基于光幕觸發CCD交匯連發彈丸坐標處理方法研究

何 凱，張 斌，閆鑫龍，孟凡軍，張大舜

(1.中北大學 電子測試技術國防重點實驗室，太原 030051；2.中國兵器工業集團 第五五研究所，長春 130000)

0 引言

高速連發武器的彈著點坐標是衡量連發武器性能優劣的重要指標。連發測試過程中，對于彈著點坐標的測量是靶場測試中評估彈道特性和彈道系數的重要參數，對武器系統的優化設計具有重要意義[1-3]。目前國內外用來測量連發彈丸坐標的主要方法之一是CCD線陣交匯系統。

線陣CCD交匯測試方法主要用到2臺線陣CCD相機，兩臺相機的視角在空中交匯而成虛空立靶，當彈丸經過視場交匯的空間時，兩臺線陣CCD相機可以拍到彈丸的位置信息，根據該信息即可結算出坐標[4-6]。用線陣CCD進行非接觸測試的方法結構簡單、測量精度高，目前已被廣泛使用[7-12]。而測連發彈丸坐標的傳統方法指相機一直以最大幀頻持續拍攝，拍攝完成后處理所有圖像得到所有彈丸坐標，該方法產生的數據量巨大并需要對所有圖像進行處理，處理時間過長[13-16]。

為了滿足連發武器研制中測量射擊精度的要求，針對CCD線陣交匯系統中測試彈丸連發坐標時以最大幀頻連續拍攝，數據量過大而導致處理時間過長的問題，以及多個彈丸同時過靶的問題，本文提出基于多峰值檢測算法和自適應閾值的目標檢測算法的快速檢測連發彈丸坐標算法，該方法能快速檢測出準確的連發彈丸坐標，大幅縮短處理時間，并且保證了連發彈丸坐標的正確率，將彈丸過靶信號與彈丸圖像信息進行匹配，排除了連發過程中因多個彈丸圖像同時在一張圖片中引起的錯誤識別的問題。

1 CCD交匯測試系統組成

本文采用雙CCD交匯[17-19]的方法對過靶彈丸進行坐標檢測。

將兩臺線陣CCD布置在同一平面內矩形的兩個底角，該矩形平面即為靶面,當彈丸穿過靶面時兩個CCD可從兩個底角捕捉到彈丸的位置信息,再通過布陣的三角形關系即可得到彈丸的位置坐標信息。

如圖1所示，將兩臺線陣CCD相機放置于靶面的左右兩側，左側為CCD1，右側為CCD2。圖中方形視場交匯區域即為彈著點測試有效靶面，當彈丸通過該區域時，利用雙目視覺原理可以準確獲取彈丸的坐標信息，兩臺線陣CCD相機的焦距分別為f1與f2，線陣相機光心坐標分別為O1(xo1,yo1)和O2(xo2,yo2)，相機與水平線的夾角分別為α1和α2。彈丸在各CCD圖像中所成目標像素區域的中心位置表示為Ai1和Ai2，da為線陣相機的單個像元尺寸，利用公式(1)可以準確獲取彈丸的坐標信息(xi,yi)。

圖1 線陣式CCD交匯靶

(1)

2 連發彈丸坐標處理方法

2.1 激光光幕觸發方式設計

觸發方式采用激光光幕方式進行觸發，與天幕靶不同，測試系統的光源選用人造光源，采用半導體激光器發射激光，經原向反射屏發射到廣角鏡頭形成探測光幕面，檢測空間中是否有彈丸飛過光幕，大視場角的光學鏡頭接收匯聚原向反射屏的反射光，光電二極管配合光電調理放大電路輸出彈丸通過光幕時的信號，用于啟動圖像采集模塊。

多峰值檢測算法需要根據彈丸的過靶波形信號來確定彈丸對應的圖像在相機拍攝的所有圖像中的位置。為了獲取彈丸過靶的波形信號，在傳統雙線陣高速相機交匯的基礎上，采用90°的“一”字線型半導體激光器配合原向反射屏形成探測光幕，通過大視場角的光學鏡頭接收會聚原向反射屏的反射光，選用光電二極管檢測彈丸過靶時的光通量變化，輸出過靶信號。保證系統在整個靶區內都可以有效探測過靶目標。

