CN107452054A - 一种外挂物风洞模型环绕式编码标记点的编解码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外挂物风洞模型环绕式编码标记点的编解码方法，包括以下步骤：创建特征编码标记点；创建基于模板点的环绕式编码标记点；提取圆形标记点；识别编码标记点。本发明的优点在于：不仅解决了外挂物风洞模型在6个自由度方向运动时的标记点识别和匹配难题，且与现有嵌装编码发光装置的技术相比，无需对外挂物风洞模型开孔布线，不会破坏外挂物风洞模型的气动外形，不改变其结构强度和刚度，降低了外挂物风洞模型的设计难度和成本；与环绕式编码方法相比，在外挂物风洞模型上可分布更多的特征编码标记点，解码的识别正确率提高。
Description
技术领域
本发明涉及外挂物分离的风洞试验技术领域，特别涉及一种外挂物风洞模型环绕式编码标记点的编解码方法。
背景技术
外挂物(炸弹、副油箱、导弹等)从载机投放后，在离开载机的初期，处于载机的干扰流场中，该干扰流场的特性与载机的外形、飞行速度、飞行高度、载机的姿态、外挂物的外形及其安装位置和姿态等很多因素有关，很难用理论方法预测外挂物在干扰流场中的飞行轨迹；尤其是高马赫数条件下，由于压缩性影响和激波干扰，使得载机附近的干扰流场变得更加复杂，更增加了理论计算的难度。为掌握外挂物在投放初始阶段的飞行轨迹，研究影响其飞行轨迹的因素，通常需在风洞中进行试验。
外挂物风洞模型在6个自由度(3个线位移、3个角位移)方向均有运动，如当外挂物风洞模型在滚转方向发生较大位移时，原来成像的标识点已不在视场范围内，给标记点的识别和匹配带来很大困难；
虽然国内外已有使用彩色编码方法、环绕式编码标记点或环形编码点来解决待测物发生滚转运动时的标记点的识别和匹配难题：
彩色编码方法通过在外挂物风洞模型表面嵌装微型彩色发光装置，根据颜色对发光装置进行编码排列，利用两台彩色相机采集标记点运动图像，根据标记点的颜色排列和解码规则，重建标记点的三维坐标，进而得到位置和姿态信息；但是嵌装微型发光装置破坏了外挂物风洞模型的结构强度，可能会影响气动外形，还需额外布置线路，增加了设计难度和制造成本，尤其是对于自由投放的试验模型必须保持质量分布相似，嵌装微型发光装置极大地提升了自由投放试验模型的设计与制造难度；破坏了外挂物风洞模型的结构强度、增加了设计难度和制造成本。
环状编码标记点一般使用内圆进行编码点定位，外圆环用来确定编码点的身份信息，但环状编码标记点的尺寸一般较大，多用于大型工业零件测量，在外挂物风洞模型表面粘印或绘制时不仅数量有限，且容易发生变形，给识别和匹配带来困难。尺寸较大，不适用于外挂物风洞模型，容易发生变形，导致识别不准确，匹配困难。
环绕式编码标记点，其解码依赖于圆形标记点之间的距离关系，在外挂物风洞模型上分布的标志点过少，解码的正确率过低。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种外挂物风洞模型环绕式编码标记点的编解码方法，能有效的解决上述现有技术存在的问题。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种外挂物风洞模型环绕式编码标记点的编解码方法,包括以下步骤：
步骤一、创建特征编码标记点，所述的特征编码标记点是指1个或多个相同圆形标记点的组合；
步骤二、创建基于模板点的环绕式编码标记点，基于模板点的环绕式编码标记点是指布置在外挂物风洞模型表面头部和尾部的特征编码标记点以及模型中部的模板点的组合，外挂物风洞模型头部的环绕式编码标记点记为Cfront，尾部的特征编码标记点记为Ctail，中部的模板点记为Cmid；
