基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的靶場(chǎng)高速攝影測(cè)速方法

劉澤慶,張玉榮,趙建新,杜博軍

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

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基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的靶場(chǎng)高速攝影測(cè)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(xué)院 火炮工程系,石家莊 050003;2.白城兵器試驗(yàn)中心,吉林 白城 137001)

摘要:針對(duì)靶場(chǎng)靜爆試驗(yàn)中破片測(cè)速難題,提出了基于攝影測(cè)量技術(shù)的破片測(cè)速方法。以某槍彈為例,開(kāi)展了測(cè)速試驗(yàn),建立了測(cè)試系統(tǒng),解決了測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)高速相機(jī)布置及參數(shù)設(shè)定問(wèn)題;研究了關(guān)鍵技術(shù),通過(guò)解析高速相機(jī)捕捉的彈丸運(yùn)動(dòng)圖像序列,還原了彈丸的運(yùn)動(dòng)軌跡方程,求解得到彈丸的飛行速度;并將試驗(yàn)結(jié)果與鋁箔靶測(cè)得速度進(jìn)行對(duì)比,相對(duì)速度誤差小于1%。實(shí)例表明,該方法能夠準(zhǔn)確測(cè)量破片的運(yùn)動(dòng)速度,測(cè)試結(jié)果可靠,測(cè)量精度能夠滿(mǎn)足靶場(chǎng)試驗(yàn)要求。

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

破片測(cè)速是靶場(chǎng)靜爆試驗(yàn)中的重要項(xiàng)目。目前,在靜爆試驗(yàn)中常采用區(qū)截法對(duì)破片測(cè)速,如接觸式靶網(wǎng)法。該方法測(cè)試操作簡(jiǎn)單、測(cè)試布站要求較低,但測(cè)得數(shù)據(jù)量小、測(cè)量誤差大、數(shù)據(jù)可靠性低,且每次試驗(yàn)都要制作大量的測(cè)速靶,試驗(yàn)后進(jìn)行目標(biāo)散布統(tǒng)計(jì)時(shí)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng),誤差較大,需要大量的人力和物力。高速攝影測(cè)速方法在靶場(chǎng)測(cè)速試驗(yàn)中有一定的應(yīng)用[2-3],但采用的多為膠片相機(jī),測(cè)試方法復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理效率低。近年來(lái),數(shù)字高速相機(jī)的發(fā)展為高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)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(yàn)中主要用于對(duì)靜爆過(guò)程的記錄和定性分析,在運(yùn)動(dòng)參數(shù)的定量計(jì)算方面應(yīng)用較少。

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量采用多個(gè)相機(jī)對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)影像進(jìn)行同步采集,通過(guò)解析多相機(jī)同步拍攝的像,就可以得到目標(biāo)在三維世界中的位置變化情況,這種數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)在地圖測(cè)繪、工業(yè)過(guò)程檢測(cè)、建筑、考古等中有著廣泛的應(yīng)用。在對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的破片進(jìn)行測(cè)速時(shí),用高速相機(jī)代替普通相機(jī),分別布置在2個(gè)不同的位置對(duì)破片的飛行過(guò)程進(jìn)行拍攝,通過(guò)圖像處理和坐標(biāo)解析,還原出破片在三維世界中的位置,實(shí)現(xiàn)對(duì)破片位置變化的跟蹤,并根據(jù)高速相機(jī)的拍攝幀頻計(jì)算出破片的速度。

1攝影測(cè)量原理

采用相機(jī)拍攝得到的二維圖片可以認(rèn)為是對(duì)三維空間的一個(gè)透視轉(zhuǎn)換,通過(guò)2個(gè)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(shè)物空間坐標(biāo)系為OXYZ,點(diǎn)P(X,Y,Z)為空間內(nèi)一點(diǎn),S1、S2分別為2個(gè)相機(jī),o1x1y1、o2x2y2為相機(jī)S1、S2成像的像平面坐標(biāo)系。

