CN111366592A - 基于工业摄影测量的破片自动检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于破片穿孔测量领域，具体涉及一种基于工业摄影测量的破片自动检测方法及系统，能够对战斗部静爆后破片在钢制效应靶上的穿孔位置、大小、数量信息进行测量。测量系统包括：包括工业摄影测量相机、基准尺、编码标志、单点标志以及分析计算机等。在静爆前通过工业摄影测量系统对靶板拍照，精确计算和分析靶板在弹体坐标系位置与姿态；在静爆后对单块靶板多个位置拍摄，基于相机的外参或靶板的物方几何参数修正入射角不垂直与靶板法线的畸变；由破片透光与周边形成的较高的灰度阶差原理，自动提取破片的灰度重心、破片个数以及面积；最终根据靶板已知点位，将像方坐标系转换至爆心坐标系。

Description

基于工业摄影测量的破片自动检测系统

技术领域

本发明涉及破片穿孔测量领域，具体涉及一套战斗部静爆后破片在钢制效应靶上的穿孔位置、大小、数量信息的测量系统。

背景技术

战斗部破片的杀伤效果通过开展静爆试验，对试验后钢制等效靶板的穿孔数据分析获得。根据设计理论值确定战斗部装药当量、目标靶距离以及爆心高度，在静爆后通过分析弹片在靶板上穿孔位置、大小、数量等参数分析战斗部毁伤威力。目前主要是通过在靶板上划方格确定着破片位，通过人工数点的系统对破片个数进行统计。

上述系统主要依靠人工测量，仅能统计破片数量，难以准确统计破片的精确位置和穿孔大小，精度较低，速度慢，耗时较长，误差较大。

发明内容

为了解决上述人工划线、数点、面积概略计算等的不足，本发明公开了一种基于工业摄影测量的破片自动检测系统，不仅能够快速、精确、自动地计算靶板上着破片的位置、个数、面积，而且能够精确计算出破片位置在爆心坐标系下的坐标。

本发明的技术方案是：基于工业摄影测量的破片自动检测方法，包括如下步骤：

1)在静爆试验前在多块靶板上粘贴单点标志与编码标志，使用工业摄影测量相机对靶板拍摄照片；

2)首先将所拍摄照片导入计算机，对图像进行逐张扫描，然后通过基于准二值图像中编码标志的特性进行图像匹配与拼接，其次通过基于空间共线方程与设置空间交会角阈值的方法完成坐标系的初始定向，再次基于初始定向坐标系，通过后方交会解算工业摄影测量相机的摄站参数，接着通过基于前方交会的三角测量原理解算未知单点标志的三维坐标，之后通过共线方程冗余观测，利用光束法平差原理对所有测量点进行精确平差计算，得出各点的三维坐标值，最终基于点线面的方式建立爆心坐标系，进而得到各靶板在爆心坐标系下的位置与姿态；

3)静爆试验后，将带有编号的靶板朝阳方向吊起且靶板底端离地，再次使用工业摄影测量相机对带破片的靶板拍照；

4)将照片导入计算机，基于视觉灰度提取原理，通过计算机自动提取和计算破片在像平面坐标系下的位置坐标，破片个数以及破片面积。

5)通过靶板上已知定位点，将像平面坐标系下的靶板破片二维坐标值转换至爆心空间坐标系下的三维坐标值。

上述步骤4)包括如下分步骤：

4.1)将静爆后拍摄的照片文件逐张地导入计算机；

4.2)输入靶板尺寸信息，即靶板的长、宽值，后期依据靶板尺寸信息作为图像的比例尺；

4.3)照片为准二值图像，靶板与破片间存在着明显的灰度差，依据破片的灰度值，设置成像灰度阈值大小；

4.4)确定靶板的边缘轮廓，由于拍摄角度与靶板法向非正交，基于尺寸信息做图像畸变修正，进而生成正射图；

4.5)在正摄图内划封闭曲线，确定测量靶板破片范围，同时提取噪声点与非破片点的干扰项；

4.6)导出数据、生成并输出测量成果报告。

上述步骤3)中，静爆试验后，将带有编号的靶板朝阳方向吊起使得靶板底端离地30cm以上。

基于工业摄影测量的破片自动检测系统，包括工业摄影测量相机、基准尺、编码标志、单点标志以及计算机；

所述工业摄影测量相机用于获取靶板的准二值图像信息，能够根据不同的光照条件调节闪光灯强度，进而获取干扰小前景清晰的图像数据；

所述基准尺用于提供一组高精度标定的长度值，为该检测系统的长度基准，起到建立起像方尺寸与物方尺寸间关系的转换作用；

所述编码标志用于多张图像间的匹配与拼接，同时也为后期坐标系的初始定向起到关键性作用；

所述单点标志用于确定靶板边缘位置，单点标志的中心是由高反光的玻璃微珠组成，在主动光源照射下能够定向反射，与其周边灰度值较低的靶板形成灰度差，用于快速定位靶板的位置与姿态；

