李世立， 郭 旻， 杜文斌， 曹 馨， 李敏生， 譚天明

(1. 西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽 712099； 2. 內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司， 內(nèi)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(dòng)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(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽 712099； 2. 內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014033)

本文介紹了某次炮口振動(dòng)測試與驗(yàn)證， 在測試中以某坦克炮為測試對(duì)象， 利用高速攝像對(duì)零度角射擊姿態(tài)下的坦克炮炮口進(jìn)行拍攝， 對(duì)所拍攝圖像進(jìn)行了亞像素級(jí)別的圖像處理， 最終給出彈丸出炮口時(shí)的振動(dòng)位移. 該測試在靶場射擊條件下， 將炮口振動(dòng)位移的測試精度提高到0.1mm量級(jí). 為了驗(yàn)證高速攝像的亞像素分辨精度， 搭建了一套測試驗(yàn)證系統(tǒng)， 該系統(tǒng)利用微型振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生微小振動(dòng)位移， 由固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上的一只加速度計(jì)通過數(shù)據(jù)積分得到相應(yīng)的振幅， 以此來實(shí)測亞像素分辨精度. 本文在業(yè)內(nèi)首次驗(yàn)證了高量級(jí)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(dòng)測試中的優(yōu)勢與潛力.

高速攝像技術(shù)； 坦克炮； 位移靈敏度； 炮口振動(dòng)位移； 亞像素分辨精度

0 引 言

炮口振動(dòng)包括振動(dòng)位移、 速度和加速度， 是指在彈丸出炮口時(shí)刻， 炮口部位在空間三維上的振動(dòng)[1-2]. 對(duì)于大口徑火炮而言， 火炮密集度是靶場火炮驗(yàn)收的主要指標(biāo)， 關(guān)系著火炮研制的成功與否， 而炮口振動(dòng)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(dòng)專指垂直于火炮身管指向并沿俯仰方向的炮口振動(dòng)位移和振動(dòng)速度.

大口徑火炮炮口振動(dòng)的準(zhǔn)確測量是火炮試驗(yàn)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(yán)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(shù)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(dòng)位移的測試精度提高至2mm量級(jí). 接觸式測試方法是將加速度計(jì)安裝在炮口， 采用對(duì)炮口振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行積分的方法得到炮口振動(dòng)速度和位移. 該方法的測試精度約為1～2 mm[7-8]， 該方法對(duì)傳感器安裝、 防護(hù)、 信號(hào)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(jī)來測量某坦克炮的炮口振動(dòng)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(cè)面的水平高度上， 直瞄粘貼有專用圖像標(biāo)記的坦克炮炮口. 所得到的炮口運(yùn)動(dòng)圖像經(jīng)高精度亞像素圖像處理， 測到了0.2 mm量級(jí)的炮口振動(dòng).

1 高速攝像測量坦克炮炮口振動(dòng)方法

高速攝像測量坦克炮炮口振動(dòng)方法， 是在坦克炮的炮口粘貼圖像識(shí)別專用標(biāo)記， 采用高速攝像機(jī)拍攝彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)期間的坦克炮炮口部位的運(yùn)動(dòng)圖像， 再由圖像處理軟件對(duì)所拍攝的炮口部位的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行跟蹤計(jì)算， 以測量炮口部位的振動(dòng)位移和速度.

高速攝像機(jī)的成像原理如同凸透鏡成像原理一樣， 當(dāng)高速攝像機(jī)與拍攝物體距離確定之后， 即物距一定， 實(shí)際上一個(gè)整像素代表的位移量就確定了. 當(dāng)被測物體運(yùn)動(dòng)時(shí)， 圖像處理軟件對(duì)高速攝像機(jī)拍攝的物體運(yùn)動(dòng)前后的多幅數(shù)字圖像進(jìn)行相關(guān)計(jì)算， 以測量物體的位移變化等， 如圖 1 所示， 在運(yùn)動(dòng)前的圖像f(x,y)中， 取以標(biāo)記點(diǎn)(x,y)為中心、 半徑為r的圓形計(jì)算子區(qū)A(又稱模板)，A在運(yùn)動(dòng)著的目標(biāo)圖像g(x,y)中移動(dòng), 并按某一相關(guān)函數(shù)來進(jìn)行計(jì)算， 尋找與模板的相關(guān)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(diǎn)(x,y)和(x′,y′)來確定目標(biāo)的整像素位移. 為了進(jìn)一步提高目標(biāo)定位的精度， 可以對(duì)以目標(biāo)整像素位置為中心的一個(gè)小區(qū)域采用亞像素步長進(jìn)行相關(guān)精確定位. 可通過插值、 擬合、 梯度等方法進(jìn)行亞像素級(jí)重構(gòu).

