等研究出一种基于超复数系的数字全息图像生成方法, 这样的方法能够看到不同层次的图案, 运动的感觉, 色彩上也具有较强的艺术感。在2003年苏州大学信息光学工程研究所在国内外首次提出了数码激光全息照排的概念, 研制成功了“数码激光全息照排系统”, 后来经过不断的努力以及在国家的资助下, 一种新型的具有国际领先水平的照排系统研制成功, 并于后来陆续投入了生产。
2 数字激光全息技术的发展
激光全息技术作为近代光信息处理领域中的一个重要组成部分。经历了多年的发展越发成熟。全息图 (Hologram) 是由盖伯 (Gabor) 在1948年提出的, 盖伯解决了全息术发明中的基本问题, 但是当时还存在的一个比较客观的问题就是全息图的成像质量很差。在随后的1962年激光器的问世, 盖伯全息术的基础上引入载频的概念发明了离轴全息术, 有效地克服了当时全息图成像质量差的问题, 这在之前研究的基础上跨出了较大的一步。
再到1967年, Goodman和Lawrence利用光敏电子成像器件代替传统的全息记录材料来记录全息图, 把所记录的全息图都存入计算机之中, 计算机实现了一些模拟再现, 实现了最早的数字全息图记录和再现。但是由于当时计算机技术和光敏电子成像器件的制约, 数字全息技术一直没能得到很大的发展。但是近几年却得到了不小的发展。
数字激光全息技术近几年也取得了不小的发展, 尤其是加入了计算机的模拟, 使激光全息技术得到了飞跃性的发展, 中国对数字激光全息技术的探究还是十分积极, 相信随着科技的不断进步, 会有更多更好的数字激光全息技术得到开发和应用, 从而可以更加充分地发掘激光全息技术的优势能力, 从而更好地推广运用到其他领域, 给人们带来更大的便利。
3 结语
数字激光全息技术是一种全新的全息图记录和再现方式。与传统全息相比, 具有很多层面的技术优势, 已经在多个领域取得了较好的应用。其发展也经历了一定的过程, 这方面的技术还需要再进一步的探求, 使其更好的为人类服务。
摘要：数字激光全息技术在储存技术、防伪技术、成像和印刷技术等技术领域都有着一定的应用, 这些方面的应用使得数字激光全息技术得到了一定的发展, 分析了数字激光全息技术的应用及发展。
关键词：数字激光,全息技术,发展
参考文献
[1]王杨, 于佳, 刘惠萍, 等.数字技术在光学全息领域的应用与前景展望[J].激光杂志, 2004 (4) .
[2]秦娜.全息术与数字媒体艺术融合的探析[J].数位时尚 (新视觉艺术) , 2010 (1) .
数字激光 篇3
激光测距是随着激光技术的发展而发展起来的一种精密测量技术,具有非接触、精度高、成本低等特点,广泛应用在空间探测、车辆防撞、机器人视觉及工业自动生产线等领域。目前,激光测距技术主要有飞行时间测量(Flight-time Measurement)、三角法(Triangulation Method)、FMCM法(Frequency Modulated continuous Method)和相位测量(Phase-shift Measurement)。相位测量法灵活性较强,其测程主要由激光器调制频率决定,测距精度主要由检相器精度决定,二者之间的制约关系可以通过选用合理的调制频率组来调和,以同时满足测程和精度的要求,在实际激光测距系统设计中得到了广泛应用。
应用于相位激光测距仪的检相技术有很多,归纳起来主要有基于FFT的相差测量技术[1]、数字相关法检相技术[2]、向量内积法检相技术[3]以及自动数字检相技术[4]等。自动数字检相技术的基本思想是通过波形变换,将相差测量转换为时间计时,具有原理简单、易于实现等特点,在相位激光测距仪中得到了广泛应用。
1相位式激光测距系统工作原理