圖1　攝影測(cè)量原理

現(xiàn)以S1為例進(jìn)行說(shuō)明,設(shè)P在S1的像平面o1x1y1上的坐標(biāo)為P1(x1,y1),S1在物空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)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(jī)S1的焦距;a11,a12,…,c13是與相機(jī)姿態(tài)相關(guān)的參數(shù)。

同理,P在S2中有:

(2)

在目標(biāo)的2個(gè)像坐標(biāo)(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(diǎn)P的坐標(biāo)。

2系統(tǒng)組成與試驗(yàn)

2.1系統(tǒng)組成

高速相機(jī)測(cè)試系統(tǒng)主要由高速相機(jī)及配件、輔助設(shè)備等組成。

2.1.1高速相機(jī)及配件

高速相機(jī)主要包括相機(jī)、鏡頭和光源,相應(yīng)的配件有三腳架、云臺(tái)、高速存儲(chǔ)卡、線(xiàn)纜、GPS授時(shí)設(shè)備等。其中,相機(jī)安裝在三腳架上,由云臺(tái)連接,相機(jī)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(yàn)中,高速相機(jī)采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高速存儲(chǔ)卡中,試驗(yàn)結(jié)束后可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。GPS授時(shí)設(shè)備分別與2個(gè)相機(jī)相連,使2個(gè)相機(jī)時(shí)間同步。

2.1.2輔助設(shè)備

輔助設(shè)備主要有標(biāo)定桿9根、固定裝置、擋板、防彈玻璃。其中,9根標(biāo)定桿設(shè)置在相機(jī)的拍攝視場(chǎng)中,對(duì)標(biāo)定桿進(jìn)行處理,使其與背景相區(qū)分且容易辨認(rèn)。標(biāo)定桿由固定裝置固定在地面上,保證標(biāo)定桿在拍攝中不晃動(dòng)。擋板和防彈玻璃布置在高速相機(jī)周?chē)?在拍攝彈丸時(shí),只需簡(jiǎn)單防護(hù),但是在拍攝靜爆過(guò)程中,破片飛散時(shí)要著重布置,其厚度及數(shù)量視相機(jī)與距爆心的距離、破片威力等而定。

2.2關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.2.1雙相機(jī)的同步和觸發(fā)

2個(gè)相機(jī)分別對(duì)飛行的彈丸進(jìn)行拍攝時(shí),只有實(shí)現(xiàn)2個(gè)相機(jī)精確同步才能保證所拍攝的像對(duì)是彈丸在同一位置的影像,才可以準(zhǔn)確還原出彈丸物空間坐標(biāo)。為2臺(tái)高速相機(jī)分別連接GPS授時(shí)設(shè)備,通過(guò)IRIG-B碼將2個(gè)設(shè)備同步為GPS時(shí)間。同時(shí),將相機(jī)設(shè)定B碼同步模式。采集完成后,只需將2個(gè)圖像序列第1張圖像的時(shí)間對(duì)齊,即可保證時(shí)間的同步。

雙相機(jī)的觸發(fā)可以選擇手動(dòng)觸發(fā)或聲音/振動(dòng)觸發(fā)。手動(dòng)觸發(fā)需要通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)將高速相機(jī)與控制計(jì)算機(jī)連接,建立局域網(wǎng),通過(guò)計(jì)算機(jī)手動(dòng)控制觸發(fā)。聲音/振動(dòng)觸發(fā)通過(guò)聲音/振動(dòng)觸器自動(dòng)觸發(fā),不需要進(jìn)行人為干預(yù),但是可靠性略低。

2.2.2高速相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定

高速相機(jī)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(jī)屬性相關(guān),外參數(shù)反應(yīng)相機(jī)拍攝時(shí)的位置和姿態(tài)。只有知道了高速相機(jī)的內(nèi)外參數(shù),才能夠?qū)椡柙趫D像上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為物空間坐標(biāo),因而進(jìn)行相機(jī)參數(shù)標(biāo)定是攝影測(cè)量的重要組成部分。

