CN100580372C - 一种军用救生衣对人体的水中姿态控制测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种军用救生衣对人体的水中姿态控制测试系统，其特征在于：该系统由标志点背架、图像采集系统和图像处理系统三大部分构成；所述图像采集系统采集背负所述标志点背架的、着待测型号救生衣的战士在水中的漂浮过程的视频序列信息，然后将所采集的视频序列信息送入所述图像处理系统进行分析，从而获取人体漂浮姿态的时间历程及稳态姿态角。本发明的测试系统可以快速、准确测定人体着各军用救生衣的准静态姿态参数及其时间历程。

Description

一种军用救生衣对人体的水中姿态控制测试系统

技术领域

本发明涉及一种军用救生衣对人体的水中姿态控制测试系统，使用该系统可迅速、准确测量人体着各品种救生衣在水中的准静态姿态参数及相关参数随时间的历程，包括稳态漂浮角、口出水高度、翻转时间等。

背景技术

着军用救生衣的人体在水中的姿态是评价军用救生衣性能的必要参素，如何准确获得各姿态参数对于救生衣的性能评价至关重要。着救生衣的人体在水中的姿态参数主要通过专家评价、及静态测试手段获得。各国标准规定，当人体着救生衣处于平衡状态时，测试口部离水面的距离、用秒表记录人体的翻转时间、用量角器获得漂浮角度，测试手段简单、落后，且只能反映某一时刻人体在静水中的姿态，不能准确有效的反映着救生衣的人体在水中的姿态变化历程及其准静态参数。到目前为止，未见有相关测试装置或系统的公开文献报道。因此，研制发明着救生衣的人体在水中的准静态姿态参数及参数随时间的历程的测试系统是必须且有意义的。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以快速、准确测定人体着各军用救生衣的准静态姿态参数及其时间历程的军用救生衣对人体的水中姿态控制测试系统。

本发明的目的是由下述技术方案实现的：

一种军用救生衣对人体的水中姿态控制测试系统，其特征在于：该系统由标志点背架、图像采集系统和图像处理系统三大部分构成；所述图像采集系统采集背负所述标志点背架的着待测型号救生衣的战士在水中的漂浮过程的视频序列信息，然后将所采集的视频序列信息送入所述图像处理系统进行分析，从而获取人体漂浮姿态的时间历程及稳态姿态角。

一种优选技术方案，其特征在于：所述图像采集系统包括两路25-30帧/秒的CCD摄像机和显示分辨率最大为1024×768像素的两路图像采集卡，所述两台CCD摄像机分别通过数据线与装于计算机主机箱内的图像采集卡相连；所述标志点背架位于两台摄像机的公共视场；所述图像处理系统包括VC和MATLAB联合编程、数据处理的测控软件、计算机和黑白方格平面标定板；通过所述图像采集卡采集所述平面标定板图像，然后用摄像机标定软件(用Matlab编制的标定程序)对摄像机进行标定，从而获取摄像机内外参数；再通过图像采集软件(用Visual C++结合OK系列卡软件开发工具集编制的软件)采集人体漂浮过程视频序列信息，然后调用图像处理软件(用MATLAB语言编制的图像处理软件)进行分析，最后通过计算机生成人体漂浮姿态的时间历程及稳态姿态角曲线。

一种优选技术方案，其特征在于：在所述图像处理系统中以曲率尺度空间技术为基础采用了边缘图像的曲线演化模型，具体步骤是对获取的视频序列信息中的每一帧图像首先进行边缘提取，然后用不同尺度的Gaussian函数逐一对提取到的各边缘做卷积运算，这样可起到消除噪声干扰，平滑边缘的作用。这就为后续阶段筛选圆弧段创造了条件。

