劉輝煌, 王國(guó)潞, 李 雷, 占日新
(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001; 2.中國(guó)人民解放軍32075部隊(duì),江蘇 南京 210018)
不可超越速度(Velocity Never-Exceed,VNE)是指飛行器禁止在該速度以上運(yùn)行,否則會(huì)導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)損壞、操縱失效或其他直接影響飛行安全的情況出現(xiàn)[1]。在直升機(jī)試驗(yàn)試飛時(shí),不可超越速度是衡量直升機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo),在其制定過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的理論驗(yàn)證和試飛論證,其測(cè)試結(jié)果也將直接影響到新型號(hào)的經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)前景。
VNE分為有動(dòng)力和無(wú)動(dòng)力兩種,前者表示發(fā)動(dòng)機(jī)正常提供動(dòng)力時(shí)的不可超越速度,后者表示脫開發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力狀態(tài)時(shí)的不可超越速度,兩者都受高度、旋翼轉(zhuǎn)速、溫度和質(zhì)量的影響[2]。在VNE的測(cè)試中,其計(jì)算模型將多個(gè)機(jī)載傳感器變量作為輸入,通過(guò)改變輸入值來(lái)對(duì)比空速表上VNE值是否與實(shí)際計(jì)算值相等。因此在常規(guī)測(cè)試中,往往需要人工輸入測(cè)試用例,并采用目視估計(jì)進(jìn)行測(cè)試用例比對(duì),不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且測(cè)試準(zhǔn)確率不高,給直升機(jī)性能參數(shù)測(cè)試論證帶來(lái)很大困難[3-4]。此外,VNE測(cè)試為實(shí)現(xiàn)覆蓋測(cè)試所需的用例多、結(jié)合地面聯(lián)試的特點(diǎn),測(cè)試用例的執(zhí)行總次數(shù)將非常龐大。
近些年,從設(shè)備的顯示界面出發(fā),各種自動(dòng)化測(cè)試方法不斷被提出,且取得了不錯(cuò)的效果,其主要原因在于能夠從非結(jié)構(gòu)化的圖像中提取結(jié)構(gòu)化的描述,具有較強(qiáng)的針對(duì)性,而且能夠確保系統(tǒng)的安全性。一般而言,采用人工智能算法可確保一定的效率和精度,但是其缺點(diǎn)是具有較高的復(fù)雜度,而且魯棒性無(wú)法得到保證。而采用傳統(tǒng)的識(shí)別方法往往無(wú)法對(duì)特征進(jìn)行有效的提取,因此存在識(shí)別率低的問題。而且在測(cè)試過(guò)程中,采集圖像時(shí)容易受到環(huán)境光照和各種噪聲的影響,從而導(dǎo)致VNE的自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別具有較大挑戰(zhàn)性[5]。
為了實(shí)現(xiàn)VNE的自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別,本文提出一種基于霍夫變換和時(shí)頻域特征的VNE自動(dòng)識(shí)別算法。為了緩解環(huán)境中噪聲帶來(lái)的影響,采用高斯濾波對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理,避免因噪聲帶來(lái)后續(xù)的誤識(shí)別。然后將圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像,并采用霍夫變換對(duì)圖像中的直線進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)先驗(yàn)信息篩選得到有動(dòng)力VNE和無(wú)動(dòng)力VNE指示線。