吳祖堂，朱玉榮，黃曉飛

（西北核技術(shù)研究所，西安710024）

在彈道測(cè)試領(lǐng)域，基于圖像的檢測(cè)技術(shù)越來越受到重視.俯仰角作為描述彈體飛行姿態(tài)的重要參數(shù)，是外彈道測(cè)試的主要內(nèi)容之一，可以為研究彈體的飛行穩(wěn)定性提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1].高速攝影是外彈道測(cè)試最常用的方法.由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響，通常獲取的圖像都會(huì)受到比較嚴(yán)重的噪聲污染，特別是高斯噪聲的影響.為較好地檢測(cè)出含噪聲圖像的邊緣，進(jìn)而解算飛行彈體的俯仰角，本文采取4個(gè)步驟進(jìn)行圖像信息處理：圖像二值化、形態(tài)學(xué)濾波、Canny邊緣檢測(cè)、攻角參數(shù)解算.

1 圖像二值化

圖像二值化處理就是利用圖像分割算法將圖像中的前景目標(biāo)像素點(diǎn)從背景像素點(diǎn)中分離出來.二值化的關(guān)鍵在閾值的選擇.閾值選取的原則就是要將盡可能多的目標(biāo)點(diǎn)歸為目標(biāo)，同時(shí)減少將背景像素錯(cuò)判為目標(biāo).常用的算法有：雙峰法、迭代法、最大類間方差法（OTSU 法）等[2～5].本文采用改進(jìn)的最大類間方差法.

OTSU法以目標(biāo)與背景之間的方差最大而動(dòng)態(tài)地確定圖像分割門限值.OTSU最大的問題在于：當(dāng)目標(biāo)與背景灰度差不明顯時(shí)，會(huì)出現(xiàn)無法忍受的大塊黑色區(qū)域，甚至?xí)G失整幅圖像的信息[2～9].本文研究應(yīng)用場景中通常會(huì)碰到類似問題，為此，本文對(duì)最大類間方差法給出的閾值進(jìn)行修正.

對(duì)于背景噪聲服從（μ，δ2）高斯分布的灰度差圖像，可以根據(jù)高斯分布的“3δ”特性設(shè)定噪聲判斷準(zhǔn)則，分離出噪聲和目標(biāo)區(qū)域.本文通過對(duì)OTSU法的修正將背景區(qū)域從差值圖像中分割出來，然后以背景噪聲高斯分布的“3δ”特性重新確定閾值.

具體步驟：

①利用OTSU法給出的閾值T0作為初始閾值進(jìn)行圖像分割，計(jì)算屬于背景的圖像像素點(diǎn)的灰度均值μ0；

②以T＝Kμ0（K＝6）作為新的閾值，進(jìn)行圖像分割，計(jì)算屬于背景的圖像像素點(diǎn)的灰度均值μ′0；

③計(jì)算T與Kμ′0的差值，如果差值超過1，將μ′0賦給μ0，返回步驟②；

④計(jì)算閾值T下屬于背景的圖像像素點(diǎn)的灰度均方差δ′；

⑤以T′＝μ′0＋3δ′作為新閾值，進(jìn)行圖像分割，計(jì)算屬于背景的圖像像素點(diǎn)的灰度均值μ″0和均方差δ″；

⑥計(jì)算T′與μ″0＋3δ″的差值，如果差值超過1，將μ″0和δ″賦給μ′0和δ′，返回步驟⑤；

⑦令T＝T′，即為所求閾值.

2 形態(tài)學(xué)濾波

經(jīng)典形態(tài)學(xué)濾波包括腐蝕、膨脹、開和閉4種運(yùn)算[10～14].形態(tài)學(xué)濾波過程是腐蝕和膨脹運(yùn)算結(jié)合起來的結(jié)果，如圖1所示.具體來說：進(jìn)行一次開運(yùn)算（先腐蝕然后膨脹），去除小的噪聲塊；進(jìn)行一次閉運(yùn)算（先膨脹然后腐蝕），填補(bǔ)目標(biāo)空洞.從圖1中可以看出小的噪聲塊②、③被去除了，而較大的噪聲塊①被作為目標(biāo)和目標(biāo)區(qū)域④一同被保留了下來，并且目標(biāo)區(qū)域④中的較小目標(biāo)空洞也被填補(bǔ)起來.

3 邊緣檢測(cè)及俯仰角測(cè)試

在經(jīng)過圖像二值化、形態(tài)學(xué)濾波處理之后，就可以采用邊緣檢測(cè)的方法提取邊緣，繼而根據(jù)圖像輪廓信息解算所需參數(shù).

圖1 二值圖像形態(tài)學(xué)濾波結(jié)果

本文采用Canny法來提取飛行彈體的邊緣輪廓.Canny算法以高信噪比、高定位精度和單一邊緣響應(yīng)準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，采用微分算子求取最優(yōu)邊緣檢測(cè)的近似實(shí)現(xiàn).Canny算法的實(shí)現(xiàn)過程包括：平滑圖像、計(jì)算梯度方向和幅值、對(duì)梯度圖像進(jìn)行非極大值抑制、雙閾值檢測(cè)和連接邊緣等4個(gè)過程[15～17].

彈體高速飛行過程的圖像采用UTIMA APX數(shù)字式高速運(yùn)動(dòng)分析儀獲取，拍攝速度為120 000s－1.彈體飛行速度約600m/s，由火炮在野外發(fā)射.原始圖像如圖2所示.圖3為采用本文算法對(duì)彈體飛行圖像處理的結(jié)果.

圖2 彈體飛行過程姿態(tài)照片

俯仰角是指縱軸與水平面間的夾角，攻角是指縱軸與來流之間的夾角（側(cè)滑角為零時(shí)）.當(dāng)彈體水平飛行時(shí)，俯仰角等于攻角；彈體不是水平飛行時(shí)，俯仰角不等于攻角，俯仰角＝攻角＋彈道傾角，如圖4所示.

根據(jù)俯仰角的定義，由圖3可以解算出飛行彈體的俯仰角為3.65°.

圖3 本文算法對(duì)彈體飛行圖像處理的結(jié)果

圖4 彈體飛行俯仰角、攻角示意圖

4 結(jié)論

為很好地檢測(cè)出被噪聲污染的圖像的邊緣，采用圖像二值化、形態(tài)濾波對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，并用Canny法獲得較高的邊緣檢出率.建立在結(jié)構(gòu)元素輪廓的概念之上，以集合延展度為特征進(jìn)行處理的形態(tài)學(xué)濾波保證了濾除噪聲的同時(shí)保持圖像細(xì)節(jié)，Canny算法對(duì)噪聲和弱邊緣有更強(qiáng)的適應(yīng)性.在圖像二值化過程中，通過對(duì)OTSU法的修正將背景區(qū)域從差值圖像中分割出來，然后以噪聲高斯分布的“3δ”特性重新確定閾值.實(shí)例表明這種檢測(cè)方法能夠獲得較好的圖像邊緣.

彈體飛行俯仰角的圖像檢測(cè)是基于骨架提取中軸線法的.如果需要解算飛行彈體的攻角，一般需要提取2臺(tái)相機(jī)同一時(shí)刻采集的彈體的中軸線，采用坐標(biāo)變換重構(gòu)彈體在三維空間的真實(shí)軸線方程.本文研究中僅一臺(tái)相機(jī)，由此可解算出飛行彈體的俯仰角.

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