在傳統雙線陣高速相機交匯立靶系統的基礎上，使用激光光幕具有抗干擾強、光束整形質量好，可靠性高、設備測試精度高等特點；同時激光光源配合大視場角光學鏡頭的結構具備有效視場大，成像清晰的優勢。可以增強測量光幕的探測和反應速度方面的性能，以此達到系統快速反應、測量準確的特點系統結構如圖2所示。在同一水平線上，放置兩個線陣CCD相機和光電轉換模塊，線陣CCD相機拍攝的每一幅圖片都由409 600(10行4 096列)個像素點組成，兩個相機位置處分別放置一個激光器，激光器發射出90°的扇形光幕，AC，CD和DB處都放置反射裝置，激光經反射裝置反射后在相機上成像，激光交匯形成光幕面為坐標系平面。當連發彈丸通過兩臺主機呈45°仰角并分置于同一直線上組成的激光光幕時，彈丸過靶遮擋的光通量變化會引起兩臺主機中光電轉換器的電平變化并產生觸發信號，觸發信號會被傳遞給主控箱觸發器模塊；只有觸發器接收到觸發信號時才會觸發CCD相機進行拍攝，而CCD相機在無彈丸過靶時是全亮的清晰視界，只有彈丸過靶會產生阻擋光線的陰影。CCD相機拍攝的圖像通過TCP協議將數據依次傳輸至上位機，同時光電轉換模塊產生的電平變化會被采集卡記錄下來同樣通過TCP協議傳遞給上位機。上位機通過時序邏輯控制和數據處理得到正確的過靶坐標并顯示。

圖2 測試系統結構圖

作為雙激光交匯測量系統的測量主機，主要功能有：產生激光光幕、檢測過靶信號、拍攝過靶圖像、產生過靶模擬信號、產生過靶數字信號。以上5個功能滿足了捕捉、識別過靶彈丸的所有要求。

按照硬件功能的不同，測量主機包含光學收發模塊、CCD線陣相機模塊和光電轉換模塊組成。CCD相機模塊主要由CCD線陣高速相機、固定裝置組成；光學收發模塊由廣角鏡頭、激光發射裝置及配套反射鏡組成；光電轉換模塊則負責將彈丸過靶產生的光信號轉換成設計好的模擬信號和數字信號。

為了在CCD相機中成清晰并且準確的過靶圖像，需要全面地評估鏡頭的各個性能參數。激光光幕較為匯聚，彈丸過靶速度快時間短，所以選擇大口徑廣角光學鏡頭對原向反射屏反射回來的激光進行匯聚與整理。相機的焦距是光通過鏡頭精確成像的最小路徑長度，實驗中需要選擇匯聚能力強且焦距短的鏡頭，使其能夠將整個視場的光線匯聚在一起，故而選擇24 mm焦距的短焦鏡頭。光圈數是指焦距f與相機鏡頭的入射光瞳直徑D的比值。其作用在于調節光線入射的多少，改變成像的亮度。測試過程中需要準確檢測光通量的變化，產生彈丸過靶信號，用于觸發相機拍攝彈丸過靶圖片以及對圖像數據的篩選工作，所以要求所選鏡頭具備大通光量，選取F值最小為1.4的大光圈光學鏡頭。根據上述分析，選用大光圈定焦光學成像鏡頭，為了擴大有效的探測范圍，需要選擇大廣角鏡頭來收集光線，綜合以上考慮選取84.1°廣角光學成像鏡頭。

為了形成激光光幕交匯成像，需要形成兩片扇形激光光幕并調整兩者位置形成交匯靶面。選擇一字型發射角大的大功率激光器，同時還需要其發熱小、體積小、能效比高、工作穩定。故此選擇發散角為90°的高穩定半導體激光器。使用原向反射屏可以極大增強激光光線的反射效率，使得原本探測不到、成像不清、區別度低的靶面區域得到有效的改良與提高。使得測量主機在有效靶面內靈活探測過靶信號成為了可能，也使得主機內的高速CCD相機成像均勻、亮度高、對比度大。因此在整個靶面中，測量過靶彈丸的過程中，原向反射屏起到了匯聚光線，輔助成像的效果，增強了探測范圍，提高了過靶信號的探測靈敏度，增強了CCD相機的成像信噪比。