一种优选技术方案，其特征在于：在所述图像处理系统中采用快速、高精度的圆形目标鲁棒识别算法，根据用Gaussian平滑后的边缘图像，将曲率突变或曲率过零点作为目标轮廓的关键点，来分割轮廓，并从中筛选出可接受的圆弧，经过两次聚类和两次拟合得到球形标志点中心在像平面上的精确坐标。

一种优选技术方案，其特征在于：所述标志点背架包括三根用于支撑标志点的铝管，金属板，薄钢板，钢条连接件，柔性铝波纹管，标志点托盘以及标志点；其中所述三根用于支撑标志点的铝管在背架中部借助金属板与三根铝管焊接相连，在下部薄钢板与医用腰带中的钢条通过三处铆钉连接在一起；在三根用于支撑标志点的铝管上方通过连接件与柔性铝波纹管相接；在铝波纹管上端通过连接件与标志点托盘以及标志点相接。

一种优选技术方案，其特征在于：所述球形标志点底部均配有黑色托盘，表面涂有黑色低反射率涂层。

本发明具有如下优点：

(1)标志点背架具有刚柔一体的特点，刚度大、重量轻、连接方便可靠、与装备兼容、可适应不同姿态、不会对人在水中的运动造成影响，充分满足了测量要求并有一定的灵活性。

(2)标志点的图像识别算法在曲率尺度空间理论的基础上，建立了边缘图像中的曲线演化模型，使得标志点发生部分遮挡时仍能准确地对圆心进行定位，极大地增强了系统的可靠性。3个标志点底部均配有黑色托盘，表面涂有黑色低反射率涂层，有助于克服复杂水面背景中反光的影响，给目标识别带来了极大的便利和可靠性。

(3)采用非接触式、通过标志点光学测量人体在水中的运动姿态，巧妙地将人体姿态测量转化为标志点空间位置的测量，可获得所期望的任意时间长度的动态过程，克服了人工目测采样时间的局限性以及结果不可靠性。

(4)本系统的标志点识别算法以曲率尺度空间技术为基础，提出了一种快速、高精度的圆形目标鲁棒识别算法。

(5)本圆形目标鲁棒识别算法可以获得比经典Hough变换更高的精度，相比基于块的处理识别方法极大地增强了系统的可靠性，并在一定程度上克服了标志点遮挡、复杂背景带来的干扰问题。且计算时间大大缩短。

本发明提供的技术方案通过测量缚于人体的标志点背架顶端的标志点的方位间接测量人体姿态，巧妙地降低了任务的复杂度，而同时不失精度。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1是本发明测试系统总体结构示意图；

图2是本发明测试系统用背架示意图；

图3是本发明测试系统用测试标尺示意图；

图4是本发明测试系统用标志点背架上端铝波纹管与标志点连接件32的局部装配图；

图5是本发明测试系统用连接件31的剖面示意图；

图6是本发明测试系统用连接件32的剖面示意图；

图7是本发明测试系统用人体坐标系示意图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明测试系统总体结构示意图，其中1为摄像机2#数据线，2为摄像机1#数据线，3为摄像机2#数据线，4为摄像机同步控制线，5为摄像机1#数据线，6为摄像机支架，7为标志点，8为标志点支撑管，9为肩部固定带，10为腰带，11为显示器，12为计算机主机。整体布局：摄像机支架6位于水池边缘；计算机显示器11及计算机主机12位于摄像机支架6一侧。摄像机3和摄像机5分别固定于摄像机支架6上，摄像机支架6有两个方向的自由度，可调节摄像机3和摄像机5的俯仰角和扫视角。摄像机3和摄像机5分别通过数据线1和2与计算机主机12内的两块OK_C30S图像采集卡相连。调节好视角后，使摄像机3，5俯视水面，其公共视场便为着救生衣战士的水中运动区域。摄像机3和5的外同步触发端口通过数据线4相连接，以保证同步采集，并应保证拍摄对象位于两摄像机的公共视场之内。着救生衣战士入水之前应通过肩带9及腰带10背负好标志点背架，同时应注意入水后应保证标志点背架7上的标志点位于两架摄像机的公共视场内。调节两架摄像机3和5应对照计算机显示器11中打开的采集软件的“双卡同步实时显示”进行。通过图像采集程序进行人机交互，按照用户指定的模式进行采样。采样模式包括选择不同的采集目标体(如内存、硬盘等)以及采样时间、采样频率等参数。

