目標(biāo)毀傷效果建模系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 磊，石 全，張 寧，王 武，陳 材

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 裝備指揮與管理系，河北 石家莊 050003；2.32142部隊(duì)，河北 保定 071000；3.71352部隊(duì)，河北 張家口 075100；4.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

隨著高新技術(shù)武器系統(tǒng)的發(fā)展，目標(biāo)毀傷評(píng)估對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的影響越來(lái)越重，要求越來(lái)越高[1]。美軍一直重視這方面的研究，從目標(biāo)毀傷信息收集、目標(biāo)毀傷效果建模到目標(biāo)毀傷效果評(píng)估方法，已經(jīng)形成了一套完整的評(píng)估體系。特別是在機(jī)載平臺(tái)偵察方面，美軍有“捕食者”和“全球鷹”，具備從美國(guó)本土到全球任何地方進(jìn)行偵察監(jiān)視的能力[2]。受美軍啟發(fā)，針對(duì)集群火炮火力打擊目標(biāo)區(qū)域后毀傷問(wèn)題，筆者將輕小型激光雷達(dá)和傾斜攝影設(shè)備搭載于無(wú)人機(jī)，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行全域快速掃描，快速獲取高精度三維地形地貌激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳送至用戶終端用于毀傷效果分析，設(shè)計(jì)出一種基于圖像感知的目標(biāo)毀傷效果建模系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)毀傷效果三維建模且直觀可視，為指揮員評(píng)估毀傷效果和輔助科學(xué)決策提供模型和數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 基于圖像感知的目標(biāo)毀傷效果建模基本思路

將無(wú)人機(jī)加掛激光雷達(dá)和傾斜攝影設(shè)備對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描和拍攝，作為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理，建立目標(biāo)毀傷前的特征模型，以便和毀傷后的特征模型進(jìn)行比較，確定目標(biāo)毀傷位置和毀傷程度；對(duì)目標(biāo)毀傷后的圖像信息進(jìn)行降噪、過(guò)濾、校正等處理，濾掉噪聲信息；提取目標(biāo)毀傷特征信息，通過(guò)邊緣檢測(cè)算子，提取目標(biāo)邊緣輪廓，與原始數(shù)據(jù)建立的目標(biāo)模型進(jìn)行比較，得到發(fā)生變化的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息；將這些激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和拍攝影像信息結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用三維建模技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換和處理，得到逼真的目標(biāo)毀傷效果三維模型，并通過(guò)軟件后處理模塊調(diào)取三維毀傷近似體積等參數(shù)。

整個(gè)建模系統(tǒng)的重點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)主要是對(duì)圖像數(shù)據(jù)信息的獲取、處理、管理、提取和應(yīng)用，這就要求在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，既要注重硬件接口的適用通用，也要注重軟件設(shè)計(jì)的兼容并容。

1.2 系統(tǒng)的組成與功能

基于圖像感知的目標(biāo)毀傷效果建模系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由空中探測(cè)激光掃描設(shè)備(激光雷達(dá))、掛接接口、地面基站、信息處理控制組件及配套軟件組成[3]。系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)裝備和彈坑毀傷模型可視化建模，并對(duì)海量空間信息數(shù)據(jù)及地物屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、檢索、展示與分析[4]。

1.3 系統(tǒng)工作原理與流程

激光雷達(dá)集成了激光掃描儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和可見(jiàn)光數(shù)碼相機(jī)等單元，用來(lái)獲取目標(biāo)區(qū)域激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)而后生成精確的數(shù)字模型(DEM/DSM)[5]。激光雷達(dá)組成如圖2所示。將激光雷達(dá)掛載于無(wú)人機(jī)平臺(tái)預(yù)先獲取指定區(qū)域的三維激光點(diǎn)云模型，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)度，在指定區(qū)域上空進(jìn)行盤旋，通過(guò)信息處理控制組件配置激光雷達(dá)獲取該區(qū)域的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)比基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取指定爆炸區(qū)域裝備和彈坑毀傷模型并分析毀傷效果。系統(tǒng)工作的流程如圖3所示。

