CN111488683B - 一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法 - Google Patents

一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法 Download PDF

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CN111488683B CN202010275151.3A CN202010275151A CN111488683B CN 111488683 B CN111488683 B CN 111488683B CN 202010275151 A CN202010275151 A CN 202010275151A CN 111488683 B CN111488683 B CN 111488683B
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Abstract

本发明涉及一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法，包括以下步骤：建立战斗部静爆场景等效靶板三维模型；战斗部爆炸前，对每块靶板标序号；战斗部爆炸后，对应设置的序号一一采集每块靶板的图像，获得每块靶板的原始图像；将采集到的每块靶板的原始图像进行校正后，获得校正靶板图像；对每块校正靶板图像上的破片进行穿孔检测，并去除伪目标；提取校正靶板图像上破片穿孔中心位置的二维坐标，并将其转换到三维模型中的等效靶板上，获取破片穿孔的中心位置的三维坐标参数；利用破片穿孔的中心位置的三维坐标参数，计算穿孔在等效球面上的飞散参数。本发明能快速准确有效地识别破片穿孔，准确测量破片穿孔的位置，确定破片参数。

Description

一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法。
背景技术
破片的飞散特性是考核弹药威力的一项重要指标，所以需要对战斗部爆炸后破片的飞散特性进行测试，一般情况下战斗部爆炸半径较大，破片数量较多，所以破片飞散参数统计工作量较大。
战斗部爆炸破片飞散特性测试主要采用矩形靶或球型靶等效靶板进行测试，布靶半径和回收角度根据具体要求进行。目前，飞散特性计算方法主要依赖于人工设定布靶参数、对等效靶板标号区分、划刻线进行分区，人工对爆炸场景等效靶板制图、战斗部爆炸后人工数破片穿孔进行统计计算。利用这种方法在破片穿孔情况复杂时存在判断标准不统一，需要多人共同现场确认，工作效率低、劳动强度大，而且破片穿孔的状态信息不能保存，不能复现破片穿孔的具体位置从而不利于后续的核查，影响破片飞散特性计算的客观性、准确性和可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法，以解决上述提出的技术问题。
本发明的技术方案是：
一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法，包括以下步骤：
在控制终端建立战斗部静爆场景等效靶板三维模型；
战斗部爆炸前，对每块靶板标序号；
战斗部爆炸后，对应设置的序号一一采集每块靶板的图像，获得每块靶板的原始图像；
将采集到的每块靶板的原始图像一一输入控制终端，对每块靶板的原始图像分别进行校正，并将每块靶板的原始图像的形状特征点的二维坐标转换成实际物理尺寸坐标，获得校正靶板图像；
对每块校正靶板图像上的破片进行穿孔检测，并去除伪目标；
提取校正靶板图像上破片穿孔的中心位置的二维坐标；
将破片穿孔的中心位置的二维坐标转换到战斗部静爆场景等效靶板三维模型中的等效靶板上，获取破片穿孔的中心位置的三维坐标参数；
利用破片穿孔的中心位置的三维坐标参数，计算穿孔在等效球面上的飞散参数。
优选的，战斗部静爆场景等效靶板三维模型的建立方法，包括以下步骤：
设定单块等效靶板的布靶形状及尺寸，并设定战斗部的爆心位置；
以爆心位置作为原点o，平行于水平面为xy轴，z轴垂直于水平面，建立o-xyz坐标系；
将单块等效靶板按照设定的布靶形状与尺寸，在o-xyz坐标系中建立三维模型；
获取每块等效靶板的形状特征点的三维坐标。
优选的，采集每块靶板的图像的方法是基于静态采集或基于动态采集的任意位姿获取的靶板图像。
优选的，对每块靶板的原始图像分别进行校正的方法，包括以下步骤：
分割提取每块等效靶板的原始图像，并获取每块靶板原始图像的形状特征点的二维坐标；
利用单块靶板的形状及尺寸比例信息，采用投影变换计算几何校正参数；
利用几何校正参数对靶板进行校正；
根据单块等效靶板的尺寸信息，将每块靶板的形状特征点的二维坐标转换成实际物理尺寸坐标，获得校正靶板图像。
优选的，穿孔检测的方法包括以下步骤:
采用自适应阈值对校正靶板图像上的破片穿孔进行分割检测；
基于形态学闭运算连接目标；
去除伪目标。
优选的，提取校正靶板图像上破片穿孔的中心位置的二维坐标的方法是基于灰度加权处理规则。
优选的，获取破片穿孔的中心位置的三维坐标参数的方法，包括以下步骤：
建立每块靶板形状特征点的二维坐标，与爆炸场景三维模型中相应等效靶板形状特征点的三维坐标的对应关系；
采用单应矩阵的投影变换，计算靶板二维坐标转换到爆炸场景三维模型中相应等效靶板的变换矩阵；
基于计算的变换矩阵，将破片穿孔的二维坐标转换到爆炸场景三维模型中，得到破片穿孔的三维坐标。
优选的，计算穿孔在等效球面上的飞散参数的方法包括以下步骤：
S1、选择战斗部放置方式：
立式放置或卧式放置；
S2、建立战斗部飞散参数计算坐标系：
若为立式放置，以战斗部轴线向上为正航向xx，若为卧式放置，以战斗部轴线向左为正航向xx；
计算破片的航向角：
若为卧式放置，破片穿孔的三维坐标为(Xi,Yi,Zi)，其中i∈(1,N)，N为破片的总数，利用式(1)计算其航向角θi：
θi＝arc tan2(Yi/Xi) (1)
