槍械內(nèi)膛測量技術(shù)綜述

楊濱峰

（商洛學院 物理與電子信息工程系，陜西 商洛 726000）

槍械內(nèi)膛測量技術(shù)綜述

楊濱峰

（商洛學院 物理與電子信息工程系，陜西 商洛 726000）

系統(tǒng)描述了國內(nèi)外現(xiàn)有的各種槍械內(nèi)膛表面疵病測量技術(shù)，并分析了其各自的發(fā)展水平和局限性，同時通過研究目前最先進的非接觸測量方法，指出了立體視覺測量方法在槍械內(nèi)膛測量方面的優(yōu)點及應用前景.

內(nèi)膛疵病；三維測量；立體視覺

眾所周知，槍械作為一個國家常規(guī)軍事兵器的重要組成部分，其技術(shù)的發(fā)展水平?jīng)Q定了國家軍事實力的現(xiàn)代化水平.槍械的槍管是給予子彈飛行的初速度、穩(wěn)定的飛行方向并能承受彈藥氣體壓力的主要部件.而實際上隱藏在槍管中的膛線才是子彈準確度和速度的關(guān)鍵.當射擊時，子彈在火藥氣體的作用下嵌入膛線，沿著膛線向前運動，同時開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的彈頭與陀螺相似.子彈軸相當于陀螺軸，彈道的切線，即彈頭離開槍口后的飛行方向相當于垂直軸.彈頭的轉(zhuǎn)速達每秒3000轉(zhuǎn)，它不但繞著彈頭做圓圈運動，且彈頭的軸線始終圍繞著彈道切線做錐形運動，從而能克服空氣阻力，不斷向前飛去，保證彈頭穩(wěn)定地向前飛行.因此膛線對于槍械來說，是非常重要的.

而在槍械的射擊過程中，每發(fā)子彈都要經(jīng)過全膛，對槍膛的每個點，特別是膛線，進行燒蝕、磨損和沖刷的作用.槍械內(nèi)膛同時要承受子彈在穿過槍膛時的擠壓力和摩擦力，以及高溫高壓彈藥氣體的熱化學腐蝕作用，這些因素都將使膛線產(chǎn)生燒蝕、磨損、裂紋等表面疵病.如圖1所示，左圖就是光滑的槍管內(nèi)膛的膛線圖像，而右圖就是有燒蝕疵病的槍管內(nèi)膛圖像.毫無疑問，膛線的質(zhì)量好壞會直接影響到武器射擊的精確程度、武器的使用壽命及使用安全性等重要戰(zhàn)技指標.因此對槍管內(nèi)膛表面的無損檢測是槍械研制和生產(chǎn)中非常重要的部分.本文著重結(jié)合近年來的文獻和自己的研究結(jié)果，綜合分析了槍械內(nèi)膛測量技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展過程，并為該領域的發(fā)展趨勢進行了展望.

圖1 槍管內(nèi)膛的膛線疵病圖像對比圖

1 槍械內(nèi)膛測量技術(shù)的發(fā)展概述

1.1 目視式窺鏡技術(shù)

由于槍管的最小直徑僅有5.8mm，最大長度卻達到1m以上，所以最早的方案是采用光學內(nèi)窺管來完成槍管內(nèi)膛疵病的檢查.如圖2所示、但是在這種結(jié)構(gòu)儀器的使用中，人眼需要貼在儀器的目鏡觀察位置處，并要隨著儀器的移動改變位置，這在使用過程中是非常不方便的，另外它只能定性觀察，不能準確地進行缺陷測量，因此這種設備主要在早期的槍械檢測中應用.

