數碼迷彩自動涂裝系統研究

謝衛，周志勇，蔡云驤，穆景陽（總裝備部工程兵科研一所，江蘇無錫214035）

數碼迷彩自動涂裝系統研究

謝衛，周志勇，蔡云驤，穆景陽
（總裝備部工程兵科研一所，江蘇無錫214035）

數碼迷彩是一種新的迷彩偽裝技術，具有較好的偽裝效果。針對目前人工涂裝效率較低的問題，通過解決裝備三維正方形網格模型構建、三維數碼迷彩圖案模型生成、圖案噴涂路徑自動規劃、噴槍位姿實時檢測等問題，構建了數碼迷彩自動涂裝系統，實現了目標數碼迷彩自動噴涂作業。試驗結果表明：使用自動作業方式可有效提高數碼迷彩噴涂效率，從而推動碼迷彩技術進一步發展。

兵器科學與技術；偽裝；數碼迷彩；機器人；三維建模；指令生成；迷彩設計

0　引言

信息化戰爭條件下，高技術偵察和精確打擊對各類軍事目標構成嚴重威脅。偽裝是防敵偵察和精確打擊的重要手段，積極采取各種偽裝措施，可有效地隱蔽目標，欺騙、迷惑敵方偵察，減少目標被發現識別和探測打擊的概率，提高作戰力量的戰場生存能力。迷彩偽裝技術是一種最基本、最常用的偽裝方式，各國都十分重視，將迷彩作為提升武器裝備戰場生存能力的基礎和必要措施[1]。面對高分辨率偵察的“矛”的挑戰，迷彩偽裝技術作為“盾”，必須向精確化、自動化、智能化的方向發展。當前，綜合集成計算機、自動控制、機器人等技術實現迷彩作業裝備精確設計與自動作業能力已成為國內外發展趨勢。數碼迷彩是一種根據人類視覺系統特點，廣泛借助計算機及圖像技術，采用規則的最小可分辨色塊，進行排列組合生成的一種能在不同分辨率下和背景特征相匹配的迷彩圖案[2]。數碼迷彩的技術內涵符合偽裝技術發展新趨勢，其“馬賽克”的圖案特點能夠從宏觀和微觀兩個層面更好的模擬背景紋理特征，具有更佳的偽裝效果，同時也與機器人自動噴涂易于實現規則圖形的特點相吻合。

本文針對數碼迷彩人工涂裝效率較低的問題，分析了基于噴涂機器人的數碼迷彩自動涂裝系統原理和性能特點，并通過噴涂試驗驗證了相關技術的可行性，該系統能有效提高數碼迷彩噴涂效率，對數碼迷彩技術進一步推廣應用與發展具有重要意義。

1　系統組成

自動涂裝系統組成如圖1所示。

圖1　系統組成Fig.1　The system composition

圖1中，噴涂機器人是實施自動涂裝作業的執行機構，選用瑞士ABB公司生產的IRB 5400-14噴涂機器人，同專用直線導軌構成七軸聯動整體，由配套控制柜驅動與控制。自動噴涂設備包括自動噴槍、噴嘴、涂料供給泵及配套管線，選用美國固瑞克公司產品。目標數據采集裝置安裝于機器人手臂末端，選用德國PMD公司生產的CamCube 3.0深度相機，由機器人帶動完成目標外形數據掃描，所獲數據作為目標建模數據輸入。噴槍位姿檢測設備安裝于機器人手臂末端，用來檢測噴涂過程中噴槍與待噴面的相對位置，一定程度上可彌補目標建模誤差，改善涂裝質量。PC上位機及軟件模塊作為噴涂作業的控制中樞，通過模型構建模塊、圖案設計模塊、指令生成模塊實現數據的接收、處理、反饋。

2　目標數據采集

三維數據測量方法主要有接觸式測量、非接觸測量和逐層掃描測量3類[4]。逐層掃描方法屬于破壞性測量，主要用于醫學領域[5]；接觸式測量方法具有較高精度，但是測量速度慢；非接觸式三維數據獲取方法主要有激光測距法和基于視覺系統的方法。基于視覺系統的方法成本較低、使用方便，但測量精度易受光照條件影響[6]。基于激光測距的方法測量速度快，精度較高[7]。其中，基于飛行時間的深度相機，主要通過向目標發送連續光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過探測光脈沖的飛行時間來得到目標物距離[8]，可獲取景物的灰階影像信息及深度信息，逐漸在科研和工業領域廣泛應用。本系統將PMD公司的CamCube3.0深度相機安裝于機器人手臂末端，開發USB通信接口與PC上位機相聯，組建目標外形數據采集裝置，兩側的數據采集裝置分別完成各側目標部分數據的快速獲取。采集裝置如圖2所示。

