基于視覺序列圖像分析的藥室參數測量

王會峰，王曉艷，王炳健，關麗敏，汪貴平

(1. 長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安710064;2. 西安電子科技大學 物理與光電工程學院，陜西 西安710071)

0 引言

藥室是放置藥筒、緊塞具和發射藥并保證發射藥燃燒的空間。藥室容積等火炮靜態參數指標直接影響裝填密度、膛壓和初速值，進而影響射程、彈道軌跡、彈著點軌跡、彈丸著點的精度和發射安全性［1-2］。因此，有必要對藥室參數進行及時檢測。目前國內的藥室參數測量方法主要有注水法、音頻檢測法［3-5］及激光光源投射法［6-10］等，但這些方法都存在著操作復雜、效率低、精度不高或參數單一等缺點，不能滿足現代靶場對藥室高效、高精度自動化檢測的需求。

本文提出了一種以視覺讀數和精密機械定位為核心的交叉直徑間接式藥室參數高精度測量方法。這種基于圖像的測量與其他測量技術相比有如下4 個方面的優點:一是非接觸性;二是精度高;三是直觀且信息量大;四是自動化程度高和操作方便。

1 藥室結構特點和視覺讀數測量系統

1.1 藥室結構特點

藥室為多段錐體結構，如圖1 所示，包括多個圓錐體部分和一個過渡圓錐體部分等。隨著炮彈發射數目的增多，藥室直徑和錐體都會發生變化，過渡錐體的位置會往身管方向延伸，使藥室的容積增大。由于其形狀不規則，因此藥室的直徑、長度、容積、錐度、拐點等是需要測量的靜態參數。

圖1 藥室截面示意圖Fig.1 Schematic diagram of chamber section

1.2 視覺讀數藥室測量系統組成

系統主要由上位機、進深精密驅動及控制機構、測量頭(含彈性三爪定中裝置、CCD 像機、成像標尺靶、場景照明系統)和管尾輔助裝置等部分組成。功能框圖如圖2 所示。進深精密驅動控制器推動測量頭按照上位機的指令沿藥室軸線以相應的步長前進，在藥室內壁的作用下雙直徑彈性測量觸頭發生相對位移。上位機通過CCD 像機采集其圖像信息，對獲取的圖像等信息進行處理得到直徑測量結果，并結合進深，獲取其他測量結果，最終以字符、圖形等形式顯示在界面上。

圖2 藥室參數測量系統功能框圖Fig.2 Block diagram of measuring system functions

測量頭是直徑視覺讀數的核心部件，其中的成像標尺靶為兩對十字交叉的精密刻劃標尺，它可將藥室直徑的微小變化量通過機械傳遞轉換為標尺圖像的相對運動，從而獲取準確的直徑信息。為了得到準確的直徑值，測量頭的定中精度是關鍵。測量頭定中裝置是一種穩定三爪彈性定中機構。經測試發現該結構定中誤差小于10 μm，對雙標尺測量爪的直徑測量誤差影響甚微。

藥室測量系統原理如圖3 所示。測量開始時，測量頭在進深驅動機構的驅動下沿軸線帶動兩對交叉的測量觸頭首先進入高精度標定環，并在標定環中進行測量以獲得基準尺寸，然后從藥室的底緣端面進入藥室內部并開始步進測量。高精度進深機構上的光柵尺記錄進深距離Li，上位機通過CCD 像機采集標尺靶圖像序列，以獲得若干組直徑數據，再結合高精度進深數據，根據藥室各靜態參數的定義，獲得相應的藥室靜態參數。

圖3 藥室測量系統原理結構示意圖Fig.3 Principle structural diagram of measuring system

2 藥室靜態參數測量與獲取

2.1 藥室直徑和進深的測量

高精度的直徑是其他參數獲取的基礎，也是通過視覺讀數直接得到的一個參數。每個截面直徑數據分兩組，其最終值由兩個方向的平均值得到，以消除誤差。每組均由基準直徑和相對直徑獲得，則各個截面的當前直徑為

式中:Di為第i 個截面的當前直徑;Db為基準直徑;ΔDi為第i 截面當前直徑相對定標環直徑的變化量，此處ΔDi可表示為

式中:ΔDih、ΔDiv為第i 個截面的交叉直徑變化量。

進深是以后端面為起始的沿軸向的深度，它的起始和終止值之差可以代表藥室長度。由于進深精度可以由光柵保證，其誤差小于10 μm. 進深采用變長步進方式，每一步用Li來表示。

