楊濱峰

（商洛學(xué)院 物理與電子信息工程系，陜西 商洛 726000）

槍械內(nèi)膛測(cè)量技術(shù)綜述

楊濱峰

（商洛學(xué)院 物理與電子信息工程系，陜西 商洛 726000）

系統(tǒng)描述了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的各種槍械內(nèi)膛表面疵病測(cè)量技術(shù)，并分析了其各自的發(fā)展水平和局限性，同時(shí)通過(guò)研究目前最先進(jìn)的非接觸測(cè)量方法，指出了立體視覺(jué)測(cè)量方法在槍械內(nèi)膛測(cè)量方面的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用前景.

內(nèi)膛疵??；三維測(cè)量；立體視覺(jué)

眾所周知，槍械作為一個(gè)國(guó)家常規(guī)軍事兵器的重要組成部分，其技術(shù)的發(fā)展水平?jīng)Q定了國(guó)家軍事實(shí)力的現(xiàn)代化水平.槍械的槍管是給予子彈飛行的初速度、穩(wěn)定的飛行方向并能承受彈藥氣體壓力的主要部件.而實(shí)際上隱藏在槍管中的膛線才是子彈準(zhǔn)確度和速度的關(guān)鍵.當(dāng)射擊時(shí)，子彈在火藥氣體的作用下嵌入膛線，沿著膛線向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的彈頭與陀螺相似.子彈軸相當(dāng)于陀螺軸，彈道的切線，即彈頭離開(kāi)槍口后的飛行方向相當(dāng)于垂直軸.彈頭的轉(zhuǎn)速達(dá)每秒3000轉(zhuǎn)，它不但繞著彈頭做圓圈運(yùn)動(dòng)，且彈頭的軸線始終圍繞著彈道切線做錐形運(yùn)動(dòng)，從而能克服空氣阻力，不斷向前飛去，保證彈頭穩(wěn)定地向前飛行.因此膛線對(duì)于槍械來(lái)說(shuō)，是非常重要的.

而在槍械的射擊過(guò)程中，每發(fā)子彈都要經(jīng)過(guò)全膛，對(duì)槍膛的每個(gè)點(diǎn)，特別是膛線，進(jìn)行燒蝕、磨損和沖刷的作用.槍械內(nèi)膛同時(shí)要承受子彈在穿過(guò)槍膛時(shí)的擠壓力和摩擦力，以及高溫高壓彈藥氣體的熱化學(xué)腐蝕作用，這些因素都將使膛線產(chǎn)生燒蝕、磨損、裂紋等表面疵病.如圖1所示，左圖就是光滑的槍管內(nèi)膛的膛線圖像，而右圖就是有燒蝕疵病的槍管內(nèi)膛圖像.毫無(wú)疑問(wèn)，膛線的質(zhì)量好壞會(huì)直接影響到武器射擊的精確程度、武器的使用壽命及使用安全性等重要戰(zhàn)技指標(biāo).因此對(duì)槍管內(nèi)膛表面的無(wú)損檢測(cè)是槍械研制和生產(chǎn)中非常重要的部分.本文著重結(jié)合近年來(lái)的文獻(xiàn)和自己的研究結(jié)果，綜合分析了槍械內(nèi)膛測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展過(guò)程，并為該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望.

圖1 槍管內(nèi)膛的膛線疵病圖像對(duì)比圖

1 槍械內(nèi)膛測(cè)量技術(shù)的發(fā)展概述

1.1 目視式窺鏡技術(shù)

由于槍管的最小直徑僅有5.8mm，最大長(zhǎng)度卻達(dá)到1m以上，所以最早的方案是采用光學(xué)內(nèi)窺管來(lái)完成槍管內(nèi)膛疵病的檢查.如圖2所示、但是在這種結(jié)構(gòu)儀器的使用中，人眼需要貼在儀器的目鏡觀察位置處，并要隨著儀器的移動(dòng)改變位置，這在使用過(guò)程中是非常不方便的，另外它只能定性觀察，不能準(zhǔn)確地進(jìn)行缺陷測(cè)量，因此這種設(shè)備主要在早期的槍械檢測(cè)中應(yīng)用.

