CN106056637A - 一种火药装药流场烟雾面积测试数据的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火药装药流场烟雾面积测试数据的处理方法，主要步骤包括：首先，将视频数据转换为灰度图像序列。第二，将图像序列转换为相同分辨率的烟雾透过率矩阵。第三，统计透过率在阈值范围内的像素点数量及分布，第四，通过比例尺计算相应的烟雾区域面积。该方法将流场的烟雾透过率特性与空间特性结合起来，获得流场中具有特定烟雾透过率范围的烟雾区域分布和面积等参数。该方法可有效促进推进剂羽流烟雾对制导性能影响的评估技术以及洁净发射药烟雾性能评估技术的发展，适用于发动机、燃气发生器以及身管武器在流场烟雾面积测试试验中视频数据的处理。

Description

一种火药装药流场烟雾面积测试数据的处理方法

技术领域

本发明涉及一种烟雾面积测试数据的处理方法，适用于火药装药流场烟雾面积测试试验中流场视频数据的处理方法。

背景技术

低特征信号推进剂以及洁净发射药是我国火药发展的一个重要方向。火药装药流场烟雾对于武器系统的隐身和制导性能产生不利影响。一方面，发动机及身管武器工作时火药燃烧产生流场中的烟雾会暴露武器系统的位置及运动轨迹。另一方面，推进剂装药羽流流场烟雾对于穿过其中的制导信号有着衰减、散射、吸收等多种作用，导致武器的制导信号强度降低，严重时甚至失效。身管武器中发射药燃烧产生流场中的烟雾会对武器操作手或视频制导系统的二次瞄准造成干扰。烟雾对制导信号的干扰程度，不仅与烟雾的浓度有关，还和烟雾的面积、厚度以及制导信号穿过烟雾的路径有关。

目前，国内对火药装药流场烟雾的测试方法多是测量推进剂装药或身管武器试验过程中流场的烟雾透过率，对于火药装药流场烟雾面积尚无明确的测试方法。在其他领域如火灾预防、发烟剂烟雾特性测试中，通常依据烟雾的形态特征以及灰度阈值对视频或图像数据中的烟雾区域进行提取，并计算烟雾区域面积。这种数据处理方法所确定的烟雾区域内，烟雾对于武器系统制导信号的干扰作用是不明确的，无法有效表征流场烟雾对制导信号特定影响程度(即烟雾的光学透过率在一定范围内)的空间范围。

发明内容

为了表征火药装药流场烟雾透过率与烟雾面积之间的关联、确定流场中烟雾透过率在一定范围内的烟雾区域面积，本发明提供了一种火药装药流场烟雾面积测试数据的处理方法。该数据处理方法适用于推进剂装药以及发射药装药的身管武器(如枪、炮等)的流场烟雾面积测试试验的视频数据处理。

火药装药流场烟雾面积测试试验的现场布局，光学背景板与图像传感器分别位于火药装药流场两侧。光学背景板为灰白相间条纹，其边缘与图像中边缘平行，且在试验过程保持静止。图像传感器可包含可见光波段图像传感器，红外波段图像传感器、激光波段图像传感器。试验前，利用米尺对图像传感器获得背景板图像的长度比例尺进行标定，获得测试视频的图像比例尺K。图像传感器在火药装药点火前触发，记录下火药装药工作前后流场的视频数据。在测试所得的视频数据中，火药装药流场烟雾面积测试视频数据的初始图像帧数不少于50帧。

在本发明所提供的数据处理方法中，主要包括以下步骤：

(1)将火药装药流场的视频数据进行处理，转换为灰度图像序列。

(2)将灰度图像序列转换为相同分辨率的烟雾透过率矩阵。首先，取灰度图像序列前50帧图像灰度的均值合成基准图像S_M×N；其次，将灰度图像序列中的每一帧图像B_M×N与基准图像对应像素点的灰度作比值，得到灰度比值矩阵τ_k(i，j)，然后，在灰度比值矩阵τ_k(i，j)中，利用公式(1)消除杂散光对灰度比值的影响，获得烟雾透过率矩阵τ′_k(i，j)；公式