圖2 槍械內(nèi)膛疵病的人眼觀察系統(tǒng)

1.2 改進型目視窺鏡技術(shù)

隨著計算機技術(shù)和攝像技術(shù)的發(fā)展，針對傳統(tǒng)測量技術(shù)的缺點，張洪偉等人提出了一種新的槍械內(nèi)膛測量技術(shù)，它利用內(nèi)窺鏡、深孔照明、CCD成像及圖像拼接等多種先進技術(shù)，實現(xiàn)了槍管內(nèi)膛疵病的自動化檢測，配備監(jiān)視器后，還可以保證多人同時觀察疵病圖圖像，有利于對疵病做出正確的判定，如圖3所示.但在以上方案中，使用人員需要根據(jù)觀察到的圖像進行人工識別.由于人眼視覺系統(tǒng)的準確性較低，以及受到使用人員的使用經(jīng)驗等非客觀因素的制約，使得檢測結(jié)果缺乏客觀性標準，具有非常大的局限性[1].

圖3 槍械內(nèi)膛疵病的實時觀察顯示系統(tǒng)

1.3 基于圖像識別的二維檢測技術(shù)

進入21世紀以后，隨著兵器測試技術(shù)不斷提出新的要求，計算機數(shù)字圖像處理技術(shù)在測試技術(shù)中的應用，也推動了測試技術(shù)的飛速發(fā)展.長春理工大學的劉立欣等人提到了一種基于CCD成像技術(shù)和計算機圖像識別技術(shù)的槍械內(nèi)膛疵病檢測儀器，它是利用氙燈作光源，采用導光光纖束導入光，照明在被測表面，被測面的反射像通過內(nèi)窺鏡成像在面陣CCD的光敏面上，將槍膛內(nèi)膛的圖像變換成視頻信號并采集到計算機中，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)最終測量出疵病的大小和方位[2].作者在論文中比較了幾種邊緣檢測算子，并提出了一種零交叉邊緣檢測算子.它不僅可以清晰的檢查膛內(nèi)的損傷情況，對缺陷進行識別，而且還可以計算缺陷的長度和面積，取得了良好的實驗效果.此項技術(shù)已經(jīng)被成功應用于二維槍械內(nèi)膛窺膛儀項目，其裂紋的檢測精度達到0.01mm.此項目設備已經(jīng)成功地交付中國人民解放軍31基地使用，如圖4所示.

圖4 槍械內(nèi)膛疵病的二維檢測識別系統(tǒng)

1.4 基于計算機視覺的三維檢測技術(shù)

與通常的二維圖像相比，物體的三維圖像可以提供更加豐富而準確的物理信息.因此，三維測量技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為科學研究、工業(yè)檢測、物體測量等方面研究的重要方法.目前三維測量方法主要包括接觸式和非接觸式兩大類.在接觸式測量方法中，三坐標測量機是其中應用最為廣泛的一種[4].但是，這種方法有一些無法克服的缺點，比如它的點接觸式的測量方法，不能應用于那些測頭不宜接觸的表面，如槍械內(nèi)膛的表面.

而非接觸三維測量方法的基于計算機立體視覺的測量方法正好可以有效地克服上述缺點.這種方法較有效地擴大了物體測量的范圍、提高了測量效率，降低了所測物件的限制.計算機立體視覺的測量方法是通過拍攝到的多幅圖像（一般兩幅）來獲取物體三維幾何信息的方法[3].

計算機立體視覺三維測量技術(shù)是計算機技術(shù)和光學測量手段的結(jié)合，它模擬生物雙眼視覺的三維成像功能，把從攝像機獲取的多幅圖像（一般兩幅）的信息進行計算，從而得到三維空間中物體的具體幾何信息，并以此為基礎來重建和識別物體.高分辨率、無接觸性、獲取數(shù)據(jù)的速度快是這種方法的優(yōu)點，因此計算機立體視覺測量方法是三維坐標測量方法中發(fā)展最為迅速，最有前途的方法之一.