为求取标志点背架7上的标志点的图像平面2维坐标与其空间3维坐标之间的关系，需要进行摄像机标定，方法是两路摄像机采集图7所示本发明测试系统用摄像机标定用黑白方格平面标定板的运动序列图像，然后按照摄像机标定程序向导进行处理即可求得摄像机内外参数并将结果保存到数据文件供后续计算使用。

为了求取着救生衣战士在水中的稳态漂浮姿态，为被测试的战士配备标志点背架的结构参见图2。如图2所示，是本发明测试系统用标志点背架结构示意图；其中13为柔性铝波纹管，14为标志点托盘，7为球形标志点，16为肩部钢板，17为铝管，18为腰部钢板，19为腰带钢条，20为铆钉，21为医用腰带，22为焊接点，32为连接件。

该标志点背架的三根用于支撑球形标志点7的柔性铝波纹管在标志点背架中部借助肩部钢板16与三根铝管17焊接相连，在下部腰部钢板18与医用腰带21中的腰带钢条19通过三处铆钉20连接在一起，保证了较牢靠的连接性能。在三根标志点支撑铝管上方通过连接件32与长度为20cm左右的柔性铝波纹管33相接。在柔性铝波纹管33上端通过连接件31与标志点托盘14以及标志点7相接。其中标志点托盘14表面覆有低反射率的涂层，并通过螺纹与连接件31紧固。标志点29为标准乒乓球，通过溶合胶与连接件31固连。这样参加测试的战士穿好所需测试型号的救生衣，携带必要装备之后通过图2中的肩部钢板16用肩带缚于肩部，同时用腰带10缚紧于腰部。这样通过多点与人体躯干连接，保证了背架与人体运动的一致性。

如图3所示，是本发明测试系统用测试标尺。其作用在于着救生衣人员穿好救生衣并背好标志点背架后分别测量三个标志点到口部的距离。依图3中方位来说，杆24的下端口部与以截5cm长的有机玻璃柱23通过过盈配合固接在一起，杆24距离上端部的3cm范围内的部分轧平后做钻孔处理，通过螺栓和蝶形螺母与左端做同样轧平处理的杆26连接，杆27的下端部开有一个3cm长，1.5mm宽的槽，嵌入一厚为1.5mm的矩形铝板28，二者为过盈配合，注意杆27开槽时应使铝板28安装后面对杆24。杆27的距上端部3cm范围内的部分做轧平、钻孔处理，同样通过螺栓和蝶型螺母与杆26相连。这样测量时可通过调节杆24、杆27与杆26的夹角，使有机玻璃柱23紧贴口部，而铝板28与待测标志点相切，然后旋紧杆24和杆27两端的蝶形螺母，固定杆24和27与杆26的夹角。取下支架，用皮尺测量有机玻璃柱23下端部与板28的距离，即可得到待测标志点与口部的距离。

如图4所示，是本发明测试系统用标志点背架上端铝波纹管与标志点连接件32的局部装配图；其中15为标志点，14为标志点托盘，31、32均为连接件，33为柔性铝波纹管。

其中，标志点托盘14的半径为8cm，中心钻孔后攻丝，与连接件31通过螺纹旋接在一起，标志点29通过强力胶与连接件31的上部的螺栓端部固结。柔性铝波纹管33嵌入连接件31后，用连接件31下部的以90度均布的4个螺钉固定好。