式中τ‘_k(i，j)表示灰度图像序列中第k帧图像的透过率分布矩阵，其中k表示图像在图像序列中的位置，i表示数据点在图像中水平方向的位置，j表示数据点在图像中垂直方向的位置；G_s(i,j)表示基准图像S_M×N在点(i，j)处的灰度值；τ_k(i，j)表示灰度图像序列中第k帧图像的灰度比值矩阵，w表示图像序列中单条背景条纹在水平方向上占据的像素数。

(3)统计每帧图像中烟雾透过率在阈值范围内的像素点数量及分布。

(4)利用公式(2)计算每帧图像中的烟雾区域面积S_k，并绘制烟雾面积随时间变化的曲线。公式

S_k＝K²N_k (2)

式中S_k表示图像序列中第k帧图像的烟雾区域面积，单位为平方米；K是图像序列的长度比例系数，单位为米/像素；N_k是第K帧图像中透过率在阈值范围内的像素点数量，单位为像素。

(5)用标注阈值的烟雾面积-时间曲线作为最终的数据处理结果。

步骤(3)中当烟雾透过率矩阵τ′_k(i，j)噪声较大时，在统计烟雾透过率在阈值范围内的像素点数量之前，可对每一帧图像的烟雾透过率矩阵τ′_k(i，j)进行线性滤波，设定滤波的邻域为m×n(m，n都为奇数)，则滤波后的烟雾透过率矩阵τ″_k(i，j)可表示为

${\mathrm{\τ}}_k^{,,}(i,j)=\frac{1}{mn}{\Σ}_{x=-\frac{m-1}{2}}^{\frac{m-1}{2}}{\Σ}_{y=-\frac{n-1}{2}}^{\frac{n-1}{2}}{\mathrm{\τ}}_k^{\′}(i+x,j+y)---\left(3\right)$

步骤(3)中的阈值是一个有界区间，可为(τ_a，τ_b)、[τ_a，τ_b]、[τ_a，τ_b)或(τ_a，τ_b]形式，其中τ_a≤τ_b；τ_a，τ_b可根据实际需要确定。

步骤(3)中统计时，可增加像素点团聚数量N_r作为附加限定条件，将透过率在阈值范围内的团聚数量<N_r的像素点排除在统计范围外。

本发明与其他烟雾面积的数据处理方法相比，将烟雾的透过率特性与空间特性结合起来进行处理，可以获得具有特定烟雾透过率范围的烟雾区域烟雾面积参数。使火药装药羽流烟雾空间性能的表征更加具有实际应用价值。

附图说明

图1火药装药流场烟雾面积测试试验的现场布局图，1-光学背景板，2-可见光图像传感器，3-红外图像传感器，4-激光图像传感器，5-便携式计算机，6-流场区域。

图2火药装药流场烟雾面积测试视频数据的初始图像

图3某推进剂装药的流场烟雾面积-时间曲线

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步解释说明。

通过某推进剂装药流场烟雾面积测试试验获得的视频文件以及视频图像的长度比例尺K＝0.02米/像素，求透过率在[20％,60％]范围内，像素团聚数≥4的烟雾区域面积。

如图1，进行火药装药流场烟雾面积测试试验的现场布局，光学背景板1与图像传感器分别位于火药装药流场区域6两侧，图像传感器分别与便携式计算机5连接。光学背景板为灰白相间条纹，其边缘与图像中边缘平行，且在试验过程保持静止。图像传感器包含可见光图像传感器2、红外图像传感器3、激光图像传感器4。火药装药流场烟雾面积测试视频数据的初始图像(如图2)帧数不少于50帧。

测试数据处理的步骤如下：

(1)将烟雾场视频转换为灰度图像序列；对图像序列进行裁剪，去除光学背景板之外的图像部分。

(2)将灰度图像序列转换为相同分辨率的烟雾透过率矩阵τ′_k(i,j)；首先，取灰度图像序列前50帧图像灰度的均值合成基准图像S_400×90；其次，将灰度图像序列中的每一帧图像B_400×90与基准图像对应像素点的灰度作比值，得到灰度比值矩阵τ_k(i，j)，然后，在灰度比值矩阵τ_k(i，j)中，利用公式(1)消除杂散光对灰度比

