基于光幕觸發(fā)CCD交匯連發(fā)彈丸坐標(biāo)處理方法研究

何 凱，張 斌，閆鑫龍，孟凡軍，張大舜

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中國兵器工業(yè)集團(tuán) 第五五研究所，長春 130000)

0 引言

高速連發(fā)武器的彈著點(diǎn)坐標(biāo)是衡量連發(fā)武器性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。連發(fā)測試過程中，對(duì)于彈著點(diǎn)坐標(biāo)的測量是靶場測試中評(píng)估彈道特性和彈道系數(shù)的重要參數(shù)，對(duì)武器系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義[1-3]。目前國內(nèi)外用來測量連發(fā)彈丸坐標(biāo)的主要方法之一是CCD線陣交匯系統(tǒng)。

線陣CCD交匯測試方法主要用到2臺(tái)線陣CCD相機(jī)，兩臺(tái)相機(jī)的視角在空中交匯而成虛空立靶，當(dāng)彈丸經(jīng)過視場交匯的空間時(shí)，兩臺(tái)線陣CCD相機(jī)可以拍到彈丸的位置信息，根據(jù)該信息即可結(jié)算出坐標(biāo)[4-6]。用線陣CCD進(jìn)行非接觸測試的方法結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高，目前已被廣泛使用[7-12]。而測連發(fā)彈丸坐標(biāo)的傳統(tǒng)方法指相機(jī)一直以最大幀頻持續(xù)拍攝，拍攝完成后處理所有圖像得到所有彈丸坐標(biāo)，該方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大并需要對(duì)所有圖像進(jìn)行處理，處理時(shí)間過長[13-16]。

為了滿足連發(fā)武器研制中測量射擊精度的要求，針對(duì)CCD線陣交匯系統(tǒng)中測試彈丸連發(fā)坐標(biāo)時(shí)以最大幀頻連續(xù)拍攝，數(shù)據(jù)量過大而導(dǎo)致處理時(shí)間過長的問題，以及多個(gè)彈丸同時(shí)過靶的問題，本文提出基于多峰值檢測算法和自適應(yīng)閾值的目標(biāo)檢測算法的快速檢測連發(fā)彈丸坐標(biāo)算法，該方法能快速檢測出準(zhǔn)確的連發(fā)彈丸坐標(biāo)，大幅縮短處理時(shí)間，并且保證了連發(fā)彈丸坐標(biāo)的正確率，將彈丸過靶信號(hào)與彈丸圖像信息進(jìn)行匹配，排除了連發(fā)過程中因多個(gè)彈丸圖像同時(shí)在一張圖片中引起的錯(cuò)誤識(shí)別的問題。

1 CCD交匯測試系統(tǒng)組成

本文采用雙CCD交匯[17-19]的方法對(duì)過靶彈丸進(jìn)行坐標(biāo)檢測。

將兩臺(tái)線陣CCD布置在同一平面內(nèi)矩形的兩個(gè)底角，該矩形平面即為靶面,當(dāng)彈丸穿過靶面時(shí)兩個(gè)CCD可從兩個(gè)底角捕捉到彈丸的位置信息,再通過布陣的三角形關(guān)系即可得到彈丸的位置坐標(biāo)信息。

如圖1所示，將兩臺(tái)線陣CCD相機(jī)放置于靶面的左右兩側(cè)，左側(cè)為CCD1，右側(cè)為CCD2。圖中方形視場交匯區(qū)域即為彈著點(diǎn)測試有效靶面，當(dāng)彈丸通過該區(qū)域時(shí)，利用雙目視覺原理可以準(zhǔn)確獲取彈丸的坐標(biāo)信息，兩臺(tái)線陣CCD相機(jī)的焦距分別為f1與f2，線陣相機(jī)光心坐標(biāo)分別為O1(xo1,yo1)和O2(xo2,yo2)，相機(jī)與水平線的夾角分別為α1和α2。彈丸在各CCD圖像中所成目標(biāo)像素區(qū)域的中心位置表示為Ai1和Ai2，da為線陣相機(jī)的單個(gè)像元尺寸，利用公式(1)可以準(zhǔn)確獲取彈丸的坐標(biāo)信息(xi,yi)。