相位式激光测距原理如图1所示。上电以后,激光器辐射出能量受调制的光信号,此光信号照射到测量目标以后发生漫反射,光学天线将接收到的部分反射信号汇聚到雪崩二极管(Avalanche Photodiode,APD)上,APD将此光信号转换为电流信号,从而解调出调制信号而得到回波信号,回波信号经过后续处理电路最终送入FPGA检相模块与参考信号比相得到相差值,单片机读取相差值,计算出距离值,并送与LCD显示。
设激光调制信号为S=Acos(2πf·t),则激光回波信号为:
Sm=A′cos(2πf·(t+Δt))=A′cos(2πf·t+2πf·Δt)=
A′cos(2πf·t+Δφ)。 (1)
进而可以得到目标距离D为:
undefined。 (2)
式中,c为光速。
2硬件电路设计
图1为所设计的激光测距系统,主要包括基于DDS的信号源模块、光电信号预处理模块、混频模块、波形变换模块和基于FPGA的自动数字检相模块。整个系统采用2个信号源,分别作为单片机和FPGA的时钟,调制信号、本振信号以及检相模块计时脉冲均以信号源2为基准,使得三者之间的频率漂移特性相同,消除了频率漂移对系统测距造成的误差。检相模块是在传统数字检相模块基础上改进设计,消除了波形变换、高频干扰引起的检相误差。
2.1基于DDS的信号源设计
DDS(Direct Digital Synthesis)技术也称为直接数字频率合成技术,是20世纪80年代发展起来的一种新的数字式波形产生方法。它利用相位累加原理直接合成所需要的信号波形,与传统波形产生方式相比,具有频率分辨率高、相位噪声小、频率转换速度快、频率稳定度高和控制灵活等特点,适合应用在激光测距系统中。
正弦信号表达式为S=sin(2πfout·t),用频率为fcp的时钟将时间离散化,可得一个时钟周期内相位变化量为:
undefined。 (3)
将2π均匀分成2N份,可将Δθ离散化为:
undefined。 (4)
根据式(4),可将正弦信号重写为:
undefined。 (5)
式中,Bθk-1为当前时钟到来之前所积累的相位。
式(5)表明对相位量化值进行简单累加运算,就可以得到当前相位值,信号输出频率fout由相位增量变化值BΔθ决定:
undefined (6)
令BΔθ=1,可得DDS输出信号频率分辨率为:
undefined。 (7)
DDS原理框图如图2所示,本文利用FPGA设计了2路正弦信号,分别作为调制信号和本振信号,频率分别为fmou=5 MHz,flo=5.01 MHz,其中参考时钟由FPGA内部锁相环产生,其频率为fclk=20 MHz。相位累加器N位数推导如下:
设DDS生成信号频率分辨率为Δf,则fmou=5×106±Δf,fmou=5.01×106±Δf,混频后所得低频信号频率fi=10×103±2Δf,此时由于频率误差引起的检相误差为undefined,将此式代入式(2),可得由此产生的测距误差为undefined,代入式(7)可得:
undefined。 (8)
式(8)即为DDS输出信号频率误差引起的测距误差表达式,令δD<0.1 mm,可计算得N>25.9,实际设计中取N=28。
2.2自动数字检相电路设计
自动数字检相的基本原理是将2路正弦信号通过波形变换转换为同频方波,从而将正弦信号之间的相位差转换为2路方波的时间延迟,再用一高频脉冲对此时间延迟进行计时即可得到相差信息[4]。提高计时脉冲频率在理论上可以提高检相精度,但在实际中,受波形变换非理想性的制约,单纯提高计时脉冲频率并不能有效提高检相精度。波形变换非理想性主要体现在信号的零点漂移上,设波形变换前信号为:
Sref=A1cos(2πfi·t),
Secho=A2cos(2πfi·t+φ)。
考虑到叠加在其上的微弱直流直流分量以及比较器偏置电压参数的影响,实际信号为:
Sref=A1cos(2πfi·t)+B1,
Secho=A2cos(2πfi·t+φ)+B2。
