數(shù)碼迷彩自動(dòng)涂裝系統(tǒng)研究

謝衛(wèi)，周志勇，蔡云驤，穆景陽（總裝備部工程兵科研一所，江蘇無錫214035）

數(shù)碼迷彩自動(dòng)涂裝系統(tǒng)研究

謝衛(wèi)，周志勇，蔡云驤，穆景陽
（總裝備部工程兵科研一所，江蘇無錫214035）

數(shù)碼迷彩是一種新的迷彩偽裝技術(shù)，具有較好的偽裝效果。針對(duì)目前人工涂裝效率較低的問題，通過解決裝備三維正方形網(wǎng)格模型構(gòu)建、三維數(shù)碼迷彩圖案模型生成、圖案噴涂路徑自動(dòng)規(guī)劃、噴槍位姿實(shí)時(shí)檢測(cè)等問題，構(gòu)建了數(shù)碼迷彩自動(dòng)涂裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)數(shù)碼迷彩自動(dòng)噴涂作業(yè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：使用自動(dòng)作業(yè)方式可有效提高數(shù)碼迷彩噴涂效率，從而推動(dòng)碼迷彩技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

兵器科學(xué)與技術(shù)；偽裝；數(shù)碼迷彩；機(jī)器人；三維建模；指令生成；迷彩設(shè)計(jì)

0　引言

信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，高技術(shù)偵察和精確打擊對(duì)各類軍事目標(biāo)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。偽裝是防敵偵察和精確打擊的重要手段，積極采取各種偽裝措施，可有效地隱蔽目標(biāo)，欺騙、迷惑敵方偵察，減少目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)識(shí)別和探測(cè)打擊的概率，提高作戰(zhàn)力量的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。迷彩偽裝技術(shù)是一種最基本、最常用的偽裝方式，各國都十分重視，將迷彩作為提升武器裝備戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的基礎(chǔ)和必要措施[1]。面對(duì)高分辨率偵察的“矛”的挑戰(zhàn)，迷彩偽裝技術(shù)作為“盾”，必須向精確化、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。當(dāng)前，綜合集成計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、機(jī)器人等技術(shù)實(shí)現(xiàn)迷彩作業(yè)裝備精確設(shè)計(jì)與自動(dòng)作業(yè)能力已成為國內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)碼迷彩是一種根據(jù)人類視覺系統(tǒng)特點(diǎn)，廣泛借助計(jì)算機(jī)及圖像技術(shù)，采用規(guī)則的最小可分辨色塊，進(jìn)行排列組合生成的一種能在不同分辨率下和背景特征相匹配的迷彩圖案[2]。數(shù)碼迷彩的技術(shù)內(nèi)涵符合偽裝技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì)，其“馬賽克”的圖案特點(diǎn)能夠從宏觀和微觀兩個(gè)層面更好的模擬背景紋理特征，具有更佳的偽裝效果，同時(shí)也與機(jī)器人自動(dòng)噴涂易于實(shí)現(xiàn)規(guī)則圖形的特點(diǎn)相吻合。

本文針對(duì)數(shù)碼迷彩人工涂裝效率較低的問題，分析了基于噴涂機(jī)器人的數(shù)碼迷彩自動(dòng)涂裝系統(tǒng)原理和性能特點(diǎn)，并通過噴涂試驗(yàn)驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)的可行性，該系統(tǒng)能有效提高數(shù)碼迷彩噴涂效率，對(duì)數(shù)碼迷彩技術(shù)進(jìn)一步推廣應(yīng)用與發(fā)展具有重要意義。

1　系統(tǒng)組成

自動(dòng)涂裝系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成Fig.1　The system composition

圖1中，噴涂機(jī)器人是實(shí)施自動(dòng)涂裝作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選用瑞士ABB公司生產(chǎn)的IRB 5400-14噴涂機(jī)器人，同專用直線導(dǎo)軌構(gòu)成七軸聯(lián)動(dòng)整體，由配套控制柜驅(qū)動(dòng)與控制。自動(dòng)噴涂設(shè)備包括自動(dòng)噴槍、噴嘴、涂料供給泵及配套管線，選用美國固瑞克公司產(chǎn)品。目標(biāo)數(shù)據(jù)采集裝置安裝于機(jī)器人手臂末端，選用德國PMD公司生產(chǎn)的CamCube 3.0深度相機(jī)，由機(jī)器人帶動(dòng)完成目標(biāo)外形數(shù)據(jù)掃描，所獲數(shù)據(jù)作為目標(biāo)建模數(shù)據(jù)輸入。噴槍位姿檢測(cè)設(shè)備安裝于機(jī)器人手臂末端，用來檢測(cè)噴涂過程中噴槍與待噴面的相對(duì)位置，一定程度上可彌補(bǔ)目標(biāo)建模誤差，改善涂裝質(zhì)量。PC上位機(jī)及軟件模塊作為噴涂作業(yè)的控制中樞，通過模型構(gòu)建模塊、圖案設(shè)計(jì)模塊、指令生成模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理、反饋。

