劉澤慶,張玉榮,趙建新,杜博軍

(1.軍械工程學院 火炮工程系,石家莊 050003;2.白城兵器試驗中心,吉林 白城 137001)

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基于數(shù)字攝影測量的靶場高速攝影測速方法

劉澤慶1,張玉榮1,趙建新1,杜博軍2

(1.軍械工程學院 火炮工程系,石家莊 050003;2.白城兵器試驗中心,吉林 白城 137001)

摘要:針對靶場靜爆試驗中破片測速難題,提出了基于攝影測量技術(shù)的破片測速方法。以某槍彈為例,開展了測速試驗,建立了測試系統(tǒng),解決了測試現(xiàn)場高速相機布置及參數(shù)設定問題;研究了關(guān)鍵技術(shù),通過解析高速相機捕捉的彈丸運動圖像序列,還原了彈丸的運動軌跡方程,求解得到彈丸的飛行速度;并將試驗結(jié)果與鋁箔靶測得速度進行對比,相對速度誤差小于1%。實例表明,該方法能夠準確測量破片的運動速度,測試結(jié)果可靠,測量精度能夠滿足靶場試驗要求。

關(guān)鍵詞:靜爆試驗;攝影測量技術(shù);高速攝影;速度測量;圖像處理

破片測速是靶場靜爆試驗中的重要項目。目前,在靜爆試驗中常采用區(qū)截法對破片測速,如接觸式靶網(wǎng)法。該方法測試操作簡單、測試布站要求較低,但測得數(shù)據(jù)量小、測量誤差大、數(shù)據(jù)可靠性低,且每次試驗都要制作大量的測速靶,試驗后進行目標散布統(tǒng)計時經(jīng)驗性很強,誤差較大,需要大量的人力和物力。高速攝影測速方法在靶場測速試驗中有一定的應用[2-3],但采用的多為膠片相機,測試方法復雜、數(shù)據(jù)處理效率低。近年來,數(shù)字高速相機的發(fā)展為高速運動目標的測試提供了重要的技術(shù)支持。目前,數(shù)字高速攝影在靜爆試驗中主要用于對靜爆過程的記錄和定性分析,在運動參數(shù)的定量計算方面應用較少。

數(shù)字攝影測量采用多個相機對目標的運動影像進行同步采集,通過解析多相機同步拍攝的像,就可以得到目標在三維世界中的位置變化情況,這種數(shù)字攝影測量技術(shù)在地圖測繪、工業(yè)過程檢測、建筑、考古等中有著廣泛的應用。在對高速運動的破片進行測速時,用高速相機代替普通相機,分別布置在2個不同的位置對破片的飛行過程進行拍攝,通過圖像處理和坐標解析,還原出破片在三維世界中的位置,實現(xiàn)對破片位置變化的跟蹤,并根據(jù)高速相機的拍攝幀頻計算出破片的速度。

1攝影測量原理

采用相機拍攝得到的二維圖片可以認為是對三維空間的一個透視轉(zhuǎn)換,通過2個不同角度拍攝的圖像,就可以還原三維空間的分布情況。

如圖1所示,設物空間坐標系為OXYZ,點P(X,Y,Z)為空間內(nèi)一點,S1、S2分別為2個相機,o1x1y1、o2x2y2為相機S1、S2成像的像平面坐標系。

圖1　攝影測量原理

現(xiàn)以S1為例進行說明,設P在S1的像平面o1x1y1上的坐標為P1(x1,y1),S1在物空間坐標系中的坐標為(XS1,YS1,ZS1),在不考慮鏡頭畸變的情況下,P1和P的變換關(guān)系為

(1)

式中:f1為相機S1的焦距;a11,a12,…,c13是與相機姿態(tài)相關(guān)的參數(shù)。

同理,P在S2中有:

(2)

在目標的2個像坐標(x1,y1)、(x2,y2)已知的情況下,就可以很方便地求解出X、Y、Z,即點P的坐標。

2系統(tǒng)組成與試驗

2.1系統(tǒng)組成

高速相機測試系統(tǒng)主要由高速相機及配件、輔助設備等組成。

2.1.1高速相機及配件

高速相機主要包括相機、鏡頭和光源,相應的配件有三腳架、云臺、高速存儲卡、線纜、GPS授時設備等。其中,相機安裝在三腳架上,由云臺連接,相機在三腳架上可以以一定的俯仰角、方向角放置,位置高低可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。在試驗中,高速相機采集的數(shù)據(jù)存儲在高速存儲卡中,試驗結(jié)束后可以將數(shù)據(jù)導出。GPS授時設備分別與2個相機相連,使2個相機時間同步。

2.1.2輔助設備

輔助設備主要有標定桿9根、固定裝置、擋板、防彈玻璃。其中,9根標定桿設置在相機的拍攝視場中,對標定桿進行處理,使其與背景相區(qū)分且容易辨認。標定桿由固定裝置固定在地面上,保證標定桿在拍攝中不晃動。擋板和防彈玻璃布置在高速相機周圍,在拍攝彈丸時,只需簡單防護,但是在拍攝靜爆過程中,破片飛散時要著重布置,其厚度及數(shù)量視相機與距爆心的距離、破片威力等而定。