分别令Sref=0,Secho=0,可得参考信号、回波信号以及相差信号的实际脉宽为:
undefined
由式(11)可见,信号中叠加的支流分量导致了相差脉冲产生误差。当B1=B2=-5 mV,A1=A2=2.5 V时,φerror=0.004 rad=0.23°,又fmou=5 MHz,取c=3.0×108 m/s,由式(2)可计算得到信号零点漂移所引起的测距误差高达δD=1.91 cm。对于高精度测距场合而言,这是相当大的误差。
为了消除这项误差,将式(9)、式(10)式相减可得:
undefined。 (12)
式(12)表明信号零点漂移所引起的误差等于两信号实际脉宽之差,将式(12)带入到式(11)中,可得修正后的相差计算公式:
undefined。 (13)
式(13)表明,同时对参考信号、回波信号及相差信号进行计时,并按照式(13)进行实时补偿,即可消除信号零点漂移引起的检相误差。改进后的自动数字检相原理框图如图3所示。检相模块采用3路计数器分别对参考信号、相差信号以及回波信号进行计时,计时结果在外部信号的控制下通过数据选择器传与单片机进行补偿计算。计时控制信号决定计时周期数,直接由对应测量信号生成,避免了控制信号与测量信号的不同步所造成的误差;数字滤波部分的作用为消除信号中叠加的高频毛刺干扰。
3试验结果
系统选用波长为650 nm的激光器作为光源,光电探测器选用德国Laser Components公司生产的雪崩二极管SAE500VS2,调制频率为5 MHz,本振信号频率为5.01 MHz,自动数字检相计时脉冲频率为200 MHz。在室内对10 cm～2 m范围内抽取5个点进行了实际测量实验,每个点每10 s测量1次,共测量3次。实验结果如表1所示。
由表1中实验数据可以看出,实际测量结果最大偏差为16 mm,最小偏差为7 mm,平均误差为10.68 mm,而根据上述参数计算,理论上测距误差为3 mm,二者相差较大。从试验结果还可以看出,测量结果与真值相比都偏大。这说明,实际所测到的相差比真值多了一个偏差,通过对系统的分析,这部分误差可能来自2个方面:① 电路在对信号进行处理时所引起的附加相移;② 忽略了大气对光速的影响。这说明,测距计算公式仅仅用式(2)是不合理的,还必须考虑到上述2个因素的影响,对测距结果进行合理补偿,以进一步提高测距精度,这是今后改进的方向。
4结束语
本文利用FPGA对自动数字检相技术进行了改进,着重解决了制约检相精度提高的信号零点漂移问题,同时在FPGA内部利用DDS技术生成所需要的各种测距信号,提高了信号的频率稳定度和频率分辨率,在此基础之上,设计了一套相位式激光测距系统,并进行了实际测试实验。结果表明,该激光测距系统工作稳定、精度达到了cm级,但由于受到电路附加相移以及光速估计偏差影响,实际测距精度与理论值相差较远,这是下一步研究改进的方向。
摘要：设计了一个基于自动数字检相技术的相位式激光测距系统。该系统采用DDS技术产生所需要的测距信号,提高了信号的频率稳定度,消除了信号源频率漂移引起的测距误差;该系统还对自动数字检相技术进行了改进设计,改进后的自动数字检相器能够消除波形变换零点漂移及高频干扰引起的检相误差,提高了检相精度。实际测距实验表明该系统具有较好的测量精度。对测试结果进行了分析,指明了今后研究的方向。
关键词：自动数字检相,激光测距仪,DDS技术
参考文献
[1]谢蕾,李季.基于FFT的激光测距相位计的实现[J].量子电子学报,2003,20(1):85-88.
[2]张毅刚,傅平,王丽.采用数字相关法测量相位差[J].计量学报,2000,21(3):216-221.
[3]黄正英,李季,陈结祥,等.向量内积法检相在激光测距系统中的应用[J].光电子技术与信息,2002,15(6):31-34.