步骤三、提取圆形标记点，具体步骤如下：
S31：使用相机拍摄贴有环绕式编码标记点的模型，将采集到的图片传输到计算机中；
S32：对图像进行灰度化、二值化处理，再采用8邻域轮廓提取算法提取图像轮廓；对提取到的轮廓计算轮廓周长、轮廓面积以及轮廓的圆形度；设置合适的轮廓周长、轮廓面积以及圆形度的阈值，满足阈值条件的轮廓即为圆形标记点，不满足阈值条件的轮廓则为非圆形标记点，予以剔除；
S33：计算圆形度，计算公式为：圆形度e＝(周长*周长)/4π*面积；e为1时，图形即为圆形；e越大，图形越不规律，与圆形的差距越大；
S34：采用灰度加权质心法对S32中提取到的圆形标记点进行中心定位；设圆形标记点包含m个像素点，f(xi,yi)是像素点(xi,yi)对应的灰度值；则圆形标记点的中心坐标(x0,y0)为：
步骤四、识别编码标记点，具体步骤如下：
S41：将图像中识别出来的全部圆形标记点集合记为P，求P中每一元素与其他元素之间的距离，记为Pi，i为P中的第i个元素，并找出Pi中的最小值，记为Dmin_i。
S42：确定模板点：找出所有Dmin_i中的最小值，记为Dmin。如果Dmin_i>2.8Dmin，则该元素即为模板点，放入集合Pmid中。
S43：确定I样式特征编码标记点：如果1.8Dmin<＝Dmin_i<2.1Dmin，则该元素为I样式特征编码标记点，所有I类特征编码标记点的集合记为P_I。
S44：对模型头部与尾部的标记点进行分类，分别放入集合Pfront和Ptail中：
S441：在集合P_I随意选取一个I类特征编码标记点A，求该标记点与所有模板点的距离，找出这些距离中的最大值，记为Dmax；
S442：求A与除模板点外其他圆形标记点的距离D，将D>Dmax的元素放入集合Ptail中，将D<Dmax的元素放入集合Pfront中；
S45：由环绕式编码标记点的编码特征可知，模型上的任意一个特征编码标记点中的圆形标记点的中心连线均与模板点的中心连线是垂直关系。根据这一关系，对Pfront中的元素进行分类和解码的具体步骤如下：
S451：确定模板点向量；从Pmid中选取两个模板点M、N,求取MN所在的向量，该向量即为模板点向量；
S452：求Pfront中每个元素与其他元素所在的向量，求该向量与模板点向量的夹角θ，如果85°<θ<95°，则它们是同一个特征编码标记点中的圆形标记点，放入集合Code_i，i为Pfront中的第i个元素，Code_i中的元素不能与之前求解的特征编码标记点中的元素重复；
S453：判断Code_i的样式特征编码标记点，有几个元素，则其就是几样式特征编码标记点；
S454：求每个特征编码标记点的P_first；从Pmid中选取一个模板点，求Code_i中每一个元素与该模板点的距离，与模板点的距离最大的那个元素即为该特征编码标记点的P_first；
S455：通过每个特征编码标记点的P_first的坐标值,由上到下对特征编码标记点依次排序，解码结束；
S46：对Ptail中的元素进行分类和解码；本步骤与S45中对Pfront中的元素进行分类和解码相同，但步骤S454的内容为：求每个特征编码标记点的P_first；从Pmid中选取一个模板点，求Code_i中每一个元素与该模板点的距离，与模板点的距离最小的那个元素即为该特征编码标记点的P_first。
进一步地，所述步骤一中特征编码标记点具有以下特征：
a、定义I样式特征编码标记点包含1个圆形标记点，II样式特征编码标记点包含2个圆形标记点，III样式特征编码标记点包含3个圆形标记点，IV样式特征编码标记点包含4个圆形标记点，Ⅴ样式特征编码标记点包含5个圆形标记点，以此类推；