2　目標(biāo)數(shù)據(jù)采集

三維數(shù)據(jù)測(cè)量方法主要有接觸式測(cè)量、非接觸測(cè)量和逐層掃描測(cè)量3類[4]。逐層掃描方法屬于破壞性測(cè)量，主要用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[5]；接觸式測(cè)量方法具有較高精度，但是測(cè)量速度慢；非接觸式三維數(shù)據(jù)獲取方法主要有激光測(cè)距法和基于視覺系統(tǒng)的方法。基于視覺系統(tǒng)的方法成本較低、使用方便，但測(cè)量精度易受光照條件影響[6]。基于激光測(cè)距的方法測(cè)量速度快，精度較高[7]。其中，基于飛行時(shí)間的深度相機(jī)，主要通過向目標(biāo)發(fā)送連續(xù)光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過探測(cè)光脈沖的飛行時(shí)間來得到目標(biāo)物距離[8]，可獲取景物的灰階影像信息及深度信息，逐漸在科研和工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)將PMD公司的CamCube3.0深度相機(jī)安裝于機(jī)器人手臂末端，開發(fā)USB通信接口與PC上位機(jī)相聯(lián)，組建目標(biāo)外形數(shù)據(jù)采集裝置，兩側(cè)的數(shù)據(jù)采集裝置分別完成各側(cè)目標(biāo)部分?jǐn)?shù)據(jù)的快速獲取。采集裝置如圖2所示。

圖2　CamCube 3.0深度相機(jī)Fig.2　CamCube 3.0 depth camera

3　目標(biāo)快速建模

典型目標(biāo)建模方法是對(duì)散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行三角化，建立三角網(wǎng)格模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行曲面細(xì)分，從而得到曲面造型[9-11]。其優(yōu)點(diǎn)是可通過三角網(wǎng)格靈活反映實(shí)際曲面復(fù)雜的形貌，獲取的曲面模型可以用于復(fù)雜產(chǎn)品模型精確表示和數(shù)控加工。精簡(jiǎn)后的裝備點(diǎn)云數(shù)據(jù)可達(dá)數(shù)百萬，甚至上千萬，采用三角化方法獲得的三角網(wǎng)格數(shù)目通常是點(diǎn)云個(gè)數(shù)的2倍，在海量三角網(wǎng)格上再做細(xì)分曲面處理的工作量巨大，處理時(shí)效性低，不能滿足目標(biāo)快速建模的要求。另一方面，由于規(guī)則四邊形更易于噴涂實(shí)現(xiàn)，組成數(shù)碼迷彩圖案的基本單元一般為正方形，因此，本系統(tǒng)采用基于包圍盒面片生長的目標(biāo)四邊形網(wǎng)格建模方法[12]，其主要流程如圖3所示。

圖3　目標(biāo)建模流程Fig.3　The objectmodeling process

步驟1 采用標(biāo)準(zhǔn)高斯濾波方法平滑點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

步驟2 用最小包圍盒法劃分點(diǎn)云數(shù)據(jù)（設(shè)盒邊長為1 cm），采用加權(quán)平均法計(jì)算各盒內(nèi)代表點(diǎn)。

步驟3 按照先面相鄰、后邊相鄰的優(yōu)先級(jí)順序連接相鄰包圍盒代表點(diǎn)，得到多邊形網(wǎng)格。

步驟4 通過區(qū)域生長法將步驟3得到的小尺寸網(wǎng)格合并為10 cm邊長的大尺寸網(wǎng)格。

步驟5 采用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將四邊形網(wǎng)格封裝為面片（包括面片頂點(diǎn)、法向量等信息）。

步驟6 以多邊形文本存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)格式文件輸出模型。

4　三維數(shù)碼迷彩設(shè)計(jì)