数字激光 篇4
葡萄适 (Lucozade) 是英国家喻户晓的运动能量饮料品牌, 也是Lucozade Rebena Suntory Limited (以下称LRS) 公司的主力品牌, 已有80年历史。引入数字化营销成为该品牌在大数据时代焕发新的生命力的不二选择, 跨媒体互动推广活动“YES项目”是LRS数字化营销团队的首次成功试水之作。公司数字化市场营销经理里奇·欧克利 (Rick Oakley) 介绍说“葡萄适是英国认可度最高的品牌之一, 作为以数字化营销为核心的市场团队, 引用新技术并通过移动、社交媒体宣传公司产品、与消费者互动, 保持对于消费者的吸引力必不可少”。欧克利这里说的新技术指的就是此次活动中给每个饮料瓶打上唯一促销代码的多米诺激光打码机D320i。
在实施“YES项目”初期, LRS市场部就汇同公司运营部开始评估、寻找最佳解决方案来实现营销活动的数字化。与大多数数字化项目一样, 考虑到单一产品与移动、社交媒体连上线, LRS团队最后采用的方案是每个产品对应一个促销代码, 消费者在线输入该代码参与活动。基于项目的核心部分是在饮料瓶身上标刻促销代码, LRS团队向多年的合作伙伴, 全球标识行业专家, 英国多米诺寻求解决方案。
在与多米诺工程师的技术沟通中, LRS公司提出的需求为:
每一个促销代码都必须是唯一的, 不重复的;
匹配葡萄适50000瓶/小时的生产线速度;
瓶身上标刻的宣传代码必须清晰、显眼, 其质量及持久性对于活动的展开、广大消费者的成功参与起着至关重要的作用。
经过实地勘察后, 多米诺工程师向LRS推荐了有着丰富饮料行业经验的激光打码机D320i。随后4台D320i安装到了葡萄适瓶装生产线向外进给的传送带上。D320i实时从中央处理器自动下载不断翻新的促销代码, 以50000瓶/小时的打印速度将这些代码永久地标刻在饮料瓶上。
多米诺D系列高度集成的特性使D320i可以轻松地与瓶装生产线整合, 特有的“光束延伸臂”设计配合可90度旋转定位的“i-Tech智能扫描头”, 可在任何方向上打印高质量序列字符、图案、和二维码 (同样完全连续) 。对于LRS来说, 这种高质量标刻实现了其对于代码在视觉上的要求, 即代码的美观度及不同批次代码的一致性。
欧克利评价说:“我们与多米诺有着多年的合作关系, 他们在标识领域的专业素养总能够满足我们的标识需求, 并附加更多的价值。在此次合作中, 多米诺灵活变通, 为了使得标识方案与我们数字营销供应商系统接轨, 更是做了很多额外的工作。从市场回馈来说, 此次活动非常成功, D320i标刻在瓶身上的促销代码简洁、锐利、清晰, 消费者可以轻松读取代码。通过这次活动, 我们收集的数据有助于我们统计、分析葡萄适消费人群的构成, 了解他们的消费习惯, 将来我们可以通过这种方式开展更多数字化营销活动。”
数字激光 篇5
目前, 基于数字微反射镜 (Digital Micro-mirror Device, DMD) 为核心部件的投影设备以其低廉的成本及高效清晰的显示效果等优势正逐步替代传统LCD投影仪, 将成为市场上主流投影显示。同时, 基于数字微反射镜的激光直写系统在光学及机械结构上已基本成形, 本课题从应用实际出发, 以成熟的数字微反射镜为核心的激光直写系统作为硬件平台, 设计该控制软件以控制数字微反射镜在光刻时的翻转时序, 并最终实现把数字反射镜上的图像进行光学干涉并根据色深逐层曝光到光刻胶板上, 得到一个缩小倍率的、高质量的任意干涉光斑图形。软件尝试控制以实现光刻2D/3D图像、3D图像以及各种精密的微刻图像和文字。相对于传统的逐点光刻的形式, 以逐面逐层光刻除了速度上比逐点光刻快很多, 而且在制作的质量和难度上都有着很大的进步。本文旨在通过BMP文件调色板处理后按色分层显示以达到DMD同步显示的控制目的。
2、设计思路及主要流程
Visual Basic, 简称VB, 是当今世界上应用最广泛的编程语言之一, 它也被公认为是编程效率最高的一种编程方法。本软件即运用VISUAL BASIC 6.0为软件开发平台, 程序的主要功能是对加载的图像根据色深进行处理, 处理后图片为黑白色以便数字微反射镜的翻转显示, 并通过数字微反射镜逐层曝光在光刻胶板上。图片处理及控制过程中有一个问题需要解决:从彩色位图文件得到黑白分色图形文件。若能顺利解决这个问题, 软件便可实现预想的功能并开始后续的开发。要从彩色位图文件得到黑白分色图形文件可以通过利用API的调色板函数直接用调色板替换系统调色板来实现[1]。
