曹麗靜 劉玉文

(陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031)

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基于視頻的彈丸終點(diǎn)參數(shù)獲取研究*

曹麗靜 劉玉文

(陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031)

針對(duì)目前彈丸動(dòng)爆實(shí)驗(yàn)組織難,系統(tǒng)復(fù)雜等問(wèn)題,論文提出了一種基于視頻圖像計(jì)算彈丸終點(diǎn)參數(shù)的新方法,簡(jiǎn)化了動(dòng)爆實(shí)驗(yàn)所需的復(fù)雜測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái),通過(guò)視頻圖像中彈丸位置姿態(tài)的提取計(jì)算彈丸終點(diǎn)參數(shù)。論文采用了改進(jìn)的減背景法進(jìn)行目標(biāo)定位與跟蹤,根據(jù)彈丸邊界確定彈丸姿態(tài),再由投影變換和立體視覺(jué)原理求得目標(biāo)實(shí)際位置和姿態(tài),并運(yùn)用VC2010和OpenCV2.2軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明論文方法實(shí)用可行,運(yùn)算速度快,精度較高。

彈丸終點(diǎn)參數(shù); 減背景法; 投影變換; 系統(tǒng)仿真

Class Number TP391.9

1 引言

彈丸的落角和落速等終點(diǎn)參數(shù)直接影響彈丸作用效果、終點(diǎn)效應(yīng)等[1],是分析彈藥毀傷效果的必要參數(shù)。彈丸在空中的飛行運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程[2],很難準(zhǔn)確測(cè)量彈丸飛行過(guò)程中的速度和飛行姿態(tài)。為了研究彈丸終點(diǎn)效應(yīng),就必須獲得彈丸的落速和落角,為了獲得這兩個(gè)重要參數(shù),很多科學(xué)工作者都進(jìn)行了大量研究工作,比如有數(shù)值模擬計(jì)算、近似公式、天幕靶測(cè)量和雷達(dá)法[3～6]等多種方法都可以測(cè)量或模擬出彈丸的終點(diǎn)速度。這些方法雖然有的發(fā)展較為成熟,但要么系統(tǒng)龐大、價(jià)格昂貴、技術(shù)復(fù)雜、維護(hù)難度大、且測(cè)量的絕對(duì)精度較低,適合于超視距大型環(huán)境中的目標(biāo)跟蹤和測(cè)量,要么進(jìn)行了條件假設(shè),計(jì)算復(fù)雜且不能得到實(shí)際速度。而基于視頻的彈目交匯分析是采用圖像和光學(xué)投影變換[7]的方法,可以充分利用光學(xué)投影變換的基本原理和方法,具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于操作、目標(biāo)定位精度高、系統(tǒng)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

本文提出從高速攝像儀攝錄的彈目交匯視頻中,采用特征提取技術(shù)識(shí)別彈丸和目標(biāo),根據(jù)立體視覺(jué)測(cè)量原理計(jì)算落速、落角和炸目距離等彈丸終點(diǎn)效應(yīng)參數(shù),具有系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單,操作方便,費(fèi)效比高等特點(diǎn)。

2 目標(biāo)識(shí)別與跟蹤

本文獲取高速?gòu)椖拷粎R視頻的方法是,將高速攝像機(jī)固定在距離目標(biāo)100m～150m的位置上,用以拍攝彈目交匯瞬間的視頻,因此彈丸運(yùn)動(dòng)的背景基本上是固定不變的,本文采用改進(jìn)的減背景法識(shí)別跟蹤彈丸。

減背景法[8]通過(guò)當(dāng)前圖像與背景圖像之間的差分,也就是當(dāng)前圖像與背景圖像相減來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)域,是目前運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中最常用的一種方法。其優(yōu)點(diǎn)是提取目標(biāo)位置準(zhǔn)確,速度快,只需獲取一幅當(dāng)前圖像,運(yùn)算量低,可以做到實(shí)時(shí)檢測(cè)與分割,不足之處是受其他環(huán)境因素影響較大,比如光線變化,風(fēng)的吹動(dòng)等,因此在非受控環(huán)境下,需要進(jìn)行背景更新,減背景法也只能應(yīng)用在攝像機(jī)靜止情況下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)[9]。