圖2 槍械內(nèi)膛疵病的人眼觀察系統(tǒng)

1.2 改進(jìn)型目視窺鏡技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和攝像技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的缺點(diǎn)，張洪偉等人提出了一種新的槍械內(nèi)膛測(cè)量技術(shù)，它利用內(nèi)窺鏡、深孔照明、CCD成像及圖像拼接等多種先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了槍管內(nèi)膛疵病的自動(dòng)化檢測(cè)，配備監(jiān)視器后，還可以保證多人同時(shí)觀察疵病圖圖像，有利于對(duì)疵病做出正確的判定，如圖3所示.但在以上方案中，使用人員需要根據(jù)觀察到的圖像進(jìn)行人工識(shí)別.由于人眼視覺(jué)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性較低，以及受到使用人員的使用經(jīng)驗(yàn)等非客觀因素的制約，使得檢測(cè)結(jié)果缺乏客觀性標(biāo)準(zhǔn)，具有非常大的局限性[1].

圖3 槍械內(nèi)膛疵病的實(shí)時(shí)觀察顯示系統(tǒng)

1.3 基于圖像識(shí)別的二維檢測(cè)技術(shù)

進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著兵器測(cè)試技術(shù)不斷提出新的要求，計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)在測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用，也推動(dòng)了測(cè)試技術(shù)的飛速發(fā)展.長(zhǎng)春理工大學(xué)的劉立欣等人提到了一種基于CCD成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)的槍械內(nèi)膛疵病檢測(cè)儀器，它是利用氙燈作光源，采用導(dǎo)光光纖束導(dǎo)入光，照明在被測(cè)表面，被測(cè)面的反射像通過(guò)內(nèi)窺鏡成像在面陣CCD的光敏面上，將槍膛內(nèi)膛的圖像變換成視頻信號(hào)并采集到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)最終測(cè)量出疵病的大小和方位[2].作者在論文中比較了幾種邊緣檢測(cè)算子，并提出了一種零交叉邊緣檢測(cè)算子.它不僅可以清晰的檢查膛內(nèi)的損傷情況，對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別，而且還可以計(jì)算缺陷的長(zhǎng)度和面積，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果.此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被成功應(yīng)用于二維槍械內(nèi)膛窺膛儀項(xiàng)目，其裂紋的檢測(cè)精度達(dá)到0.01mm.此項(xiàng)目設(shè)備已經(jīng)成功地交付中國(guó)人民解放軍31基地使用，如圖4所示.

圖4 槍械內(nèi)膛疵病的二維檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)

1.4 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的三維檢測(cè)技術(shù)

與通常的二維圖像相比，物體的三維圖像可以提供更加豐富而準(zhǔn)確的物理信息.因此，三維測(cè)量技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為科學(xué)研究、工業(yè)檢測(cè)、物體測(cè)量等方面研究的重要方法.目前三維測(cè)量方法主要包括接觸式和非接觸式兩大類.在接觸式測(cè)量方法中，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是其中應(yīng)用最為廣泛的一種[4].但是，這種方法有一些無(wú)法克服的缺點(diǎn)，比如它的點(diǎn)接觸式的測(cè)量方法，不能應(yīng)用于那些測(cè)頭不宜接觸的表面，如槍械內(nèi)膛的表面.

而非接觸三維測(cè)量方法的基于計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)的測(cè)量方法正好可以有效地克服上述缺點(diǎn).這種方法較有效地?cái)U(kuò)大了物體測(cè)量的范圍、提高了測(cè)量效率，降低了所測(cè)物件的限制.計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)的測(cè)量方法是通過(guò)拍攝到的多幅圖像（一般兩幅）來(lái)獲取物體三維幾何信息的方法[3].

計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)三維測(cè)量技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和光學(xué)測(cè)量手段的結(jié)合，它模擬生物雙眼視覺(jué)的三維成像功能，把從攝像機(jī)獲取的多幅圖像（一般兩幅）的信息進(jìn)行計(jì)算，從而得到三維空間中物體的具體幾何信息，并以此為基礎(chǔ)來(lái)重建和識(shí)別物體.高分辨率、無(wú)接觸性、獲取數(shù)據(jù)的速度快是這種方法的優(yōu)點(diǎn)，因此計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)測(cè)量方法是三維坐標(biāo)測(cè)量方法中發(fā)展最為迅速，最有前途的方法之一.