如圖3當第一發彈丸通過光幕時，光電轉換模塊將光通量變化轉換成電信號產生過靶信號，過靶信號傳遞給觸發器，觸發器在收到過靶信號后，發送觸發信號給相機，相機開始在設定的采集時間內連續拍攝彈丸過靶圖像。采集結束后上位機得到多幅待檢測圖像和一段過靶信號數據。對過靶信號數據使用多峰值檢測算法進行處理，得到每發彈丸對應圖像在數千幅圖像中的位置，挑選彈丸對應的圖像，再使用自適應閾值的目標檢測算法求出目標的像素坐標。最后使用像素坐標剔除算法確定該發彈丸的準確坐標。

圖3 連發彈丸坐標處理方法流程圖

連發模式需要觸發器在被首發彈丸觸發后產生連續的觸發序列。而在精準測量高速CCD相機的響應延遲后，需要設計符合連發彈丸測量模式的觸發器。在連發彈丸測量模式下，兩個高速相機CCD1和CCD2均被設置為外觸發，曝光時間10 μs，采集頻率18 500 Hz，以10幀圖像組合為一幅圖像，采集一幅圖像時間為0.54 ms。

觸發器連發模式的設計目的在于接收到觸發信號后使兩個高速線陣相機CCD1和CCD2同時同步以最大幀頻連續觸發一定的時間，并將開始采集的命令傳遞給采集卡，使采集卡開始采集信號，最后將采集結束的信號傳遞給上位機。為給予兩個高速相機一定的反應時間，連發模式采集時間間隔設置為0.6 ms。

上位機依靠TCP/IP協議與觸發器模塊進行通信，上位機作為TCP Client會保留觸發器模塊的IP地址，觸發器被設置為TCP Server接收；觸發器模塊通過外部中斷接收光電轉換模塊傳遞的觸發信號，只有在一定時間內接收到觸發信號才完成一次觸發，否則觸發器模塊將觸發信號清零；觸發器模塊完成一次觸發后將同時給CCD1、CCD2和采集卡傳遞開始采集的信號，CCD1和CCD2將按照采集信號進行圖像采集，采集卡同樣開始接收并記錄光電轉換模塊傳遞的模擬信號。

2.2 過靶信號多峰值檢測算法

彈丸坐標時，相機以最大幀頻連續拍攝圖像，同時接收變化的過靶信號，其時序如圖4所示。

圖4 信號時序圖

在系統進行坐標測量時，激光器產生的激光光幕既是測坐標光幕，也是外觸發光幕。當有彈丸穿過激光光幕時，產生光通量變化，這些光信號經過原向反射屏反射，并被光學成像鏡頭匯聚到光電轉換器上，光電轉換器將探測到的變化的光信號轉化為電壓信號，最后經過峰值保持電路與電壓比較器將模擬電壓信號轉換成數字信號，并將該觸發信號傳遞給觸發器同時將模擬電壓信號傳遞給高速采集卡。

第一發彈丸通過光幕觸發了CCD1和CCD2相機，兩相機拍攝第一幅圖像并繼續以最大幀頻連續拍攝，同時采集到一個完整的過靶信號波形，其波峰值時刻為t0，由圖可知其波峰值時刻t0和相機拍攝時刻幾乎重合；而第二發和第三發彈丸通過光幕時產生的過靶波形波峰值時刻分別為t1和t2，而t1和相機拍攝時刻有時間差，t2同樣如此；第i發彈丸通過光幕時產生的過靶波形波峰值時刻為ti，ti和相機拍攝時刻有時間差。由圖2可知，第一發彈丸的波峰值時刻和相機的拍攝時刻重合；一個波峰值時刻僅能對應在一張相機圖像上，第i發彈丸的過靶時刻可以對應相機拍攝的第m張圖片。

