基于高亞像素精度的圖像處理測量坦克炮炮口振動位移

李世立， 郭 旻， 杜文斌， 曹 馨， 李敏生， 譚天明

(1. 西北機電工程研究所， 陜西 咸陽 712099； 2. 內蒙古北方重工業(yè)集團有限公司， 內蒙古 包頭 014033)

基于高亞像素精度的圖像處理測量坦克炮炮口振動位移

李世立1， 郭 旻1， 杜文斌1， 曹 馨1， 李敏生2， 譚天明2

(1. 西北機電工程研究所， 陜西 咸陽 712099； 2. 內蒙古北方重工業(yè)集團有限公司， 內蒙古 包頭 014033)

本文介紹了某次炮口振動測試與驗證， 在測試中以某坦克炮為測試對象， 利用高速攝像對零度角射擊姿態(tài)下的坦克炮炮口進行拍攝， 對所拍攝圖像進行了亞像素級別的圖像處理， 最終給出彈丸出炮口時的振動位移. 該測試在靶場射擊條件下， 將炮口振動位移的測試精度提高到0.1mm量級. 為了驗證高速攝像的亞像素分辨精度， 搭建了一套測試驗證系統(tǒng)， 該系統(tǒng)利用微型振動臺產生微小振動位移， 由固定在振動臺臺面上的一只加速度計通過數(shù)據(jù)積分得到相應的振幅， 以此來實測亞像素分辨精度. 本文在業(yè)內首次驗證了高量級亞像素分辨率的圖像分析在大口徑火炮測試中的可行性， 顯示出其在大口徑火炮炮口振動測試中的優(yōu)勢與潛力.

高速攝像技術； 坦克炮； 位移靈敏度； 炮口振動位移； 亞像素分辨精度

0 引 言

炮口振動包括振動位移、 速度和加速度， 是指在彈丸出炮口時刻， 炮口部位在空間三維上的振動[1-2]. 對于大口徑火炮而言， 火炮密集度是靶場火炮驗收的主要指標， 關系著火炮研制的成功與否， 而炮口振動是影響火炮射擊密集度的主要原因[3-4]. 本文所涉及的炮口振動專指垂直于火炮身管指向并沿俯仰方向的炮口振動位移和振動速度.

大口徑火炮炮口振動的準確測量是火炮試驗測試工作中長期沒有得到解決的難題， 其原因在于炮口周圍環(huán)境十分嚴酷， 影響到常規(guī)測試傳感器的使用. 多年來不斷涌現(xiàn)出的一些測試方法與技術在逐步提高著測試精度與穩(wěn)定性， 這些測試方法主要可分為非接觸與接觸式測試兩大類. 其中， 非接觸測試的方法有“光電位移跟隨器”和“基于光杠桿原理的激光CCD成像系統(tǒng)”等[5-7]， 這些方法逐步把大口徑火炮的炮口振動位移的測試精度提高至2mm量級. 接觸式測試方法是將加速度計安裝在炮口， 采用對炮口振動加速度信號進行積分的方法得到炮口振動速度和位移. 該方法的測試精度約為1～2 mm[7-8]， 該方法對傳感器安裝、 防護、 信號線固定等要求比較高， 可靠性有待提高.

本文所介紹的方法是利用高速攝像機來測量某坦克炮的炮口振動位移和速度， 利用坦克炮零度角射擊姿態(tài)的便利條件， 在炮口側面的水平高度上， 直瞄粘貼有專用圖像標記的坦克炮炮口. 所得到的炮口運動圖像經高精度亞像素圖像處理， 測到了0.2 mm量級的炮口振動.

1 高速攝像測量坦克炮炮口振動方法

高速攝像測量坦克炮炮口振動方法， 是在坦克炮的炮口粘貼圖像識別專用標記， 采用高速攝像機拍攝彈丸膛內運動期間的坦克炮炮口部位的運動圖像， 再由圖像處理軟件對所拍攝的炮口部位的標記點進行跟蹤計算， 以測量炮口部位的振動位移和速度.