激光雷達(dá)產(chǎn)生并發(fā)射光脈沖，打在物體上反射回來(lái)，最終信號(hào)被接收。接收器通過(guò)測(cè)量光脈沖從發(fā)射到被反射回的時(shí)間，從而轉(zhuǎn)換為對(duì)距離的測(cè)量。將激光掃描角度、GNSS位置數(shù)據(jù)和INS姿態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算及坐標(biāo)變換可得到每個(gè)地面光斑的三維坐標(biāo)x、y、z，GNSS位置數(shù)據(jù)需要結(jié)合衛(wèi)星數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合差分解算得到[6]。INS姿態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量得到。激光雷達(dá)存儲(chǔ)單元可存放點(diǎn)云數(shù)據(jù)與位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)。各個(gè)單元之間用以太網(wǎng)協(xié)議交換數(shù)據(jù)，并把各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息流轉(zhuǎn)至信息處理組件，經(jīng)過(guò)處理分析后可通過(guò)無(wú)線傳輸與用戶終端交互，信息流轉(zhuǎn)流程如圖4所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件功能指標(biāo)

系統(tǒng)的硬件部分主要是激光雷達(dá)，它通過(guò)移動(dòng)搭載平臺(tái)，按照指令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸與顯示，具體功能指標(biāo)如下：

1)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)數(shù)個(gè)基準(zhǔn)站三維坐標(biāo)精確測(cè)量；

2)移動(dòng)平臺(tái)(包括飛機(jī)或無(wú)人機(jī))軌跡精確測(cè)量；

3)周圍地物到雷達(dá)的相對(duì)位置精確測(cè)量；

4)空間信息數(shù)據(jù)壓縮；

5)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)裝備和彈坑的時(shí)空信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)實(shí)時(shí)顯示；

6)通過(guò)RS232數(shù)據(jù)接口接收GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)。

為使系統(tǒng)正常工作、通過(guò)監(jiān)控中心控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并準(zhǔn)實(shí)時(shí)顯示，需要滿足以下要求：

1)供電：電壓為24±2 V，電流不大于3 A；

2)飛行平臺(tái)載重富余：20 kg;

3)系統(tǒng)操作及數(shù)據(jù)處理均進(jìn)行高度封裝，經(jīng)培訓(xùn)后即可完成系統(tǒng)操作。

無(wú)人機(jī)掛接激光雷達(dá)如圖5所示。

2.2 技術(shù)途徑

激光雷達(dá)系統(tǒng)是整個(gè)硬件設(shè)備之中的核心部件，集成包括激光掃描儀、慣性導(dǎo)航單元和嵌入式計(jì)算機(jī)三大模塊，這些模塊通過(guò)高精度時(shí)間同步控制和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行時(shí)間統(tǒng)一和數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)所需激光點(diǎn)云、DEM、DSM地物坐標(biāo)數(shù)據(jù)等多樣化數(shù)據(jù)信息采集、存儲(chǔ)和傳遞。激光掃描儀是激光雷達(dá)的核心[7]。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，激光雷達(dá)各單元和模塊技術(shù)應(yīng)用都已成熟，而且形成了標(biāo)準(zhǔn)接口用于各單元設(shè)備連接和交換數(shù)據(jù)，民用領(lǐng)域已經(jīng)將無(wú)人機(jī)掛接激光雷達(dá)用于巡視監(jiān)視高壓線路是否正常工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件功能指標(biāo)

系統(tǒng)的軟件部分以臺(tái)式機(jī)工作站、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器和高性能板卡為支撐，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)檢索與分析等功能，具體功能指標(biāo)如下：

1)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)數(shù)個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間的三維坐標(biāo)平差處理；

2)移動(dòng)平臺(tái)航跡事后差分處理；

3)移動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)與精確航跡之間的耦合和事后耦合處理；

4)基于精確航跡與姿態(tài)的地物三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)事后處理；

5)基于精確航跡與姿態(tài)的地物全景真彩色激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)事后處理；