由于膛線是槍管檢測(cè)中非常重要的部分，其參數(shù)是影響槍械性能的一個(gè)主要指標(biāo)，它的作用在于賦予彈頭不停旋轉(zhuǎn)的能力,使其出膛之后,始終可以沿著彈頭切線方向做錐形運(yùn)動(dòng)，從而保持穩(wěn)定的方向.因此對(duì)膛線的纏角、寬度和深度等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的檢測(cè)是槍械檢測(cè)中的一個(gè)重要組成部分[4].結(jié)合計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的工作特點(diǎn)，它不僅可以檢測(cè)槍械內(nèi)膛疵病中的燒蝕、銹蝕、掛銅、裂紋、膛線斷裂等表面疵病的種類和面積及膛線的纏角、寬度等二維參數(shù)，而且還能檢測(cè)槍械內(nèi)膛膛線的深度等三維參數(shù)，這是前面所述的技術(shù)所不及的.

文獻(xiàn)[5]對(duì)使用計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)技術(shù)來(lái)對(duì)槍械的膛線深度進(jìn)行測(cè)量的方法進(jìn)行了研究.它采用了如圖5所示的雙目?jī)?nèi)窺鏡系統(tǒng)進(jìn)行三維立體視覺(jué)測(cè)量，其中雙目硬管內(nèi)窺鏡是由多組透鏡系統(tǒng)和兩個(gè)CCD攝像機(jī)組成的，氙燈冷光源為其提供照明.工作時(shí)，將雙目硬管內(nèi)窺鏡放入到槍械內(nèi)膛中，同時(shí)冷光源通過(guò)在硬管內(nèi)窺鏡前端的導(dǎo)光光纖為其提供照明.槍械內(nèi)膛表面缺陷的折射光線由硬管內(nèi)窺鏡的前端，經(jīng)多組件透鏡系統(tǒng)，在CCD攝像機(jī)的光敏面上成像，得到了表面缺陷的模擬圖像.圖像數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)CCD攝像頭的視頻線傳輸?shù)綌?shù)字圖像處理采集卡中，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，并通過(guò)圖像軟件將其顯示在顯示器屏幕上[5].

圖5 采用雙目?jī)?nèi)窺鏡的計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)槍械測(cè)量系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)算法處理后就能得到相應(yīng)的膛線的深度等參數(shù)，但是目前這種系統(tǒng)得到的測(cè)量精度還不是很高，有待進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和提高.

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)的槍械內(nèi)膛疵病測(cè)量技術(shù)主要停留在槍械內(nèi)膛疵病的二維圖像的處理，也僅僅局限于檢測(cè)到內(nèi)膛燒蝕、銹蝕、掛銅、裂紋、膛線斷裂等表面疵病的種類，長(zhǎng)度及面積等方面.而對(duì)于槍械內(nèi)膛中最重要的三維參數(shù)，如膛線的深度則研究得較少.隨著我國(guó)軍事現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，兵器測(cè)試技術(shù)的要求必將越來(lái)越高，槍械內(nèi)膛疵病的參數(shù)測(cè)試也必將越來(lái)越全面.因此，槍械內(nèi)膛測(cè)量技術(shù)不僅需要能測(cè)量槍械內(nèi)膛的二維參數(shù)，也需要能測(cè)量槍械內(nèi)膛的三維參數(shù).而計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是槍械內(nèi)膛疵病測(cè)量技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向.

〔1〕張洪偉，任現(xiàn)君.新型槍械內(nèi)膛疵病檢測(cè)設(shè)備[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào),2002，21（2）.

〔2〕劉立欣,王文生,劉廣利.槍械內(nèi)膛疵病圖像的邊緣檢測(cè)算法[J].兵工學(xué)報(bào),2005，26（1）：105-107.

〔3〕游素亞,徐光估.立體視覺(jué)研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)，Vol2,No.1,Jan,1997:15-24.

〔4〕鄭軍,張建,馬建峰,王信義.火炮身管膛線參數(shù)檢測(cè)技術(shù)研究[J].機(jī)械，2002，29（3）71-74.

〔5〕楊濱峰.槍械內(nèi)膛測(cè)量技術(shù)的研究[D].長(zhǎng)春理工大學(xué)碩士論文，2009.

TJ20

A

1673-260X（2011）09-0208-02

商洛學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目（09SKY033；09SKY032）