為了獲得指示線對(duì)應(yīng)的讀數(shù),同樣采用霍夫變換定位并提取到實(shí)時(shí)空速區(qū)域,并從時(shí)域和頻域構(gòu)造圖像的LBP(Local Binary Pattern,局部二值模式)和感知哈希融合特征,進(jìn)而進(jìn)行模板匹配識(shí)別讀數(shù),最后定位到實(shí)時(shí)空速區(qū)域上下刻度的位置,利用相對(duì)位置關(guān)系估算得到指示線的VNE值。將該識(shí)別算法集成到VNE自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中,在軟件層面實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測(cè)試,從而為VNE自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了可行性和可靠性論證,為直升機(jī)性能參數(shù)自動(dòng)化測(cè)試等提供了新的思路。
在自動(dòng)化測(cè)試場(chǎng)景中,基于圖像識(shí)別技術(shù)的VNE自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)主要包括圖像采集、圖像自動(dòng)識(shí)別和測(cè)試結(jié)果顯示與輸出三大模塊。主要流程可以概述如下。
① 相機(jī)接收到計(jì)算機(jī)給出的觸發(fā)信號(hào),開始采集圖像,并將采集到的圖像傳輸給計(jì)算機(jī),每一次觸發(fā)信號(hào)采集一幀圖像,并對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)試用例。
② 計(jì)算機(jī)在接收到圖像數(shù)據(jù)后,首先進(jìn)行圖像預(yù)處理,隨后提取空速刻度帶區(qū)域,并定位到有動(dòng)力VNE和無(wú)動(dòng)力VNE指示線。之后,提取刻度帶上實(shí)時(shí)空速區(qū)域,并對(duì)實(shí)時(shí)空速進(jìn)行識(shí)別,從而定位到當(dāng)前畫面中任意的兩個(gè)刻度所對(duì)應(yīng)的值和位置,最后通過(guò)位置關(guān)系換算得到有動(dòng)力VNE和無(wú)動(dòng)力VNE所對(duì)應(yīng)指示線的值。
③ 將有動(dòng)力VNE和無(wú)動(dòng)力VNE識(shí)別結(jié)果與測(cè)試用例基準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比,從而得到測(cè)試結(jié)果并輸出。
VNE自動(dòng)識(shí)別算法作為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的核心部分,通過(guò)對(duì)已采集的圖像進(jìn)行空速表區(qū)域提取、圖像預(yù)處理、指示線定位、實(shí)時(shí)空速上下刻度識(shí)別和VNE估算等一系列算法處理,從而將識(shí)別的VNE值和測(cè)試用例進(jìn)行比對(duì),得到最終的測(cè)試結(jié)果輸出,VNE自動(dòng)識(shí)別流程如圖1所示。
高斯濾波作為自動(dòng)識(shí)別算法的預(yù)處理操作,主要為了緩解環(huán)境因素所帶來(lái)的噪聲干擾,增強(qiáng)圖像的細(xì)節(jié)表現(xiàn)。指示線定位主要采用霍夫變換進(jìn)行處理,從而準(zhǔn)確有效地檢測(cè)到圖像中的直線,并通過(guò)長(zhǎng)度等先驗(yàn)信息篩選有動(dòng)力VNE和無(wú)動(dòng)力VNE指示線。實(shí)時(shí)空速識(shí)別與位置獲取主要為了獲得實(shí)時(shí)空速區(qū)域,并識(shí)別對(duì)應(yīng)的空速值,最終采用時(shí)頻域特征結(jié)合的方式獲得指示線對(duì)應(yīng)的刻度值,從而計(jì)算有動(dòng)力VNE和無(wú)動(dòng)力VNE。