所述计算机用于快速计算静爆前各靶板在爆心坐标系下各靶板的三维位置与姿态，以及静爆后各靶板的二维破片的位置、面积，最终通过最小二乘原理将二维破片坐标转换至爆心坐标系下的三维坐标。

本发明的有益效果：本发明在静爆前通过工业摄影测量系统对靶板拍照，精确计算和分析靶板在弹体坐标系位置与姿态；在静爆后对单块靶板多个位置拍摄，基于工业摄影测量相机的外参或靶板的物方几何参数修正入射角不垂直与靶板法线的畸变；由破片透光与周边形成的较高的灰度阶差原理，自动提取破片的灰度重心、破片个数以及面积；最终根据靶板已知点位，将像方坐标系转换至爆心坐标系。本发明的工业摄影测量相机能够在野外条件下对钢板上直径2mm以上穿孔有效成像，成像分辨率满足破片穿孔尺寸的分析能力；本发明的图像处理分析算法能够对不同角度和位置拍摄的钢制效应靶图像进行畸形校正、自动拼接，进行孔洞特征识别、孔洞信息(位置、大小、数量)计算；本发明系统能够识别图像中定位标志贴，建立爆心坐标系，并将靶板孔洞的位置信息转化至爆心坐标系。

附图说明

图1为静爆试验前靶板相对爆心坐标系的示意图；

图2为静爆试验后单块靶板破片分布示意图；

图3为静爆试验后靶板着弹位置相对爆心坐标系的示意图。

附图标记说明：1.靶板A；2.靶板B；3.靶板C；4.靶板支架；5.弹体位置；6.弹体支架；7.定位点；8.不规则形状的破片一；9.不规则形状的破片二；10.不规则形状的破片三；11.工业摄影测量相机；12.相机镜头；13.入射光线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

参见图1-图3，本发明提供了一种基于工业摄影测量的破片自动检测方法及系统，其方法包括如下步骤：

1)在静爆试验前在多块靶板上粘贴单点标志与编码标志(参见附图1和图3中的靶板A1、靶板B2以及靶板C3，其中各靶板均设于靶板支架4上，静爆试验时弹体在弹体支架6上的弹体位置5处)，使用弹片检测专用的工业摄影测量相机11对靶板拍摄照片(例如图2中拍摄时，靶板A1上的各不规则形状的破片以及定位点所发出的入射光线13进入工业摄影测量相机的相机镜头12)；

2)首先将所拍摄照片导入计算机，对图像进行逐张扫描，然后通过基于准二值图像中编码标志的特性进行图像匹配与拼接，其次通过基于空间共线方程与设置空间交会角阈值的方法完成坐标系的初始定向，再次基于初始定向坐标系，通过后方交会解算工业摄影测量相机11的摄站参数，接着通过基于前方交会的三角测量原理解算未知单点标志的三维坐标，之后通过共线方程冗余观测，利用光束法平差原理对所有测量点进行精确平差计算，得出各点的三维坐标值，最终基于点线面的方式建立爆心坐标系，进而得到各靶板在爆心坐标系下的位置与姿态；

3)静爆试验后，将带有编号的靶板朝阳方向吊起且靶板底端离地30cm以上，再次使用工业摄影测量相机11对带破片(参见附图3中各靶板上的不规则形状的破片一8、不规则形状的破片二9、不规则形状的破片三10等一系列碎片)的靶板拍照；

4)将照片导入计算机，基于视觉灰度提取原理，通过计算机自动提取和计算破片在像平面坐标系下的位置坐标，破片个数以及破片面积。

该步骤4)具体包括如下分步骤：

4.1)将静爆后拍摄的照片文件逐张地导入计算机；

4.2)输入靶板尺寸信息，即靶板的长、宽值，后期依据靶板尺寸信息作为图像的比例尺；

4.3)照片为准二值图像，靶板与破片间存在着明显的灰度差，依据破片的灰度值，设置成像灰度阈值大小；

4.4)在计算机内确定靶板的边缘轮廓，由于拍摄角度与靶板法向非正交，基于尺寸信息做图像畸变修正，进而生成正射图；

4.5)在正摄图内划封闭曲线，确定测量靶板破片范围，同时提取噪声点与非破片点的干扰项；

4.6)确认数据完整时，导出数据、生成并输出测量成果报告。

5)通过靶板上已知定位点7，将像平面坐标系下的靶板破片二维坐标值转换至爆心空间坐标系下的三维坐标值。

本发明的基于工业摄影测量的破片自动检测系统，包括工业摄影测量相机、基准尺、编码标志、单点标志以及计算机。

所述工业摄影测量相机用于获取靶板的准二值图像信息，能够根据不同的光照条件调节闪光灯强度，进而获取干扰较小前景清晰的图像数据。

由于工业摄影测量相机测量出的都是二维图像，且无比例尺寸，所以基准尺提供了一组经高精度标定的长度值，为该检测系统的长度基准，起到建立起像方尺寸与物方尺寸间关系的转换作用。