高速攝像機的成像原理如同凸透鏡成像原理一樣， 當高速攝像機與拍攝物體距離確定之后， 即物距一定， 實際上一個整像素代表的位移量就確定了. 當被測物體運動時， 圖像處理軟件對高速攝像機拍攝的物體運動前后的多幅數(shù)字圖像進行相關計算， 以測量物體的位移變化等， 如圖 1 所示， 在運動前的圖像f(x,y)中， 取以標記點(x,y)為中心、 半徑為r的圓形計算子區(qū)A(又稱模板)，A在運動著的目標圖像g(x,y)中移動, 并按某一相關函數(shù)來進行計算， 尋找與模板的相關系數(shù)為極值的子區(qū)B，B是以(x′,y′)為中心、 半徑同為r的圓形區(qū)域， 由點(x,y)和(x′,y′)來確定目標的整像素位移. 為了進一步提高目標定位的精度， 可以對以目標整像素位置為中心的一個小區(qū)域采用亞像素步長進行相關精確定位. 可通過插值、 擬合、 梯度等方法進行亞像素級重構.

圖 1 圖像處理示意圖Fig.1 Sketch map of image Processing

對于零度角射擊的坦克炮， 高速攝像機架設在炮口側方距離炮口15 m處的地面水平， 選用300 mm定焦鏡頭， 圖像的位移靈敏度約為1 mm/pixel， 幀速為10 000幀/s的高速攝像機. 測試前要考慮火炮振動、 炮口沖擊波以及風速是否會引起高速攝像機晃動而產生大幅度位移干擾信號.

圖 2 炮口振動位移與低頻干擾疊加示意Fig.2 Muzzle vibration and low frequency disturb

通過以下分析可知， 這方面的影響可忽略不計. 原因有兩點： ① 彈丸由擊發(fā)到運動至炮口的時間非常短暫(約6 ms)， 這其間不僅高速攝像機， 甚至坦克炮基礎架體是不動的. 況且加上地面?zhèn)鞑パ訒r以及高速攝像架體的響應延時， 等高速攝像機鏡頭因遭受沖擊而產生明顯晃動時， 彈丸已經出膛. ② 無論是火炮身管還是高速攝像機鏡頭的晃動(風速等外界因素影響)， 在較短的膛內運動期間， 其晃動位移的變化量可忽略， 見圖 2.

如圖 2 所示， 當信號中出現(xiàn)低頻干擾時， 由于炮口振動信號的時間歷程很短， 致使炮口振動開始和結束時的高速攝像測量值幾乎沒有變化.

2 某坦克炮炮口振動測量

在某坦克炮靶場射擊試驗中， 采用高速攝像靶場測試系統(tǒng)進行了炮口振動測試. 該系統(tǒng)中光電炮口信號傳感器用以探測炮口火光并自動觸發(fā)高速攝像機， 同時向其他電測系統(tǒng)送出同步標識信號， 其觸發(fā)響應時間小于10 μs. 靶場測試示意圖見圖 3.

靶場布置如圖 3 所示， 高速攝像機鏡頭正對炮口部位， 約定彈丸彈頭運動至炮口制退器中間部位的時刻為彈丸出炮口時刻， 彈丸出炮口時刻的高速攝像圖像如圖4所示. 在炮口制退器后方貼有高速攝像專用標記， 標記的中心線與身管中心線盡量重合， 以方便圖像識別和后期圖像處理. 標記之間的距離需準確測量， 作為圖像處理的計算標尺.

圖 3 靶場測試示意圖Fig.3 Sketch map of field test

圖 4 炮口與標記點位置Fig.4 Muzzle and Marker loacation

高速攝像機采用美國VRI公司的Phantom V12 黑白像機， 感光CCD面積約30 mm×25 mm， 1 280×800像素， 幀速為10 000幀/s， 曝光時間為98 μs. 其配套的鏡頭參數(shù)為： 焦距300 mm， 最大光圈1/4f.