圖1 線陣式CCD交匯靶

(1)

2 連發(fā)彈丸坐標(biāo)處理方法

2.1 激光光幕觸發(fā)方式設(shè)計(jì)

觸發(fā)方式采用激光光幕方式進(jìn)行觸發(fā)，與天幕靶不同，測試系統(tǒng)的光源選用人造光源，采用半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光，經(jīng)原向反射屏發(fā)射到廣角鏡頭形成探測光幕面，檢測空間中是否有彈丸飛過光幕，大視場角的光學(xué)鏡頭接收匯聚原向反射屏的反射光，光電二極管配合光電調(diào)理放大電路輸出彈丸通過光幕時(shí)的信號(hào)，用于啟動(dòng)圖像采集模塊。

多峰值檢測算法需要根據(jù)彈丸的過靶波形信號(hào)來確定彈丸對(duì)應(yīng)的圖像在相機(jī)拍攝的所有圖像中的位置。為了獲取彈丸過靶的波形信號(hào)，在傳統(tǒng)雙線陣高速相機(jī)交匯的基礎(chǔ)上，采用90°的“一”字線型半導(dǎo)體激光器配合原向反射屏形成探測光幕，通過大視場角的光學(xué)鏡頭接收會(huì)聚原向反射屏的反射光，選用光電二極管檢測彈丸過靶時(shí)的光通量變化，輸出過靶信號(hào)。保證系統(tǒng)在整個(gè)靶區(qū)內(nèi)都可以有效探測過靶目標(biāo)。

在傳統(tǒng)雙線陣高速相機(jī)交匯立靶系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用激光光幕具有抗干擾強(qiáng)、光束整形質(zhì)量好，可靠性高、設(shè)備測試精度高等特點(diǎn)；同時(shí)激光光源配合大視場角光學(xué)鏡頭的結(jié)構(gòu)具備有效視場大，成像清晰的優(yōu)勢?？梢栽鰪?qiáng)測量光幕的探測和反應(yīng)速度方面的性能，以此達(dá)到系統(tǒng)快速反應(yīng)、測量準(zhǔn)確的特點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在同一水平線上，放置兩個(gè)線陣CCD相機(jī)和光電轉(zhuǎn)換模塊，線陣CCD相機(jī)拍攝的每一幅圖片都由409 600(10行4 096列)個(gè)像素點(diǎn)組成，兩個(gè)相機(jī)位置處分別放置一個(gè)激光器，激光器發(fā)射出90°的扇形光幕，AC，CD和DB處都放置反射裝置，激光經(jīng)反射裝置反射后在相機(jī)上成像，激光交匯形成光幕面為坐標(biāo)系平面。當(dāng)連發(fā)彈丸通過兩臺(tái)主機(jī)呈45°仰角并分置于同一直線上組成的激光光幕時(shí)，彈丸過靶遮擋的光通量變化會(huì)引起兩臺(tái)主機(jī)中光電轉(zhuǎn)換器的電平變化并產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)會(huì)被傳遞給主控箱觸發(fā)器模塊；只有觸發(fā)器接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)才會(huì)觸發(fā)CCD相機(jī)進(jìn)行拍攝，而CCD相機(jī)在無彈丸過靶時(shí)是全亮的清晰視界，只有彈丸過靶會(huì)產(chǎn)生阻擋光線的陰影。CCD相機(jī)拍攝的圖像通過TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)依次傳輸至上位機(jī)，同時(shí)光電轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生的電平變化會(huì)被采集卡記錄下來同樣通過TCP協(xié)議傳遞給上位機(jī)。上位機(jī)通過時(shí)序邏輯控制和數(shù)據(jù)處理得到正確的過靶坐標(biāo)并顯示。

圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

作為雙激光交匯測量系統(tǒng)的測量主機(jī)，主要功能有：產(chǎn)生激光光幕、檢測過靶信號(hào)、拍攝過靶圖像、產(chǎn)生過靶模擬信號(hào)、產(chǎn)生過靶數(shù)字信號(hào)。以上5個(gè)功能滿足了捕捉、識(shí)別過靶彈丸的所有要求。

按照硬件功能的不同，測量主機(jī)包含光學(xué)收發(fā)模塊、CCD線陣相機(jī)模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊組成。CCD相機(jī)模塊主要由CCD線陣高速相機(jī)、固定裝置組成；光學(xué)收發(fā)模塊由廣角鏡頭、激光發(fā)射裝置及配套反射鏡組成；光電轉(zhuǎn)換模塊則負(fù)責(zé)將彈丸過靶產(chǎn)生的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)好的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。

為了在CCD相機(jī)中成清晰并且準(zhǔn)確的過靶圖像，需要全面地評(píng)估鏡頭的各個(gè)性能參數(shù)。激光光幕較為匯聚，彈丸過靶速度快時(shí)間短，所以選擇大口徑廣角光學(xué)鏡頭對(duì)原向反射屏反射回來的激光進(jìn)行匯聚與整理。相機(jī)的焦距是光通過鏡頭精確成像的最小路徑長度，實(shí)驗(yàn)中需要選擇匯聚能力強(qiáng)且焦距短的鏡頭，使其能夠?qū)⒄麄€(gè)視場的光線匯聚在一起，故而選擇24 mm焦距的短焦鏡頭。光圈數(shù)是指焦距f與相機(jī)鏡頭的入射光瞳直徑D的比值。其作用在于調(diào)節(jié)光線入射的多少，改變成像的亮度。測試過程中需要準(zhǔn)確檢測光通量的變化，產(chǎn)生彈丸過靶信號(hào)，用于觸發(fā)相機(jī)拍攝彈丸過靶圖片以及對(duì)圖像數(shù)據(jù)的篩選工作，所以要求所選鏡頭具備大通光量，選取F值最小為1.4的大光圈光學(xué)鏡頭。根據(jù)上述分析，選用大光圈定焦光學(xué)成像鏡頭，為了擴(kuò)大有效的探測范圍，需要選擇大廣角鏡頭來收集光線，綜合以上考慮選取84.1°廣角光學(xué)成像鏡頭。

為了形成激光光幕交匯成像，需要形成兩片扇形激光光幕并調(diào)整兩者位置形成交匯靶面。選擇一字型發(fā)射角大的大功率激光器，同時(shí)還需要其發(fā)熱小、體積小、能效比高、工作穩(wěn)定。故此選擇發(fā)散角為90°的高穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器。使用原向反射屏可以極大增強(qiáng)激光光線的反射效率，使得原本探測不到、成像不清、區(qū)別度低的靶面區(qū)域得到有效的改良與提高。使得測量主機(jī)在有效靶面內(nèi)靈活探測過靶信號(hào)成為了可能，也使得主機(jī)內(nèi)的高速CCD相機(jī)成像均勻、亮度高、對(duì)比度大。因此在整個(gè)靶面中，測量過靶彈丸的過程中，原向反射屏起到了匯聚光線，輔助成像的效果，增強(qiáng)了探測范圍，提高了過靶信號(hào)的探測靈敏度，增強(qiáng)了CCD相機(jī)的成像信噪比。

如圖3當(dāng)?shù)谝话l(fā)彈丸通過光幕時(shí)，光電轉(zhuǎn)換模塊將光通量變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)產(chǎn)生過靶信號(hào)，過靶信號(hào)傳遞給觸發(fā)器，觸發(fā)器在收到過靶信號(hào)后，發(fā)送觸發(fā)信號(hào)給相機(jī)，相機(jī)開始在設(shè)定的采集時(shí)間內(nèi)連續(xù)拍攝彈丸過靶圖像。采集結(jié)束后上位機(jī)得到多幅待檢測圖像和一段過靶信號(hào)數(shù)據(jù)。對(duì)過靶信號(hào)數(shù)據(jù)使用多峰值檢測算法進(jìn)行處理，得到每發(fā)彈丸對(duì)應(yīng)圖像在數(shù)千幅圖像中的位置，挑選彈丸對(duì)應(yīng)的圖像，再使用自適應(yīng)閾值的目標(biāo)檢測算法求出目標(biāo)的像素坐標(biāo)。最后使用像素坐標(biāo)剔除算法確定該發(fā)彈丸的準(zhǔn)確坐標(biāo)。