以相機(jī)1為例,在進(jìn)行相機(jī)參數(shù)標(biāo)定時(shí),像點(diǎn)坐標(biāo)和物空間坐標(biāo)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(gè)參數(shù)。由方程(3)可知,每個(gè)已知點(diǎn)可以建立2個(gè)線(xiàn)性方程,因而為了確定出2個(gè)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù),需要5個(gè)已知點(diǎn)才能完成標(biāo)定。在試驗(yàn)中,采用設(shè)置標(biāo)定桿的方法,標(biāo)定桿的位置參數(shù)均為已知。

2.3現(xiàn)場(chǎng)布置

相機(jī)布置時(shí),尤其是在火炮彈丸速度測(cè)量試驗(yàn)中,為了防止炮口火焰強(qiáng)光干擾,2個(gè)高速相機(jī)布置時(shí)采用不正對(duì)炮口拍攝,如圖2所示。在進(jìn)行標(biāo)桿布置時(shí),布置了9根標(biāo)桿L1,L2,…,L9,如圖3所示。

圖2　高速相機(jī)布置

圖3　標(biāo)桿布置

現(xiàn)場(chǎng)布置完成后,需要對(duì)2個(gè)相機(jī)、9根標(biāo)定桿的實(shí)際位置進(jìn)行精確測(cè)量,以便進(jìn)行相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定。

2.4高速相機(jī)調(diào)節(jié)

2.4.1高速相機(jī)曝光時(shí)間調(diào)節(jié)

曝光時(shí)間是高速相機(jī)進(jìn)行圖像采集的重要參數(shù),對(duì)采集到圖像的質(zhì)量有重要影響。曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng),目標(biāo)拖影情況較嚴(yán)重,圖像質(zhì)量較差;曝光時(shí)間過(guò)短,圖像亮度過(guò)低,使得圖像難以辨識(shí)。拖影的長(zhǎng)度與曝光時(shí)間和目標(biāo)飛行速度成正比,因而在滿(mǎn)足亮度需求的情況下,盡量減小曝光時(shí)間。

2.4.2高速相機(jī)幀頻與分辨率調(diào)節(jié)

幀頻的設(shè)置決定了在有限視場(chǎng)中采集到有效圖像的數(shù)目。由于圖像存儲(chǔ)速度的原因,高速相機(jī)的幀頻受到圖像分辨率的影響。為了在有限的視場(chǎng)中獲取更多的目標(biāo)點(diǎn),在進(jìn)行高速相機(jī)參數(shù)設(shè)置時(shí),可選擇優(yōu)先保證圖像分辨率,再調(diào)節(jié)幀頻。幀頻的設(shè)置不宜過(guò)大,幀頻過(guò)大容易導(dǎo)致目標(biāo)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(yùn)動(dòng)軌跡提取

為驗(yàn)證該方法的可行性,進(jìn)行了某槍彈測(cè)速試驗(yàn),選擇拍攝幀頻為1 000 s-1。以相機(jī)S1拍攝到的彈丸飛行圖像為例進(jìn)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(biāo)較小,很難采用邊緣提取的方法對(duì)彈丸進(jìn)行提取。但是在拍攝過(guò)程中,相機(jī)基本保持不動(dòng),可以認(rèn)為背景是恒定不變的,因而可以采用幀間相減的方法進(jìn)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(yīng)圖像上任意一點(diǎn)(u,v)點(diǎn)的灰度值記為gp1(u,v),gp2(u,v),gp3(u,v),…,對(duì)于相鄰的2張圖像pn-1和pn,在點(diǎn)(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(guān)察,對(duì)原圖像進(jìn)行反色處理(為觀(guān)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(jī)對(duì)彈丸飛行過(guò)程進(jìn)行拍攝時(shí),由于環(huán)境影響和相機(jī)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(shuō)明了這一點(diǎn)。但是由于彈丸目標(biāo)較小,只有幾個(gè)像素,很難采用中值濾波等方法進(jìn)行噪聲去除。因而,對(duì)得到的前景圖像的各個(gè)灰度值(g)像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)(N)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),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(diǎn)的個(gè)數(shù)較多，因而像素點(diǎn)個(gè)數(shù)只截取到20。從圖中可以看出，只有少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)的灰度值明顯大于大多數(shù)像素點(diǎn)，通過(guò)與目標(biāo)前景圖像進(jìn)行比較可知，灰度值較大的像素點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)。因而，可以通過(guò)對(duì)直方圖的統(tǒng)計(jì)獲取閾值門(mén)限，采用閾值門(mén)限對(duì)圖像閾值分割，將小于閾值的像點(diǎn)像素置0，其它點(diǎn)像素置為1，這樣就可以將目標(biāo)從背景中分割出來(lái)，得到目標(biāo)點(diǎn)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(biāo)系的建立