目前，數(shù)碼迷彩的圖案設(shè)計(jì)方法主要分為兩類：1）借助AutoCAD等輔助軟件人工設(shè)計(jì)；2）基于隨機(jī)場(chǎng)分布、小波重構(gòu)、分形和聚類等算法自動(dòng)生成數(shù)碼迷彩[13-15]。上述方法的設(shè)計(jì)輸出均為二維平面圖案，一般出圖后經(jīng)人工噴涂至目標(biāo)表面，效率低、誤差大，較難將迷彩圖案快速轉(zhuǎn)換自動(dòng)噴涂指令。因此，本系統(tǒng)采用紋理映射法實(shí)現(xiàn)了三維迷彩圖案生成，主要流程如圖4所示。

圖4　三維數(shù)碼迷彩圖案生成流程Fig.4　The generation process of 3D digital pattern

步驟1 采用K均值聚類方法提取背景顏色特征，基于馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)的方法生成符合背景紋理特征的二維數(shù)碼迷彩圖案[14]，構(gòu)建圖案數(shù)據(jù)庫。二維數(shù)碼迷彩圖案生成流程如圖5所示。

圖5　二維數(shù)碼迷彩圖案生成流程Fig.5　The Generation process of2D digital pattern

步驟2 根據(jù)目標(biāo)最小外接立方體計(jì)算前、后、左、右、頂5個(gè)視面的平面方程。

步驟3 由目標(biāo)外接矩立方體計(jì)算目標(biāo)五面展開圖尺寸，從圖案數(shù)據(jù)庫選取圖案，隨機(jī)生成目標(biāo)數(shù)碼迷彩五面展開圖。

步驟4 計(jì)算模型面片同目標(biāo)5個(gè)視面的法矢量夾角，將夾角最小的視面記為P.

步驟5 計(jì)算模型面片中心點(diǎn)坐標(biāo)和各面片在P上投影位置坐標(biāo)，以此建立模型面片和二維數(shù)碼迷彩圖案的映射關(guān)系。

步驟6 根據(jù)映射關(guān)系，完成三維模型賦色。

5　噴涂指令自動(dòng)生成

目前，自動(dòng)噴涂作業(yè)實(shí)現(xiàn)多是基于機(jī)器人示教編程方法，由專業(yè)技術(shù)人員借助示教器控制機(jī)器人完成噴涂圖案的軌跡設(shè)計(jì)，利用示教器存儲(chǔ)機(jī)器人手臂末端位置及姿態(tài)等信息，以此形成機(jī)器人噴涂指令。噴涂作業(yè)時(shí)，調(diào)用預(yù)先存儲(chǔ)的指令，完成自動(dòng)作業(yè)[16]。該方式效率較低，且要求操作人員具備熟練技術(shù)和豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不能滿足數(shù)碼迷彩涂裝的要求。因此，本系統(tǒng)通過自動(dòng)編程和離線仿真等步驟實(shí)現(xiàn)了一種可以自動(dòng)生成噴涂作業(yè)指令的方法[17]，主要流程如圖6所示。

圖6　噴涂指令生成流程Fig.6　Generation process of spray instructions

步驟1 導(dǎo)入裝備三維數(shù)碼迷彩圖案數(shù)據(jù)。

步驟2 根據(jù)作業(yè)空間和迷彩圖案信息將裝備噴涂區(qū)域自動(dòng)劃分為多個(gè)子區(qū)域[18]。

步驟3 執(zhí)行區(qū)域內(nèi)面片排序和噴涂路徑規(guī)劃，完成機(jī)器臂末端姿態(tài)及開關(guān)槍時(shí)間的計(jì)算。

步驟4 計(jì)算裝備的安全外包執(zhí)行區(qū)域間噴涂路徑規(guī)劃。

步驟5 依據(jù)機(jī)器人編程語言語法生成噴涂指令。

步驟6 在配套離線仿真軟件robortstudio中進(jìn)行仿真噴涂，去除碰撞、不可達(dá)等奇異點(diǎn)，修改噴涂指令，對(duì)于此部分斑點(diǎn)，采用人工修補(bǔ)的方式進(jìn)行涂裝。

步驟7 將指令下載至機(jī)器人控制柜。

6　試驗(yàn)過程

為驗(yàn)證本系統(tǒng)實(shí)用性與有效性，對(duì)某型裝備目標(biāo)1：1模型進(jìn)行了自動(dòng)噴涂作業(yè)試驗(yàn)。