b、对于II、III、IV、Ⅴ样式特征编码标记点，其包含的相邻圆形标记点圆心之间的距离为1.1d，圆心连线与外挂物风洞模型轴线平行；对于I、II、III、IV、Ⅴ样式特征编码标记点，以其包含的最靠近风洞外挂物模型头部的圆形标记点的圆心坐标值为其坐标值，我们将靠近风洞外挂物模型头部的圆形标记点称为P_first；
c、组成特征编码标记点的圆形标记点的直径为外挂物风洞模型直径的1/10。
进一步地，所述步骤二中环绕式编码标记点具有以下特征：
a、Cfront和Ctail均包含15个特征编码标记点，15个特征编码标记点沿外挂物风洞模型的滚转方向均匀分布、居中对齐；
b、Cmid包含8个模板点，8个模板点沿外挂物风洞模型的滚转方向均匀分布、居中对齐，并且保证每一次旋转均能出现至少两个模板点，如果不能，则增加模板点个数；
c、只有Cfront中出现I样式特征编码标记点，并且保证每一次旋转均能出现至少一个I样式特征编码标记点，Ctail中不能出现I样式特征编码标记点；
d、定义Cfront、Ctail中任意3个连续的特征编码标记点构成了1个编码片段，要求Cfront、Ctail中任意两个编码片段均不相同，以保证每个编码片段的可识别性；
e、Cfront中包含的任意圆形标记点与Ctail中包含的任意圆形标记点的距离至少为外挂物风洞模型直径d(外挂物风洞模型直径为其滚转方向切面外接圆直径的最大者)的2倍；Cmid中任意的模板点与Cfront和Ctail的距离至少为外挂物风洞模型直径d的1倍。
f、Cmid中的模板点是与特征编码标记点的圆形标记点尺寸相同的圆形标记点。
与现有技术相比本发明的优点在于：不仅解决了外挂物风洞模型在6个自由度方向运动时的标记点识别和匹配难题，且与现有嵌装编码发光装置的技术相比，无需对外挂物风洞模型开孔布线，不会破坏外挂物风洞模型的气动外形，不改变其结构强度和刚度，降低了外挂物风洞模型的设计难度和成本。与环绕式编码方法相比，在外挂物风洞模型上可分布更多的特征编码标记点，解码的识别正确率提高。
附图说明
图1为本发明实施例的编码标记点的识别流程图；
图2为本发明实施例的基于模板点的环绕式编码标记点在外挂物风洞模型上的示意图；
图3为本发明实施例的特征编码标记点示意图；
图4为本发明实施例的编码片段示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。
一种外挂物风洞模型环绕式编码标记点的编解码方法,包括以下步骤：
步骤一、创建特征编码标记点，所述的特征编码标记点是指1个或多个相同圆形标记点的组合，如图3所示，其具有以下特征：
a、I样式特征编码标记点包含1个圆形标记点，II样式特征编码标记点包含2个圆形标记点，III样式特征编码标记点包含3个圆形标记点，IV样式特征编码标记点包含4个圆形标记点，Ⅴ样式特征编码标记点包含5个圆形标记点，以此类推；
b、对于II、III、IV、Ⅴ样式特征编码标记点，其包含的相邻圆形标记点圆心之间的距离为1.1d，圆心连线与外挂物风洞模型轴线平行；对于I、II、III、IV、Ⅴ样式特征编码标记点，以其包含的最靠近风洞外挂物模型头部的圆形标记点的圆心坐标值为其坐标值，我们将靠近风洞外挂物模型头部的圆形标记点称为P_first；
e、组成特征编码标记点的圆形标记点的直径至多为外挂物风洞模型直径的1/10；
步骤二、创建基于模板点的环绕式编码标记点，基于模板点的环绕式编码标记点是指布置在外挂物风洞模型表面头部和尾部的特征编码标记点以及模型中部的模板点的组合，其分布图如图2所示。外挂物风洞模型头部的环绕式编码标记点记为Cfront，尾部的特征编码标记点记为Ctail，中部的模板点记为Cmid，环绕式编码标记点具有以下特征：