3、软件结构
随着编程技术的发展, 如何在程序中处理图像已经是很多程序工作者不得不面对的一个重要问题, 以下是如何在Visual Basic环境下实现对图像文件的一些基本操作。
3.1 BMP位图的DIB的结构
在Windows 3.0以前, Windows系统用的是DDB (设备有关位图) , DDB没有调色板, 显示的颜色依赖硬件, 处理色彩很不方便。所以微软从Windows 3.0以后重新定义了BMP文件格式, 使其支持设备无关位图——也就是DIB, 其结构主要由以下几个部分构成:
(1) BITMAPFILEHEADER[2]:BMP文件头; (2) DIB BITMAPINFOHEADER[2]:BMP位图文件信息头; (3) RGBQUAD[][2]:BMP位图的调色板; (4) 位图数据块[2]。
3.1.1 BMP位图文件头BITMAPFILEHEADER[2]的VB声明
如下:
上述结构中, 参数bfType指示文件的类型, 对于位图文件来说, 它必须是"BM";参数bf Size指示位图文件的大小, 它包括BITMAPFILEHEADER[2]的长度;参数bfReserved1、bfReserved2目前保留, 必须等于0;参数bfOffBits表示位图数据距离文件头的偏移字节数。
3.1.2 文件信息头BITMAPINFOHEADER[2]结构在VB中声明如下:
上述结构中, 参数biSize表示BITMAPINFOHEADER[2]结构的大小;参数biWidth表示位图的高度, 单位是像素;参数biHeight位图的宽度, 单位是像素;参数biPlanes设备的位平面数, 现在都是1;参数biBitCount图像的颜色位数, 1表示单色位图、4表示16色位图、8表示256色位图、24表示真彩色位图、32表示32位位图, 默认情况下Windows不会处理最高8位, 可以将它作为自己的Alpha通道;参数biCompression表示图像的压缩方式, BI_RGB表示无压缩、BI_RLE8表示行程编码压缩;参数biSizeImage表示实际的位图数据所占字节;参数biXPelsPerMeter表示目标设备的水平分辨率, 单位是每米的像素个数;参数biYPelsPerMeter表示目标设备的垂直分辨率, 单位是每米的像素个数;参数biClrUsed表示使用的颜色数 (当biBitCount等于1、4、8时才有效) , 如果该项为0, 表示颜色数为2^biBitCount;参数biClrImportant#重要的颜色数, 如果该项为0, 表示所有颜色都是重要的。
3.1.3 位图调色板
调色板实际上是一个数组, 它的元素的个数由biBitCount和biClrUsed决定, 对于位图文件来说, 只有biBitCount等于1、4、8时才有调色板, 它们对应的调色板的元素个数分别是2、16、256[2]。调色板结构在VB中的声明如下:
上述结构中, 参数rgbBlue表示蓝色分量, 参数rgbGreen绿色分量;参数rgbRed表示红色分量;参数rgbReserved为保留位, 设置为0既可。对于各个颜色的分量来说, 它们分布在0-255之间, 数值越大, 亮度越大, 反之则亮度越小。
需要说明的是, BITMAPINFOHEADER[2]结构和调色板数据合在一起就构成了BITMAPINFO结构, 这个结构在显示位图文件时能够用到。该结构在VB中声明如下:
3.1.4 位图数据
对于位图文件来说, 一行的图像数据叫做一个扫描行, 一个扫描行的长度必须是4的倍数 (字节) , 如果不是, 则需要补齐。计算公式:LineBytes= ( (biWidth*biBitCount+31) And&HFFFFFFE0) 8, 通常情况下DIB的扫描行是逆序存储的 (相对于屏幕坐标系而言) , 即屏幕上的第一行是DIB位图数据的最后一行。对于256色位图来说, 它用8bit表示一个像素的颜色索引, 也就是说, 位图显示时, 根据当前索引值到位图的调色板中确定该像素的颜色;对于真彩色图象来说, 位图文件中没有调色板信息, 它直接用24个bit位表示一个像素的颜色, 每个字节表示一种基色, 也就是R、G、B分量中的一个值, 需要注意的是, 真彩色位图文件中三个字节的排列顺序是BGR, 而不是传统的RGB[2]。