6)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合處理；

7)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)重復(fù)采樣處理；

8)目標(biāo)區(qū)域數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字表面模型(DSM)建模。

根據(jù)系統(tǒng)軟件功能指標(biāo)要求，系統(tǒng)軟件總體技術(shù)指標(biāo)如下：

1)激光雷達(dá)點(diǎn)云密度：≥200點(diǎn)/m2；

2)激光雷達(dá)掃描頻率：≥50 Hz；

3)幾何尺寸測(cè)量精度：≤0.05 m；

4)模型建立時(shí)間：≤2 h；

5)軟件運(yùn)行/開(kāi)發(fā)環(huán)境：Windows 7.

3.2 技術(shù)途徑

3.2.1 圖像信息數(shù)據(jù)獲取

圖像感知信息數(shù)據(jù)獲取主要依靠激光點(diǎn)云與傾斜攝影融合技術(shù)，通過(guò)設(shè)置激光雷達(dá)發(fā)射頻率與掃描頻率，獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、過(guò)濾等預(yù)處理。這就要應(yīng)用激光點(diǎn)云定位定姿實(shí)時(shí)耦合技術(shù)來(lái)支撐。定位定姿實(shí)時(shí)耦合技術(shù)，是實(shí)時(shí)獲取三維激光實(shí)景、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，也是提高實(shí)際使用效率的關(guān)鍵；同時(shí)，還可以融合里程計(jì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行耦合處理，可以有效解決三維激光實(shí)景設(shè)備在使用過(guò)程中，因高大建筑、植被、天橋、立交橋或隧道、道路旁陡坡導(dǎo)致GNSS信號(hào)弱或者失鎖引起的位置誤差。融合里程計(jì)的定位定姿實(shí)時(shí)耦合技術(shù)和三維激光點(diǎn)云與影像融合技術(shù)綜合應(yīng)用，可以實(shí)時(shí)處理三維激光實(shí)景設(shè)備采集的初始地理環(huán)境數(shù)據(jù)，并給出高精度的定位定姿數(shù)據(jù)。

3.2.2 圖像信息數(shù)據(jù)處理

圖像感知信息數(shù)據(jù)處理主要依靠POS(位置姿態(tài)系統(tǒng))數(shù)據(jù)處理、激光點(diǎn)云處理、地物變化比對(duì)等技術(shù)[8]。

POS數(shù)據(jù)處理是基于TMS320C6747開(kāi)發(fā)GNSS/INS組合系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要有ARM和DSP處理器。ARM負(fù)責(zé)采集陀螺儀及加速度計(jì)原始數(shù)據(jù)，并利用GNSS板卡提供的1PPS把INS數(shù)據(jù)標(biāo)記上GPS時(shí)間標(biāo)志，通過(guò)串口向外部和DSP發(fā)送帶有時(shí)間標(biāo)志的INS數(shù)據(jù)。DSP負(fù)責(zé)組合導(dǎo)航的計(jì)算。POS數(shù)據(jù)處理可有效解決位置坐標(biāo)信息的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性。

三維激光點(diǎn)云處理采用FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)，將接收的精準(zhǔn)時(shí)間數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，獲得三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)發(fā)送到指揮中心顯示器上顯示，同時(shí)在本地進(jìn)行存儲(chǔ)，整個(gè)處理架構(gòu)如圖6所示[9]。

