劉鵬祖,王明啟,徐韜祜,柴如興
(中國人民解放軍63875部隊(duì), 陜西 華陰 714200)
炸點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)試是常規(guī)靶場(chǎng)最重要的測(cè)試項(xiàng)目之一[1-2]。利用炸點(diǎn)圖像正確估計(jì)出炸點(diǎn)的像空間坐標(biāo),是炸點(diǎn)坐標(biāo)光學(xué)測(cè)量技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。依據(jù)目標(biāo)爆炸時(shí)爆炸中心(后簡(jiǎn)稱“爆心”)相對(duì)地面的位置,炸點(diǎn)可分為高空炸點(diǎn)和近地炸點(diǎn)[4]。高空炸點(diǎn)在爆炸過程中不受地面干擾,而近地炸點(diǎn)的爆炸物在膨脹過程中受地面阻擋或地表物遮擋,成像的形狀不規(guī)則。近炸引信作用時(shí)距地面較近,在靶場(chǎng)植被較高或爆炸點(diǎn)處于低洼地等條件下,爆炸物可能會(huì)觸地或被地表物部分遮擋,導(dǎo)致爆炸火光在第一幀成像時(shí)已發(fā)生畸變或部分被遮擋?,F(xiàn)有的炸點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)采用質(zhì)心法求爆心的像空間坐標(biāo),該方法對(duì)于高空炸點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)高精度定位,然而對(duì)于受地面干擾的近地炸點(diǎn),火光質(zhì)心與爆炸中心不一致,甚至差別較大,則定位精度會(huì)大幅度下降。因此,需要研究新的方法,提高受地面干擾的近地炸點(diǎn)像空間坐標(biāo)估計(jì)精度,為炸點(diǎn)坐標(biāo)高精度測(cè)量提供技術(shù)支持。本文后續(xù)所提的坐標(biāo)特指像空間坐標(biāo)。
質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算方法為:
(1)
式(1)中,f(x,y)為目標(biāo)圖像各像素點(diǎn)的灰度值;∑表示在目標(biāo)區(qū)域R內(nèi)求和。
圖1為某型高速相機(jī)在8 000 fps時(shí)拍攝的近炸引信炸點(diǎn)圖像。
該組試驗(yàn)的目標(biāo)炸高為5~7 m,對(duì)7發(fā)目標(biāo)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1所示。
表1 數(shù)據(jù)處理結(jié)果
表1中x,y為火光質(zhì)心的像素坐標(biāo),坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0)位于圖像的左上角。從表1中的數(shù)據(jù)可以看到,前3幀火光質(zhì)心坐標(biāo)極差在各方向上均為2,變化量很小。
圖2為某型高速相機(jī)在8 000 fps時(shí)拍攝的某發(fā)近炸引信炸點(diǎn)圖像。第1幀為爆炸初期形態(tài),爆炸物成像時(shí)無遮擋,體積相對(duì)較小,質(zhì)心位置近似為爆炸中心位置;在第2幀,爆炸物膨脹充分,部分火光被地表植被遮擋,導(dǎo)致爆炸火光成像不完全。數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表2所示。
圖2 炸點(diǎn)圖像
處理對(duì)象特征火光質(zhì)心坐標(biāo)xy第1幀火光近似為圓733.83192.50第2幀火光部分火光被莊稼遮擋724.13201.69
表2中數(shù)據(jù)表明,前后兩幀質(zhì)心坐標(biāo)的變化量在各方向上都接近10,變化量較大。如果第一幀沒有被捕獲,采用第二幀作為處理對(duì)象,則誤差偏大。其原因主要是:火光下半部分被遮擋,圖像并不是規(guī)則的圓,圖像質(zhì)心并不是爆炸中心。
綜合以上分析可知:對(duì)于近地炸點(diǎn),受地表影響,爆炸物部分被遮擋或阻擋時(shí),采用質(zhì)心法求解導(dǎo)致測(cè)量誤差較大。