如图5所示，是本发明测试系统背架中用连接件31的剖面示意图。如图6所示，是本发明测试系统用连接件32的剖面示意图。

如图7所示，是本发明测试系统用人体坐标系示意图；它规定人体坐标系，定义胸背轴为X方向，左右轴为Y方向，头盆轴为Z方向。定义测试背架顶端的3个标志点平面构成背架坐标系的XY平面，其法线构成背架坐标系Z方向。由于背架在人体上固定好后，背架坐标系相对于人体坐标系的变换矩阵便不随人体运动而发生变化。这样就可借助标志点间接测量背架坐标系的各坐标轴的方位，进而由两坐标系间的变换关系求得人体坐标系各轴的空间方位。当采集到的图像为一时间序列时，便可求得人体姿态随时间变化的动态历程，继而通过分析姿态的稳态值获得评价救生衣漂浮性能的可靠数据。

使用本发明进行着救生衣人员水中漂浮姿态测量时，先启动计算机，接通摄像机电源。打开图像采集软件，选择“双路实时显示”菜单按前述要求调节好两架摄像机的方位，确定测量区域。在软件的向导下，完成所需图像的采集和数据处理过程，并对测量结果加以显示和结果分析。测量结果以数据和图表两种形式保存在数据库中。可以通过“查看结果”界面查看各种分析结果。

Claims (4)

1、一种军用救生衣对人体的水中姿态控制测试系统，其特征在于：该系统由标志点背架、图像采集系统和图像处理系统三大部分构成；所述图像采集系统采集背负所述标志点背架的着待测型号救生衣的战士在水中的漂浮过程的视频序列信息，然后将所采集的视频序列信息送入所述图像处理系统进行分析，从而获取人体漂浮姿态的时间历程及稳态姿态角；所述图像采集系统包括两路25-30帧/秒的CCD摄像机和显示分辨率最大为1024×768像素的两路图像采集卡，所述两台CCD摄像机分别通过数据线与装于计算机主机箱内的图像采集卡相连；所述标志点背架位于两台摄像机的公共视场；所述图像处理系统包括VC和MATLAB联合编程、数据处理的测控软件、计算机和黑白方格平面标定板；通过所述图像采集卡采集所述平面标定板图像，然后用摄像机标定软件对摄像机进行标定，从而获取摄像机内外参数；再通过图像采集软件采集人体漂浮过程视频序列信息，然后调用图像处理软件进行分析，最后通过计算机生成人体漂浮姿态的时间历程及稳态姿态角；所述标志点背架包括三根用于支撑标志点的铝管，金属板，薄钢板，钢条连接件，柔性铝波纹管，标志点托盘以及标志点；其中所述三根用于支撑标志点的铝管在背架中部借助金属板与三根铝管焊接相连，在下部薄钢板与医用腰带中的钢条通过三处铆钉连接在一起；在三根用于支撑标志点的铝管上方通过连接件与柔性铝波纹管相接；在铝波纹管上端通过连接件与标志点托盘以及标志点相接。

2.根据权利要求1所述的军用救生衣对人体的水中姿态控制测试系统，其特征在于：在所述图像处理系统中采用边缘图像的曲线演化模型，具体步骤是对获取的视频序列信息中的每一帧图像首先进行边缘提取，然后用不同尺度的Gaussian函数逐一对提取到的各边缘做卷积运算。

3.根据权利要求2所述的军用救生衣对人体的水中姿态控制测试系统，其特征在于：在所述图像处理系统中采用快速、高精度的圆形目标鲁棒识别算法，根据用Gaussian平滑后的边缘图像，将曲率突变或曲率过零点作为目标轮廓的关键点，来分割轮廓，并从中筛选出可接受的圆弧，经过两次聚类和两次拟合得到球形标志点中心在像平面上的精确坐标。

4.根据权利要求1所述的军用救生衣对人体的水中姿态控制测试系统，其特征在于：所述球形标志点底部均配有黑色托盘，表面涂有黑色低反射率涂层。

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