在自動(dòng)化測(cè)試過(guò)程中,圖像尺寸成為制約VNE識(shí)別速度的主要因素,為了提升算法的識(shí)別效率,僅提取空速表區(qū)域進(jìn)行處理。由于測(cè)試圖像為固定位置的相機(jī)所采集,圖像中空速表的位置不變,通過(guò)交互提取空速表的左上和右下頂點(diǎn)坐標(biāo),并定位后續(xù)圖像中的空速表區(qū)域。
由于環(huán)境中光照變化、硬件電路元器件相互影響和圖像傳輸過(guò)程中存在噪聲等因素,導(dǎo)致采集的圖像受到一定程度的噪聲污染,因此需要對(duì)其進(jìn)行去噪、增強(qiáng)等處理,從而凸顯細(xì)節(jié)區(qū)域。
圖1 VNE自動(dòng)識(shí)別流程
高斯濾波[6]是一種線性平滑濾波,通過(guò)對(duì)圖像中每個(gè)像素點(diǎn)本身和其鄰域進(jìn)行加權(quán)平均,從而達(dá)到去除圖像中噪聲和平滑圖像的目的。高斯模板由高斯公式計(jì)算得到,表達(dá)式為
(1)
式中:(x,y)為濾波器的中心像素點(diǎn)坐標(biāo);σ為標(biāo)準(zhǔn)差。本文分別對(duì)圖像的R、G、B三個(gè)通道進(jìn)行濾波處理,再將3個(gè)濾波后的通道圖像進(jìn)行合并,經(jīng)過(guò)高斯濾波后的圖像如圖2所示。
圖2 圖像高斯濾波結(jié)果
從圖2中可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)高斯濾波后的圖像細(xì)節(jié)信息更為明顯,局部特征保留完好,有利于后續(xù)VNE值識(shí)別。
霍夫變換作為一種從圖像空間到參數(shù)空間映射的方法,具有清晰的幾何解析性,容錯(cuò)性和魯棒性較好,而且具有較可靠的直線提取能力,因此能夠有效提取圖像中的直線特征,獲得不同顏色和線型的指示線位置[7-8]。其基本原理是利用點(diǎn)與線的對(duì)偶性,將圖像坐標(biāo)系中一條直線上所有點(diǎn)通過(guò)參數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)換到參數(shù)坐標(biāo)系中,形成N條直線,將檢測(cè)問題從原始圖像空間的整體變換到參數(shù)空間中的局部問題[9-10]。
直線在直角坐標(biāo)系下的直線方程式為
y=kx+b
(2)
式中:k為斜率;b為截距;(x,y)為直線上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)。當(dāng)使用霍夫空間參數(shù)為ρ-θ時(shí),將直角坐標(biāo)系中的某一直線使用參數(shù)方程表達(dá)式變換到極坐標(biāo)系中,極坐標(biāo)方程為
ρ=xcosθ+ysinθ, 0≤θ≤π
(3)
將直角坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)(xi,yi)作為已知量,那么k、b為變量坐標(biāo)。將極坐標(biāo)系(ρ,θ)作為變換空間,點(diǎn)(xi,yi)在極坐標(biāo)系中的參數(shù)方程式為
ρ=xicosθ+yisinθ, 0≤θ≤π,ρ≥0
(4)
式中:x=ρcosθ;y=ρsinθ;ρ為極點(diǎn)O與點(diǎn)P的距離;θ為射線按逆時(shí)針方向與極軸的夾角。直角坐標(biāo)系中直線上的所有點(diǎn)通過(guò)極坐標(biāo)方程轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系中可以得到N條正弦曲線,且聚焦于同一點(diǎn)。