2.2關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

2.2.1雙相機的同步和觸發(fā)

2個相機分別對飛行的彈丸進行拍攝時,只有實現(xiàn)2個相機精確同步才能保證所拍攝的像對是彈丸在同一位置的影像,才可以準確還原出彈丸物空間坐標。為2臺高速相機分別連接GPS授時設備,通過IRIG-B碼將2個設備同步為GPS時間。同時,將相機設定B碼同步模式。采集完成后,只需將2個圖像序列第1張圖像的時間對齊,即可保證時間的同步。

雙相機的觸發(fā)可以選擇手動觸發(fā)或聲音/振動觸發(fā)。手動觸發(fā)需要通過網(wǎng)線將高速相機與控制計算機連接,建立局域網(wǎng),通過計算機手動控制觸發(fā)。聲音/振動觸發(fā)通過聲音/振動觸器自動觸發(fā),不需要進行人為干預,但是可靠性略低。

2.2.2高速相機參數(shù)的標定

高速相機的參數(shù)包括內(nèi)方位元素和外方位元素,內(nèi)方位元素與相機屬性相關(guān),外參數(shù)反應相機拍攝時的位置和姿態(tài)。只有知道了高速相機的內(nèi)外參數(shù),才能夠?qū)椡柙趫D像上的坐標轉(zhuǎn)換為物空間坐標,因而進行相機參數(shù)標定是攝影測量的重要組成部分。

以相機1為例,在進行相機參數(shù)標定時,像點坐標和物空間坐標已知,即(x1,y1)、(XS1,YS1,ZS1)為已知量,f1、a1i、b1i、c1i(i=1,2,3)均為未知,共10個參數(shù)。由方程(3)可知,每個已知點可以建立2個線性方程,因而為了確定出2個相機的內(nèi)外參數(shù),需要5個已知點才能完成標定。在試驗中,采用設置標定桿的方法,標定桿的位置參數(shù)均為已知。

2.3現(xiàn)場布置

相機布置時,尤其是在火炮彈丸速度測量試驗中,為了防止炮口火焰強光干擾,2個高速相機布置時采用不正對炮口拍攝,如圖2所示。在進行標桿布置時,布置了9根標桿L1,L2,…,L9,如圖3所示。

圖2　高速相機布置

圖3　標桿布置

現(xiàn)場布置完成后,需要對2個相機、9根標定桿的實際位置進行精確測量,以便進行相機的內(nèi)外參數(shù)標定。

2.4高速相機調(diào)節(jié)

2.4.1高速相機曝光時間調(diào)節(jié)

曝光時間是高速相機進行圖像采集的重要參數(shù),對采集到圖像的質(zhì)量有重要影響。曝光時間過長,目標拖影情況較嚴重,圖像質(zhì)量較差;曝光時間過短,圖像亮度過低,使得圖像難以辨識。拖影的長度與曝光時間和目標飛行速度成正比,因而在滿足亮度需求的情況下,盡量減小曝光時間。

2.4.2高速相機幀頻與分辨率調(diào)節(jié)

幀頻的設置決定了在有限視場中采集到有效圖像的數(shù)目。由于圖像存儲速度的原因,高速相機的幀頻受到圖像分辨率的影響。為了在有限的視場中獲取更多的目標點,在進行高速相機參數(shù)設置時,可選擇優(yōu)先保證圖像分辨率,再調(diào)節(jié)幀頻。幀頻的設置不宜過大,幀頻過大容易導致目標在鄰幀圖像中相同位置上影像的重疊。

3圖像序列解析與速度解算

3.1彈丸運動軌跡提取

為驗證該方法的可行性,進行了某槍彈測速試驗,選擇拍攝幀頻為1 000 s-1。以相機S1拍攝到的彈丸飛行圖像為例進行分析,拍攝彈丸飛行的圖像經(jīng)放大后如圖4所示,從圖中可以看出,彈丸目標較小,很難采用邊緣提取的方法對彈丸進行提取。但是在拍攝過程中,相機基本保持不動,可以認為背景是恒定不變的,因而可以采用幀間相減的方法進行彈丸的提取。

圖4　彈丸飛行圖像

根據(jù)采集到的圖像順序,分別將其記為p1,p2,p3,…,相應圖像上任意一點(u,v)點的灰度值記為gp1(u,v),gp2(u,v),gp3(u,v),…,對于相鄰的2張圖像pn-1和pn,在點(u,v)處,有:

相鄰兩幀圖像相減以后,就可得到消除了背景的彈丸前景圖像,為了方便觀察,對原圖像進行反色處理(為觀察方便為圖像添加邊框,下同),如圖5所示。

圖5　鄰幀相減得到的前景圖像

3.2閾值分割

采用高速相機對彈丸飛行過程進行拍攝時,由于環(huán)境影響和相機曝光不恒定等因素,得到的圖像的背景有一定的微小差別,圖5中的噪聲說明了這一點。但是由于彈丸目標較小,只有幾個像素,很難采用中值濾波等方法進行噪聲去除。因而,對得到的前景圖像的各個灰度值(g)像素點的個數(shù)(N)進行統(tǒng)計,得到灰度直方圖如圖6所示。