地物變化實(shí)時(shí)比對(duì)技術(shù)是指預(yù)處理階段需要將所需監(jiān)控場(chǎng)地地物實(shí)現(xiàn)全面采集一遍，獲得場(chǎng)地內(nèi)地物空間信息數(shù)據(jù)，建立目標(biāo)毀傷前地物特征模型，作為精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。再次采集時(shí)將數(shù)據(jù)量高達(dá)數(shù)百千兆的點(diǎn)云數(shù)據(jù)依據(jù)航跡信息進(jìn)行切割分解，形成多個(gè)容易快速讀寫的以航跡分割為索引的小文件；在單個(gè)小文件中采用排序算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣，形成該小區(qū)域內(nèi)點(diǎn)云為規(guī)定有序數(shù)據(jù)；建立航跡信息與點(diǎn)云信息文件對(duì)應(yīng)的索引表；設(shè)定精度閾值ΔP，讀取當(dāng)前航跡區(qū)域ΔP范圍內(nèi)的兩次點(diǎn)云信息。采用空間柵格化方式將兩次數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣。兩次空間網(wǎng)格信息相減，可得到變化信息，同時(shí)提取變化特征信息，通過(guò)邊緣檢測(cè)算子，獲取毀傷邊緣輪廓信息和相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息。技術(shù)流程如圖7所示。

3.2.3 圖像信息數(shù)據(jù)管理與提取

由于數(shù)據(jù)本身數(shù)據(jù)量大、復(fù)雜的特點(diǎn)，其組織和管理成為提升系統(tǒng)性能和減少實(shí)時(shí)定位時(shí)間的關(guān)鍵問(wèn)題。形象逼真的三維可視化表示不僅具有多種細(xì)節(jié)層次(LOD)的表示，而且能提供真實(shí)質(zhì)感的表面描述，如紋理、地表模型等，因此，三維遙感數(shù)據(jù)和有關(guān)紋理與模型數(shù)據(jù)同是數(shù)據(jù)庫(kù)的重要內(nèi)容。三維可視化交互的實(shí)時(shí)性要求，使得海量數(shù)據(jù)的有效管理與調(diào)度成為海量多源數(shù)據(jù)可視化的關(guān)鍵技術(shù)。要完成實(shí)時(shí)交互式虛擬環(huán)境建立，使用海量數(shù)字模型數(shù)據(jù)作為虛擬環(huán)境的場(chǎng)景數(shù)據(jù)時(shí)，就必須對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行詳細(xì)分塊，來(lái)滿足后臺(tái)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)頻繁和實(shí)時(shí)訪問(wèn)的要求。對(duì)于細(xì)節(jié)層次要求較高的場(chǎng)景，如果對(duì)數(shù)據(jù)所有分辨率的需求都是基于最詳細(xì)的分辨率數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行調(diào)度顯示，那么在觀察整個(gè)場(chǎng)景概貌時(shí)，數(shù)據(jù)量將會(huì)很大。這時(shí)只能靠抽取數(shù)據(jù)來(lái)展示，而這種低分辨率抽取過(guò)程非常漫長(zhǎng)。一種有效的解決方法就是對(duì)細(xì)節(jié)層次較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層，如圖8所示。

通過(guò)指定不同的層次精度范圍將數(shù)據(jù)劃分為幾層，根據(jù)仿真對(duì)精度的要求選取對(duì)應(yīng)層的數(shù)據(jù)，來(lái)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)遍歷過(guò)程。對(duì)數(shù)據(jù)分塊和分層后，再對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼和索引，作為其在數(shù)據(jù)層中的唯一ID號(hào)。這樣不僅便于海量數(shù)據(jù)的組織管理，而且可以通過(guò)合理編碼方式，加快對(duì)數(shù)據(jù)索引和調(diào)度[10]，有力地支撐了特征信息提取和數(shù)據(jù)信息調(diào)用。

3.2.4 圖像信息數(shù)據(jù)應(yīng)用

三維模型建立是對(duì)圖像信息數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用。模型的真實(shí)尺寸以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，模型的材質(zhì)以影像數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，最大可能地還原逼真的三維模型。三維建模的具體步驟如下：

1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：目標(biāo)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，目標(biāo)的影像。

2)點(diǎn)云分類：把點(diǎn)云分為復(fù)雜和簡(jiǎn)單物體兩類。

3)簡(jiǎn)單線框模型：將簡(jiǎn)單物體的點(diǎn)云導(dǎo)入Terra-Solid中，進(jìn)行地面、房間、管道點(diǎn)云的進(jìn)一步分類。分別將地面、房間、管道點(diǎn)云矢量化，提取簡(jiǎn)單線框模型，保存為dwg格式[11]。