2.2 藥室容積獲取

容積可以根據每一步的進深和直徑測量結果計算求得。首先根據各個測量截面的直徑和進深，計算出第i 個錐臺體積為

式中:Li為第i 個錐臺長度;Di為第i 個錐臺上端直徑;Di+1為第i 個錐臺的下端直徑。則藥室容積V為

理論上，N 值越大，精度也越高，但測量時間就越長，因此在滿足容積精度的前提下選較大步長可以提高測量效率。在系統中依據直徑的變化自動調整步長，實現等精度測量。

2.3 拐點與錐度的計算

由于炮彈多次發射使內壁磨損拐點準確位置和錐度準確值已難以通過實測得到。

采用殘差剔除直線多次擬合的方法［11］找到各錐段內壁的擬合直線(如圖4 所示)，求取相鄰錐段擬合直線的交點坐標(直線Li和Li+1)，就可得到各拐點的軸向位置，同時可根據所擬合的直線計算錐度值。圖4 中di代表實測的直徑;Li和Li+1表示擬合的各錐段內壁直線;Ci表示第i 個拐點的軸向位置坐標(限于篇幅，詳細計算公式不贅述)。

圖4 拐點及錐度計算Fig.4 Calculations of inflexion and taper angle

可見藥室參數測量中變化的內徑和進深測量是關鍵，其他的參數精度都依賴于這兩個參數的測量［12］，其中進深精度可由高精度光柵保證，所以快速準確獲取高精度的直徑值是測量的重心。

3 雙直徑藥室視覺讀數靶設計

根據藥室的結構特點，考慮到藥室內部的特殊環境和結構，設計了藥室參數測量的交叉雙直徑讀數測量頭，其結構如圖5 所示。

圖5 測量頭變直徑視覺讀數部Fig.5 Double diameter reading head for chamber parameter measurement

測量頭本體前后兩端是彈性三爪定中裝置，它能夠保證測量頭在藥室內部不同直徑處都保持高精度定中。在測量頭本體中間部位安裝兩對交叉的測量爪，測量爪內部彈簧可以保證測量爪的觸頭緊貼藥室內壁，在測量爪的另一端固定一個精密刻畫的標尺。當驅動裝置驅動測量頭沿著軸向在藥室內部移動時，觸頭在管內壁的作用下運動，進而帶動兩對測量標尺也相對運動。兩對測量標尺靶的圖像通過CCD 像機拍攝。圖6 是現場拍攝到的一幅測量標尺靶圖像，其刻線之間的實際間距是1 mm.

圖6 藥室標尺靶面圖像Fig.6 Scale target plane image of chamber

由圖6 可見，由于成像環境的特殊性，所得到供測量的圖像質量并非很高，因此從各標尺中準確地提取刻線的位置是先要解決的關鍵問題。另外，如何從一對標尺的相對運動的多幅圖像中得到準確的直徑是測量的另一個難題。

4 靶面圖像標尺準確定位算法

圖像處理的最終目標是得到內腔的直徑參數，而獲得直徑參數的第一步是要從標尺靶面圖像中提取各標尺刻線的準確位置。為了能夠提取圖像中標尺的準確位置，對圖像的去噪、增強、畸變校正等預處理必不可少。本文主要研究標尺圖像準確定位算法。

在圖像測量系統中，測量精度在很大程度上取決于用于測量的CCD 的像素分辨率和測量分辨率兩個因素的制約［13］，根據

式中:Δh、Δv 表示CCD 水平與垂直方向上的像素尺寸;f 代表CCD 采樣率;k 代表光學放大倍數;nx代表CCD 水平有效像素數;tx代表電視正程時間。可見，在光學參數既定的條件下提高CCD 的像素分辨率是改善系統測量精度最直接的方法。

由于每個標尺是間隔1 mm 的均勻刻線，攝像機的像平面和標尺靶的靶面平行，因此均勻間隔的平行線成像后仍然是一組平行直線。采用平行直線擬合法進行平行直線的擬合，不僅可求出一個標尺中每一條直線的準確位置，而且可求解標尺中各刻線之間的準確值。設參與擬合的特征直線方程為

式中:θ 為直線與極軸夾角;d1，d2，…，dm代表極徑。

利用最小二乘法，構造目標函數

式中:m 為參與擬合的直線條數;每條直線參與擬合的點數為n1，n2…，nm;p1，p2，…，pm為各條直線的點集。

記:

令:

求出dj，進而可求得各條擬合直線的方程。

對圖5 中上半平面的水平標尺進行平行直線擬合，得到各平行直線的參數如下:sin θ= -1 ;cos θ?0;d1=341.653 6;d2=434.879 8. 擬合后如圖7 所示，可見，經平行線擬合可準確地得到標尺上各條直線的方程，同時可獲得亞像素級的直線參數。