圖2　CamCube 3.0深度相機Fig.2　CamCube 3.0 depth camera

3　目標快速建模

典型目標建模方法是對散亂數據點云進行三角化，建立三角網格模型，在此基礎上進行曲面細分，從而得到曲面造型[9-11]。其優點是可通過三角網格靈活反映實際曲面復雜的形貌，獲取的曲面模型可以用于復雜產品模型精確表示和數控加工。精簡后的裝備點云數據可達數百萬，甚至上千萬，采用三角化方法獲得的三角網格數目通常是點云個數的2倍，在海量三角網格上再做細分曲面處理的工作量巨大，處理時效性低，不能滿足目標快速建模的要求。另一方面，由于規則四邊形更易于噴涂實現，組成數碼迷彩圖案的基本單元一般為正方形，因此，本系統采用基于包圍盒面片生長的目標四邊形網格建模方法[12]，其主要流程如圖3所示。

圖3　目標建模流程Fig.3　The objectmodeling process

步驟1 采用標準高斯濾波方法平滑點云數據。

步驟2 用最小包圍盒法劃分點云數據（設盒邊長為1 cm），采用加權平均法計算各盒內代表點。

步驟3 按照先面相鄰、后邊相鄰的優先級順序連接相鄰包圍盒代表點，得到多邊形網格。

步驟4 通過區域生長法將步驟3得到的小尺寸網格合并為10 cm邊長的大尺寸網格。

步驟5 采用合適的數據結構將四邊形網格封裝為面片（包括面片頂點、法向量等信息）。

步驟6 以多邊形文本存儲標準格式文件輸出模型。

4　三維數碼迷彩設計

目前，數碼迷彩的圖案設計方法主要分為兩類：1）借助AutoCAD等輔助軟件人工設計；2）基于隨機場分布、小波重構、分形和聚類等算法自動生成數碼迷彩[13-15]。上述方法的設計輸出均為二維平面圖案，一般出圖后經人工噴涂至目標表面，效率低、誤差大，較難將迷彩圖案快速轉換自動噴涂指令。因此，本系統采用紋理映射法實現了三維迷彩圖案生成，主要流程如圖4所示。

圖4　三維數碼迷彩圖案生成流程Fig.4　The generation process of 3D digital pattern

步驟1 采用K均值聚類方法提取背景顏色特征，基于馬爾科夫隨機場的方法生成符合背景紋理特征的二維數碼迷彩圖案[14]，構建圖案數據庫。二維數碼迷彩圖案生成流程如圖5所示。

圖5　二維數碼迷彩圖案生成流程Fig.5　The Generation process of2D digital pattern

步驟2 根據目標最小外接立方體計算前、后、左、右、頂5個視面的平面方程。

步驟3 由目標外接矩立方體計算目標五面展開圖尺寸，從圖案數據庫選取圖案，隨機生成目標數碼迷彩五面展開圖。

步驟4 計算模型面片同目標5個視面的法矢量夾角，將夾角最小的視面記為P.

步驟5 計算模型面片中心點坐標和各面片在P上投影位置坐標，以此建立模型面片和二維數碼迷彩圖案的映射關系。

步驟6 根據映射關系，完成三維模型賦色。

5　噴涂指令自動生成

目前，自動噴涂作業實現多是基于機器人示教編程方法，由專業技術人員借助示教器控制機器人完成噴涂圖案的軌跡設計，利用示教器存儲機器人手臂末端位置及姿態等信息，以此形成機器人噴涂指令。噴涂作業時，調用預先存儲的指令，完成自動作業[16]。該方式效率較低，且要求操作人員具備熟練技術和豐富實踐經驗，不能滿足數碼迷彩涂裝的要求。因此，本系統通過自動編程和離線仿真等步驟實現了一種可以自動生成噴涂作業指令的方法[17]，主要流程如圖6所示。

