杜博軍,李國榮,2,姜 志,任雅楠

(1.白城兵器試驗(yàn)中心,吉林 白城 137001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

利用紙靶進(jìn)行彈丸章動(dòng)角測試的技術(shù)有著悠久的歷史,由于其具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、簡單、高精度的特點(diǎn),目前仍是測量彈丸章動(dòng)角的常用方法。事實(shí)證明,應(yīng)用紙靶進(jìn)行測試得到的信息不亞于那些花費(fèi)高昂的技術(shù)和方法。由于該方法具有簡便、直觀、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[1],在未來一段時(shí)期內(nèi)仍將是國內(nèi)外在彈道試驗(yàn)方面采用的主要方法之一。長期以來,采用人工直接測量并查曲線的方法[2],受人為主觀因素影響較大,并且費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、誤差大。近年來,應(yīng)用計(jì)算機(jī)采集圖像、判讀和處理的方法受到重視,并研制了專用設(shè)備采集靶紙圖像,通過判讀長、短軸長度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到章動(dòng)角度等信息[3]。這種方法判讀精度較之人工測量有所提高,但依然滿足不了射表編擬、彈道建模分析時(shí)對姿態(tài)角測量精度的要求,且應(yīng)用成本較高。

本文提出了一種將數(shù)字化影像采集、圖像分析與仿真影像進(jìn)行匹配比對;再搜索最優(yōu)結(jié)果的新方法。該方法與已有方法相比,具有測量精度高、處理速度快的優(yōu)點(diǎn)。

1 基本原理

本方法包括以下5個(gè)步驟:①依靠已知的彈丸三維模型,通過正投影影像仿真獲取彈丸以不同姿態(tài)穿靶形成的彈孔仿真圖像;②利用非量測相機(jī),實(shí)現(xiàn)靶紙上彈孔圖像數(shù)字化采集;③彈孔數(shù)字化圖像的校正與標(biāo)準(zhǔn)化;④彈孔輪廓提取及初值計(jì)算;⑤匹配度計(jì)算及尋優(yōu)搜索。利用該原理開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件流程圖見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)處理軟件流程

1.1 彈丸不同姿態(tài)穿靶形成的彈孔圖像仿真

運(yùn)動(dòng)中的彈丸被看作剛體,利用其已知的三維模型可以通過視景仿真技術(shù)模擬出不同姿態(tài)穿過靶面形成的彈孔形態(tài)。視景仿真中有2種普遍應(yīng)用的投影模式,一是透視投影模式,二是正投影模式。本方法中使用正投影模式,只有這樣才能保證仿真影像與經(jīng)過透視畸變校正后得到的彈孔圖像具有可對比性。不同姿態(tài)的子彈仿真圖像見圖2。在后續(xù)的尋優(yōu)搜索計(jì)算中,根據(jù)需要生成大量的仿真圖像,使用OpenGL的FBO(frame buffer object)技術(shù)[4-5]不僅能生成與顯示設(shè)備無關(guān)的大尺寸影像,而且能夠保證仿真影像的快速生成。

圖2 某型子彈不同姿態(tài)正投影仿真圖像

1.2 靶紙上彈孔圖像采集

本方法采集彈孔圖像不需要研制專用設(shè)備,使用配有較長焦距鏡頭的數(shù)碼相機(jī)即可,有條件可增加柔光燈改善采集效果。采集設(shè)備及場景見圖3,靶紙彈孔影像采集圖像見圖4。

圖3 采集設(shè)備及場景

圖4 靶紙彈孔影像采集圖像

1.3 彈孔數(shù)字化圖像的校正與標(biāo)準(zhǔn)化

透視畸變校正是對非正交拍攝和成像光學(xué)系統(tǒng)透視畸變帶來的圖像失真進(jìn)行糾正。標(biāo)準(zhǔn)化是按照輸入?yún)?shù)規(guī)范每個(gè)像素對應(yīng)的物理尺寸,仿真圖像生成時(shí)也遵循這一比例關(guān)系,這樣才能進(jìn)行精確的匹配計(jì)算。透視畸變校正和標(biāo)準(zhǔn)化可以同時(shí)進(jìn)行,其核心是求取透視映射矩陣。利用該矩陣將原始圖像進(jìn)行密集透視變換,可以得到透視畸變校正后并標(biāo)準(zhǔn)化的圖像,見圖5。具體方法是點(diǎn)選彈孔包含彈孔圖像的正方形區(qū)域,頂點(diǎn)為靶紙十字線的交叉點(diǎn),邊長根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化比例進(jìn)行選擇。利用變換前后4個(gè)頂點(diǎn)的圖像坐標(biāo)進(jìn)行變換矩陣的求解[6]。

圖5 透視畸變校正后并標(biāo)準(zhǔn)化的圖像

1.4 彈孔輪廓提取及初值計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)化后的圖像的目標(biāo)與背景對比度較強(qiáng),且背景比較單一,適合采用基于谷底最小值的自適應(yīng)全局閾值法[7-8]來提取彈孔輪廓影像,標(biāo)準(zhǔn)化后的圖像的原始直方圖見圖6。對該直方圖數(shù)據(jù)進(jìn)行半徑為1(窗口大小為3)的平滑,反復(fù)迭代后可以得到一個(gè)雙峰直方圖,平滑后的直方圖見圖7,所得到的雙峰谷底可以作為全局閾值。該方法具有良好的適應(yīng)性,確保了信息采集的準(zhǔn)確性。輪廓邊緣提取的能力關(guān)系到數(shù)據(jù)處理的精度。提取后彈孔輪廓圖像見圖8。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)化后圖像的原始直方圖