圖7 標尺平行直線擬合Fig.7 Parallel line fitting of the scales

5 序列圖像處理的靶標讀數法

完成標尺的準確定位后，還需要從動態靶面圖像中讀取測量爪移動的相對位移。為了能夠準確讀取標尺移動的相對位移，利用測量中的序列圖像設計了一種相對位移讀數法。

5.1 標尺讀取區域的選取

為了能快速準確讀數，首先在水平和垂直方向上以靶面中線為中心各取一個區域，在該區域內至少出現兩條刻線，最多出現3 條刻線。圖8 給出了水平方向標尺的區域框。由于刻線成像后間距約占93 個像素，因此在水平方向上取的區域范圍是100 個像素(圖8 中的兩個白色框為讀取數據的圖像區域)，這樣選取讀數區域必須要求相鄰兩幀圖像靶面標尺移動的范圍內至少有一條刻線不會移出讀數區域，也就是標尺移動的范圍不超過93 個像素，要求兩個標尺的徑向位移都小于1 mm. 豎直方向選取方法類似。

圖8 水平方向刻線區域Fig.8 Scribed line area in horizonal direction

5.2 基于序列圖像的數據讀取

以水平方向為例，要通過序列圖像判斷標尺移動的方向和移過的位移量。當讀數區域僅有兩條刻線出現時，在該區域內至少出現兩條直線。前后兩幀標尺圖像可分為以下3 種情況:

1)當區域的中心線始終在兩條標尺線之間時(標尺移動中不跨越區域中心線)，如圖9 所示，可以分別求取前后兩幀圖像中心線到兩個標尺的距離，則標尺移動的位移li可以表示為

為提高精度，取li和的絕對值平均值，在(12)式中如果規定正向測量li＞0 或＜0 表示標尺左移，li＜0 或＞0 則表示標尺右移，若li=0 或=0 表示標尺不動。

2)當區域的中心線不是始終在兩條標尺線之間時(標尺移動跨越區域中心線)，如圖10 所示。

由于標尺左右移動在選擇測量參數時既定，首先判斷兩幀圖像中區域內直線的位置，仍然計算(12)式中的li或，這時相鄰兩幀圖像中線左邊標尺li＜0，而既定的標尺是左移動的，說明標尺跨中心線。計算標尺左移的位移公式如下:

圖9 標尺位移示意圖Fig.9 Schematic diagram of scale displacement

圖10 標尺跨越中心線Fig.10 Scale over the central line

或

同樣取li和l'i絕對值的平均。

3)當移動始末中心線和標尺重合時，如圖11所示，可以把與中心線重合的標尺作為計算標尺，上述公式仍然適用。

圖11 標尺與中心線重合Fig.11 Coincidence of scale with central line

6 實驗結果

用設計的樣機(見圖12)用高精度光柵尺作為標定基準對測爪進行測試。圖13 是高精度光柵觸頭和測爪移動30 mm 過程測爪的相對誤差曲線圖。

由圖13 可見，測量過程中各測爪的測量誤差絕對值小于5 μm，滿足系統的測量精度要求。

用樣機來實測某型火炮藥室，上位機軟件用VC++6.0實現，測量過程中在主界面繪制直徑隨進深的變化曲線，如圖14 所示。

圖12 藥室參數測量系統Fig.12 Measuring system for chamber parameters

圖13 測爪的相對誤差Fig.13 The relative error of measurement claw

由于進深由光柵測量，精度較高，而直徑測量通過標尺刻線的擬合可達到亞像素級。結合第4 節，其理論測量誤差小于2 μm，實際測量能保證在10 μm 以內。參照文獻［2］容積計算誤差傳遞規律和文獻［14］插值法，其容積測量誤差在2‰以內。表1 給出了各種測量方法主要參數的誤差。

圖14 某火炮藥室參數測量系統主界面Fig.14 Home screen of chamber paraments measuring system

表1 測量參數誤差比較Tab.1 Comparison of measurement parameter errors

7 結論

通過對藥室測量的研究，提出了一種基于視覺讀數標尺靶的測量方法，分析了基于序列圖像處理和平行直線擬合的高精度數據讀取，并通過實測驗證了系統的測量精度。該系統將圖像處理和標尺靶設計結合起來，準確而方便地獲取了系統的測量值，對同類系統乃至其他系統有一定的參考價值和應用前景。

References)

［1］張淑嫻.變錐度管道靜態參數光電測量技術研究［D］. 西安:西安電子科技大學，2010:1 -50.ZHANG Shu-xian. Study on photoelectronic image measuring technology for static parameters of variable taper tube［D］. Xi’an:Xidian University，2010:1 -50.(in Chinese)