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

對(duì)于零度角射擊的坦克炮， 高速攝像機(jī)架設(shè)在炮口側(cè)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(jī). 測試前要考慮火炮振動(dòng)、 炮口沖擊波以及風(fēng)速是否會(huì)引起高速攝像機(jī)晃動(dòng)而產(chǎn)生大幅度位移干擾信號(hào).

圖 2 炮口振動(dòng)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(jì). 原因有兩點(diǎn)： ① 彈丸由擊發(fā)到運(yùn)動(dòng)至炮口的時(shí)間非常短暫(約6 ms)， 這其間不僅高速攝像機(jī)， 甚至坦克炮基礎(chǔ)架體是不動(dòng)的. 況且加上地面?zhèn)鞑パ訒r(shí)以及高速攝像架體的響應(yīng)延時(shí)， 等高速攝像機(jī)鏡頭因遭受沖擊而產(chǎn)生明顯晃動(dòng)時(shí)， 彈丸已經(jīng)出膛. ② 無論是火炮身管還是高速攝像機(jī)鏡頭的晃動(dòng)(風(fēng)速等外界因素影響)， 在較短的膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)期間， 其晃動(dòng)位移的變化量可忽略， 見圖 2.

如圖 2 所示， 當(dāng)信號(hào)中出現(xiàn)低頻干擾時(shí)， 由于炮口振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間歷程很短， 致使炮口振動(dòng)開始和結(jié)束時(shí)的高速攝像測量值幾乎沒有變化.

2 某坦克炮炮口振動(dòng)測量

在某坦克炮靶場射擊試驗(yàn)中， 采用高速攝像靶場測試系統(tǒng)進(jìn)行了炮口振動(dòng)測試. 該系統(tǒng)中光電炮口信號(hào)傳感器用以探測炮口火光并自動(dòng)觸發(fā)高速攝像機(jī)， 同時(shí)向其他電測系統(tǒng)送出同步標(biāo)識(shí)信號(hào)， 其觸發(fā)響應(yīng)時(shí)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(jī)鏡頭正對(duì)炮口部位， 約定彈丸彈頭運(yùn)動(dòng)至炮口制退器中間部位的時(shí)刻為彈丸出炮口時(shí)刻， 彈丸出炮口時(shí)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(biāo)記， 標(biāo)記的中心線與身管中心線盡量重合， 以方便圖像識(shí)別和后期圖像處理. 標(biāo)記之間的距離需準(zhǔn)確測量， 作為圖像處理的計(jì)算標(biāo)尺.

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

圖 4 炮口與標(biāo)記點(diǎn)位置Fig.4 Muzzle and Marker loacation

高速攝像機(jī)采用美國VRI公司的Phantom V12 黑白像機(jī)， 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(shí)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(yùn)動(dòng)分析軟件TEMA(TrackEye Motion Analysis 3.5)， 該軟件在分析高速攝像機(jī)所拍攝的圖像序列時(shí)， 能夠?qū)ζ渲械奶卣鼽c(diǎn)和標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤， 計(jì)算其位移、 速度、 加速度. 在跟蹤算法中， 能夠?qū)崿F(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(shè)定為30%. 經(jīng)圖像處理得到的典型炮口振動(dòng)位移和振動(dòng)速度曲線見圖 6.

在圖 6 的時(shí)間軸上， 其“0 ms”時(shí)刻為彈丸出炮口時(shí)刻. 從炮口振動(dòng)位移曲線來看， 彈丸在膛內(nèi)啟動(dòng)后的0～2 ms期間， 炮口基本不動(dòng)， 在2～4 ms期間炮口以約0.18 m/s的速度向下運(yùn)動(dòng)， 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(nèi)運(yùn)動(dòng)期間， 整個(gè)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(dòng)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(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

為了驗(yàn)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(yàn)證系統(tǒng)， 該系統(tǒng)利用小型振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生微小振動(dòng)位移， 由安裝在振動(dòng)臺(tái)上的一只標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)測量臺(tái)面振動(dòng)加速度， 通過數(shù)據(jù)積分得到相應(yīng)的振動(dòng)速度與振動(dòng)位移， 以此來驗(yàn)證高速攝像機(jī)的亞像素分辨精度.