圖3 連發(fā)彈丸坐標(biāo)處理方法流程圖

連發(fā)模式需要觸發(fā)器在被首發(fā)彈丸觸發(fā)后產(chǎn)生連續(xù)的觸發(fā)序列。而在精準(zhǔn)測量高速CCD相機(jī)的響應(yīng)延遲后，需要設(shè)計(jì)符合連發(fā)彈丸測量模式的觸發(fā)器。在連發(fā)彈丸測量模式下，兩個(gè)高速相機(jī)CCD1和CCD2均被設(shè)置為外觸發(fā)，曝光時(shí)間10 μs，采集頻率18 500 Hz，以10幀圖像組合為一幅圖像，采集一幅圖像時(shí)間為0.54 ms。

觸發(fā)器連發(fā)模式的設(shè)計(jì)目的在于接收到觸發(fā)信號(hào)后使兩個(gè)高速線陣相機(jī)CCD1和CCD2同時(shí)同步以最大幀頻連續(xù)觸發(fā)一定的時(shí)間，并將開始采集的命令傳遞給采集卡，使采集卡開始采集信號(hào)，最后將采集結(jié)束的信號(hào)傳遞給上位機(jī)。為給予兩個(gè)高速相機(jī)一定的反應(yīng)時(shí)間，連發(fā)模式采集時(shí)間間隔設(shè)置為0.6 ms。

上位機(jī)依靠TCP/IP協(xié)議與觸發(fā)器模塊進(jìn)行通信，上位機(jī)作為TCP Client會(huì)保留觸發(fā)器模塊的IP地址，觸發(fā)器被設(shè)置為TCP Server接收；觸發(fā)器模塊通過外部中斷接收光電轉(zhuǎn)換模塊傳遞的觸發(fā)信號(hào)，只有在一定時(shí)間內(nèi)接收到觸發(fā)信號(hào)才完成一次觸發(fā)，否則觸發(fā)器模塊將觸發(fā)信號(hào)清零；觸發(fā)器模塊完成一次觸發(fā)后將同時(shí)給CCD1、CCD2和采集卡傳遞開始采集的信號(hào)，CCD1和CCD2將按照采集信號(hào)進(jìn)行圖像采集，采集卡同樣開始接收并記錄光電轉(zhuǎn)換模塊傳遞的模擬信號(hào)。

2.2 過靶信號(hào)多峰值檢測算法

彈丸坐標(biāo)時(shí)，相機(jī)以最大幀頻連續(xù)拍攝圖像，同時(shí)接收變化的過靶信號(hào)，其時(shí)序如圖4所示。

圖4 信號(hào)時(shí)序圖

在系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)測量時(shí)，激光器產(chǎn)生的激光光幕既是測坐標(biāo)光幕，也是外觸發(fā)光幕。當(dāng)有彈丸穿過激光光幕時(shí)，產(chǎn)生光通量變化，這些光信號(hào)經(jīng)過原向反射屏反射，并被光學(xué)成像鏡頭匯聚到光電轉(zhuǎn)換器上，光電轉(zhuǎn)換器將探測到的變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，最后經(jīng)過峰值保持電路與電壓比較器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將該觸發(fā)信號(hào)傳遞給觸發(fā)器同時(shí)將模擬電壓信號(hào)傳遞給高速采集卡。