［2］韓寶君，盧泉，王會峰，等.基于交叉光柵的容積測量方法及誤差分析［J］.兵工學報，2010，31(4):499 -504.HAN Bao-jun，LU Quan，WANG Hui-feng，et al. Volume measurement error analysis and method based on crossing dual gratings［J］.Acta Armamentarii，2010，31(4):499 -504.(in Chinese)

［3］鄭浩，劉思海，喬琚瑤.一種改進的彈體藥室容積音頻檢測儀［J］.儀器儀表學報，2006，27(6):238 -240.ZHENG Hao，LIU Si-hai，QIAO Ju-yao. Modified sonic tester for bomb chamber volume［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument，2006，27(6):238 -240.(in Chinese)

［4］柏逢明. 音頻檢測技術［M］. 北京:中國科學技術出版社，2005:1 -30.BAI Feng-min. Audio detection technology［M］.Beijing:Chinese Science and Technology Press，2005:1 -30.(in Chinese)

［5］柏逢明，潘毓學，馬莉.音頻檢測彈體藥室容積的研究［J］.兵工學報，1998，19(2):167 -170.BAI Feng-ming，PAN Yu-xue，MA Li. Study in sonic testing for bomb chamber volume［J］. Acta Armamentarii，1998，19(2):167 -170.(in Chinese)

［6］張文偉，張延忻.基于環形光切圖像法的管內壁激光測量系統［J］.計量學報，2001，22 (4):284 -287.ZHANG Wen-wei，ZHANG Yan-xin. Laser measuring system for the Iinner wall of a pipe based on ring optical cutting image method［J］.Acta Metrologica，2001，22(4):284 -287.(in Chinese)

［7］Zhang W W，Zhuang B H. Non-contact laser inspection for the inner wall surface of a pipe［J］. Measment Science and Technology，1998(9):1380 -1387.

［8］王堅，單長勝. 一種藥室參數測量新方法［J］.測試技術學報，2006，20(1):27 -40.WANG Jian，SHAN Chang-sheng. A new measurement method of chamber parameters［J］. Journal of Test and Measurement Technology，2006，20(1):27 -40.(in Chinese)

［9］鄭軍，徐春廣，荊佩忠，等.基于環形激光的深孔內膛形貌檢測系統研究［J］. 光電工程，2004，31(1).32 -35.ZHENG Jun，XU Chun-guang，JING Pei-zhong，et al. A study on a detection system based on ring laser used for inner wall of deep hole［J］. Opto-electronic Engineering，2004，31(1):32 -35.(in Chinese)

［10］王堅，任現君，蘇建剛. 基于激光投影法的火炮身管內膛此疵病深度測量［J］.中國測試技術，2004，30(5):16 -18.WANG Jian，REN Xian-jun，SU Jian-gang. Measurement for the flaws in the inner wall of a artillery pipe based on laser projection method［J］.China Measurement Technology，2004，30(5):16 -18.(in Chinese)

［11］王會峰，牛建軍，劉上乾，等. 一種成像測量靶面同心圓的自適應檢測算法［J］.光子學報，2008，37(10):2095 -2098.WANG Hui-feng，NIU Jian-jun，LIU Shang-qian，et al. A new concentric circles adaptive high accuracy detection algorithms in measurement based on image［J］. Acta Photonca Sinica，2008，37(10):2095 -2098. (in Chinese)

［12］馮忠偉，徐春廣，肖定國，等. 基于環形結構光的藥室容積測量技術［J］.儀器儀表學報，2009，30(6):1169 -1174.FENG Zhong-wei，XU Chun-guang，XIAO Ding-guo，et al. Volume measurement for powder based on ring structured light［J］.Chinese Journal Scientific Instrument，2009，30(6):1169 -1174.(in Chinese)

［13］冷何英，戴俊釗.實用亞像元定位方法研究［J］. 紅外與激光工程，2000，29(2).15 -18.LENG He-ying，DAI Jun-zhao. Applied arithmetic research of sub-pixel orientation［J］. Infrared and Laser Engineering，2000，29(2):15 -18. (in Chinese)

［14］王會峰，劉上乾，汪大寶，等. 三次樣條插值在變徑內腔重建中的應用［J］.中北大學學報:自然科學版，2010，31(1).65 -70.WANG Hui-feng，LIU Shang-qian，WANG Da-bao，et al. Application of cubic spine interpolation to variable-diameter lumen surface reconstruction［J］. Journal of North University of China:Natural Science Editon，2010，31(1):65 -70. (in Chinese)