應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)測量炮口火焰的方法研究

范文濤，趙宏立，靳建偉，趙寶明，劉來東，張　衡，商　飛

(1.海裝西安局，陜西西安710068；2.西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065;

3.南京理工大學(xué)，江蘇南京200014)

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應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)測量炮口火焰的方法研究

范文濤1，趙宏立2，靳建偉2，趙寶明2，劉來東2，張衡2，商飛3

(1.海裝西安局，陜西西安710068；2.西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065;

3.南京理工大學(xué)，江蘇南京200014)

摘要：用高速數(shù)字圖像技術(shù)獲得炮口火焰序列照片，采用圖像疊加、圖像彩色-灰度轉(zhuǎn)換和自適應(yīng)大津閾值分割等圖像綜合處理方法，得到火焰面積、火焰周長、火焰最大直徑、火焰平均直徑、火焰平均光密度(實(shí)際為灰度值)以及火焰持續(xù)時(shí)間等炮口火焰的特性參數(shù)。采用該方法對130mm和30mm口徑火炮的炮口火焰進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，該方法可以量化表征炮口火焰的特征，測量結(jié)果穩(wěn)定性好。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用化學(xué)；炮口火焰；數(shù)字圖像技術(shù)；發(fā)射藥；火焰面積；光密度；火焰持續(xù)時(shí)間

引言

炮口火焰是身管武器發(fā)射時(shí)發(fā)射裝藥燃燒后從炮口噴射到空氣中的高壓、高溫反應(yīng)氣體所產(chǎn)生的非穩(wěn)態(tài)特殊氣流現(xiàn)象，這種特殊的氣流使流場內(nèi)的不同區(qū)域引發(fā)強(qiáng)烈的輻射，形成炮口火焰現(xiàn)象[1-2]。強(qiáng)烈的炮口火焰能使人瞬間致盲，影響瞄準(zhǔn)，降低打擊精度，甚至使制導(dǎo)系統(tǒng)無法跟蹤目標(biāo)，還會(huì)暴露位置、遭受敵方打擊等不利因素。因此，合理地抑制和消除炮口火焰是發(fā)射藥裝藥設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。

國內(nèi)外對炮口火焰的測試方法較多，早期有B門照相法、轉(zhuǎn)鼓攝影法等[3]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了光譜測量法、紅外測量法、高速攝像儀法等。光譜測量法可以測量火焰溫度、氣流速度以及火焰輻射特性等，主要用于研究火焰的產(chǎn)生機(jī)理。紅外測量法[4-6]可以測量火焰溫度的變化過程，測量結(jié)果準(zhǔn)確，但不能得到可見的火焰幾何特征。高速攝像儀法[7]利用高速數(shù)字圖像采集與處理技術(shù)計(jì)算可見火焰的幾何參數(shù)及火焰變化過程，是目前已工程化應(yīng)用的方法，但是由于火焰圖像處理方法的不同，會(huì)對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性有一定的影響。

本研究應(yīng)用高速數(shù)字圖像技術(shù)獲得炮口火焰序列照片，采用火焰圖像的綜合處理方法，對炮口火焰進(jìn)行分析計(jì)算，獲得一系列可量化表征的特性參數(shù)，以期為測量炮口火焰提供一種新的方法。

1實(shí)驗(yàn)

1.1測試方法

在規(guī)定條件及取樣空間內(nèi)，利用高速數(shù)字?jǐn)z像儀拍攝火炮出口的火焰序列照片，采用照片序列疊加以及專用圖像分析處理方法對圖像進(jìn)行分析、處理，通過標(biāo)尺標(biāo)定，得到炮口火焰面積(火焰疊加最大面積)、周長、最大直徑、平均直徑、平均光密度(實(shí)際為灰度值)和3D光密度圖等火焰的狀態(tài)特征和持續(xù)時(shí)間。