有動(dòng)力VNE和無(wú)動(dòng)力VNE指示線具有明顯的顏色區(qū)分性,紅色實(shí)線代表有動(dòng)力VNE指示線,紅白相間線表示無(wú)動(dòng)力VNE指示線。為了識(shí)別紅色線,采用顏色特征將像素點(diǎn)逐一判別轉(zhuǎn)換為二值圖像。指示線的定位采用霍夫變換進(jìn)行直線檢測(cè),并利用長(zhǎng)度等特征篩選符合條件的直線,從而得到有動(dòng)力VNE指示線的上下端,進(jìn)而得到刻度線的中心位置。二值圖像與其對(duì)應(yīng)的霍夫空間如圖3所示。采用同樣的步驟對(duì)無(wú)動(dòng)力VNE指示線進(jìn)行處理,得到的二值圖像和其對(duì)應(yīng)的霍夫空間如圖4所示,定位結(jié)果如圖5所示。
圖3 有動(dòng)力VNE二值圖像及對(duì)應(yīng)的霍夫空間
圖4 無(wú)動(dòng)力VNE二值圖像以及對(duì)應(yīng)的霍夫空間
圖5 有動(dòng)力VNE和無(wú)動(dòng)力VNE指示線定位結(jié)果
模板匹配[11-12]作為一種高效的圖像相似度計(jì)量方法,其將待識(shí)別圖像或圖像區(qū)域中提取的若干特征量與模板相應(yīng)的特征量逐個(gè)進(jìn)行比較,計(jì)算它們之間歸一化的互相關(guān)量,并將圖像分到最大互相關(guān)量對(duì)應(yīng)的類。在匹配過(guò)程中,圖像相似度計(jì)算是對(duì)兩幅圖像進(jìn)行相似程度打分,根據(jù)分?jǐn)?shù)的高低判斷圖像內(nèi)容的相近程度。其中常見的相似度計(jì)算方法有直方圖匹配[13]、奇異值分解(Singular Value Decomposition,SVD)[14]和特征點(diǎn)相似性[15-16]等。直方圖匹配方法反映的是圖像像素灰度值的概率分布,而忽略了像素在圖像中的位置信息,而且采用歸一化相關(guān)系數(shù)計(jì)算向量的相似性,會(huì)導(dǎo)致圖像的空間信息丟失,因此度量結(jié)果具有一定的局限性。SVD是基于圖像整體的表示,雖然通過(guò)SVD可以得到穩(wěn)定、唯一且低維度的特征描述,提高抵抗干擾和噪聲的能力,但是由于SVD得到的奇異矢量中有負(fù)數(shù)存在,難以較好地解釋其物理意義[17]?;谔卣鼽c(diǎn)的相似性度量方法主要思想是提取圖像特征點(diǎn),以此表示圖像中的角點(diǎn)、拐點(diǎn)等信息,最后通過(guò)兩幅圖像特征點(diǎn)的個(gè)數(shù)或差異衡量其相似程度。常見的特征點(diǎn)表示方法有Harris角點(diǎn)[18]、SIFT特征點(diǎn)[19-20]、LBP特征點(diǎn)[21]和感知哈希編碼[22]等。
LBP算法一般用來(lái)描述圖像局部紋理特征,在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。由于LBP主要用于描述圖像局部紋理特征,通過(guò)測(cè)量像素與其周圍像素之間的差異,并捕獲局部圖像紋理的空間結(jié)構(gòu)[23],有利于描述各種復(fù)雜場(chǎng)景下的圖像,十分適用于低維圖像特征表示。LBP編碼的計(jì)算方式為
(5)
(6)
式中:gc為中心像素的灰度值;gp為半徑R圓域內(nèi)像素的灰度值,其中,下標(biāo)p為鄰域內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào),p=0,1,…,P-1,P為鄰域像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。
操作算子CLBP_P,R通過(guò)中心像素點(diǎn)周圍的P個(gè)像素產(chǎn)生2P個(gè)不同的二進(jìn)制模式,但是圖像一旦旋轉(zhuǎn),相鄰像素將沿著圍繞中心像素的圓周相應(yīng)地移動(dòng),因此將產(chǎn)生不同的CLBP_P,R值。為了獲得唯一的CLBP_P,R值,研究者提出了旋轉(zhuǎn)不變LBP[24],對(duì)應(yīng)表達(dá)式為
(7)
(8)
