基于交匯攝影的海上打靶偏差測量方法及應用

侯寶娥, 唐 恒, 楊緒升

基于交匯攝影的海上打靶偏差測量方法及應用

侯寶娥1, 唐 恒2, 楊緒升2

(1. 中國人民解放軍91439部隊, 遼寧 大連, 116041; 2. 中國人民解放軍91388部隊, 廣東 湛江, 524022)

落點偏差是評價槍炮類武器打擊效果的重要參數之一。海上試驗武器落點偏差測量一般采用高空攝影定位法, 需直升機或無人機搭載測量設備, 并由測量船在武器預定落區布放若干輔助浮標, 才能完成參數測量, 該方法組織實施難度大、測量風險高、費用高。綜合考慮各種因素, 針對某些目視范圍內的海上打靶落點偏差測量, 文中提出一種依據交匯攝影原理的測量方法, 推導出同平臺雙位置攝影測距算式, 并經實驗測試數據驗證了方法的正確性。通過海上試驗, 證明了該方法的可行性和實施便捷性, 且該測量方法不需要額外的測量平臺輔助, 動用兵力少, 節約了試驗經費, 可為同類型海上試驗或海上射擊打靶訓練考核提供參考。

偏差測量; 海上試驗; 打靶考核; 交匯攝影

0 引言

隨著海軍武器裝備升級和軍事訓練法的不斷發展, 愈來愈多的新型武器裝備試驗鑒定或實彈打靶射擊訓練得以實施, 用以考核武器裝備的打擊效果或部隊的訓練水平, 因此, 武器落點偏差成為重要的考評依據。海上試驗武器落點測量不同于陸上落點測量, 由于海水流動性導致目標位置不斷變化, 武器的落點痕跡生存期短, 再加上不宜抵近測量等因素, 傳統的光學測量方法失效, 因此, 快速準確地捕捉彈丸落點和打擊目標的相對位置成為試驗關鍵環節, 這方面高空攝影定位法[1-3]具有一定的優勢。但該方法也存在一定缺陷, 比如動用兵力多, 攝像姿態角要求嚴格, 關鍵環節把控難度大, 測算周期長等。文中針對目視范圍內的近距離武器落點偏差測量, 提出一種簡單易實施的測量方法: 根據交匯攝影原理[4-9], 推導出同平臺雙位置攝影測距算式, 經驗證可快速解算海上打靶位置偏差, 方法簡單便于實施和推廣應用。

1 交匯攝影測量原理

由光學成像原理[6-7]可知, 任何物像都是實物在相機光軸垂面上的縮比投影, 當斜拍即物平面不能垂直于光軸時所取得的影像將不能真實地反映物體長寬關系。假設有一棒狀物長為, 在與其共面的點對其拍攝時有效成像長度為L, 在點對其拍攝時有效成像長度為L, 2處相機成像光軸與連線的夾角分別為、,與、連線的任意夾角為。由于拍攝角度的不同, 如果存在兩處成像中端點都在端點的同側情況, 即都在的左側或右側, 此時稱之為同向, 否則稱之為異向。根據兩相機距離的不同,在連線上的投影若落在中間稱為異側交匯拍攝, 投影若落在外則稱為同側交匯拍攝, 如圖1~圖4所示。

圖1 交匯測量異側同向示意圖

圖2 交匯測量異側異向示意圖

圖3 交匯測量同側同向示意圖

圖4 交匯測量同側異向示意圖

對圖1異側同向存在如下關系

對圖2異側異向存在如下關系

在圖2中當<時也是同向, 此時關系為

綜合式(1)~(3), 得出

如果、、不共面, 即與平面或存在一夾角, 且這一夾角的影響不可忽略時,L則要用式(5)修正以降低縱向上的透視影響

對圖3同側同向存在如下關系

對圖4同側異向存在如下關系

綜合式(6)~(8), 得出

同樣考慮到物平面和拍攝面的夾角的關系, 必要時L也要用式(5)修正。

凸透鏡成像原理說明, 物體成像大小和真實大小的映射關系跟成像條件相關, 對于同時攝入的2個或多個物體成像大小之比例和它們真實尺寸的大小對應比例相同。文中驗證實例中采用圓形乒乓球作標尺, 通過量取被測目標與乒乓球水平方向上的成像像素來換算被測目標的有效成像長度, 經式(4)或式(9)估算得到被測目標的長度。