a、Cfront和Ctail均包含15个特征编码标记点，15个特征编码标记点沿外挂物风洞模型的滚转方向均匀分布、居中对齐；
b、Cmid包含8个模板点，8个模板点沿外挂物风洞模型的滚转方向均匀分布、居中对齐，并且保证每一次旋转均能出现至少两个模板点，如果不能，则增加模板点个数；
c、只有Cfront中出现I样式特征编码标记点，并且保证每一次旋转均能出现至少一个I样式特征编码标记点，Ctail中不能出现I样式特征编码标记点。
d、定义Cfront、Ctail中任意3个连续的特征编码标记点构成了1个编码片段，要求Cfront、Ctail中任意两个编码片段均不相同，以保证每个编码片段的可识别性，部分编码片段如图4所示。
e、Cfront中包含的任意圆形标记点与Ctail中包含的任意圆形标记点的距离至少为外挂物风洞模型直径d(外挂物风洞模型直径为其滚转方向切面外接圆直径的最大者)的2倍；Cmid中任意的模板点与Cfront和Ctail的距离至少为外挂物风洞模型直径d的1倍。
Cmid中的模板点是与特征编码标记点的圆形标记点尺寸相同的圆形标记点。
步骤三、圆形标记点提取，具体步骤如下：
S31：使用相机拍摄贴有环绕式编码标记点的模型，将采集到的图片传输到计算机中；
S32：对图像进行灰度化、二值化处理，再采用8邻域轮廓提取算法提取图像轮廓。对提取到的轮廓计算轮廓周长、轮廓面积以及轮廓的圆形度。设置合适的轮廓周长、轮廓面积以及圆形度的阈值，满足阈值条件的轮廓即为圆形标记点，不满足阈值条件的轮廓则为非圆形标记点，予以剔除。
S33：圆形度计算公式：圆形度e＝(周长*周长)/4π*面积。e为1时，图形即为圆形；e越大，图形越不规律，与圆形的差距越大。
S34：采用灰度加权质心法对S32中提取到的圆形标记点进行中心(圆心)定位。设圆形标记点包含m个像素点，f(xi,yi)是像素点(xi,yi)对应的灰度值。则圆形标记点的中心(圆心)坐标(x0,y0)为：
步骤四、识别编码标记点，具体步骤如下：
S41：将图像中识别出来的全部圆形标记点集合记为P，求P中每一元素与其他元素之间的距离(这里的距离是指每个圆形标记点圆心与圆心之间的距离)，记为Pi(i为P中的第i个元素)，并找出Pi中的最小值，记为Dmin_i。
S42：确定模板点：找出所有Dmin_i中的最小值，记为Dmin。如果Dmin_i>2.8Dmin，则该元素即为模板点，放入集合Pmid中。
S43：确定I样式特征编码标记点：如果1.8Dmin<＝Dmin_i<2.1Dmin，则该元素为I样式特征编码标记点，所有I类特征编码标记点的集合记为P_I。
S44：对模型头部与尾部的标记点进行分类，分别放入集合Pfront和Ptail中：
S441：在集合P_I随意选取一个I类特征编码标记点A，求该标记点与所有模板点的距离，找出这些距离中的最大值，记为Dmax。
S442：求A与其他圆形标记点(除模板点外)的距离D，将D>Dmax的元素放入集合Ptail中，将D<Dmax的元素放入集合Pfront中。
S45：由环绕式编码标记点的编码特征可知，模型上的任意一个特征编码标记点中的圆形标记点的中心连线均与模板点的中心连线是垂直关系。根据这一关系，对Pfront中的元素进行分类，解码的具体步骤如下：
S451：确定模板点向量。从Pmid中选取两个模板点M、N,求取MN所在的向量，该向量即为模板点向量。
S452：求Pfront中每个元素与其他元素所在的向量，求该向量与模板点向量的夹角θ，如果85°<θ<95°，则它们是同一个特征编码标记点中的圆形标记点，放入集合Code_i(i为Pfront中的第i个元素)，Code_i中的元素不能与之前求解的特征编码标记点中的元素重复。