通過人工示教方式確定若干起始位置，自動(dòng)插值生成目標(biāo)外形數(shù)據(jù)采集的機(jī)器人路徑，形成指令，由機(jī)器人帶動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)采集裝置完成噴涂目標(biāo)的外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過174個(gè)采集點(diǎn)，共采集得到3 874 187個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采集時(shí)間小于20 min，目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7　目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.7　The point cloud data of target

PC上位機(jī)通過USB接口獲取采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由模型構(gòu)建軟件模塊完成目標(biāo)快速建模，所得網(wǎng)格模型包含3 509個(gè)有效四邊形面片，建模時(shí)間小于15min，目標(biāo)網(wǎng)格模型如圖8所示。

圖8　目標(biāo)網(wǎng)格模型Fig.8　Themesh model of target

運(yùn)行圖案設(shè)計(jì)軟件模塊，在三維網(wǎng)格模型上快速完成數(shù)碼迷彩圖案設(shè)計(jì)生成，設(shè)計(jì)時(shí)間小于5min，目標(biāo)三維數(shù)碼迷彩效果如圖9所示。

圖9　目標(biāo)數(shù)碼迷彩圖案Fig.9　The 3D digital pattern of target

運(yùn)行指令生成軟件模塊，根據(jù)三維數(shù)碼迷彩圖案模型，結(jié)合預(yù)先確定的噴涂工藝參數(shù)，完成噴涂路徑規(guī)劃和指令生成，并通過離線仿真噴涂完成指令修正。圖10、圖11分別為噴涂區(qū)域分割和指令生成。

圖10　目標(biāo)噴涂區(qū)域規(guī)劃Fig.10　Spray regional planning of target

圖11　目標(biāo)噴涂指令生成Fig.11　Spray instruction generation of target

最后，將噴涂指令下載至機(jī)器人控制器，實(shí)施目標(biāo)自動(dòng)涂裝作業(yè)，圖12為數(shù)碼迷彩自動(dòng)噴涂。

圖12　目標(biāo)自動(dòng)噴涂作業(yè)Fig.12　Automatic spraying operation of target

7　結(jié)論

通過解決裝備三維正方形網(wǎng)格模型構(gòu)建、三維數(shù)碼迷彩圖案模型生成、圖案噴涂路徑自動(dòng)規(guī)劃、噴槍位姿實(shí)時(shí)檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)問題，構(gòu)建了數(shù)碼迷彩自動(dòng)涂裝系統(tǒng)，可實(shí)施坦克模型的數(shù)碼迷彩自動(dòng)化涂裝，涂裝時(shí)間不超過30min.但該系統(tǒng)存在兩個(gè)不足：1）在裝備外形數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要通過人工示教確定機(jī)器人采集點(diǎn)路徑指令程序；2）在裝備三維網(wǎng)格模型構(gòu)建與圖案設(shè)計(jì)時(shí)，需要一定的人工交互過程，這都增加了系統(tǒng)操作難度、降低了作業(yè)效率。下一步研究重點(diǎn)是開展噴涂作業(yè)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，采取離線作業(yè)的方式完成數(shù)據(jù)采集、建模、圖案設(shè)計(jì)、指令生成等過程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴涂作業(yè)流程的高效化。

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Research on Digital Pattern Automatic Painting System

XIEWei，ZHOU Zhi-yong，CAIYun-xiang，MU Jing-yang
（The First Engineers Scientific Research Institute，General Armaments Department，Wuxi214035，Jiangsu，China）

Digital pattern is a new camouflage technique，which has better camouflage effect.For the problem of low efficiency of artificial painting，four detection techniques，such as the 3D square gridmodeling ofmilitary equipment，the 3D digital pattern model generation，the spraying automatic path planning and the real time detection of lance position，are solved.A digital pattern automatic painting system is constructed.Test results show that the application of automatic system can effectively improve the painting efficiency of digital pattern，and promote the further development of digital pattern technology.

ordnance science and technology；camouflage；digital pattern；robot；three-dimensionalmodeling；instruction set generation；pattern design

TP24

A

1000-1093（2015）12-2396-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.12.025

2015-04-16

國防預(yù)先研究項(xiàng)目（ZLY2011410）

謝衛(wèi)（1963—），男，高級(jí)工程師。E-mail：xiewei63983@sina.com；蔡云驤（1984—），男，工程師。E-mail：caibuyi@sina.com