第一發(fā)彈丸通過光幕觸發(fā)了CCD1和CCD2相機(jī)，兩相機(jī)拍攝第一幅圖像并繼續(xù)以最大幀頻連續(xù)拍攝，同時(shí)采集到一個(gè)完整的過靶信號(hào)波形，其波峰值時(shí)刻為t0，由圖可知其波峰值時(shí)刻t0和相機(jī)拍攝時(shí)刻幾乎重合；而第二發(fā)和第三發(fā)彈丸通過光幕時(shí)產(chǎn)生的過靶波形波峰值時(shí)刻分別為t1和t2，而t1和相機(jī)拍攝時(shí)刻有時(shí)間差，t2同樣如此；第i發(fā)彈丸通過光幕時(shí)產(chǎn)生的過靶波形波峰值時(shí)刻為ti，ti和相機(jī)拍攝時(shí)刻有時(shí)間差。由圖2可知，第一發(fā)彈丸的波峰值時(shí)刻和相機(jī)的拍攝時(shí)刻重合；一個(gè)波峰值時(shí)刻僅能對(duì)應(yīng)在一張相機(jī)圖像上，第i發(fā)彈丸的過靶時(shí)刻可以對(duì)應(yīng)相機(jī)拍攝的第m張圖片。

為了得到所有彈丸的波峰值時(shí)刻，同時(shí)得到該發(fā)彈丸在拍攝的多幅圖像中的唯一對(duì)應(yīng)位置，本文提出了針對(duì)過靶數(shù)據(jù)的多峰值檢測算法，在大于指定閾值的區(qū)間內(nèi)尋找波峰最大值，其流程如圖5。

圖5 多峰值檢測算法流程圖

而彈丸的波峰值時(shí)刻也就是彈丸的過靶時(shí)刻，引入指定閾值并遍歷整個(gè)數(shù)據(jù)，在所有相鄰的兩指定閾值間找出波峰值的時(shí)刻。公式如(2)。

(2)

其中:Vlres(t)和Vrres(t)為相鄰的兩個(gè)幅值等于指定閾值的幅值點(diǎn)，V(t)是Vlres(t)和Vrres(t)范圍內(nèi)的所有幅值點(diǎn)，其中最大的幅值點(diǎn)就是波峰值Vp。為得到所有彈丸波峰值時(shí)刻，遍歷數(shù)據(jù)時(shí)持續(xù)將左邊界Vlres(t)和右邊界Vrres(t)隨數(shù)據(jù)后移即可。將t0記為第一發(fā)彈丸的波峰值時(shí)刻，ti記為第i發(fā)的波峰值時(shí)刻。遍歷整個(gè)過靶信號(hào)數(shù)據(jù)后得到所有彈丸的波峰值后，繼續(xù)計(jì)算彈丸所在圖像位置。以第i發(fā)過靶彈丸所在的圖像位置為例。

(2)

如公式(2)，相鄰圖像之間間隔為相機(jī)以最大幀頻拍攝的時(shí)間間隔記為Δttri，所在圖像位置為第m幅，m為四舍五入的整數(shù)。因?yàn)閙是個(gè)約數(shù)，根據(jù)冗余原則，將第m-1、m、m+1張三張圖像依次拼接，合為一張組合圖像。然后使用下文中自適應(yīng)閾值的目標(biāo)檢測算法對(duì)其處理得到目標(biāo)的像素坐標(biāo)。

2.3 目標(biāo)檢測算法

在對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)圖像的背景具有縱向整齊，非彈丸部分規(guī)則的特點(diǎn)；而彈丸著靶點(diǎn)圖像如圖6，當(dāng)彈丸穿過激光光幕時(shí)，該部分激光被遮擋，映射到相機(jī)探測面內(nèi)會(huì)產(chǎn)生黑色光斑，與背景灰度值差異明顯，但彈丸形狀因著靶速度與圖像位置差異較大。根據(jù)以上分析，選擇使用形狀處理與自適應(yīng)閾值的灰度重心法結(jié)合的方式來處理圖像。

圖6 彈丸過靶圖像

在對(duì)第i發(fā)彈丸的合成圖像進(jìn)行處理時(shí)，需要對(duì)圖像中是否有彈丸和有幾個(gè)彈丸進(jìn)行檢測。算法流程分為背景處理和自適應(yīng)閾值的灰度重心法兩部分，如圖7所示。