S453：Code_i中有几个元素，则它就是几样式特征编码标记点。如果只有一个元素，即为Ⅰ样式特征编码标记点，如果有两个元素，即为Ⅱ样式特征编码标记点，以此类推。
S454：求每个特征编码标记点的P_first。从Pmid中选取一个模板点，求Code_i中每一个元素与该模板点的距离，与模板点的距离最大的那个元素即为该特征编码标记点的P_first。
S455：通过每个特征编码标记点的P_first的坐标值,由上到下对特征编码标记点依次排序，解码结束。
S46：对Ptail中的元素进行分类。步骤与S45相同。步骤S454改为：求每个特征编码标记点的P_first。从Pmid中选取一个模板点，求Code_i中每一个元素与该模板点的距离，与模板点的距离最小的那个元素即为该特征编码标记点的P_first。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种外挂物风洞模型环绕式编码标记点的编解码方法,其特征在于包括以下步骤：
步骤一、创建特征编码标记点，所述的特征编码标记点是指1个或多个相同圆形标记点的组合；
步骤二、创建基于模板点的环绕式编码标记点，基于模板点的环绕式编码标记点是指布置在外挂物风洞模型表面头部和尾部的特征编码标记点以及模型中部的模板点的组合，外挂物风洞模型头部的环绕式编码标记点记为Cfront，尾部的特征编码标记点记为Ctail，中部的模板点记为Cmid；
步骤三、提取圆形标记点，具体步骤如下：
S31：使用相机拍摄贴有环绕式编码标记点的模型，将采集到的图片传输到计算机中；
S32：对图像进行灰度化、二值化处理，再采用8邻域轮廓提取算法提取图像轮廓；对提取到的轮廓计算轮廓周长、轮廓面积以及轮廓的圆形度；设置合适的轮廓周长、轮廓面积以及圆形度的阈值，满足阈值条件的轮廓即为圆形标记点，不满足阈值条件的轮廓则为非圆形标记点，予以剔除；
S33：计算圆形度，计算公式为：圆形度e＝(周长*周长)/4π*面积；e为1时，图形即为圆形；e越大，图形越不规律，与圆形的差距越大；
S34：采用灰度加权质心法对S32中提取到的圆形标记点进行中心定位；设圆形标记点包含m个像素点，f(xi,yi)是像素点(xi,yi)对应的灰度值；则圆形标记点的中心坐标(x0,y0)为：
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步骤四、识别编码标记点，具体步骤如下：
S41：将图像中识别出来的全部圆形标记点集合记为P，求P中每一元素与其他元素之间的距离，记为Pi，i为P中的第i个元素，并找出Pi中的最小值，记为Dmin_i；
S42：确定模板点：找出所有Dmin_i中的最小值，记为Dmin；如果Dmin_i>2.8Dmin，则该元素即为模板点，放入集合Pmid中；
S43：确定I样式特征编码标记点：如果1.8Dmin<＝Dmin_i<2.1Dmin，则该元素为I样式特征编码标记点，所有I类特征编码标记点的集合记为P_I；
S44：对模型头部与尾部的标记点进行分类，分别放入集合Pfront和Ptail中：
S441：在集合P_I随意选取一个I类特征编码标记点A，求该标记点与所有模板点的距离，找出这些距离中的最大值，记为Dmax；
S442：求A与除模板点外其他圆形标记点的距离D，将D>Dmax的元素放入集合Ptail中，将D<Dmax的元素放入集合Pfront中；