圖6　前景圖像灰度直方圖

圖6中,由于灰度值0附近點的個數(shù)較多，因而像素點個數(shù)只截取到20。從圖中可以看出，只有少數(shù)幾個點的灰度值明顯大于大多數(shù)像素點，通過與目標前景圖像進行比較可知，灰度值較大的像素點為目標點。因而，可以通過對直方圖的統(tǒng)計獲取閾值門限，采用閾值門限對圖像閾值分割，將小于閾值的像點像素置0，其它點像素置為1，這樣就可以將目標從背景中分割出來，得到目標點所在的位置。處理效果如圖7所示。

圖7　處理后彈丸前景

3.3圖像解析

3.3.1坐標系的建立

建立圖像坐標系,以圖像中心為原點o1,水平向右為x1軸,豎直向上為y1軸,如圖8所示。

圖8　圖像坐標系

建立物空間坐標系,以標定桿L5頂點為原點O,指向L4方向為X軸,指向天空方向為Y軸,指向L2方向為Z軸,如圖9所示。

圖9　物空間坐標系

3.3.2彈丸軌跡擬合求解

對一個圖像序列進行處理,將得到的彈丸前景圖像進行疊加,得到彈丸的運動軌跡,如圖10所示。

圖10　彈丸軌跡

根據(jù)圖像坐標,計算目標點的坐標,并進行線性擬合,得到彈丸在圖像上的運動軌跡,如圖11所示。對應的軌跡方程為

y1=0.084x1+2.021

(3)

取第1張圖像拍攝時間t=0,根據(jù)彈丸在圖像上的x1和時間t進行一次插值,可以得到x1-t為

x1=157.113t-12.381

(4)

同理,對相機2同步拍攝的11張圖像進行處理,可得:

y2=-0.065x2+2.542

(5)

x2=144.461t+9.859

(6)

圖11　擬合得到的彈丸軌跡

3.4速度解算

在彈丸的飛行軌跡上,任意取2點A、B,設2點的位置坐標分別為(XA,YA,ZA)、(XB,YB,ZB),彈丸經(jīng)過A、B的時刻分別為tA、tB。那么,

ΔtAB=tA-tB

(7)

(8)

則A、B兩點間的平均速度為

(9)

在采用高速攝影測量的同時,設置鋁箔靶對彈丸的速度進行測量。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后,鋁箔靶法測得彈丸飛行速度為965.2 m/s。2種方法的測量差為7.1 m/s,誤差為0.74%。該方法測試得到的速度同鋁箔法測得的速度大小有一定誤差,主要來自于彈丸位置提取時采用的幀間相減方法,在鄰幀圖像差分過程中,彈丸的部分信息被弱化,在進行閾值分割時該部分信息被分割掉,因而得到的位置可能不是彈丸質(zhì)心所在位置,經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換這部分誤差被進一步放大。

4結(jié)束語

本文試驗結(jié)果表明,數(shù)字圖像測速技術(shù)可以用于靶場試驗中彈丸、破片等的測速,結(jié)果可靠,誤差較小。

如果對目標提取跟蹤算法適當進行改進,并加入目標識別、運動位置預測等算法,就能夠?qū)崿F(xiàn)對多目標運動軌跡的提取和跟蹤,不僅能夠?qū)ζ破旱乃俣冗M行測試,還能夠?qū)ζ破旱目臻g分布進行分析,這對靶場靜爆試驗中戰(zhàn)斗部毀傷能力的評估有著重要的意義。

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High-speed Photography Velocity Measurement in Range

Based on Digital Photogrammetry

LIU Ze-qing1,ZHANG Yu-rong1,ZHAO Jian-xin1,DU Bo-jun2

(1.Department of Artillery Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China;

2.Baicheng Ordnance Test Center,Baicheng 137001,China)

Abstract:It is difficult to measure the velocity of fragments in range static explosion test.Aiming at this problem,a novel method based on digital photogrammetry technology was put forward.Take some gun for instance,the speed test was carried out,and the test system was established.The problem of the layout and parameter settings of the high-speed camera was solved in the test field.By analyzing the image sequences of the bullet motion captured by high-speed cameras,the trajectory equation of the bullet was reduced,and the velocity of the projectile was obtained.The test result was compared to the aluminum foil target test result,and the relative velocity error is less than 1%.The instance shows that the fragment velocity can be accurately measured by the method,and the test result is reliable,which can meet the requirement of the range test.

Key words:static explosive experiment;photogrammetry technology;high-speed photography;velocity measurement;image processing

中圖分類號:TJ06

文獻標識碼:A

文章編號:1004-499X(2015)04-0047-05

作者簡介:劉澤慶(1991- ),男,碩士研究生,研究方向為彈道學理論與技術(shù)。E-mail:liuzeqing320123@sina.com。

收稿日期:2015-09-07