圖6　噴涂指令生成流程Fig.6　Generation process of spray instructions

步驟1 導入裝備三維數碼迷彩圖案數據。

步驟2 根據作業空間和迷彩圖案信息將裝備噴涂區域自動劃分為多個子區域[18]。

步驟3 執行區域內面片排序和噴涂路徑規劃，完成機器臂末端姿態及開關槍時間的計算。

步驟4 計算裝備的安全外包執行區域間噴涂路徑規劃。

步驟5 依據機器人編程語言語法生成噴涂指令。

步驟6 在配套離線仿真軟件robortstudio中進行仿真噴涂，去除碰撞、不可達等奇異點，修改噴涂指令，對于此部分斑點，采用人工修補的方式進行涂裝。

步驟7 將指令下載至機器人控制柜。

6　試驗過程

為驗證本系統實用性與有效性，對某型裝備目標1：1模型進行了自動噴涂作業試驗。

通過人工示教方式確定若干起始位置，自動插值生成目標外形數據采集的機器人路徑，形成指令，由機器人帶動目標數據采集裝置完成噴涂目標的外形點云數據采集，經過174個采集點，共采集得到3 874 187個點云數據，采集時間小于20 min，目標點云數據如圖7所示。

圖7　目標點云數據Fig.7　The point cloud data of target

PC上位機通過USB接口獲取采集得到的點云數據，由模型構建軟件模塊完成目標快速建模，所得網格模型包含3 509個有效四邊形面片，建模時間小于15min，目標網格模型如圖8所示。

圖8　目標網格模型Fig.8　Themesh model of target

運行圖案設計軟件模塊，在三維網格模型上快速完成數碼迷彩圖案設計生成，設計時間小于5min，目標三維數碼迷彩效果如圖9所示。

圖9　目標數碼迷彩圖案Fig.9　The 3D digital pattern of target

運行指令生成軟件模塊，根據三維數碼迷彩圖案模型，結合預先確定的噴涂工藝參數，完成噴涂路徑規劃和指令生成，并通過離線仿真噴涂完成指令修正。圖10、圖11分別為噴涂區域分割和指令生成。

圖10　目標噴涂區域規劃Fig.10　Spray regional planning of target

圖11　目標噴涂指令生成Fig.11　Spray instruction generation of target

最后，將噴涂指令下載至機器人控制器，實施目標自動涂裝作業，圖12為數碼迷彩自動噴涂。

圖12　目標自動噴涂作業Fig.12　Automatic spraying operation of target

7　結論

通過解決裝備三維正方形網格模型構建、三維數碼迷彩圖案模型生成、圖案噴涂路徑自動規劃、噴槍位姿實時檢測等關鍵技術問題，構建了數碼迷彩自動涂裝系統，可實施坦克模型的數碼迷彩自動化涂裝，涂裝時間不超過30min.但該系統存在兩個不足：1）在裝備外形數據采集時，需要通過人工示教確定機器人采集點路徑指令程序；2）在裝備三維網格模型構建與圖案設計時，需要一定的人工交互過程，這都增加了系統操作難度、降低了作業效率。下一步研究重點是開展噴涂作業數據庫構建，采取離線作業的方式完成數據采集、建模、圖案設計、指令生成等過程，實現自動噴涂作業流程的高效化。

（References）

[1]胡江華.偽裝技術[M].北京：國防工業出版社，2014：1-5. HU Jiang-hua.Camouflage technology[M].Beijing：National Defense Industry Press，2014：1-5.（in Chinese）

[2]Zhang Y，Xue SQ，Jiang X J，etal.The spatial colormixingmodel of digital camouflage pattern[J].Defence Technology，2013，9（3）：157-161.

[3]崔寶生，鄒南智.紅外偽裝效果仿真檢測方法研究[J].激光與紅外，2000（1）：62-64. CUIBao-sheng，ZOU Nan-zhi.Study on infrared effect simulation measurement of camouflage equipment[J].Laser&Infrared，2000（1）：62-64.（in Chinese）

[4]付麗琴，陳樹越.反求工程中的實的數據獲取技術[J].測試技術學報，2001，15（4）：248-252. FU Li-qin，CHEN Shu-yue.Object data acquisition in reverse engineering[J].Journalof Testand Measurement Technology，2001，15（4）：248-252.（in Chinese）

[5]任雅萍，楊玉孝，趙明濤，等.層析式三維激光測量技術[J].激光與紅外，1997，27（4）：226-227. REN Ya-ping，YANG Yu-xiao，ZHAOMing-tao，etal.Laser threedimensionalmeasuring technique by cutting layer[J].Laser&Infrared，1997，27（4）：226-227.（in Chinese）

[6]鄧志東，牛建軍，張競丹.基于立體視覺的三維建模方法[J].系統仿真學報，2007（7）：3258-3262. DENG Zhi-dong，NIU Jian-jun，ZHANG Jing-dan.Three-dimensionalmodeling approach based on stereo vision[J].Journal of System Simulation，2007（7）：3258-3262.（in Chinese）

[7]Hong T，Chang T，Rasmussen C，et al.Feature detection and tracking formobile robotsusing a combination of LADAR and color images[C]∥IEEE Conference on Robotics and Automation.US：IEEE，2002：4340-4345.

