CN110895120B - 基于图像处理技术的舰炮系统精度检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于图像处理技术的舰炮系统精度检测装置及检测方法，图像传感器设置在零飞仪上，图像传感器用于采集炮火轴线前方图像，在统一的时间脉冲信号下，炮火轴线前方图像及其数据信息和跟踪器的目标跟踪图像及其数据信息均传送到计算机，计算机从跟踪器的目标跟踪图像中，根据跟踪器波门选择的范围，提取出跟踪目标，将跟踪目标和炮火轴线前方图像进行模板匹配，根据匹配算法计算相似度并输出匹配结果，在炮火轴线前方图像中定位跟踪器所跟踪目标的位置，计算平均零飞误差。具有目标自动检测与识别，图像处理分析、零飞误差自校正等集成优化特点，能够利用近距离角点目标检测舰炮系统综合误差。

Description

基于图像处理技术的舰炮系统精度检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于舰船精度检测技术领域，尤其涉及一种基于图像处理技术的舰炮系统精度检测装置及检测方法。

背景技术

某型公务执法船为完成其特殊使命任务，需要配备舰炮系统，包含舰炮、跟踪设备、火控设备、辅助设备等。舰炮对目标实时精确打击的一个很重要的条件是舰炮系统的零飞精度(也称跟踪瞄准精度)符合技术指标的要求，因此，如何快速、准确的检测舰炮系统的零飞精度尤为重要。零飞精度是评定舰炮系统战技性能的一项重要指标。所谓零飞精度是指当舰炮系统在零飞工作方式(即弹丸从炮口飞行至目标的时间为零，如果系统误差为零，则舰炮身管的轴线应该直接指向目标)下进行静态或动态跟踪瞄准时，火炮身管的轴线指向目标的精确程度。传统的零飞精度检测依靠零飞仪进行检测，零飞仪一般由电视测量装置、零飞仪显控台(或计算机)、通讯或电源转接箱等组成。使用零飞仪测量舰炮零飞精度的方法步骤为：安装与标定。将电视测量装置通过专用夹具固定在舰炮身管，连接电视测量装置与显控台之间电缆，通过标定方法调整电视测量装置光轴指向，使其与舰炮瞄准线保持一致；试验录取。在进行零飞试验时，根据目标和背景成像特性，通过在零飞仪显控台上调整亮度及对比度，使目标图像清晰，利用零飞仪实时录取零飞视频图像；将录取的零飞视频图像与跟踪器(跟踪雷达或光电跟踪仪等)跟踪目标的图像进行逐帧对比、处理，得出系统部稳定高低角和不稳定方位角的误差数据。

传统的检测方法虽然可以通过电子设备较为快速测得系统零飞精度，但仍存在一定不足：(1)传统零飞仪通过电视测量装置录取视频图像来进行分析处理，但在跟踪目标的选择和识别上仍需要通过人工方式选择，使得选取的点与实际跟踪点在方位和高低上会造成偏差；

(2)录取的视频图像不能和跟踪器的目标跟踪图像自动比对，而是通过人工读取数据，影响检测精度；

(3)检测结果仅存在零飞仪单机设备上，无法由舰炮系统记录，不利于舰炮系统的维护与发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于图像处理技术的舰炮系统精度检测装置及检测方法，具有目标自动检测与识别，图像处理分析、零飞误差自校正等集成优化特点，能够利用近距离角点目标检测舰炮系统综合误差。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种基于图像处理技术的舰炮系统精度检测装置，图像传感器设置在零飞仪上，图像传感器用于采集炮火轴线前方图像，跟踪器固定设置在船上，在统一的时间脉冲信号下，炮火轴线前方图像及其数据信息和跟踪器的目标跟踪图像及其数据信息均传送到计算机，计算机从跟踪器的目标跟踪图像中，根据跟踪器波门选择的范围，提取出跟踪目标，将跟踪目标和炮火轴线前方图像进行模板匹配，根据匹配算法计算相似度并输出匹配结果，在炮火轴线前方图像中定位跟踪器所跟踪目标的位置，计算跟踪目标相对于炮口瞄准线中心的方位偏差角度e_x和高低偏差角度e_y，通过阈值滤波剔除奇异点，计算平均零飞误差。

按上述技术方案，计算机对各图像进行预处理，将图像转换到RGB空间，分解RGB模型彩色图像为3个颜色分量，基于像素灰度值的点操作对分解后的3个彩色分量分别进行图像增强，再合成为新的彩色图像。

按上述技术方案，电源与通信转接箱为零飞仪提供电源，通信转接箱接收零飞仪图像传感器发送的视频信息；通过模拟接口给计算机提供时间统一信号，通过网络接口向计算机传输视频及数据信息，通信转接箱接收计算机对外发送的数据信息；通信转接箱具有与外部舰炮系统之间的通信接口。