如圖 7 所示， 該驗(yàn)證系統(tǒng)由小型振動(dòng)臺(tái)、 工作標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)、 信號(hào)源及功放、 高速攝像機(jī)、 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(dòng)臺(tái)中心處安裝一個(gè)工作標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)， 用以測量臺(tái)面振動(dòng)； 在高速攝像機(jī)頂端面安裝一只加速度計(jì)， 以監(jiān)測高速攝像機(jī)機(jī)身的振動(dòng)位移. 其次， 為了圖像識(shí)別和后期圖像處理， 需要粘帖3個(gè)圖像標(biāo)記， 如圖 8 所示. point1標(biāo)記和point2標(biāo)記粘帖在振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)體上， point3標(biāo)記粘帖在工作標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)的安裝基座上， 3個(gè)標(biāo)記點(diǎn)垂直對(duì)齊. 精確測量標(biāo)記點(diǎn)1和點(diǎn)2之間的距離， 作為圖像處理的標(biāo)尺. 選取200 mm變焦鏡頭， 垂直等高拍攝振動(dòng)臺(tái)面， 視場如圖 8 所示. 調(diào)節(jié)高速攝像機(jī)與振動(dòng)臺(tái)的距離， 使其圖像的位移靈敏度為1.2 pixel/mm， 幀頻設(shè)定為10 000幀/s. 為了能在高速拍攝中看到圖像， 需要架設(shè)直流光源為標(biāo)記點(diǎn)補(bǔ)光.

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

圖 8 標(biāo)記點(diǎn)位置示意圖Fig.8 Marker location

由信號(hào)源及功放給出100Hz的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)接入小型振動(dòng)臺(tái)， 調(diào)節(jié)功放增益， 使振動(dòng)臺(tái)加速度信號(hào)的峰峰值達(dá)到0.8g， 根據(jù)正弦波的積分換算， 此時(shí)振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面位移振幅約為0.01 mm.

在振動(dòng)臺(tái)穩(wěn)定起振后， 同時(shí)采集加速計(jì)信號(hào)和圖像信號(hào). 對(duì)高速攝像機(jī)頂端面的加速度信號(hào)積分運(yùn)算后， 確認(rèn)高速攝像機(jī)本身的振動(dòng)很小(加速度信號(hào)為一根平直線)， 可忽略不計(jì). 對(duì)振動(dòng)臺(tái)加速度信號(hào)積分得到速度與位移信號(hào)； 圖像信號(hào)經(jīng)TEMA分析處理得到位移信號(hào)， 再經(jīng)一次微分得到速度信號(hào). 對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比， 以確定該分辨量級(jí)位移量的實(shí)驗(yàn)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(dòng)位移的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)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(dòng)位移量級(jí)的測量精度， 該位移量已接近實(shí)驗(yàn)室內(nèi)亞像素分辨極限， 因而誤差較大. 由后續(xù)實(shí)驗(yàn)可知， 當(dāng)振動(dòng)臺(tái)以50 Hz頻率和1 g加速度振動(dòng)時(shí)， 臺(tái)面振幅約為0.1 mm， 此時(shí)高速攝像的測試誤差會(huì)明顯減小， 位移測試對(duì)比結(jié)果見表 2.

表 1 振動(dòng)位移對(duì)比結(jié)果

表 2 振動(dòng)位移對(duì)比結(jié)果

由表 2 數(shù)據(jù)可知在0.1 mm振動(dòng)位移量級(jí)上， 高速攝像所測得的位移值較之振動(dòng)臺(tái)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(shí)予以修正. 而表2所示的高速攝像所測位移值的波動(dòng)， 可用極差法[9]進(jìn)行測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì). 取n=3， 則標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)值為：

(0.11-0.106)/1.693=0.002 4(mm)， 即相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為2.2%.

4 結(jié)束語

靶場試驗(yàn)的測試結(jié)果表明， 某坦克炮的炮口振動(dòng)僅有0.2 mm量級(jí)， 這是目前國內(nèi)坦克炮炮口測試所測到的最小位移量級(jí). 在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證， 證實(shí)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(shù)細(xì)節(jié)尚需進(jìn)一步完善， 但已看到借助于高量級(jí)亞像素分辨率的高速攝像技術(shù)在大口徑火炮炮口振動(dòng)測試中的優(yōu)勢與潛力.

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聲 明

本刊已許可中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)電子雜志社在中國知網(wǎng)及其系列數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品中，以數(shù)字化方式復(fù)制、匯編、發(fā)行、信息網(wǎng)絡(luò)傳播本刊全文。該社著作權(quán)使用費(fèi)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(yàn)測試與測試技術(shù)等研究.

TJ810.6

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.02.007