3.2 位图文件的显示
DMD可以根据计算机给出的VGA信号进行显示, 本软件的功能旨在对BMP图片进行分色处理, 并连续动画显示。这时虽然也可以通过保存多幅画面, 然后再连续播放这些画面来表现动态效果, 但Windows给我们提供了更简便的方法, 即:调色板动画, 它利用对系统调色板的直接访问, 可以实现“对显示的位图没有真正改变”的动画的制作。这种方法适合于颜色周期变化的动画。上一节曾提到:用调色板palette实现色彩动画, 仅限于色深256色以下的BMP格式图像文件[3]。
实现调色板动画主要有以下几个步骤[3]: (1) 创建自己定义的逻辑调色板; (2) 将这个自定义的逻辑调色板选入要进行操作的设备环境中; (3) 在这个设备环境中利用逻辑调色板中的颜色来绘制图形; (4) 周期性地改变逻辑调色板中的颜色值, 并使其立即反映到系统调色板中。
进行上面的操作, 要用到以下的API函数和数据结构:
3.2.1 CreatePalette[4]
该函数用于创建一个逻辑彩色调色板。函数原型:HPALETTE CreatePalette (CONST LOGPALETTE*lplgpl) ;如果函数成功, 则返回值是一个逻辑调色板的句柄;如果失败, 返回值为NULL。参数lplgpl:指向LOGPALETTE结构的指针, 该结构用来定义逻辑调色板。其中第一个字段包含一个常数, 为十六进制的300, 表示为&H300;第二个字段指定新调色板中的调色板项的数量[4]。
以上结构用来定义调色板项, 前三个字段分别设置红、绿、蓝三原色的值, 取值为0~255。
3.2.2 RealizePalette[4]
该函数从当前逻辑调色板中映射调色板入口点到系统调色板中。函数原型:UINT RealizePalette (HDC hdc) ;参数hdc:设备环境句柄。一个逻辑调色板被选择在该设备环境中。如果函数成功, 函数返回值定义口点的数目, 这些逻辑调色板中的入口点映射到系统调色板中;如果失败, 返回值是GDI_ERROR[4]。
3.2.3 AnimatePalette[4]
该函数替换指定逻辑调色板上的入口点。函数原型:BOOL A nimatePalette (HPALETTE hpal, UINT iStartindex, UINT cEn tries, CONST PALETTEENTRY*ppe) ;参数:hpal:逻辑调色板的句柄。iStartIndex:指定要被替换的第一个逻辑调色板入口点。c Entries:指定要被替换的入口点数目。Ppe:指向PALETTEENTRY数组结构第一个元素的指针, 用来替换当前的入口点。函数如果执行成功, 返回非零值;如果失败, 返回值是零[4]。
本控制软件根据BMP图片色深进行处理并分层连续动画显示的流程:打开BMP文件加载, 根据返回色深值计算需处理的图片次数及循环显示次数。比如, 16色的BMP图片根据每个颜色进行调色板修改, 第一个颜色A区域通过调色板修改为黑色, 图片其它区域改为白色显示, 延时一段时间后第二个颜色B区域通过调色板修改为黑色, 图片其余区域改为白色显示, 以此类推直至图片的每个颜色都有显示即色深次循环结束。如此连续显示即有动画效果, 亦可设定定时时间满足曝光的时间要求和DMD微反射镜反转角度的要求。
4、结语
本文通过参照Visual Basic中BMP图像文件的文件格式和WINDOWS API调色板函数实现了256色位图文件的读写、修改调色板并根据要求的曝光时间间隔连续显示图像中各色阶, 最终实现激光直写系统中DMD显示的软件控制功能。
参考文献
[1]MicosoftCorporation《, Visual Basic6.0中文版语言参考手册》, 1998.
[2]龚沛曾《.Visual Basic程序设计与实用技术》.高等教育出版社, 1998.