零飞仪上附有调整环，根据不同口径的舰炮选择与之相适应的调整环。

本发明还一种舰炮系统精度检测方法，该方法包括以下步骤，步骤一，舰炮系统进入零飞工作模式，在统一的时间脉冲信号下，同时采集炮火轴线前方图像及其数据信息和跟踪器的目标跟踪图像及其数据信息；采用频率可根据用户需要进行设置，实现基于统一时间信息的图像记录。

步骤二，从跟踪器的目标跟踪图像中，根据跟踪器波门选择的范围，提取出跟踪目标，将跟踪目标和炮火轴线前方图像进行模板匹配，根据匹配算法计算相似度并输出匹配结果；在炮火轴线前方图像中定位跟踪器所跟踪目标的位置；在某些环境下试验，计算机自动识别目标的方法可靠性较差，如图像上具有复杂背景，图像上具有与跟踪目标近似的其他元素等。此时，需要采用人工选定目标的方法。试验过程中，在计算机上人工选定跟踪目标，在目标上设置一个方框，以便检测系统在录取图像上根据方框选定区域识别跟踪目标。步骤三，根据基于模板匹配的图像识别对炮火轴线前方图像进行处理后，定位跟踪目标的位置，通过跟踪目标在图像中所处的相对位置，结合零飞仪摄像头的参数，计算跟踪目标相对于炮口瞄准线中心的方位偏差角度e_x和高低偏差角度e_y，通过阈值滤波剔除奇异点，计算平均零飞误差。

所采集的每一组图像均可以计算出一组零飞误差值e_x和e_y，根据采用频率设置的不同，可能录取到数百幅图像。经过计算后便存在数百组零飞误差数据。所以对这些原始零飞误差数据根据需要进一步处理。

按上述技术方案，所述步骤三中，模板匹配过程具体为，跟踪目标T是大小为P×Q模板，炮火轴线前方图像S为需要根据模板进行匹配的搜索图，大小为M×N，Sij是模板所覆盖的大小为P×Q的子图，i、j分别是子图左上角顶点在搜索图中的坐标，将搜索图划分成大小为MN的(M-P+1)(N-Q+1)个子图，从搜索图的原点开始，获取一个和模板图一样大小的子图，并根据匹配算法计算模板与子图的相似度，将模板在搜索图中顺序滑动，滑动方式为自左向右，自上向下，并计算每次移动后的相似度,最终得到(M-P+1)(N-Q+1)个数值，进行比较选取最佳匹配点。

按上述技术方案，在匹配算法上，采用改进的MAD匹配算法，算法复杂度低，可有效降低运算量。如下所示：

式中，搜索图像S的大小为M×N，模板图像T的大小为P×Q；x,y的搜索范围为：x＝0,1……M-P+1；y＝0,1……N-Q+1；

为遍历匹配时，偏移量为(i，j)时的搜索子图像的平均值，

为模板图像的平均值。

摄像头获取的图像由于受到各种条件(天气、光照等环境影响)的以及随机噪声的干扰，并不能直接用于模板匹配。因此，在模板匹配之前需要对图像先进行预处理，减少噪声及无关信息干扰，增强并尽量完整保存目标特征。

按上述技术方案，所述步骤二中，包括采用改进的灰度拉伸变换算法对各图像进行预处理，达到减少计算量，实现快速处理的目的。首先将图像转换到RGB空间，分解RGB模型彩色图像为3个颜色分量，基于像素灰度值的点操作对分解后的3个彩色分量分别进行图像增强，再合成为新的彩色图像。

针对每个彩色分量的图像增强公式如下。

图像增强公式：

式中，H′和H分别表示增强后输出图像和视频输入图像的灰度值。选取一帧原图像中每个彩色分量上每一行的最小值，并将所有行的最小值进行累加求和并求平均，即为选取该帧图像的目标区间的最小值Min，同理选取该帧图像中每个彩色分量上每一行的最大值，并将所有行的最大值进行累加求和并求平均，即为选取该帧图像的目标区间的最大值Max，所以增强公式中的目标变换区间中可能出现一些原数据数值大于Max的情况，如果将放大倍数设置为255，那么会出现很多超出灰度级范围的数据，增益严重，使得图像出现过多过亮的像素点，根据实际情况，将放大倍数设置为224，增强效果最好。

本发明产生的有益效果是：本发明具有目标自动检测与识别，图像处理分析、零飞误差自校正等集成优化特点，能够利用近距离角点目标检测舰炮系统综合误差。并且具有使用简单、携带方便、可靠性高等特点，可适用于不同口径舰炮，并可扩展应用于其他需要进行类似试验的设备，如水炮、多功能发射装置等。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1本发明实施例中舰炮精度检测装置结构示意图；