僅采用LBP特征來(lái)衡量?jī)蓮垐D像相似度往往只關(guān)注時(shí)域內(nèi)容,而忽略了圖像頻域上的差異,因此具有一定的局限性。為了增強(qiáng)模板匹配的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,本文采用時(shí)頻域特征融合的相似度計(jì)算方法,分別提取目標(biāo)圖像和匹配圖像中時(shí)頻域特征,并將其進(jìn)行編碼和融合,計(jì)算其相似度。感知哈希算法具有良好的頻域特性,計(jì)算過(guò)程較為簡(jiǎn)單,其原理是采用離散余弦變換來(lái)獲取圖像的低頻成分,有效減少了圖像中的冗余特征,并且有效避免伽馬射線校正或顏色直方圖被調(diào)整所帶來(lái)的影響[25]。但是,由于感知哈希算法僅考慮了圖像的低頻分量,而忽略了高頻分量帶來(lái)的影響,因此損失了圖像中對(duì)邊緣和輪廓的度量。為了避免圖像頻率分量的損失,本文將頻域圖像分塊,并分別計(jì)算每個(gè)圖像塊的哈希編碼,最后對(duì)所有圖像塊哈希編碼進(jìn)行連接。綜合考慮時(shí)域和頻域特征上的優(yōu)勢(shì),將圖像進(jìn)行LBP特征提取之后,再采用感知哈希算法進(jìn)行編碼,從而得到時(shí)域特征,將時(shí)域編碼和頻域編碼進(jìn)行連接,得到圖像的時(shí)頻域特征表示。最后對(duì)目標(biāo)圖像和匹配圖像的特征進(jìn)行異或運(yùn)算,從而得到相似度?;跁r(shí)頻域特征的模板匹配過(guò)程如圖6所示。
圖6 基于時(shí)頻域特征的模板匹配
實(shí)時(shí)空速區(qū)域的上下端具有兩條較長(zhǎng)的灰色直線,因此可以利用該先驗(yàn)信息進(jìn)行定位。采用VNE指示線定位的思路,首先利用顏色特征將其轉(zhuǎn)換為二值圖像,隨后采用霍夫變換得到上下直線的位置,最后提取實(shí)時(shí)空速區(qū)域。具體處理過(guò)程如圖7所示。
圖7 實(shí)時(shí)空速區(qū)域提取流程
為了準(zhǔn)確識(shí)別空速區(qū)域的數(shù)值,先對(duì)空速區(qū)域進(jìn)行字符分割,然后分別識(shí)別單個(gè)字符。由于字符在垂直方向上的投影必然在字符間或字符內(nèi)間隙處取得局部最小值的附近,因此在較為復(fù)雜的環(huán)境下垂直投影法能對(duì)字符進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分割。
通過(guò)對(duì)字符進(jìn)行分割,可以對(duì)每個(gè)字符進(jìn)行識(shí)別,一般采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[6]和模板匹配算法。相較于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,模板匹配算法具有簡(jiǎn)單易理解、速度快且精度高的特點(diǎn),因此本文采用模板匹配算法對(duì)單個(gè)數(shù)字進(jìn)行識(shí)別,具體處理流程如圖8所示。
圖8 實(shí)時(shí)空速識(shí)別流程
為了得到實(shí)時(shí)空速上下刻度值,在實(shí)時(shí)空速基礎(chǔ)上增加和減少一個(gè)偏移量,即可得到上下刻度值。然后采用基于時(shí)頻域特征的模板匹配分別進(jìn)行定位,具體處理流程如圖9所示,具體步驟如下。
圖9 上刻度值定位流程
① 由于刻度值都是10的倍數(shù),因此模板庫(kù)可以針對(duì)這一特性進(jìn)行制作,即每一張模板圖像都是10的倍數(shù)的數(shù)字,且圖片以該數(shù)值進(jìn)行命名。
② 為了提升模板匹配的效率,對(duì)刻度帶的數(shù)值區(qū)域進(jìn)行提取,從而使得寬度與模板圖像寬度相同。
③ 從模板庫(kù)中讀取上刻度所對(duì)應(yīng)的模板圖像,并從上至下依次從刻度帶區(qū)域進(jìn)行滑動(dòng),每滑動(dòng)一次計(jì)算一個(gè)匹配相似度,相似度最大的位置即為上刻度的位置。對(duì)于下刻度值的定位,重復(fù)上述步驟即可。
當(dāng)?shù)玫缴舷驴潭戎档奈恢煤?,直接采用相?duì)位置關(guān)系換算得到指示線處的讀數(shù),即VNE值。具體表達(dá)式為
(9)