1.2測試儀器

測試平臺(tái)：30mm彈道炮和130mm彈道炮；高速數(shù)字?jǐn)z像儀：拍攝速度1000幅/s，光圈2.8；數(shù)據(jù)采集處理儀：Dalsa X64 Xcelera-C采集卡；圖像采集與記錄軟件。

1.3火焰圖像的處理

將拍攝的炮口火焰視頻采用如圖1所示處理軟件進(jìn)行圖像分析、處理，最終得到炮口火焰的各種參量在像素單位上的測量結(jié)果，結(jié)合圖像標(biāo)尺標(biāo)定的數(shù)據(jù)，計(jì)算得出炮口火焰的物理特征。

軟件處理的基本流程為：(1)讀取由高速攝像儀拍攝的包含炮口火焰?zhèn)鞑ミ^程的視頻文件；(2)將視頻文件逐幀分解疊加，再經(jīng)過圖像合成、分割轉(zhuǎn)換，形成炮口火焰的二值圖像；(3)將二值圖像提取為炮口火焰輪廓圖像，根據(jù)輪廓圖像提取結(jié)果，計(jì)算炮口火焰的幾何特性參數(shù)。

圖1　炮口火焰測試軟件流程圖Fig.1　Flow chart of the gun muzzle flame test software

(1)圖像的疊加與轉(zhuǎn)換

圖像疊加、轉(zhuǎn)換分為圖像疊加和圖像彩色-灰度轉(zhuǎn)換兩個(gè)步驟。通過各幀圖像的疊加獲得炮口火焰的合成圖像，用來表征火焰的總體傳播狀態(tài)。圖像轉(zhuǎn)換的目的是將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，使得處理過程不再受飽和度、色度干擾的影響。

圖像疊加、轉(zhuǎn)換模塊流程如圖2所示。首先依次讀取各幀圖像，通過圖像疊加獲得炮口焰的彩色合成圖像SynImage。為了便于提取炮口火焰的區(qū)域，彩色合成圖像SynImage被轉(zhuǎn)換為灰度圖像GrayImage，通常轉(zhuǎn)換之后的灰度圖像中炮口火焰區(qū)域與背景區(qū)域之間的對比度相差不大，因此需要經(jīng)過灰度圖像增強(qiáng)算法亮化炮口火焰區(qū)域，淡化背景區(qū)域。圖像增強(qiáng)之后，使用灰度圖像濾波(包括高斯濾波、形態(tài)學(xué)濾波等)進(jìn)一步濾除圖像中的噪聲。

圖2　圖像疊加、轉(zhuǎn)換模塊流程圖Fig.2　Module flow chart of image superpositionand transformation

(2)火焰圖像分割

炮口火焰圖像分割模塊目的是將炮口火焰與背景分割開來。通過灰度直方圖得到相對清晰的分割閾值。為了保證圖像分割的正確性，采用自適應(yīng)的大津閾值分割方法。自適應(yīng)的分割閾值g分割出的炮口火焰和背景兩部分構(gòu)成了整幅圖像，分割閾值g的計(jì)算公式為：

g=ArgMax[ω0(t)(μ0(t)-μ2)+ω1(t)(μ1(t)-μ)2]

(1)

式中：μ0(t)為炮口火焰區(qū)域均值；ω0(t)為炮口火焰區(qū)域概率；μ1(t)為背景均值；ω1(t)為背景區(qū)域概率；μ為總均值；L為圖像灰度級；t為灰度值；方括號內(nèi)為類間方差值。

因?yàn)榉讲钍腔叶确植季鶆蛐缘囊环N度量，方差值越大，說明構(gòu)成圖像的兩部分差別越大，當(dāng)部分炮口火焰區(qū)域錯(cuò)分為背景，或部分背景錯(cuò)分為炮口焰時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致兩部分差別變小，因此使類間方差最大的分割意味著錯(cuò)分概率最小。讓g在0~L-1區(qū)間內(nèi)依次取值，最終類間方差為最大的g，即為閾值分割點(diǎn)。