本文所采取的方法是高速攝像機(jī)固定好后,先拍攝一張沒(méi)有彈丸的背景圖像,然后利用減背景法檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo),即前景圖像與背景圖像相減,像素相差較大的區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)區(qū)域,為了精確定位目標(biāo)輪廓,還要進(jìn)行邊緣檢測(cè),提取目標(biāo)輪廓。然后進(jìn)行背景更新,具體方法是將背景圖像中目標(biāo)區(qū)域以外的像素更新為前景圖像,目標(biāo)區(qū)域的像素用原背景對(duì)應(yīng)區(qū)域的像素填充,得到完整的新背景。將該新背景用于下一幀的目標(biāo)檢測(cè),同時(shí),每一幀的目標(biāo)檢測(cè)都可以確定目標(biāo)在圖像中的位置,因而也就實(shí)現(xiàn)了視頻中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤過(guò)程。

這種更新背景的方法彌補(bǔ)了減背景法對(duì)環(huán)境變化敏感的不足,增強(qiáng)了原來(lái)減背景法對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

3 彈丸終點(diǎn)參數(shù)提取

3.1 彈丸落角的求取

圖1 彈丸終點(diǎn)形態(tài)示意

根據(jù)立體視覺(jué)[10]原理,可以求得彈丸在空間中的姿態(tài),彈丸姿態(tài)平面圖如圖1所示。A、B分別為過(guò)彈丸中軸線且與水平面垂直的平面與彈丸邊界相角的兩個(gè)頂點(diǎn),這兩點(diǎn)空間坐標(biāo)由立體視覺(jué)方法確定。設(shè)其坐標(biāo)為A(xA,yA,zA)、B(xB,yB,zB),C點(diǎn)為A、B兩點(diǎn)的中點(diǎn),其坐標(biāo)由A、B點(diǎn)坐標(biāo)中值計(jì)算得到C(xC,yC,zC),O為彈丸近似形心,設(shè)其坐標(biāo)由立體視覺(jué)方法確定,并將其設(shè)為彈體坐標(biāo)系的原點(diǎn)。因此OC連線與彈體坐標(biāo)系平面XOZ的夾角滿足:

(1)

因此有

(2)

式(2)中θ為彈丸中線與水平面的夾角,即落角。

3.2 彈丸落速的求取

彈丸落速是指彈丸與靶接觸瞬間的速度或者彈丸爆炸前的瞬時(shí)速度。彈丸落速的求取可通過(guò)相鄰兩幀圖像中彈丸形心移動(dòng)距離除以幀間時(shí)間獲得。

(3)

其中,ΔD為相鄰兩幀圖像間彈丸形心的移動(dòng)距離,ΔT為相鄰兩幀圖像的間隔時(shí)間。

為了獲取彈丸的實(shí)際落速,需要將圖上距離轉(zhuǎn)換為實(shí)際距離,由于視頻中所獲取的每一幀圖像都對(duì)應(yīng)著實(shí)際物理空間的一個(gè)四邊形區(qū)域,可以通過(guò)光學(xué)投影變換和圖像配準(zhǔn),形成視頻圖像與物理空間之間的投影變換矩陣M,進(jìn)而可以得出彈丸投影模型[7]:

(4)

其中,(x,y,z)為物理空間上的坐標(biāo),(u,v,1)為視頻圖像上彈丸像素點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

圖2 光學(xué)投影變換模型

彈丸投影變換模型如圖2所示。

要計(jì)算視頻圖像中彈丸在物理空間上的對(duì)應(yīng)位置,需知道視頻圖像坐標(biāo)系到物理空間地理坐標(biāo)系之間的投影變換矩陣,即式(4)中的M。矩陣M的具體表示為

(5)

投影變換矩陣中m1～m9的確定方法是,通過(guò)在視頻圖像和物理空間上分別選定一對(duì)參考點(diǎn),可確定投影變換矩陣中的參數(shù),通過(guò)選取多個(gè)參考點(diǎn),可以將全部參數(shù)確定。之后即可用式(4)計(jì)算出視頻圖像中任意像素點(diǎn)在物理空間上的匹配點(diǎn)坐標(biāo)。