在高速像機(jī)所拍攝的序列圖象中,設(shè)彈丸在第n幀爆炸,爆炸點(diǎn)坐標(biāo)記為Xn,要求的目標(biāo)即為Xn的值。對(duì)正常成像的目標(biāo),Xn可通過質(zhì)心法獲??;對(duì)非正常成像的目標(biāo),則需要通過計(jì)算間接得到。
設(shè)Xn-1為爆炸前一幀的彈丸質(zhì)心坐標(biāo),ΔX表示Xn相對(duì)Xn-1的位置差,即:
Xn=Xn-1+ΔX
(2)
通過對(duì)以往試驗(yàn)數(shù)據(jù)的大量分析可知,ΔX可基于同一組試驗(yàn)中的正常成像的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì);Xn-1可以通過末端彈道線性擬合和預(yù)測(cè)獲得。模型實(shí)現(xiàn)的總體框圖見圖3。
算法流程框圖如圖4所示。
圖3 總體框圖
圖4 算法流程框圖
主要步驟介紹如下:
步驟1基于爆炸火光出現(xiàn)的突變性,采用減背景方法[5]和形態(tài)濾波方法[6],檢測(cè)識(shí)別出第一幀出現(xiàn)火光的圖像,獲得相對(duì)時(shí)刻Tn;
步驟2采用減背景方法、窗口濾波方法和雙閾值方法[7],識(shí)別爆炸火光出現(xiàn)前7幀彈丸圖像,并計(jì)算彈丸質(zhì)心坐標(biāo)[Xn-7,Xn-6,…,Xn-1],記錄對(duì)應(yīng)的相對(duì)時(shí)刻[Tn-7,Tn-6,…,Tn-1];
步驟3分析第一幀火光是否為圓;分析第一幀火光前的彈體是否存在;
步驟4根據(jù)步驟3的分析結(jié)果判斷炸點(diǎn)成像是否異常;
步驟5成像正常,則采用質(zhì)心法計(jì)算炸點(diǎn)圖像坐標(biāo),并計(jì)算輸出修正值ΔX;否則跳轉(zhuǎn)步驟6;
步驟6基于步驟2的數(shù)據(jù),采用線性回歸方法估計(jì)彈丸質(zhì)心坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)方程[8];
步驟7假設(shè)步驟1獲得Tn為爆炸時(shí)刻;
步驟10對(duì)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)時(shí)空一致性檢驗(yàn),檢驗(yàn)為真則結(jié)束;否則,重新假設(shè)目標(biāo)爆炸時(shí)刻,并跳轉(zhuǎn)步驟8。
基于Matlab軟件平臺(tái)編寫了算法應(yīng)用軟件。軟件界面如圖5所示。
圖5 算法流程軟件界面
根據(jù)已往的研究可知,在幀頻大于1 000 fps條件下,正常成像的炸點(diǎn)火光在第一幀的成像近似圓形[9]。因此,可對(duì)火光圖像進(jìn)行圓形檢驗(yàn)[7],檢驗(yàn)結(jié)果為圓形,說明目標(biāo)成像正常,檢驗(yàn)結(jié)果不是圓形,則說明目標(biāo)成像不正常。但該條件只是必要條件。對(duì)以往數(shù)據(jù)分析可知,大多數(shù)目標(biāo)落速不超過300 m/s,當(dāng)圖像采集幀頻大于1 000 fps時(shí),爆炸點(diǎn)和爆炸前一幀彈丸位置變化不大,如果前一幀彈丸被遮擋,則爆炸點(diǎn)被遮擋的概率很大。
因此,建立判斷準(zhǔn)則為:當(dāng)火光圖像檢測(cè)為圓形,同時(shí)前一幀彈丸成像未被遮擋時(shí),判斷為炸點(diǎn)圖像正常;否則,判斷為炸點(diǎn)圖像異常。
估計(jì)模型需要獲得彈丸Tn-1時(shí)刻的質(zhì)心坐標(biāo)Xn-1。由于彈丸圖像為暗弱目標(biāo),精確提取較難,單幀彈丸圖像的質(zhì)心定位精度難以滿足需求,因此,采用線性回歸分析提高Xn-1的處理精度。
由于高速攝像機(jī)的幀頻高達(dá)1 000 fps以上,在0.01 s時(shí)間內(nèi),認(rèn)為目標(biāo)進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)是合理的。為了驗(yàn)證該假設(shè),選取一次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。