2結(jié)果與分析

2.1130mm口徑火炮炮口火焰測試數(shù)據(jù)的處理

某裝藥條件下130mm口徑火炮炮口火焰照片序列如圖3所示，采用上述處理方法對拍攝的火焰圖像進(jìn)行分析，得到如圖4所示的各階段圖像，同時(shí)獲得了表1所示的火焰面積、周長、最大直徑、平均直徑、平均光密度數(shù)值。

圖3　130mm口徑火炮炮口火焰照片序列Fig.3　The muzzle flame series photographs of130mm caliber gun

圖4　130mm口徑火炮炮口火焰處理后的各階段圖像Fig.4　Photographs in various stages after treating themuzzle flame of 130mm caliber gun

S/m2l/mDmax/mD/mρ38.7729.248.677.41171.07

注：S為火焰面積；l為火焰周長;Dmax為火焰最大直徑；D為火焰平均直徑；ρ為平均光密度。

2.2炮口火焰測試結(jié)果的重復(fù)性

在30mm口徑火炮和130mm口徑火炮上采用特定的發(fā)射藥裝藥進(jìn)行射擊實(shí)驗(yàn)，用本研究的方法進(jìn)行炮口火焰測量和軟件處理，表2為在同種裝藥條件下30mm口徑火炮和同種裝藥條件下130mm口徑火炮炮口火焰的測試結(jié)果。

表2　30mm和130mm口徑火炮炮口火焰測試結(jié)果

從表2數(shù)據(jù)和圖2可以看出，在相同的試驗(yàn)條件下，本研究的方法可以用于評價(jià)30mm和130mm口徑火炮炮口火焰，且結(jié)果一致性較好。

3結(jié)論

(1)用數(shù)字高速攝像儀獲得炮口火焰序列照片，采用圖像疊加、圖像彩色-灰度轉(zhuǎn)換和自適應(yīng)的大津閾值分割等圖像綜合處理方法，編制出專用火焰圖像處理軟件，得到某裝藥條件下130mm口徑火炮的火焰面積為38.77m2、火焰周長為29.24m、火焰最大直徑為8.67m、火焰平均直徑為7.41m、火焰平均光密度(實(shí)際為灰度值)為171.07、火焰持續(xù)時(shí)間為61.6ms等多種火焰特征參量。

(2)進(jìn)行了130mm和30mm口徑火炮及不同裝藥的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法操作簡單，測量結(jié)果的重復(fù)性好，可用于其他火炮及發(fā)射藥裝藥的火焰特性研究。

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Study on the Method of Testing the Gun Muzzle Flame by Digital Image Technique

FAN Wen-tao1，ZHAO Hong-li2，JIN Jian-wei2，ZHAO Bao-ming2，LIU Lai-dong2，

ZHANG Heng2，SHANG Fei3

(1. Equipment Department of the Navy Bureau of Xi′an, Xi′an 710068, China； 2. Xi′an Modern Chemistry Research

Institute, Xi′an 710065, China；3. Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210014，China)

Abstract:The high-speed digital image technology was applied to obtain the flame series photographs of muzzle export. The characteristic parameters of gun muzzle flame, including flame area, perimeter, maximum diameter, average diameter, average optical density (actually the gray value) and flash duration were obtained by image synthesis processing method including image superposition, image color-gray transformation and adaptive Otsu threshold segmentation etc. The muzzle flames of 130mm and 30mm caliber gun were measured by this method. Results show that the method can characterize the feature of muzzle flame quantitatively and has good stability for measurement results.

Keywords:applied chemistry; muzzle flame; digital image technique; gun propellant; flame area; optical density; flash duration

通訊作者:趙宏立(1972-)，男，研究員，從事火藥性能與檢測技術(shù)研究。

作者簡介:范文濤(1980-)，男，工程師，從事武器系統(tǒng)與應(yīng)用管理研究。

基金項(xiàng)目:國家基礎(chǔ)產(chǎn)品創(chuàng)新科研項(xiàng)目

收稿日期:2014-07-09；修回日期:2014-11-01

中圖分類號：TJ55; O69

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)01-0087-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.01.020