3.3 炸目距離求取

炸目距離是指彈丸爆炸時(shí)距目標(biāo)的距離。當(dāng)彈丸爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)光和大量煙霧,因此彈丸爆炸時(shí)視頻圖像在爆炸位置相對(duì)于背景圖像有較高的亮度,從而確定了彈丸爆炸時(shí)所在的視頻幀,根據(jù)前一幀彈丸的形心位置和彈丸速度推算爆炸時(shí)刻彈丸在圖像中的位置,再利用投影變換原理,計(jì)算出彈丸實(shí)際位置,從而得到炸目距離為

(6)

其中,(xD,yD,zD)為彈丸坐標(biāo),(xM,yM,zM)為目標(biāo)坐標(biāo),目標(biāo)坐標(biāo)為已知。

4 系統(tǒng)仿真

本文采用VC2010和OpenCV2.2為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)了求取彈丸終點(diǎn)參數(shù)的系統(tǒng)仿真。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 彈丸終點(diǎn)參數(shù)獲取流程圖

運(yùn)用該仿真系統(tǒng)對(duì)視頻中彈丸飛行參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真界面

由于保密要求,無(wú)法獲得火炮彈丸動(dòng)爆實(shí)驗(yàn)視頻,因此本文采用網(wǎng)上下載的高速攝影視頻來(lái)驗(yàn)證方法的正確性。所用視頻為子彈擊中目標(biāo)的過(guò)程,本系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算子彈的姿態(tài)、速度、彈目距離等參數(shù),當(dāng)判斷出子彈與目標(biāo)相接觸或爆炸時(shí),記錄此時(shí)彈丸各項(xiàng)參數(shù),即為彈丸終點(diǎn)參數(shù)。

圖4為子彈接觸目標(biāo)前一時(shí)刻的圖像,由于子彈接觸目標(biāo)時(shí)彈頭微向上,根據(jù)定義落角為負(fù)值,即θ=-14.62°,子彈飛行速度為vc=895.63m/s,彈目距離為DDM=0.01m。而該視頻子彈實(shí)際飛行速度為900m/s,由此可見(jiàn),本文算法切實(shí)可行,且精度較高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文方法利用了減背景法提取目標(biāo)位置準(zhǔn)確、速度快、運(yùn)算量低的優(yōu)點(diǎn)提取目標(biāo)區(qū)域,改進(jìn)了背景更新模式,提高了其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性,并利用彈丸外形特點(diǎn)和光學(xué)投影變換模型給出了彈丸終點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算方法。本文直接通過(guò)彈目交匯視頻提取彈丸終點(diǎn)參數(shù),比彈道解算獲取的終點(diǎn)參數(shù)準(zhǔn)確度高,系統(tǒng)簡(jiǎn)便,運(yùn)算速度快,為靶場(chǎng)測(cè)量彈丸終點(diǎn)參數(shù)提供了一種新途徑。

另外,本文的研究成果為基于高速攝影的彈藥動(dòng)態(tài)毀傷試驗(yàn)技術(shù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐,還可以應(yīng)用于各種彈藥飛行姿態(tài)的測(cè)量及炮口初速、姿態(tài)等初始狀態(tài)的測(cè)量問(wèn)題。

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Projectile Terminal Parameter Estimation Based on Video

CAO Lijing LIU Yuwen

(Army Officer Academy, Hefei 230031)

Aiming at the problems of projectile explosion experiment difficult organization and system complexity, a new method for computing projectile terminal parameters based on video is advanced in this paper. The method simplifies the complicated measuring system platform for projectile explosion experiment, instead that, the projectile terminal parameters are extracted from its position and attitude in the video image. An improved background subtraction is used to locate and track target in the paper, and the projectile attitude can be ascertained by its verge, then the real position and attitude of the target are figured out according to projection transformation theory. Lastly, a simulation system is designed by using VC2010 and OpenCV2.2. Result shows that the method practices well, runs fast, computes accuracy, etc.

projectile terminal parameter, background subtraction, projection transformation, system simulation

2014年10月1日,

2014年11月20日

曹麗靜,女,碩士,講師,研究方向:圖像拼接、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別。劉玉文,男,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:彈道、氣象等。

TP391.9

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.035