值的影响，获得烟雾透过率矩阵τ′_k(i，j)。在公式

式中：M＝400，表示图像的水平分辨率:

w＝20，是单条背景条纹在水平方向上占据的像素数。

(3)利用公式(4)对每一帧图像的烟雾透过率矩阵τ′_k(i，j)进行线性滤波，公式(4)可表示为

${\mathrm{\&tau;}}_k^{,,}(i,j)=\frac{1}{25}{\mathrm{\&Sigma;}}_{x=-2}^2{\mathrm{\&Sigma;}}_{y=-2}^2{\mathrm{\&tau;}}_k^{\&prime;}(i+x,j+y)---\left(4\right)$

(4)统计每帧图像中烟雾透过率在[20％,60％]范围内以及像素点团聚数量≥4的像素点数量N_k。

(6)利用公式(2)计算每帧图像中的烟雾区域面积S_k，并绘制烟雾面积随时间变化的曲线。公式

S_k＝K²N_k (2)

式中：K＝0.02米/像素

(7)用标注阈值的烟雾面积-时间曲线(如图3所示)作为最终的数据处理结果。

Claims (4)

1.一种火药装药流场烟雾面积测试数据的处理方法，其特征在于步骤如下：

(1)将火药装药流场的视频数据进行处理，转换为灰度图像序列；

(2)将灰度图像序列转换为相同分辨率的烟雾透过率矩阵；首先，取灰度图像序列前50帧图像灰度的均值合成基准图像S_M×N；其次，将灰度图像序列中的每一帧图像B_M×N与基准图像对应像素点的灰度作比值，得到灰度比值矩阵τ_k(i，j)，然后，在灰度比值矩阵τ_k(i，j)中，利用公式(1)消除杂散光对灰度比值的影响，获得烟雾透过率矩阵τ′_k(i，j)；公式

式中τ‘_k(i，j)表示灰度图像序列中第k帧图像的透过率分布矩阵，其中k表示图像在图像序列中的位置，i表示数据点在图像中水平方向的位置，j表示数据点在图像中垂直方向的位置；G_s(i,j)表示基准图像S_M×N在点(i，j)处的灰度值；τ_k(i，j)表示灰度图像序列中第k帧图像的灰度比值矩阵，w表示图像序列中单条背景条纹在水平方向上占据的像素数；

(3)统计每帧图像中烟雾透过率在阈值范围内的像素点数量及分布；

(4)利用公式(2)计算每帧图像中的烟雾区域面积S_k，并绘制烟雾面积随时间变化的曲线；公式

S_k＝K²N_k (2)

式中S_k表示图像序列中第k帧图像的烟雾区域面积，单位为平方米；K是图像序列的长度比例系数，单位为米/像素；N_k是第K帧图像中透过率在阈值范围内的像素点数量，单位为像素；

(5)用标注阈值的烟雾面积-时间曲线作为最终的数据处理结果。

2.根据权利要求1所述数据的处理方法，其特征在于步骤(3)中当烟雾透过率矩阵τ′_k(i，j)噪声较大时，在统计烟雾透过率在阈值范围内的像素点数量之前，对每一帧图像的烟雾透过率矩阵τ′_k(i，j)进行线性滤波，设定滤波的邻域为m×n(m，n都为奇数)，则滤波后的烟雾透过率矩阵τ″_k(i，j)表示为

。

3.根据权利要求1所述数据的处理方法，其特征在于步骤(3)中的阈值是一个有界区间，为(τ_a，τ_b)、[τ_a，τ_b]、[τ_a，τ_b)或(τ_a，τ_b]形式，其中τ_a≤τ_b；τ_a，τ_b根据实际需要确定。

4.根据权利要求1所述数据的处理方法，其特征在于步骤(3)中统计像素点时，增加像素点团聚数量N_r作为附加限定条件，将透过率在阈值范围内的团聚数量<N_r的像素点排除在统计范围外。