[3]牛又奇, 孙建国《.新编Visual Basic程序设计教程》.苏州大学出版社, 2002.
数字激光 篇6
1 干式成像装置的主要类型及基本原理
1.1 直热式打印机技术
将成像设备输入的图像数据转换成电脉冲后传送到打印头,再显现在热敏介质(激光片)上。热打印头由微小的热电阻元件组成,排成一列,它能将电信号转换成热能,从每个元件产生的热量传到热敏介质的表面而发生反应,形成相应的图像元素。电信号的强弱变化使温度升高或降低作用于胶片的敏感层而产生相应的像素。图像形成的速度取决于热打印头元件的温度、响应时间及能力。
1.2 光一热成像打印技术
应用光热成像技术来完成打印工作。这种打印技术的工作原理是用红外线激光辐射使热敏介质(激光片)形成潜影。后再通过热鼓的热处理(120°以上的温度15 s),使影像显现,这是由于热敏介质中的金属银颗粒密度发生变化造成的。其过程为:当激光热敏胶片被激光扫描后,激光光子进入胶片的敏感层将银变成金属离子而形成潜像。胶片接受激光扫描后产生的感光效应,是光电吸收产生的光电子造成的。一个高能量的激光光子,能与胶片敏感层中的银原子作用,可以在多个颗粒的感光中心产生上万个银离子。当然,不同波长的光线就应有不同厚度的乳剂敏感层相对应。曝光后的胶片从旋转的热鼓中吸收热能,热能作用于所有潜像中的原子核而显影。通过这一催化作用过程,银离子变成金属银,即形成不同密度的影像。金属银数量与曝光在胶片上的光子数成正比。激光的直线3次扫描成像技术保证了在整个胶片进行连续的同样曝光,消除了两像素线间的间断。325 dpi~12.7 pixel/mm的高分辩率,4 325×5 295的高清晰度像素质素及0.25~3.2的光学密度产生的丰富灰阶能提高影像的层次。曝光后的胶片中,银离子大致分成3种形态存在于敏感层之中:(1)感光充分的金属银颗粒;(2)感光不足的混合金属银颗粒;(3)未感光的银离子。这是影像片成像后显示不同灰阶的关键。激光胶片结构接近传统X线胶片,具有银盐还原的理化过程热敏胶片的银离子部分由光子经加热催化形成银颗粒,其他尚存有部分未被催化的银离子,与传统技术不同的是;它不像显定影胶片那样将未经曝光的银离子清离胶片,它还残留在照片上面,有“继续显影”的可能,是该技术的最大缺点。
1.3 激光诱导成像技术
该技术是热敏激光成像与单一碳基介质的技术的结合。在每一像素内能够独立产生每个打印像素,图像被打印到片上时,产生的激光在一定的范围内将碳素色去除而使一定比例的光线进入观察者的眼中,而光强的百分比则调节观察到的灰阶,这就是成像原理。
2 在临床实际使用中的优缺点
2.1 优点
从临床应用的各种需求分析,干式激光打印机更能够满足临床诊断需求。顺应环保趋势(环保型设计是激光打印机发展的必然趋势)。干式激光成像技术无需对废弃药液进行处理,减少对环境的污染,节约水资源,减少电力供应,符合环保法规的要求,改善医务人员的工作环境。
2.2 缺点
干式激光影像片本底灰雾稍高(>0.20),致影像片透亮度及图像对比度稍逊于化学药液冲洗所得的影像片。
3 与使用有关的若干技术要点
3.1 符合DICOM标准中数字影像的表达
随着DICOM标准的逐步完善,其内容也涵盖了DICOM网络中图像显示(软拷贝)及图像打印(硬拷贝)的质量控制。此外,另一个十分重要的事实是:影像科室往往是多种(或多种型号)成像设备(例如:CT、MR、CR、DR等)在一台或多台DI-COM相机中打印影像片,这种情况远较“一对一”的连结复杂。为此,需要临床医技人员与工程技术人员密切配合寻求最合适的打印参数。
3.2 根据所用胶片设定模式
干式激光相机后台设置模式内有多种输出胶片特性曲线类型选项。应该选用厂方推荐选项,以保证获得满意的图像黑化度和对比度等。