建立圖像坐標(biāo)系,以圖像中心為原點(diǎn)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(biāo)系

建立物空間坐標(biāo)系,以標(biāo)定桿L5頂點(diǎn)為原點(diǎn)O,指向L4方向?yàn)閄軸,指向天空方向?yàn)閅軸,指向L2方向?yàn)閆軸,如圖9所示。

圖9　物空間坐標(biāo)系

3.3.2彈丸軌跡擬合求解

對(duì)一個(gè)圖像序列進(jìn)行處理,將得到的彈丸前景圖像進(jìn)行疊加,得到彈丸的運(yùn)動(dòng)軌跡,如圖10所示。

圖10　彈丸軌跡

根據(jù)圖像坐標(biāo),計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo),并進(jìn)行線(xiàn)性擬合,得到彈丸在圖像上的運(yùn)動(dòng)軌跡,如圖11所示。對(duì)應(yīng)的軌跡方程為

y1=0.084x1+2.021

(3)

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

x1=157.113t-12.381

(4)

同理,對(duì)相機(jī)2同步拍攝的11張圖像進(jìn)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(diǎn)A、B,設(shè)2點(diǎn)的位置坐標(biāo)分別為(XA,YA,ZA)、(XB,YB,ZB),彈丸經(jīng)過(guò)A、B的時(shí)刻分別為tA、tB。那么,

ΔtAB=tA-tB

(7)

(8)

則A、B兩點(diǎn)間的平均速度為

(9)

在采用高速攝影測(cè)量的同時(shí),設(shè)置鋁箔靶對(duì)彈丸的速度進(jìn)行測(cè)量。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后,鋁箔靶法測(cè)得彈丸飛行速度為965.2 m/s。2種方法的測(cè)量差為7.1 m/s,誤差為0.74%。該方法測(cè)試得到的速度同鋁箔法測(cè)得的速度大小有一定誤差,主要來(lái)自于彈丸位置提取時(shí)采用的幀間相減方法,在鄰幀圖像差分過(guò)程中,彈丸的部分信息被弱化,在進(jìn)行閾值分割時(shí)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(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換這部分誤差被進(jìn)一步放大。

4結(jié)束語(yǔ)

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

如果對(duì)目標(biāo)提取跟蹤算法適當(dāng)進(jìn)行改進(jìn),并加入目標(biāo)識(shí)別、運(yùn)動(dòng)位置預(yù)測(cè)等算法,就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的提取和跟蹤,不僅能夠?qū)ζ破旱乃俣冗M(jìn)行測(cè)試,還能夠?qū)ζ破旱目臻g分布進(jìn)行分析,這對(duì)靶場(chǎng)靜爆試驗(yàn)中戰(zhàn)斗部毀傷能力的評(píng)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(lèi)號(hào):TJ06

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-499X(2015)04-0047-05

作者簡(jiǎn)介:劉澤慶(1991- ),男,碩士研究生,研究方向?yàn)閺椀缹W(xué)理論與技術(shù)。E-mail:liuzeqing320123@sina.com。

收稿日期:2015-09-07