图2本发明实施例中接口关系图；

图3本发明实施例中精度检测方法流程图；

图4本发明实施例中模板匹配流程图；

图5本发明实施例中模板匹配示意图；

图6本发明实施例中零飞误差示意图；

图7本发明实施例中精度检测装置界面示意图；

图8本发明实施例中误差分析界面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在舰炮精度检测系统中，如何实现接口适配、目标自动识别，图像处理分析，零飞误差自校正等功能的集成优化，满足其人员配置少，操作使用简单，设备集成共用要求，是本发明解决的关键技术问题。

本发明实施例中，如图1所示，零飞仪上安装有图像传感器，负责采集炮火轴线前方视频图像；附有调整环，可以根据不同口径的舰炮选择与之相适应的调整环。电源与通信转接箱可以给零飞仪提供电源，接收零飞仪图像传感器发送的视频信息；给计算机通过模拟接口提供时间统一信号，通过网络接口提供视频及数据信息，接收计算机对外发送的数据信息；具有与外部舰炮系统之间的通信接口。计算机具有检测系统的操控功能，负责对零飞仪安装位置初始校准，零飞试验实施中各项功能的操控，对图像处理、分析、获取零飞误差，并可与舰炮系统间进行数据通信。

接口关系：通过数字接口设计技术将系统各类接口进行数字化设计，明确接口函数功能、名称、输入输出参数等定义和要求，达到接口标准化、规范化，并能满足当前集成要求和以后升级扩展的需要。

精度检测装置需要和舰炮系统存在两种接口，模拟接口和网络接口，参见图2。模拟接口传输统一频率信号，由舰炮系统中辅助设备提供高精度频率信号；网络接口传输视频信息及数据信息，接收跟踪器传输的目标跟踪视频，接收舰炮系统的控制命令报文，如“启动/停止零飞工作模式”、“系统跟踪好”等，接收舰炮系统发送的统一时间报文，向舰炮系统发送设备状态报文、零飞误差数据报文。

适用性：精度检测装置可以适用于不同口径舰炮，并可扩展应用于其他需要进行类似试验的设备，如水炮、多功能发射装置等。零飞仪上附有调整环，可以根据不同口径的舰炮选择与之相适应的调整环。采用精密机加工和高精度轴向定位设计，保证零飞仪机械轴与摄像机光轴高度一致，并保证零飞仪插入炮管到位，摄像机光轴与炮管轴线高度一致。

当检测试验开始时，精度检测装置中的计算机可以同时获取两路视频信号。当舰炮系统进入零飞工作模式，并发送控制信号给检测装置，并采样相关的数据，采用频率可根据用户需要进行设置。

如图3所示，精度检测装置中的计算机获取两路视频信号，一路是通过零飞仪上的图像传感器获取的炮口指向前方的视频信息，另一路是跟踪器的目标跟踪视频信息，在控制命令下，系统进入零飞检测模式，在统一频率信号下，检测系统进行采样，同时采样两路视频的图像信息及相关数据信息，将图像和数据存储到硬盘上。

随后进行图像预处理，采用滤波、图像增强减少图像噪声及无关信息干扰，采用模板匹配的方法对零飞仪图像模板自动识别，如图像上具有复杂背景，图像上具有与跟踪目标近似的其他元素等。此时，需要采用人工选定目标的方法。试验过程中，在计算机上人工选定跟踪目标，在目标上设置一个方框，以便检测系统在录取图像上根据方框选定区域识别跟踪目标。

随后根据图像处理结果，计算出跟踪目标相对于炮口瞄准线中心的方位偏差角度e_x和高低偏差角度e_y，即为零飞误差，如图6所示，并将数据对外发送至舰炮系统。

如图4所示，模板匹配流程图，首先从跟踪器的目标跟踪图像中，通过图像上原有的波门提取跟踪目标，作为模板，将模板和零飞仪图像(炮火轴线前方图像)采用改进的灰度拉伸变换算法，进行预处理，形成灰度信息集合，然后根据模板匹配算法计算相似度，根据匹配结果在零飞仪图像上定位跟踪目标。模板匹配过程参见图5。

如图7所示，精度检测装置界面示意图，在显示界面上划分为七个区域。设备连接显示区，用来显示与零飞仪、舰炮系统等设备连接的状态，具有报文调试功能，可以进行网络报文的显示与调试。图像设置显示区，选择开始和停止接收视频的时刻，可以对零飞仪图片的焦距、视场等调节。零飞检测显示区，设置模板的选择方式：自动比对或者人工选定；设置图片与数据采样的频率，系统会设置5个常用频率，也可由用户自行设置，可以截取单帧的视频图像；可以对输出的数据、方式进行设置。数据显示区，可以显示方位偏差、高低偏差、录取的样本数，并对数据分析，作出误差分析曲线、计算校正量及偏差分布等。零飞仪视频显示区，用来显示零飞仪上电视视频。跟踪器视频显示区，用来显示跟踪器上电视视频，如光电跟踪仪的电视视频、跟踪雷达的电视视频等。操作提示显示区，显示每步操作的状态，反馈错误信息等。