3.3 选择合适的技术条件
干式激光打印机配用于CR、DR时,由于激光胶片本底灰雾较高,应注意相关X线摄影技术条件的选择。一般而言:k V值应尽量选用低k V值。这样可减少胶片灰雾,并有效提高影像对比度;检查体厚部位时(例如腰椎侧位),必须使用滤线器及遮光器。这样可减少散乱射线所致的胶片灰雾,提高影像对比度。
3.4 充分利用后处理
干式激光相机配用于CR、DR时,通过调整影像处理参数,例如:密度、对比度、及边缘增强等,消除灰雾的影响。
3.5 提高观片灯箱的亮度有助于减低灰雾对像质的影响
使用符合规格的高亮度读片灯(据较多的国内外文献指出,我国目前所用的观片灯很多不符合规定),可以减轻灰雾的影响。
4 胶片与影像片的保存
4.1 胶片使用前的保存和处理
为保持有效期内的优良品质,必须注意下列各项:将胶片储存在干燥、阴凉处,温度:5~24℃,湿度:30%~50%。如储片室无条件配备空调设备,建议将胶片存放于打印机附近,并增大操作间空调制冷程度。防止辐射及化学气体侵蚀。可支持数小时内的瞬间温度变化(可高达35℃),无不良影响。但运输、储存温度超过35℃将逐步缩短胶片保存期。
4.2 影像片的保存
与普通X线照片类似,成像后需仔细保管。水、潮湿及其他水蒸气一般不会对胶片产生任何影响,但以干燥环境保存较好。平时应将胶片存放于片袋中。避免将胶片暴露于以下环境:处于54℃环境3 h以上(例如将胶片置于车中)。阳光长时间直射。“热光源”(亮光、闪光灯)照射30 s以上(在灯泡附近强光可能超过82℃)。以上情况发生将导致影像逐步变黑。在标准情况下观察影像不会出现任何问题,但不应24 h以上持续放置在灯箱上,因为特殊情况下灯箱温度可能过高(超过54℃),为此建议影像片在灯箱上持续放置不可超过8 h,并应注意改善灯箱通风系统。鉴于幻灯机和投影仪易产生高温,建议不要直接将胶片使用于这些仪器。可采用传统复制方式复制胶片,不会对胶片产生任何影响。在ANSI建议的25℃保存条件下,可永久保存(预计为100 a以上)。影像片也可以在略高的温度下保存,但是有可能影响保存质量。例如:在37.8℃下保存期减为10 a。
5 干式激光打印机的维护和保养
(1)干式激光打印机工作场所应安装大于1.5P的空调,空调出风口正对打印机,并保持24 h连续开机。对长时间不使用的打印机及用量较小的单位,应将胶片从打印机中取山,单独存放于低温环境下。
(2)相机及激光片储存室都必须保持湿度低于70%。日常维护:每月拆下过滤器,用吸尘器去除灰尘。每打印一万张胶片后,应进行热鼓清沽。
6 自动影像质量控制体系
按照成像密度及对比度设定成像参数。影像科技师可按要求预先设定影像密度及对比度参数,在成像时系统会根据设定的参数自动调节经由数据转换表而来的影像数据,直至参数完全一致。最后经系统确认后在激光头高温作用下成像。若胶片因储存、处理环境恶劣而受损,有些品质较高的打印机设有自动影像质量控制系统(AIQC)将自动调整系统打印测试片,以确保胶片影像质量。
参考文献
[1]石明国,李雪梅.数字化干式打印成像技术原理及应用[J].实用放射学杂志,2002,12(12):1101-1103.
[2]庄坤,李玉敏.浅谈白动洗片机的日常保养[J].中外医用放射技术,2000(8):34.
[3]李国岱.干式成像系统技术及临床应用[J].暨南大学学报(医学版),2002,23(4):117-119.
[4]黄恒,倪旭翔,陆祖康.医用干式成像技术现状和发展趋势[J].光学仪器,2004,12(6):69-72.
[5]刘文华,李国岱.光热干式打印成像技术及热敏胶片的应用[J].实用放射学杂志,2001,9(2):149-150.