4)復(fù)雜線框模型：將復(fù)雜物體的點(diǎn)云導(dǎo)入PointCloud中。根據(jù)點(diǎn)云自動(dòng)生成與手動(dòng)修改相結(jié)合，繪制復(fù)雜線框模型，保存為dwg格式。

5)在3DsMax或MAYA中打開(kāi)線框模型，參照點(diǎn)云和影像修改線框模型的錯(cuò)誤。并根據(jù)下游漫游軟件的要求，對(duì)模型進(jìn)行減面，降低模型數(shù)據(jù)量。

6)在Photoshop中對(duì)影像進(jìn)行色階、飽和度、對(duì)比、銳化等預(yù)處理。

7)將單個(gè)模型從整體三維場(chǎng)景模型中分離，并將其展平，找到對(duì)應(yīng)影像，進(jìn)行U、V紋理貼圖[12]。

8)用3DsMax的插件OgreMax將模型導(dǎo)出為scene格式。

三維建模過(guò)程中所用到的軟件如表1所示。

表1 建模所需軟件列表

4 實(shí)例分析

某型自行榴彈炮連6門炮一次齊火射擊后，在事先已經(jīng)掌握靶場(chǎng)目標(biāo)區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，控制無(wú)人機(jī)加掛激光雷達(dá)對(duì)靶場(chǎng)目標(biāo)進(jìn)行偵察，通過(guò)激光雷達(dá)掃描得到目標(biāo)區(qū)域三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)傾斜攝影設(shè)備得到靶場(chǎng)實(shí)景影像，如圖9(a)所示。經(jīng)過(guò)對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，對(duì)比事先掌握的目標(biāo)區(qū)域圖像信息數(shù)據(jù)庫(kù)，得到目標(biāo)區(qū)域內(nèi)(彈坑)變化輪廓如圖9(b) 所示。

識(shí)別到目標(biāo)區(qū)域彈坑輪廓后，通過(guò)軟件提取數(shù)據(jù)建立彈坑的三維模型。建模的基本流程如圖10所示。

在三維模型建立過(guò)程中，根據(jù)識(shí)別后提取的彈坑激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，勾畫出三維線框模型，將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件3DsMax和MAYA后，根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維立體模型，并進(jìn)行模型修改、減面等處理得到彈坑三維模型。結(jié)合影像處理和模型貼圖，最終得到彈坑三維真實(shí)模型，能夠真實(shí)反映實(shí)際彈坑的大小和形狀。彈坑三維模型效果圖如圖11所示。

在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用軟件系統(tǒng)后處理模塊，可調(diào)取彈坑模型主要?dú)麉?shù),表2給出圖11(b)中勾畫三維線框的彈坑毀傷參數(shù)。

表2 單個(gè)彈坑三維模型參數(shù)列表

5 結(jié)束語(yǔ)

目標(biāo)毀傷效果建模與評(píng)估一直是軍事科技領(lǐng)域競(jìng)相研究的前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題，這不僅關(guān)系到戰(zhàn)場(chǎng)上指揮員定決心、做決策，而且對(duì)武器裝備的論證研制和運(yùn)用使用有不可替代的意義。筆者從硬件和軟件兩個(gè)方面詳細(xì)闡述了目標(biāo)毀傷效果建模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，將無(wú)人機(jī)掛接激光雷達(dá)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、圖像顯示技術(shù)和目標(biāo)毀傷效果建模結(jié)合起來(lái)，探索了依托圖像感知信息進(jìn)行目標(biāo)毀傷建模的方法途徑。實(shí)踐中，這種通過(guò)偵查信息分析綜合而獲取的評(píng)估目標(biāo)模型更為直觀可信，對(duì)指揮員評(píng)估目標(biāo)毀傷效果、輔助決策具有實(shí)用價(jià)值。