[8]Borenstein J，Everett H R，Feng L，et al.Mobile root positioning：sensors and techniques[J].Journal of Robotic Systems，1997（14）：231-249.

[9]Carlos A F.A comparison of three TIN surfacemodelingmethods and associated algorithms[J].NCGIA，1995，12（12）：116-121. [10]Tsai V JD.Delaunay triangulations in TIN creations：a-n overview and a linear-time algorithm[J].International Journal of Geographical Information Systems，1993，7（10）：42-49.

[11]Lo S H.Delaunay triangulation of non-convex planar domains [J].International Journal for Numerical Methods in Engineering，1989，28（11）：2695-2707.

[12]Chai X J，Wen F，Cao XW，etal.A fast3D surface reconstruction method for spraying robot with time-of-flight camera[C]∥Proceedings of the IEEE International Conference on Mechatronics and Automation.US：ICMA，2013：57-62.

[13]喻鈞，楊武俠.數碼迷彩的生成算法[J].光電工程，2010，37（11）：110-114. YU Jun，YANGWu-xia.Research of digital camouflage generation algorithm[J].Opto-Electronic Engineering，2010，37（11）：110-114.（in Chinese）

[14]徐英.基于背景代表色提取的迷彩偽裝顏色選取算法[J].光電工程，2007，34（l）：100-103. XU Ying.Camouflage color selection based on dominant color extraction[J].Opto-Electronic Engineering，2007，34（l）：100-103.（in Chinese）

[15]賈其，呂緒良，吳超，等.馬爾科夫隨機場和金字塔模型用于數字迷彩圖案設計[J].應用科學學報，2012，30（6）：624-628. JIA Qi，LYU Xu-liang，WU Chao，et al.Applieation of Markov random field and pyramid structure in the design of digital pattern painting[J].Journal of Applied Sciences：Electronics and Information Engineering，2012，30（6）：624-627.（in Chinese）

[16]Nikolic IZ，Maksic V.Off-line programming of industrial robots by a personal computer[C]∥ Working Conference on Offline Programming of Industrial Robots.US：IEEE，1996：677-682.

[17]Cao XW，Wen F，Chai X J，et al.Rapid generation of spraying instructions for painting robot basing on automatic programming technology[C]∥Proceedings of the IEEE International Conference on Mechatronics and Automation（ICMA）.Tianjin：IEEE，2014：669-674.

[18]Cao XW，Wen F，Chai X J，etal.Zone divide of three-dimensional model for spraying application on industrial robot[C]∥Proceedings of the IEEE International Conference on Mechatronics and Automation（ICMA）.Takamatsu：IEEE，2013：1657-1662.

Research on Digital Pattern Automatic Painting System

XIEWei，ZHOU Zhi-yong，CAIYun-xiang，MU Jing-yang
（The First Engineers Scientific Research Institute，General Armaments Department，Wuxi214035，Jiangsu，China）

Digital pattern is a new camouflage technique，which has better camouflage effect.For the problem of low efficiency of artificial painting，four detection techniques，such as the 3D square gridmodeling ofmilitary equipment，the 3D digital pattern model generation，the spraying automatic path planning and the real time detection of lance position，are solved.A digital pattern automatic painting system is constructed.Test results show that the application of automatic system can effectively improve the painting efficiency of digital pattern，and promote the further development of digital pattern technology.

ordnance science and technology；camouflage；digital pattern；robot；three-dimensionalmodeling；instruction set generation；pattern design

TP24

A

1000-1093（2015）12-2396-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.12.025

2015-04-16

國防預先研究項目（ZLY2011410）

謝衛（1963—），男，高級工程師。E-mail：xiewei63983@sina.com；蔡云驤（1984—），男，工程師。E-mail：caibuyi@sina.com