圖7 算法流程圖

背景處理：首先，在拍攝目標(biāo)圖像前會(huì)先拍攝一幅無彈丸目標(biāo)的背景圖像，灰度模式讀入背景圖像和目標(biāo)圖像；然后將背景圖像灰度值反轉(zhuǎn)并與目標(biāo)圖像融合，得到了以縱向背景和彈丸邊緣消減后的處理后圖像。

自適應(yīng)閾值的灰度重心法：由于彈丸著靶與圖像背景所成像的灰度值差異巨大，利用灰度重心法[20-23]計(jì)算出圖像中灰度值權(quán)重大的質(zhì)心坐標(biāo)，把它作為重心點(diǎn)。將處理后圖像以某一自適應(yīng)閾值M進(jìn)行二值化并灰度反轉(zhuǎn)，尋找輪廓域。如果輪廓域?qū)ふ沂?，那么需要降低自適應(yīng)閾值后再重復(fù)上一步驟，直到尋找到多個(gè)目標(biāo)的n個(gè)輪廓域，將之記為Sn，表示彈丸成像目標(biāo)像素區(qū)域。

(3)

(4)

在Sn中光斑重心的坐標(biāo)位置為(x,y)如公式(3)和(4)，灰度值為K(i,j)，權(quán)值為W(i,j)，如公式(5),M為閾值：

(5)

當(dāng)處理第一發(fā)彈丸時(shí)，如圖2中所示第一發(fā)彈丸波峰值時(shí)刻與相機(jī)拍攝時(shí)刻重合，第一張圖片必有彈丸目標(biāo)。最低閾值由第一張圖片確定，一旦自適應(yīng)閾值M在高于最低閾值情況下沒有檢測到彈丸目標(biāo)，則圖像中必?zé)o彈丸目標(biāo)。反之，則圖像中有彈丸目標(biāo)，并將得到的所有像素坐標(biāo)保存并繼續(xù)處理。

2.4 像素坐標(biāo)剔除算法

如圖8所示，圖像為第i發(fā)彈丸圖像的灰度圖像，可以看到圖像中檢測出兩個(gè)彈丸目標(biāo)，這是由于前一發(fā)已被計(jì)算過坐標(biāo)的彈丸太過接近第i發(fā)，導(dǎo)致定位在同一幅組合圖像上；圖9為處理后的灰度圖像，黑色為處理后的背景，白色部分是檢測出的彈丸的位置，二值化后兩彈丸亮度突出。整個(gè)檢測過程0.12 s，共檢測出彈丸A(514，7)和彈丸B(1331，6)兩個(gè)像素坐標(biāo)，整個(gè)圖片由10行像素構(gòu)成，每一行有4 096個(gè)像素，彈丸A位于第514列、第7行彈丸B位于第1 331列，第6行。為了準(zhǔn)確識(shí)別出彈丸A和彈丸B到坐標(biāo)中哪一發(fā)是第i發(fā)彈丸的坐標(biāo)，需要使用像素坐標(biāo)剔除算法進(jìn)行處理，再輸出正確的第i發(fā)彈丸的像素坐標(biāo)。

圖8 第i發(fā)彈丸過靶灰度圖

圖9 第i發(fā)彈丸處理后灰度圖

在連發(fā)的測試過程中，兩發(fā)彈丸間距很小，相機(jī)拍攝的過程中將兩發(fā)彈丸同時(shí)記錄到同一張圖像中，所以對(duì)第i發(fā)彈丸對(duì)應(yīng)的圖像處理后得到了兩個(gè)像素坐標(biāo)(x1,y1)和(x2,y2)，需要從圖片中確定第i發(fā)彈丸對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。相機(jī)從第一發(fā)過靶時(shí)開始拍攝，根據(jù)過靶信號(hào)波形可以得到第i發(fā)彈丸與第m張圖片對(duì)應(yīng)。僅定位到第m張已經(jīng)不足以分辨哪一個(gè)像素坐標(biāo)才是第i發(fā)彈丸的。因此為了得到最接近計(jì)算中第i發(fā)彈丸的像素坐標(biāo)，必須定位的更加精準(zhǔn)，定位到圖片中的第m行,定位公式如(6)。