所采用的圖像處理軟件為瑞典Image Systems AB公司提供的高速運動分析軟件TEMA(TrackEye Motion Analysis 3.5)， 該軟件在分析高速攝像機所拍攝的圖像序列時， 能夠對其中的特征點和標記點進行自動跟蹤， 計算其位移、 速度、 加速度. 在跟蹤算法中， 能夠實現(xiàn)高精度亞像素分辨精度. 具體分析過程如圖 5 所示， 跟蹤算法選用的為“象限算法”， “跟蹤容差”設定為30%. 經圖像處理得到的典型炮口振動位移和振動速度曲線見圖 6.

在圖 6 的時間軸上， 其“0 ms”時刻為彈丸出炮口時刻. 從炮口振動位移曲線來看， 彈丸在膛內啟動后的0～2 ms期間， 炮口基本不動， 在2～4 ms期間炮口以約0.18 m/s的速度向下運動， 在4～6 ms期間火炮保持在-0.2 mm的幅值上. 從該位移曲線來看， 在彈丸膛內運動期間， 整個身管處于低階次振型.

圖 5 圖像分析過程Fig.5 Image analysis process

圖 6 炮口振動位移及速度數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Muzzle vibration displacement and velocity

3 高速攝像亞像素圖像處理精度的實驗室驗證

為了驗證高速攝像的亞像素分辨精度， 測試人員搭建了一套測試驗證系統(tǒng)， 該系統(tǒng)利用小型振動臺產生微小振動位移， 由安裝在振動臺上的一只標準加速度計測量臺面振動加速度， 通過數(shù)據(jù)積分得到相應的振動速度與振動位移， 以此來驗證高速攝像機的亞像素分辨精度.

如圖 7 所示， 該驗證系統(tǒng)由小型振動臺、 工作標準加速度計、 信號源及功放、 高速攝像機、 直流光源、 數(shù)據(jù)采集器和圖像處理軟件等組成. 首先， 在振動臺中心處安裝一個工作標準加速度計， 用以測量臺面振動； 在高速攝像機頂端面安裝一只加速度計， 以監(jiān)測高速攝像機機身的振動位移. 其次， 為了圖像識別和后期圖像處理， 需要粘帖3個圖像標記， 如圖 8 所示. point1標記和point2標記粘帖在振動臺的臺體上， point3標記粘帖在工作標準加速度計的安裝基座上， 3個標記點垂直對齊. 精確測量標記點1和點2之間的距離， 作為圖像處理的標尺. 選取200 mm變焦鏡頭， 垂直等高拍攝振動臺面， 視場如圖 8 所示. 調節(jié)高速攝像機與振動臺的距離， 使其圖像的位移靈敏度為1.2 pixel/mm， 幀頻設定為10 000幀/s. 為了能在高速拍攝中看到圖像， 需要架設直流光源為標記點補光.

圖 7 微小振動位移發(fā)生與測試系統(tǒng)Fig.7 Micro vibration generation system

圖 8 標記點位置示意圖Fig.8 Marker location

由信號源及功放給出100Hz的正弦驅動信號接入小型振動臺， 調節(jié)功放增益， 使振動臺加速度信號的峰峰值達到0.8g， 根據(jù)正弦波的積分換算， 此時振動臺的臺面位移振幅約為0.01 mm.

在振動臺穩(wěn)定起振后， 同時采集加速計信號和圖像信號. 對高速攝像機頂端面的加速度信號積分運算后， 確認高速攝像機本身的振動很小(加速度信號為一根平直線)， 可忽略不計. 對振動臺加速度信號積分得到速度與位移信號； 圖像信號經TEMA分析處理得到位移信號， 再經一次微分得到速度信號. 對兩組數(shù)據(jù)進行對比， 以確定該分辨量級位移量的實驗室測試偏差. 測試曲線見圖 9， 圖 10.