為了得到所有彈丸的波峰值時刻，同時得到該發彈丸在拍攝的多幅圖像中的唯一對應位置，本文提出了針對過靶數據的多峰值檢測算法，在大于指定閾值的區間內尋找波峰最大值，其流程如圖5。

圖5 多峰值檢測算法流程圖

而彈丸的波峰值時刻也就是彈丸的過靶時刻，引入指定閾值并遍歷整個數據，在所有相鄰的兩指定閾值間找出波峰值的時刻。公式如(2)。

(2)

其中:Vlres(t)和Vrres(t)為相鄰的兩個幅值等于指定閾值的幅值點，V(t)是Vlres(t)和Vrres(t)范圍內的所有幅值點，其中最大的幅值點就是波峰值Vp。為得到所有彈丸波峰值時刻，遍歷數據時持續將左邊界Vlres(t)和右邊界Vrres(t)隨數據后移即可。將t0記為第一發彈丸的波峰值時刻，ti記為第i發的波峰值時刻。遍歷整個過靶信號數據后得到所有彈丸的波峰值后，繼續計算彈丸所在圖像位置。以第i發過靶彈丸所在的圖像位置為例。

(2)

如公式(2)，相鄰圖像之間間隔為相機以最大幀頻拍攝的時間間隔記為Δttri，所在圖像位置為第m幅，m為四舍五入的整數。因為m是個約數，根據冗余原則，將第m-1、m、m+1張三張圖像依次拼接，合為一張組合圖像。然后使用下文中自適應閾值的目標檢測算法對其處理得到目標的像素坐標。

2.3 目標檢測算法

在對采集到的圖像數據進行分析時可以發現，整個圖像的背景具有縱向整齊，非彈丸部分規則的特點；而彈丸著靶點圖像如圖6，當彈丸穿過激光光幕時，該部分激光被遮擋，映射到相機探測面內會產生黑色光斑，與背景灰度值差異明顯，但彈丸形狀因著靶速度與圖像位置差異較大。根據以上分析，選擇使用形狀處理與自適應閾值的灰度重心法結合的方式來處理圖像。

圖6 彈丸過靶圖像

在對第i發彈丸的合成圖像進行處理時，需要對圖像中是否有彈丸和有幾個彈丸進行檢測。算法流程分為背景處理和自適應閾值的灰度重心法兩部分，如圖7所示。

圖7 算法流程圖

背景處理：首先，在拍攝目標圖像前會先拍攝一幅無彈丸目標的背景圖像，灰度模式讀入背景圖像和目標圖像；然后將背景圖像灰度值反轉并與目標圖像融合，得到了以縱向背景和彈丸邊緣消減后的處理后圖像。

自適應閾值的灰度重心法：由于彈丸著靶與圖像背景所成像的灰度值差異巨大，利用灰度重心法[20-23]計算出圖像中灰度值權重大的質心坐標，把它作為重心點。將處理后圖像以某一自適應閾值M進行二值化并灰度反轉，尋找輪廓域。如果輪廓域尋找失敗，那么需要降低自適應閾值后再重復上一步驟，直到尋找到多個目標的n個輪廓域，將之記為Sn，表示彈丸成像目標像素區域。

(3)

(4)

在Sn中光斑重心的坐標位置為(x,y)如公式(3)和(4)，灰度值為K(i,j)，權值為W(i,j)，如公式(5),M為閾值：

(5)

當處理第一發彈丸時，如圖2中所示第一發彈丸波峰值時刻與相機拍攝時刻重合，第一張圖片必有彈丸目標。最低閾值由第一張圖片確定，一旦自適應閾值M在高于最低閾值情況下沒有檢測到彈丸目標，則圖像中必無彈丸目標。反之，則圖像中有彈丸目標，并將得到的所有像素坐標保存并繼續處理。