通過圖像處理技術(shù)能求取得到彈丸目標(biāo)在一個(gè)不同位置的質(zhì)心坐標(biāo)如表3所示。
表3 目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)
對(duì)表3中的數(shù)據(jù),以序號(hào)作為預(yù)測(cè)變量,坐標(biāo)分別作為相應(yīng)變量,做最小二乘線形回歸,回歸方程分別有:
x=-8.599t+445.3R2=0.998
(3)
y=11.59t+680.0R2=0.998
(4)
時(shí)間對(duì)質(zhì)心坐標(biāo)的散點(diǎn)圖和擬合的最小二乘回歸直線如圖6所示。
圖6 時(shí)間對(duì)質(zhì)心坐標(biāo)的散點(diǎn)圖和擬合的最小二乘回歸直線
對(duì)于某一組彈丸,爆炸中心與爆炸前一幀彈丸質(zhì)心具有較穩(wěn)定的相對(duì)位置關(guān)系,但由于爆炸時(shí)刻和拍攝的隨機(jī)性,每一個(gè)目標(biāo)的爆炸中心與前一幀彈丸質(zhì)心坐標(biāo)相對(duì)位置同樣具有隨機(jī)性。通過對(duì)多個(gè)正常成像目標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí),可估計(jì)得到相對(duì)位置的均值估計(jì)值。表4舉例了該學(xué)習(xí)方法,表4中以3個(gè)正常成像目標(biāo)為學(xué)習(xí)樣本,學(xué)習(xí)相對(duì)位置。
對(duì)三個(gè)學(xué)習(xí)樣本的相對(duì)位置求平均值為[1.2、1.2]。
表4 爆炸中心與彈丸質(zhì)心坐標(biāo)
3.5.1修正方法
該文擬采用迭代方法估計(jì)準(zhǔn)確的爆炸時(shí)間。首先假設(shè)爆炸火光第一幀的成像未被完全遮擋,基于彈丸圖像信息和爆炸火光時(shí)刻信息得到爆心位置第一次估計(jì)值;然后根據(jù)爆炸火光圖像膨脹速度近似模型,計(jì)算爆心位置第一次估計(jì)值和爆炸火光尺寸在時(shí)空域上是否一致性。判斷式如下:
Rmax 其中Rmax(火光各點(diǎn)到爆心坐標(biāo)估計(jì)值的距離);Ri表示爆炸火光圖像經(jīng)過i幀時(shí)間后膨脹的大小,基于同一種彈的火光膨脹速度試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)估計(jì)獲得。 根據(jù)假設(shè),第一幀圖像未被遮擋,則取i=1,進(jìn)行判斷,若判斷為真,則假設(shè)正確,火光為第一幀,若判斷為假,修正爆炸時(shí)刻,i=i+1,重新估計(jì)爆心位置。這樣,通過反復(fù)迭代方法估計(jì)出更加準(zhǔn)確的爆炸時(shí)間,直至爆心位置估計(jì)值和爆炸火光尺寸在時(shí)空域上一致。爆炸火光示意圖見圖7。 圖7 爆炸火光示意圖 3.5.2迭代收斂性分析 在近炸引信試驗(yàn)中,彈丸的末端運(yùn)動(dòng)速率一般小于1 000 m/s,爆炸火光的膨脹速度約8 000 m/s,即在一幀時(shí)間,爆炸火光成像半徑的變化是彈丸圖像質(zhì)心位置變化的8倍以上,如圖8所示。下面通過數(shù)據(jù)分析說明收斂過程,假設(shè)被拍攝到的火光是第N幀的火光,時(shí)間為T0,真實(shí)的火光半徑R0,R為前后兩幀的火光半徑近似值。 圖8 第1幀火光估計(jì)結(jié)果示意圖 第一次定位為X1,當(dāng)N小于8時(shí),在第一次定位的基礎(chǔ)上計(jì)算獲得火光半徑估計(jì)結(jié)果R1為: RN (5) 則求的時(shí)間差為: TN (6) T1基本接近真值,將該時(shí)刻進(jìn)入迭代計(jì)算,第二次定位結(jié)果為X2,通過X2求得: RN-1 (7) TN-1 (8) T2基本接近真值,將該時(shí)刻進(jìn)入第二次迭代計(jì)算,第三次定位結(jié)果為X3,通過X3求得,即: RN-1 (9) R3的計(jì)算結(jié)果與R2一致,則迭代結(jié)束。