如图8所示，误差分析界面示意图，可对误差数据进行曲线分析，可调整坐标轴显示方式，可以显示偏差散布平均值和偏差散布方差、鼠标位置等。

传统的零飞仪在测得零飞误差后，其结果无法接入舰炮系统，不利于舰炮系统的全寿期的检查与维护。本发明通过设计接口、制定通讯协议、编辑软件模块等方法，使得零飞检测结果可以发送给舰炮系统，做到检测结果的存储、查看、统计分析以及自校正功能，形成闭环。

在零飞检测完成后，在计算机上点击发送检测结果，便可以通过网络将检测结果以数据的形式发送给舰炮系统的火控设备，火控设备收到数据后，存储至本地服务器中，可通过零飞检测界面调用结果数据，对数据查看、统计、曲线分析，可根据需要自动将数据修正至火控设备的射击诸元解算中。在后续实弹射击时进行验证，通过这种检测-验证的闭环模式，减少人员维护负担，并不断优化舰炮系统的射击精度。

本发明通过数字接口设计技术实现零飞仪与舰炮系统的接口适配，使得零飞仪可以舰炮系统进行信息交互，通过图像处理技术实现对跟踪目标的自动识别与零飞误差检测，通过软件设计方法，将零飞误差检测，火控软件校正等独立功能的各项流程和人机界面进行裁剪、优化和集成，达到自校正的零飞误差闭环处理过程。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种舰炮系统精度检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，舰炮系统进入零飞工作模式，在统一的时间脉冲信号下，同时采集炮火轴线前方图像及其数据信息和跟踪器的目标跟踪图像及其数据信息；

步骤二，从跟踪器的目标跟踪图像中，根据跟踪器波门选择的范围，提取出跟踪目标，将跟踪目标和炮火轴线前方图像进行模板匹配，根据匹配算法计算相似度并输出匹配结果；在炮火轴线前方图像中定位跟踪器所跟踪目标的位置；步骤三，根据基于模板匹配的图像识别对炮火轴线前方图像进行处理后，定位跟踪目标的位置，通过跟踪目标在图像中所处的相对位置，计算跟踪目标相对于炮口瞄准线中心的方位偏差角度e_x和高低偏差角度e_y，通过阈值滤波剔除奇异点，计算平均零飞误差，所述步骤三中，模板匹配过程具体为，跟踪目标T是大小为P×Q模板，炮火轴线前方图像S为需要根据模板进行匹配的搜索图，大小为M×N，Sij是模板所覆盖的大小为P×Q的子图，i、j分别是子图左上角顶点在搜索图中的坐标，将搜索图划分成大小为MN的(M-P+1)(N-Q+1)个子图，从搜索图的原点开始，获取一个和模板图一样大小的子图，并根据匹配算法计算模板与子图的相似度，将模板在搜索图中顺序滑动，滑动方式为自左向右，自上向下，并计算每次移动后的相似度,最终得到(M-P+1)(N-Q+1)个数值，进行比较选取最佳匹配点，在匹配算法上，采用改进的MAD匹配算法，如下所示：

式中，搜索图像S的大小为M×N，模板图像T的大小为P×Q；x,y的搜索范围为：x＝0,1……M-P+1；y＝0,1……N-Q+1；

为遍历匹配时，偏移量为(i，j)时的搜索子图像的平均值，

为模板图像的平均值。

2.根据权利要求1所述的舰炮系统精度检测方法，其特征在于，所述步骤二中，包括采用改进的灰度拉伸变换算法对各图像进行预处理，首先将图像转换到RGB空间，分解RGB模型彩色图像为3个颜色分量，基于像素灰度值的点操作对分解后的3个彩色分量分别进行图像增强，再合成为新的彩色图像；

针对每个彩色分量的图像增强公式如下：

图像增强公式：

式中，H′和H分别表示增强后输出图像和视频输入图像的灰度值，选取一帧原图像中每个彩色分量上每一行的最小值，并将所有行的最小值进行累加求和并求平均，即为选取该帧图像的目标区间的最小值Min，同理选取该帧图像中每个彩色分量上每一行的最大值，并将所有行的最大值进行累加求和并求平均，即为选取该帧图像的目标区间的最大值Max，所以增强公式中的目标变换区间中可能出现一些原数据数值大于Max的情况。

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