2.4 像素坐標剔除算法

如圖8所示，圖像為第i發彈丸圖像的灰度圖像，可以看到圖像中檢測出兩個彈丸目標，這是由于前一發已被計算過坐標的彈丸太過接近第i發，導致定位在同一幅組合圖像上；圖9為處理后的灰度圖像，黑色為處理后的背景，白色部分是檢測出的彈丸的位置，二值化后兩彈丸亮度突出。整個檢測過程0.12 s，共檢測出彈丸A(514，7)和彈丸B(1331，6)兩個像素坐標，整個圖片由10行像素構成，每一行有4 096個像素，彈丸A位于第514列、第7行彈丸B位于第1 331列，第6行。為了準確識別出彈丸A和彈丸B到坐標中哪一發是第i發彈丸的坐標，需要使用像素坐標剔除算法進行處理，再輸出正確的第i發彈丸的像素坐標。

圖8 第i發彈丸過靶灰度圖

圖9 第i發彈丸處理后灰度圖

在連發的測試過程中，兩發彈丸間距很小，相機拍攝的過程中將兩發彈丸同時記錄到同一張圖像中，所以對第i發彈丸對應的圖像處理后得到了兩個像素坐標(x1,y1)和(x2,y2)，需要從圖片中確定第i發彈丸對應的坐標。相機從第一發過靶時開始拍攝，根據過靶信號波形可以得到第i發彈丸與第m張圖片對應。僅定位到第m張已經不足以分辨哪一個像素坐標才是第i發彈丸的。因此為了得到最接近計算中第i發彈丸的像素坐標，必須定位的更加精準，定位到圖片中的第m行,定位公式如(6)。

(6)

相鄰圖像之間間隔為相機以最大幀頻拍攝的時間間隔記為Δttri，所在圖像位置為第m幅,將上述公式中m的小數部分mfrac單獨取出，Δttri為上文中相機的觸發間隔，n為未組合前單幅圖像的行數，mres代表第i發彈丸定位位置應在組合圖像的第幾行，而該圖像是組合后的圖像所以要加上m-1幅圖像上的n行。

兩個y軸坐標y1,y2哪一個距離定位位置mres更近，哪一個就是第i發彈丸的準確像素坐標，并將按y軸排序后的該組像素坐標進行空間變換得到第i發的最終坐標。而整個像素坐標剔除算法如圖10所示。

圖10 像素坐標剔除算法流程圖

2.5 方法檢測結果與分析

為了系統評估本文提出的方法處理速度方面的優越性，共進行了4組對照實驗，在5 s內分別發射5發、10發、15發、20發連發彈丸，每組實驗的過程中線陣CCD相機5 s內共拍攝6 500張圖片。使用本文提供的方法和傳統方法相比，其中，傳統方法為利用相機最大幀頻持續拍攝，拍攝完成后對所有圖像進行批量處理，進而得到所有彈丸坐標。針對傳統方法產生的數據量巨大的問題，利用本文的方法先對圖片進行篩選，縮小數據量再對圖像中的彈丸位置進行處理，最后在得到正確坐標的前提下統計了各組實驗的處理時間，得到如表1的實驗結果。

從表1中可以看出，本文提供的方法大幅提高了連發坐標的處理速度，與傳統方法相比處理速度明顯提高，工作效率高。并且對于測試連發武器時，由于彈數和射頻很高，導致圖像中存在多發彈過靶的圖像信息，在這種情況下本文的方法也能將正確的坐標處理出來。

表1 方法結果對比表

3 結束語

針對傳統CCD立靶連發坐標處理時間長的問題，本文提出一種連發彈丸坐標處理方法，采用激光光幕配合原向反射屏形成光電探測靶面，光電轉換模塊檢測光通量變化產生彈丸過靶信號，多峰值檢測算法根據過靶信號波形篩選出每一發彈丸對應的過靶圖像，使用自適應閾值的彈丸檢測算法對圖像進行目標檢測得到彈丸像素坐標。當該圖像檢測出多個坐標時，使用像素坐標剔除算法去除錯誤的像素坐標，保證最終得到準確坐標。該方法能在保證連發彈丸坐標正確率的情況下大幅提高處理速度，工作效率高，適用于連發武器的坐標參數測試。