(6)

相鄰圖像之間間隔為相機(jī)以最大幀頻拍攝的時(shí)間間隔記為Δttri，所在圖像位置為第m幅,將上述公式中m的小數(shù)部分mfrac單獨(dú)取出，Δttri為上文中相機(jī)的觸發(fā)間隔，n為未組合前單幅圖像的行數(shù)，mres代表第i發(fā)彈丸定位位置應(yīng)在組合圖像的第幾行，而該圖像是組合后的圖像所以要加上m-1幅圖像上的n行。

兩個(gè)y軸坐標(biāo)y1,y2哪一個(gè)距離定位位置mres更近，哪一個(gè)就是第i發(fā)彈丸的準(zhǔn)確像素坐標(biāo)，并將按y軸排序后的該組像素坐標(biāo)進(jìn)行空間變換得到第i發(fā)的最終坐標(biāo)。而整個(gè)像素坐標(biāo)剔除算法如圖10所示。

圖10 像素坐標(biāo)剔除算法流程圖

2.5 方法檢測結(jié)果與分析

為了系統(tǒng)評(píng)估本文提出的方法處理速度方面的優(yōu)越性，共進(jìn)行了4組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，在5 s內(nèi)分別發(fā)射5發(fā)、10發(fā)、15發(fā)、20發(fā)連發(fā)彈丸，每組實(shí)驗(yàn)的過程中線陣CCD相機(jī)5 s內(nèi)共拍攝6 500張圖片。使用本文提供的方法和傳統(tǒng)方法相比，其中，傳統(tǒng)方法為利用相機(jī)最大幀頻持續(xù)拍攝，拍攝完成后對(duì)所有圖像進(jìn)行批量處理，進(jìn)而得到所有彈丸坐標(biāo)。針對(duì)傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大的問題，利用本文的方法先對(duì)圖片進(jìn)行篩選，縮小數(shù)據(jù)量再對(duì)圖像中的彈丸位置進(jìn)行處理，最后在得到正確坐標(biāo)的前提下統(tǒng)計(jì)了各組實(shí)驗(yàn)的處理時(shí)間，得到如表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從表1中可以看出，本文提供的方法大幅提高了連發(fā)坐標(biāo)的處理速度，與傳統(tǒng)方法相比處理速度明顯提高，工作效率高。并且對(duì)于測試連發(fā)武器時(shí)，由于彈數(shù)和射頻很高，導(dǎo)致圖像中存在多發(fā)彈過靶的圖像信息，在這種情況下本文的方法也能將正確的坐標(biāo)處理出來。

表1 方法結(jié)果對(duì)比表

3 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)CCD立靶連發(fā)坐標(biāo)處理時(shí)間長的問題，本文提出一種連發(fā)彈丸坐標(biāo)處理方法，采用激光光幕配合原向反射屏形成光電探測靶面，光電轉(zhuǎn)換模塊檢測光通量變化產(chǎn)生彈丸過靶信號(hào)，多峰值檢測算法根據(jù)過靶信號(hào)波形篩選出每一發(fā)彈丸對(duì)應(yīng)的過靶圖像，使用自適應(yīng)閾值的彈丸檢測算法對(duì)圖像進(jìn)行目標(biāo)檢測得到彈丸像素坐標(biāo)。當(dāng)該圖像檢測出多個(gè)坐標(biāo)時(shí)，使用像素坐標(biāo)剔除算法去除錯(cuò)誤的像素坐標(biāo)，保證最終得到準(zhǔn)確坐標(biāo)。該方法能在保證連發(fā)彈丸坐標(biāo)正確率的情況下大幅提高處理速度，工作效率高，適用于連發(fā)武器的坐標(biāo)參數(shù)測試。