由于靶板尺寸较大，工业摄影测量相机拍摄照片时一张无法全部覆盖，所以需要粘贴编码标志，用于多张图像间的匹配与拼接作用，同时也为后期坐标系的初始定向起到关键性作用。

所述单点标志用于确定靶板边缘位置，单点标志的中心是由高反光的玻璃微珠组成，在主动光源照射下能够定向反射，与其周边灰度值较低的靶板形成较大的灰度差，用于快速定位靶板的位置与姿态。

所述计算机用于快速计算静爆前各靶板在爆心坐标系下各靶板的三维位置与姿态，以及静爆后各靶板的二维破片的位置、面积，最终通过最小二乘原理将二维破片坐标转换至爆心坐标系下的三维坐标。

本发明其在静爆前通过工业摄影测量系统对靶板拍照，精确计算和分析靶板在弹体坐标系位置与姿态；在静爆后对单块靶板多个位置拍摄，基于相机的外参或靶板的物方几何参数修正入射角不垂直与靶板法线的畸变；由破片透光与周边形成的较高的灰度阶差原理，自动提取破片的灰度重心、破片个数以及面积；最终根据靶板已知点位，将像方坐标系转换至爆心坐标系。本发明的工业摄影相机能够在野外条件下对钢板上直径2mm以上穿孔有效成像，成像分辨率满足破片穿孔尺寸的分析能力；本发明通过计算机进行图像处理分析，其算法能够对不同角度和位置拍摄的钢制效应靶图像进行畸形校正、自动拼接，进行孔洞特征识别、孔洞信息(位置、大小、数量)计算；本发明系统能够识别图像中定位标志贴，建立爆心坐标系，并将靶板孔洞的位置信息转化至爆心坐标系。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于工业摄影测量的破片自动检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在静爆试验前在多块靶板上粘贴单点标志与编码标志，使用工业摄影测量相机对靶板拍摄照片；

2)首先将所拍摄照片导入计算机，对图像进行逐张扫描，然后通过基于准二值图像中编码标志的特性进行图像匹配与拼接，其次通过基于空间共线方程与设置空间交会角阈值的方法完成坐标系的初始定向，再次基于初始定向坐标系，通过后方交会解算测量工业摄影测量相机的摄站参数，接着通过基于前方交会的三角测量原理解算未知单点标志的三维坐标，之后通过共线方程冗余观测，利用光束法平差原理对所有测量点进行精确平差计算，得出各点的三维坐标值，最终基于点线面的方式建立爆心坐标系，进而得到各靶板在爆心坐标系下的位置与姿态；

3)静爆试验后，将带有编号的靶板朝阳方向吊起且靶板底端离地，再次使用工业摄影测量相机对带破片的靶板拍照；

4)将照片导入计算机，通过基于视觉灰度提取原理，通过计算机自动提取和计算破片在像平面坐标系下的位置坐标，破片个数以及破片面积；

5)通过靶板上已知定位点，将像平面坐标系下的靶板破片二维坐标值转换至爆心空间坐标系下的三维坐标值。

2.如权利要1所述的基于工业摄影测量的破片自动检测方法，其特征在于，步骤4)包括如下分步骤：

4.1)将静爆后拍摄的照片文件逐张地导入计算机；

4.2)输入靶板尺寸信息，即靶板的长、宽值，后期依据靶板尺寸信息作为图像的比例尺；

4.3)照片为准二值图像，靶板与破片间存在着明显的灰度差，依据破片的灰度值，设置成像灰度阈值大小；

4.4)确定靶板的边缘轮廓，由于拍摄角度与靶板法向非正交，基于尺寸信息做图像畸变修正，进而生成正射图；

4.5)在正摄图内划封闭曲线，确定测量靶板破片范围，同时提取噪声点与非破片点的干扰项；

4.6)导出数据、生成并输出测量成果报告。

3.如权利要1所述的基于工业摄影测量的破片自动检测方法，其特征在于，步骤3)中，静爆试验后，将带有编号的靶板朝阳方向吊起使得靶板底端离地30cm以上。

4.基于工业摄影测量的破片自动检测系统，其特征在于，包括工业摄影测量相机、基准尺、编码标志、单点标志以及计算机；

所述工业摄影测量相机用于获取靶板的准二值图像信息，能够根据不同的光照条件调节闪光灯强度，进而获取干扰小前景清晰的图像数据；

所述基准尺用于提供一组高精度标定的长度值，为该检测系统的长度基准，起到建立起像方尺寸与物方尺寸间关系的转换作用；

所述编码标志用于多张图像间的匹配与拼接，同时也为后期坐标系的初始定向起到关键性作用；

所述单点标志用于确定靶板边缘位置，单点标志的中心是由高反光的玻璃微珠组成，在主动光源照射下能够定向反射，与其周边灰度值较低的靶板形成灰度差，用于快速定位靶板的位置与姿态；

所述计算机用于快速计算静爆前各靶板在爆心坐标系下各靶板的三维位置与姿态，以及静爆后各靶板的二维破片的位置、面积，最终通过最小二乘原理将二维破片坐标转换至爆心坐标系下的三维坐标。

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