式中:Su、Sd、SVNE分別為上刻度值、下刻度值和VNE指示值;lu、ld、lVNE分別為上刻度坐標(biāo)、下刻度坐標(biāo)和VNE指示坐標(biāo)。
VNE自動(dòng)測(cè)試軟件基于MATLAB開發(fā),可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試用例導(dǎo)入、VNE識(shí)別和測(cè)試結(jié)果顯示與輸出。VNE指示線定位作為軟件算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),對(duì)識(shí)別結(jié)果有較大的影響,因此本文對(duì)軟件的指示線定位性能進(jìn)行分析。為了分析VNE指示線在不同位置處軟件的指示線定位性能,本文對(duì)測(cè)試圖像進(jìn)行處理,得到部分測(cè)試結(jié)果如圖10所示,藍(lán)色線表示定位位置。
圖10 部分指示線定位結(jié)果
為測(cè)試軟件的實(shí)際檢測(cè)效果,將測(cè)試用例導(dǎo)入到系統(tǒng)中,通過(guò)軟件讀取每一幀圖像,并對(duì)每一幀圖像進(jìn)行識(shí)別,將識(shí)別結(jié)果與測(cè)試用例進(jìn)行比對(duì)得到相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。由于測(cè)試用例有限,本文僅采用1000份測(cè)試樣例進(jìn)行分析,分別計(jì)算識(shí)別準(zhǔn)確性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和檢測(cè)效率,進(jìn)而對(duì)軟件的可行性進(jìn)行探討,測(cè)試結(jié)果如表1所示。系統(tǒng)穩(wěn)定性的評(píng)估通過(guò)隨機(jī)抽取100個(gè)測(cè)試用例,對(duì)其進(jìn)行重復(fù)測(cè)試,每個(gè)測(cè)試用例的測(cè)試結(jié)果相同則表示穩(wěn)定,否則表示不穩(wěn)定。
表1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比
上述特征提取方法中,基于Harris和SIFT提取圖像特征點(diǎn)的方法具有較高的時(shí)間復(fù)雜度,在耗時(shí)方面均比其他方法長(zhǎng),但是其能保持一定的準(zhǔn)確性。而采用直方圖匹配和SVD的方法雖然具有較短的檢測(cè)時(shí)間,但是其準(zhǔn)確率偏低。而采用LBP特征的方法具有一定的優(yōu)勢(shì),由于其提取特征的稀疏性,能夠表達(dá)圖像中更多的特征,因此其準(zhǔn)確率和檢測(cè)效率均較高。
綜合分析不同的方法,不同特征構(gòu)造方法在準(zhǔn)確率、穩(wěn)定性和檢測(cè)時(shí)間方面均存在不足,而本文采用的時(shí)頻特征融合方法具有較強(qiáng)的魯棒性,能夠有效提高VNE識(shí)別的準(zhǔn)確率,檢測(cè)效率相比其他方法有了較大提升,也能夠滿足實(shí)際場(chǎng)景的需要??傊疚奶岢龅姆椒o(wú)論是系統(tǒng)穩(wěn)定性方面,還是識(shí)別準(zhǔn)確率和效率方面,都具有一定的競(jìng)爭(zhēng)性。
為了實(shí)現(xiàn)VNE值的高效自動(dòng)化識(shí)別,本文提出一種基于霍夫變換和時(shí)頻域特征的VNE自動(dòng)識(shí)別算法,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)化測(cè)試軟件。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證,結(jié)果表明該軟件能夠高效地對(duì)VNE值進(jìn)行準(zhǔn)確自動(dòng)化識(shí)別,且操作簡(jiǎn)單,交互界面友好,在直升機(jī)VNE參數(shù)的自動(dòng)化識(shí)別中具有較高的效率,同時(shí)為其他自動(dòng)化測(cè)試提供了新的思路,有效節(jié)省了測(cè)試時(shí)間和測(cè)試成本。