圖 9 所示曲線分別為： 加速度a/g， 速度b/mm·s-1， 位移c/mm. 圖 10 為高速攝像測到的位移和速度曲線.

圖 10 數(shù)據(jù)曲線(高速攝像)Fig.10 Data curve (high-speed photography)

振動位移的實驗對比結果見表1， 兩組曲線的數(shù)值相差約20%. 需要指出的是， 表 1 所示的是0.01 mm 振動位移量級的測量精度， 該位移量已接近實驗室內亞像素分辨極限， 因而誤差較大. 由后續(xù)實驗可知， 當振動臺以50 Hz頻率和1 g加速度振動時， 臺面振幅約為0.1 mm， 此時高速攝像的測試誤差會明顯減小， 位移測試對比結果見表 2.

表 1 振動位移對比結果

表 2 振動位移對比結果

由表 2 數(shù)據(jù)可知在0.1 mm振動位移量級上， 高速攝像所測得的位移值較之振動臺的約定真值平均偏差為9%， 該系統(tǒng)偏差可在后續(xù)測試時予以修正. 而表2所示的高速攝像所測位移值的波動， 可用極差法[9]進行測量結果標準差的估計. 取n=3， 則標準差的估計值為：

(0.11-0.106)/1.693=0.002 4(mm)， 即相對標準差為2.2%.

4 結束語

靶場試驗的測試結果表明， 某坦克炮的炮口振動僅有0.2 mm量級， 這是目前國內坦克炮炮口測試所測到的最小位移量級. 在實驗室進行了相關驗證， 證實了所采用的圖像處理軟件具有0.02 pixel的亞像素分辨能力. 雖然此次初步嘗試， 有許多技術細節(jié)尚需進一步完善， 但已看到借助于高量級亞像素分辨率的高速攝像技術在大口徑火炮炮口振動測試中的優(yōu)勢與潛力.

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聲 明

本刊已許可中國學術期刊(光盤版)電子雜志社在中國知網及其系列數(shù)據(jù)庫產品中，以數(shù)字化方式復制、匯編、發(fā)行、信息網絡傳播本刊全文。該社著作權使用費與本刊稿酬一并支付。作者向本刊提交文章發(fā)表的行為即視為同意我編輯部上述聲明。

Measurement of Tank Gun Muzzle Vibration Based on Image Processing with High Sub-Pixel Precision

LI Shili1， GUO Min1， DU Wenbin1， CAO Xin1， LI Minsheng2， TAN Tianming2

(1．Northwest Insititute of Mechanical and Electrical Engineering， Xianyang 712099， China；2．Inner Mongolia North Heavy Industry Group Co. Ltd.， Baotou 014033， China)

This paper introduces a tank gun muzzle vibration measurement and verification. In the test, the muzzle vibration displacement of a tank gununder zero-degree shooting angle was measured by high-speed photography. The recording images were processed based on sub-pixel level, and the vibration displacement at muzzle-leaving time wasacquired from processing. The accuracy of tank gun muzzle vibration displacement was improved to 0.1mm by the measurement. In order to verify the accuracy of sub-pixel precision of high speed camera, a test verification system is set up. In the system, a micro vibrator is used to generate micro displacement vibration. An accelerometer is fixed on the surface of the vibrator, which gives the acceleration of the vibration. The corresponding vibration displacement is obtained through data integration; By data comparison, the accuracy of the sub pixel precision can be verified. For the first time, the feasibility of the application of high sub-pixel precision in large caliber gun test is verifiedin the industryand the advantages and potential of high-speed camera in the large caliber gun muzzle vibration measurement have been revealed.

high-speed photography technology; tank cannon; displacement sensitivity; muzzle displacement; sub pixel resolution

1671-7449(2017)02-0131-06

2016-11-14

李世立(1985-)， 男， 工程師， 碩士， 主要從事試驗測試與測試技術等研究.

TJ810.6

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.02.007