圖7 圖6所示直方圖平滑后

圖8 提取后彈孔輪廓圖像

通過對該輪廓圖像的分析可以獲得該輪廓外接最小矩形的大小和位置。較長邊長的長度與章動(dòng)角相關(guān),其方向與進(jìn)動(dòng)角相關(guān)。通過查彈長與章動(dòng)角對應(yīng)的數(shù)據(jù)表,可以獲得章動(dòng)角的初步數(shù)據(jù)。初值的獲取便于縮小搜索空間,提高總體計(jì)算效率。

1.5 匹配度計(jì)算及尋優(yōu)搜索

本方法中的匹配度是描述仿真影像與標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)拍影像相似程度的參數(shù),通過對2幅圖像進(jìn)行匹配計(jì)算獲得。本方法選擇章動(dòng)角、進(jìn)動(dòng)角作為搜索變量。對于回旋體外形的目標(biāo),進(jìn)行兩維的搜索即可。搜索算法關(guān)系到搜索的效率和精度。通過匹配計(jì)算和搜索可以獲得哪組參數(shù)對應(yīng)的圖像與實(shí)際彈孔輪廓最相似。

1)圖像匹配算法及匹配度。

本方法使用的圖像匹配算法為模板匹配法,針對需解決問題的實(shí)際情況,將歸一化平方差匹配法和歸一化相關(guān)匹配法[8]進(jìn)行了綜合,形成了歸一化綜合匹配法。搜索時(shí)將實(shí)際圖像標(biāo)準(zhǔn)化后的二值化圖像作為模板,與仿真的二值化圖像進(jìn)行匹配計(jì)算,以獲取用于描述2幅圖像二值化圖像輪廓一致性程度的匹配度參數(shù)。

(3)

式中:T(x′,y′)為模板圖像的灰度矩陣,(x′,y′)為該圖像中像素點(diǎn)的空間坐標(biāo);I(x,y)為被對比圖像的灰度矩陣,(x,y)為該圖像中像素點(diǎn)的空間坐標(biāo);R(x,y)為歸一化平方差匹配法和歸一化相關(guān)匹配法的綜合評(píng)價(jià)矩陣;K為2幅圖像歸一化綜合匹配度。

式(4)中獲得的匹配度K,值域[0,1]。K值的物理意義是描述真實(shí)彈孔圖像與仿真彈孔圖像姿態(tài)、大小方面的一致性。K值越接近1,則說明一致性越好,等于1時(shí)完全一致。

2)搜索算法。

搜索算法的優(yōu)劣直接關(guān)系到該方法數(shù)據(jù)處理的效率是否滿足使用要求。在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)了參考初值條件下粗、精搜相結(jié)合的可拓展空間搜索算法,該算法具有4個(gè)方面的特點(diǎn):

①以初值為中心合理確定搜索空間;

②粗搜、精搜相結(jié)合;

③計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在緩沖區(qū),避免重復(fù)計(jì)算;

④搜索空間可拓展性,避免找不到最優(yōu)解。

2 精度分析

利用機(jī)械制圖軟件仿真某特定姿態(tài)的彈孔形狀,并機(jī)械加工制作該參數(shù)(章動(dòng)角δ=4.5°,進(jìn)動(dòng)角γ=26.8°)的模板。對模板邊緣進(jìn)行輕微破壞用以仿真彈丸穿過靶紙形成的效果。利用直接測量查表法、計(jì)算機(jī)識(shí)別長徑比法與本文方法分別進(jìn)行10次測量,得到章動(dòng)角測量誤差Δδ、進(jìn)動(dòng)角測量誤差Δγ的數(shù)據(jù)比對結(jié)果,見表1。

表1 本文方法與長徑比法處理結(jié)果對比

由表1可見,使用本文提出的方法得到的多組測量數(shù)據(jù)最大偏差、標(biāo)準(zhǔn)誤差均優(yōu)于現(xiàn)有2種方法。尤其是結(jié)合多組實(shí)彈測試數(shù)據(jù)分析,可以得出本文方法在測量精度上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法的結(jié)論。對彈長為66.7 mm子彈紙靶試驗(yàn)的大量實(shí)測數(shù)據(jù)表明:本文方法對于章動(dòng)角δ>5°的情況,章動(dòng)角、進(jìn)動(dòng)角測量精度均優(yōu)于0.2°;對于章動(dòng)角在1°～5°之間的情況,章動(dòng)角、進(jìn)動(dòng)角測量精度均優(yōu)于0.5°。

3 結(jié)束語

本文提出的方法除具有顯著的精度優(yōu)勢外,也提高了處理效率,對于靶紙彈孔邊緣不光滑的適應(yīng)能力較強(qiáng)。但應(yīng)用時(shí)需要獲得彈丸外形三維模型文件,更適用于對于精度要求較高的測試情況。在使用該方法時(shí),可能遇到的問題還有頭尾分辨問題。某些姿態(tài)時(shí)形成的彈孔無法直觀判讀其彈尖、彈尾的方向,單幅判讀時(shí)存在反向誤判的可能。在實(shí)踐中,對于連續(xù)靶紙的處理,采用了一組靶紙判讀結(jié)果自動(dòng)判別的方法給出錯(cuò)誤提醒,解決了該問題。

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