2 實驗驗證

2.1 測試條件設置

為了驗證上述思路的正確性和數據采集的嚴謹性, 測試在鋪滿瓷磚的小廣場上進行, 圖5(b)中每塊瓷磚尺寸大小為60 cm×60 cm, 拍攝位置依次如圖5(a)中的、、、所示, 圖5(a)中每一小格為5.4 m×5.4 m, 這樣、和間距分別為16.2 m、16.2 m和32.4 m。5號足球(正常內壓)定點位置到拍攝連線的距離為48.6 m, 標準比賽用乒乓球(直徑40 mm), 依次放在圖5(b)位置放大圖所示的3個位置1、2、3上, 使用Canon EOS 70D焦距135 mm 在、、、4個位置分別攝像(均使2球處于圖像中央), 共采集樣本圖片12張。圖6和圖7分別是位于點和點拍攝時乒乓球在位置2的成像結果裁剪圖。

2.2 計算流程

計算處理過程[7-9]如圖8所示, 根據此流程編制數據處理軟件, 軟件界面如圖9所示。

圖5 拍攝條件設置

圖6 A點對足球和位置2的乒乓球攝像結果

圖7 D點對足球和位置2的乒乓球攝像結果

圖8 計算流程

圖9 數據處理軟件界面

2.3 計算結果

根據圖5拍攝條件設置, 可以計算或測量得到兩球間距真值為3.5 m。各位置點坐標及該處相機拍照光軸傾角(拍攝方向)計算結果和拍攝距離統計見表1。

根據圖8計算流程, 針對不同位置的樣本圖像取其中8種組合, 利用式(4)或式(9)測算結果和誤差統計見表2。其中, 照片代碼中的字母表示拍攝位置, 數字表示乒乓球的擺放位置, 如2表示在點對足球和位置2處的乒乓球拍攝圖像。兩球相距真值3.5 m, 乒乓球直徑0.040 m。

表1 計算所需參數表

表2 不同態勢計算結果統計(以乒乓球為標尺)

如圖10所示, 觀察正割函數sec()在(0, 90°)的變化曲線發現, 當傾斜角度小于10°時, 對拍攝效果的影響小于1.5%。實例中按照各點拍攝高度1.6 m計算,點的最大傾角為1.84°, 最大傾角誤差為0.051%, 因此實例驗證中忽略了傾角影響, 只利用式(4)或式(9)修正。

2.4 結果分析

表2選取的幾種典型姿態組合基本上涵蓋了打靶落點在目標周圍的典型情況, 有的呈共線或遮擋姿態(第7種組合), 有的呈正橫姿態(第6種組合), 有小角度斜拍(第4種組合), 各種態勢計算結果確能很好地反映設置真值, 表明了文章提出的交匯測量方法的正確性。

圖10 sec(a)函數曲線

第2和第4種組合測算結果誤差明顯大于其他組合, 是由于圖7中乒乓球受側光影響, 球的右側邊緣和背景融合, 導致在水平方向上邊緣提取失準, 帶來較大的計算誤差。這說明, 圖像判讀中標尺輪廓清晰程度影響邊緣提取, 對測量結果有很大影響, 所以令標尺和背景對比明顯是實施中的重要考慮原則[10]。第7種組合則避開了陰影影響, 在豎直方向量取小球最大邊緣作標尺, 從而有效降低了測算誤差。

同時, 圖像判讀過程表明, 用圓形球作標尺可以有效避免拍攝角度的影響, 提高測算精度。需要說明的是, 文中言及的前相機、后相機沒有嚴格意義上的方向指向, 不影響計算結果; 表2和表3中3次測量誤差不一樣, 是因為對同一圖片多次判讀, 邊界每次都不同所致。表3中2球相距真值3.5 m, 足球直徑0.202 m。

理論上被測距離與標尺的比值越大, 標尺像素讀取偏差帶來的計算誤差就越大。通過用足球作標尺再次進行表2各種組合計算時, 誤差相對穩定, 見表3, 這也說明了此結論的正確性。因此, 在工程實踐中應用該方法測量距離時應該選擇大小合適、顏色合適的參照物作標尺。

實例中采用一大一小2球進行拍照對比結果表明, 通過縮比模型實驗, 可選用適當大小的參照物作對比, 實施遠距離拍攝測量。該方式已成為一種可行的海上測量手段。

表3 不同態勢計算結果統計(以足球為標尺)