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明:對(duì)近炸引信裝配的常規(guī)彈丸,測(cè)量相機(jī)在1 000 fps以上時(shí),火球正常膨脹一般約4幀以內(nèi)結(jié)束因此,該數(shù)據(jù)分析證明結(jié)果合理。 對(duì)成像異常的目標(biāo),根據(jù)炸點(diǎn)圖像坐標(biāo)獲取方法可知,坐標(biāo)估計(jì)結(jié)果的誤差由數(shù)據(jù)處理誤差和估計(jì)模型誤差兩部分組成。 對(duì)估計(jì)模型進(jìn)行推演如下: (10) 下面對(duì)Xn-1的標(biāo)準(zhǔn)誤差進(jìn)行推導(dǎo)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]可知,可假定彈丸圖像質(zhì)心坐標(biāo)的誤差ε相互獨(dú)立,并且都服從均值為0,方差為σ的正態(tài)分布,即εi~iidN(0,σ2),σ2>0。σ2的一個(gè)無偏估計(jì)[10]為: (11) (12) (13) (14) 2014年某型試驗(yàn),圖像采集幀頻為2 000 fps。試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表4)。 驗(yàn)證方法:假設(shè)爆炸前一幀彈丸圖像已經(jīng)被遮擋,該幀彈丸圖像坐標(biāo)缺失;爆炸物部分被遮擋,然后采用本文方法進(jìn)行處理。 首先對(duì)每一個(gè)目標(biāo)的6個(gè)彈丸質(zhì)心坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸,預(yù)測(cè)出爆炸前一幀彈丸圖像坐標(biāo);其次,對(duì)另外兩個(gè)目標(biāo)的坐標(biāo)差求平均,獲得修正值;最后,將修正值與預(yù)測(cè)值相加,得到火光質(zhì)心坐標(biāo)估計(jì)值。如表5所示,最后給出了估計(jì)誤差絕對(duì)值。 從表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知,平均估計(jì)誤差為0.53個(gè)像素。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置可知0.53個(gè)像素對(duì)應(yīng)約5 cm誤差。 該次試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理由于可用的樣本量少,導(dǎo)致誤差稍偏大。 表6為2015年某型試驗(yàn),該試驗(yàn)采用高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行了拍攝,可驗(yàn)證本文的基本算法(處理方法除了不假設(shè)爆炸前一幀彈丸圖像被遮擋,其他同試驗(yàn)1)。 表5 估計(jì)結(jié)果及其誤差 表6 數(shù)據(jù)處理結(jié)果 從表6試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知,平均估計(jì)誤差為1.3個(gè)像素。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)置可知1.3個(gè)像素對(duì)應(yīng)約2.6 cm誤差。 本文提出了一種基于信息融合處理的炸點(diǎn)圖像坐標(biāo)估計(jì)方法,建立了融合估計(jì)模型,給出了算法流程,分析了測(cè)量誤差,在Matlab軟件平臺(tái)上編寫了實(shí)現(xiàn)程序,并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行了檢驗(yàn),結(jié)果證明該方法正確,對(duì)爆炸物非正常成像的炸點(diǎn)目標(biāo)能實(shí)現(xiàn)像空間坐標(biāo)的準(zhǔn)確估計(jì),為炸點(diǎn)坐標(biāo)高精度測(cè)試提供了技術(shù)支撐。4 誤差分析
4.1 數(shù)據(jù)處理誤差
4.2 模型誤差
5 方法驗(yàn)證
5.1 試驗(yàn)1
5.1 試驗(yàn)2
6 結(jié)論