S45：由环绕式编码标记点的编码特征可知，模型上的任意一个特征编码标记点中的圆形标记点的中心连线均与模板点的中心连线是垂直关系；根据这一关系，对Pfront中的元素进行分类和解码的具体步骤如下：
S451：确定模板点向量；从Pmid中选取两个模板点M、N,求取MN所在的向量，该向量即为模板点向量；
S452：求Pfront中每个元素与其他元素所在的向量，求该向量与模板点向量的夹角θ，如果85°<θ<95°，则它们是同一个特征编码标记点中的圆形标记点，放入集合Code_i，i为Pfront中的第i个元素，Code_i中的元素不能与之前求解的特征编码标记点中的元素重复；
S453：判断Code_i的样式特征编码标记点，有几个元素，则其就是几样式特征编码标记点；
S454：求每个特征编码标记点的P_first；从Pmid中选取一个模板点，求Code_i中每一个元素与该模板点的距离，与模板点的距离最大的那个元素即为该特征编码标记点的P_first；
S455：通过每个特征编码标记点的P_first的坐标值,由上到下对特征编码标记点依次排序，解码结束；
S46：对Ptail中的元素进行分类和解码；本步骤与S45中对Pfront中的元素进行分类和解码相同，但步骤S454的内容为：求每个特征编码标记点的P_first；从Pmid中选取一个模板点，求Code_i中每一个元素与该模板点的距离，与模板点的距离最小的那个元素即为该特征编码标记点的P_first。
2.根据权利要求1所述的一种外挂物风洞模型环绕式编码标记点的编解码方法，其特征在于：所述步骤一中特征编码标记点具有以下特征：
a、定义I样式特征编码标记点包含1个圆形标记点，II样式特征编码标记点包含2个圆形标记点，III样式特征编码标记点包含3个圆形标记点，IV样式特征编码标记点包含4个圆形标记点，Ⅴ样式特征编码标记点包含5个圆形标记点，以此类推；
b、对于II、III、IV、Ⅴ样式特征编码标记点，其包含的相邻圆形标记点圆心之间的距离为1.1d，圆心连线与外挂物风洞模型轴线平行；对于I、II、III、IV、Ⅴ样式特征编码标记点，以其包含的最靠近风洞外挂物模型头部的圆形标记点的圆心坐标值为其坐标值，我们将靠近风洞外挂物模型头部的圆形标记点称为P_first；
c、组成特征编码标记点的圆形标记点的直径为外挂物风洞模型直径的1/10。
3.根据权利要求1所述的一种外挂物风洞模型环绕式编码标记点的编解码方法，其特征在于：所述步骤二中环绕式编码标记点具有以下特征：
a、Cfront和Ctail均包含15个特征编码标记点，15个特征编码标记点沿外挂物风洞模型的滚转方向均匀分布、居中对齐；
b、Cmid包含8个模板点，8个模板点沿外挂物风洞模型的滚转方向均匀分布、居中对齐，并且保证每一次旋转均能出现至少两个模板点，如果不能，则增加模板点个数；
c、只有Cfront中出现I样式特征编码标记点，并且保证每一次旋转均能出现至少一个I样式特征编码标记点，Ctail中不能出现I样式特征编码标记点；
d、定义Cfront、Ctail中任意3个连续的特征编码标记点构成了1个编码片段，要求Cfront、Ctail中任意两个编码片段均不相同，以保证每个编码片段的可识别性；
e、Cfront中包含的任意圆形标记点与Ctail中包含的任意圆形标记点的距离至少为外挂物风洞模型直径d(外挂物风洞模型直径为其滚转方向切面外接圆直径的最大者)的2倍；Cmid中任意的模板点与Cfront和Ctail的距离至少为外挂物风洞模型直径d的1倍；
f、Cmid中的模板点是与特征编码标记点的圆形标记点尺寸相同的圆形标记点。
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