3 海上試驗實踐

分析發現, 計算過程中用到的數據只需一個相機的拍攝角度和拍攝距離, 另外一個相機的拍攝角度和拍攝距離可根據兩相機的間距, 通過三角函數關系求解?；诖? 只需槍炮的射擊方向和打擊距離便可換算出已知位置相機的拍攝角度和距離, 而這2個參數是無人值守自動打擊必需的射擊要素, 可按需查詢。因此對能在已知尺寸的打擊目標周圍激起水花或水柱的距離測量皆可采用文中所述交匯測量法進行計算。圖11是某型反蛙人彈進行海上三連發打擊效果考核時錄取的圖片。圖中紅色球形標尺代表海上威脅目標的位置(黃色圓圈圈示), 探測聲吶對其定位后控制發射炮實施實彈打擊, 位于本艦前后相距一定距離的2臺相機同時攝錄包含目標在內的武器入水畫面。要求在試驗前將相機與武器發射系統進行對時, 以便于試驗后查找對應于攝像時刻的打擊角度和方位數據。具體實施方法如下。

2臺照相機分別位于發射炮后方、艦艇后端一定位置, 對含目標在內的武器入水畫面攝像, 且2臺相機距艦艇舷側距離大致相等, 以盡量保證2臺相機連線與艦艇航向(龍骨)平行。如果空間位置不允許相機位于發射炮后方拍攝, 亦可位于發射炮兩側的安全區域內, 使兩相機與發射炮共線, 并與艦艇航向平行。如圖12所示異側拍攝, 其中為發射炮位置,和分別為發射炮的打擊方向和打擊距離, 前相機距發射炮距離為, 后相機距發射炮距離為, 則前、后相機的拍攝方向、可由正弦定理解出, 計算公式為

圖11 某型反蛙人彈海上實彈射擊

圖12 海上試驗2臺相機異側拍攝示意圖

Fig. 12 Schematic diagram of two cameras shooting on different sides in sea trial

由于艦艇平臺空間限制, 一般情況下, 在試驗實施時將兩相機盡量拉開距離, 以保證二者拍攝圖像有明顯區別, 便于圖像判讀, 減小判讀誤差。

根據文中測量方法, 現場快速給出了彈著點位置偏差, 結合其戰技指標殺傷半徑, 為現場判斷聲吶探測實彈打擊效果提供了有效的數據支撐, 體現了一定的軍事效益和經濟效益。

4 結束語

武器裝備的海上試驗訓練最重要的一環便是作戰效能評估, 而槍炮類的打擊效果多以其落點偏差來判斷。文中所述交匯測量落點偏差原理簡單, 根據驗證實驗結果可知, 這一測量方法測算誤差小, 可操作性強, 且不需要額外的測量平臺輔助, 動用兵力少便于實施。受限于場地和拍攝條件, 未開展一定高度拍攝的實驗驗證, 對拍攝高度傾角的影響只給出了定性分析, 在條件具備時將進行進一步的實驗驗證, 以便為測量平臺較高時的測量傾角影響分析提供指導。

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Deviation Measurement Method for Shooting Test at Sea Based on Intersection Photography

HOU Bao-e1, TANG Heng2, YANG Xu-Sheng2

(1. 91439thUnit, the People’s Liberation Army of China, Dalian 116041, China; 2. 91388thUnit, the People’s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

The fall point deviation is one of the important parameters for evaluating the hitting effect of gun weapons. Aerial photography is used to measure the fall point deviation in sea trial, however this measurement method requires helicopter or unmanned aerial vehicle(UAV) to carry measurement equipment, and requires survey ship to deploy several auxiliary buoys in the predicted area for completing the parameter measurement. Accordingly, the organization and implementation of this method get into difficulty, high measurement risk, and high cost. This paper proposes a measurement method for the fall point deviation in the visual range in shooting test considering the factors mentioned above. According to the principle of intersection photography, two-position-on-same-platform photography ranging formula is deduced, and the correctness of this method is verified by experimental data. The feasibility and convenience of this measurement method are proved in sea trial. This method does not need additional measurement platform, uses less military force and saves test cost. It may serve as a reference for assessment of the same type sea trial or shooting test.

deviation measurement; sea trial; shooting test; intersection photography

TJ015; TB869

A

2096-3920(2020)04-0461-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.017

2019-12-30;

2020-01-17.

侯寶娥(1974-), 女, 高級工程師, 主要研究方向為武器系統試驗.

侯寶娥, 唐恒, 楊緒升. 基于交匯攝影的海上打靶偏差測量方法及應用[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(4): 461-466.

(責任編輯: 許 妍)