由于膛線是槍管檢測中非常重要的部分，其參數(shù)是影響槍械性能的一個主要指標，它的作用在于賦予彈頭不停旋轉(zhuǎn)的能力,使其出膛之后,始終可以沿著彈頭切線方向做錐形運動，從而保持穩(wěn)定的方向.因此對膛線的纏角、寬度和深度等參數(shù)進行準確、快速的檢測是槍械檢測中的一個重要組成部分[4].結(jié)合計算機立體視覺測量技術(shù)的工作特點，它不僅可以檢測槍械內(nèi)膛疵病中的燒蝕、銹蝕、掛銅、裂紋、膛線斷裂等表面疵病的種類和面積及膛線的纏角、寬度等二維參數(shù)，而且還能檢測槍械內(nèi)膛膛線的深度等三維參數(shù)，這是前面所述的技術(shù)所不及的.

文獻[5]對使用計算機立體視覺技術(shù)來對槍械的膛線深度進行測量的方法進行了研究.它采用了如圖5所示的雙目內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進行三維立體視覺測量，其中雙目硬管內(nèi)窺鏡是由多組透鏡系統(tǒng)和兩個CCD攝像機組成的，氙燈冷光源為其提供照明.工作時，將雙目硬管內(nèi)窺鏡放入到槍械內(nèi)膛中，同時冷光源通過在硬管內(nèi)窺鏡前端的導光光纖為其提供照明.槍械內(nèi)膛表面缺陷的折射光線由硬管內(nèi)窺鏡的前端，經(jīng)多組件透鏡系統(tǒng)，在CCD攝像機的光敏面上成像，得到了表面缺陷的模擬圖像.圖像數(shù)據(jù)再經(jīng)過CCD攝像頭的視頻線傳輸?shù)綌?shù)字圖像處理采集卡中，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，變?yōu)閿?shù)字圖像信號，存儲在計算機中，并通過圖像軟件將其顯示在顯示器屏幕上[5].

圖5 采用雙目內(nèi)窺鏡的計算機立體視覺槍械測量系統(tǒng)

經(jīng)過相應的計算機立體視覺算法處理后就能得到相應的膛線的深度等參數(shù)，但是目前這種系統(tǒng)得到的測量精度還不是很高，有待進行進一步改進和提高.

2 結(jié)語

綜上所述，我國的槍械內(nèi)膛疵病測量技術(shù)主要停留在槍械內(nèi)膛疵病的二維圖像的處理，也僅僅局限于檢測到內(nèi)膛燒蝕、銹蝕、掛銅、裂紋、膛線斷裂等表面疵病的種類，長度及面積等方面.而對于槍械內(nèi)膛中最重要的三維參數(shù)，如膛線的深度則研究得較少.隨著我國軍事現(xiàn)代化進程的加快，兵器測試技術(shù)的要求必將越來越高，槍械內(nèi)膛疵病的參數(shù)測試也必將越來越全面.因此，槍械內(nèi)膛測量技術(shù)不僅需要能測量槍械內(nèi)膛的二維參數(shù)，也需要能測量槍械內(nèi)膛的三維參數(shù).而計算機立體視覺測量技術(shù)是槍械內(nèi)膛疵病測量技術(shù)的一個重要發(fā)展方向.

〔1〕張洪偉，任現(xiàn)君.新型槍械內(nèi)膛疵病檢測設備[J].飛行器測控學報,2002，21（2）.

〔2〕劉立欣,王文生,劉廣利.槍械內(nèi)膛疵病圖像的邊緣檢測算法[J].兵工學報,2005，26（1）：105-107.

〔3〕游素亞,徐光估.立體視覺研究的現(xiàn)狀與進展[J].中國圖像圖形學報，Vol2,No.1,Jan,1997:15-24.

〔4〕鄭軍,張建,馬建峰,王信義.火炮身管膛線參數(shù)檢測技術(shù)研究[J].機械，2002，29（3）71-74.

〔5〕楊濱峰.槍械內(nèi)膛測量技術(shù)的研究[D].長春理工大學碩士論文，2009.

TJ20

A

1673-260X（2011）09-0208-02

商洛學院科研基金資助項目（09SKY033；09SKY032）