其中，θi为航向角，Xi和Yi分别为某个破片穿孔相对爆炸场景三维模型中爆心坐标系的坐标；
若为卧式放置，利用式(2)计算航向角θi：
θi＝arc tan2(Zi/Xi) (2)
其中，θi为航向角，Xi和Zi分别为破片穿孔相对爆炸场景三维模型中爆心坐标系的坐标；
以正航向X顺时针旋转，根据式(2)计算第5％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角θs，第50％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角θm，以及第95％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角θe；
S3、计算飞散参数：
利用式(3)计算破片飞散角Ω，
Ω＝θe-θs (3)
其中，Ω为破片飞散角，θs为第5％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角，θe为第95％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角；
利用式(4)计算破片飞散方向角ψ，
ψ＝90°-θm (4)
其中，ψ为破片飞散方向角，θm为第50％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角；
设以爆心为圆心，将等效靶板从左到右顺时针旋转进行k份分区，每份分区对应的圆心角为
Figure BDA0002444503850000041
分区内的破片的数量为nk，利用式(5)计算破片球面分布密度ν，
Figure BDA0002444503850000042
其中，ν为破片球面分布密度，π为圆周率，R为等效靶板布置的等效爆炸半径，当战斗部卧式放置时，n为等效靶板的高度，当战斗部立式放置时，n为等效靶板的宽度。
本发明提供了一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法，利用等效靶板布靶参数以及战斗部的爆炸位置，建立爆炸场景等效靶板三维模型，实现了爆炸场景的三维可视化；利用数码相机拍摄单块靶板图像，实现了靶板毁伤状态、破片穿孔状态信息的存储与重现；基于几何校正技术和阈值分割技术，准确提取了校正靶板上破片穿孔的中心位置二维坐标；基于特征参数准则有效去除伪目标位置二维坐标；利用坐标变换技术，有效地获取了破片穿孔在爆炸场景三维模型中等效靶板上的位置三维坐标；根据球面投影，准确确定破片穿孔在等效球面上的飞散参数。
本发明利用布靶参数，适用于任意大小的爆炸场景，基于图像处理技术，可以准确获得破片穿孔的位置坐标，基于坐标转换技术，快速准确有效地确定了破片参数，该方法还可以保存破片穿孔状态信息，可靠地识别破片穿孔，准确测量破片穿孔的位置，实用性好，值得推广。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明提供的一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法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。
如图1所示，本发明提供的一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法，包括以下步骤：
在控制终端建立战斗部静爆场景等效靶板三维模型；
战斗部爆炸前，对每块靶板标序号；
战斗部爆炸后，对应设置的序号一一采集每块靶板的图像，获得每块靶板的原始图像；
将采集到的每块靶板的原始图像一一输入控制终端，对每块靶板的原始图像分别进行校正，并将每块靶板的原始图像的形状特征点的二维坐标转换成实际物理尺寸坐标，获得校正靶板图像；
对每块校正靶板图像上的破片进行穿孔检测，并去除伪目标；
提取校正靶板图像上破片穿孔的中心位置的二维坐标；
将破片穿孔的中心位置的二维坐标转换到战斗部静爆场景等效靶板三维模型中的等效靶板上，获取破片穿孔的中心位置的三维坐标参数；
利用破片穿孔的中心位置的三维坐标参数，计算穿孔在等效球面上的飞散参数。
进一步的，战斗部静爆场景等效靶板三维模型的建立方法，包括以下步骤：
设定单块等效靶板的布靶形状及尺寸，并设定战斗部的爆心位置；
以爆心位置作为原点o，平行于水平面为xy轴，z轴垂直于水平面，建立o-xyz坐标系；
将单块等效靶板按照设定的布靶形状与尺寸，在o-xyz坐标系中建立三维模型；
获取每块等效靶板的形状特征点的三维坐标。
进一步的，采集每块靶板的图像的方法是基于静态采集或基于动态采集的任意位姿获取的靶板图像。
进一步的，对每块靶板的原始图像分别进行校正的方法，包括以下步骤：
分割提取每块等效靶板的原始图像，并获取每块靶板原始图像的形状特征点的二维坐标；
利用单块靶板的形状及尺寸比例信息，采用投影变换计算几何校正参数；
利用几何校正参数对靶板进行校正；
根据单块等效靶板的尺寸信息，将每块靶板的形状特征点的二维坐标转换成实际物理尺寸坐标，获得校正靶板图像。
进一步的，穿孔检测的方法包括以下步骤:
采用自适应阈值对校正靶板图像上的破片穿孔进行分割检测；
基于形态学闭运算连接目标；
去除伪目标。
进一步的，提取校正靶板图像上破片穿孔的中心位置的二维坐标的方法是基于灰度加权处理规则。
进一步的，获取破片穿孔的中心位置的三维坐标参数的方法，包括以下步骤：
建立每块靶板形状特征点的二维坐标，与爆炸场景三维模型中相应等效靶板形状特征点的三维坐标的对应关系；
采用单应矩阵的投影变换，计算靶板二维坐标转换到爆炸场景三维模型中相应等效靶板的变换矩阵；
基于计算的变换矩阵，将破片穿孔的二维坐标转换到爆炸场景三维模型中，得到破片穿孔的三维坐标。
进一步的，计算穿孔在等效球面上的飞散参数的方法包括以下步骤：
S1、选择战斗部放置方式：
立式放置或卧式放置；
S2、建立战斗部飞散参数计算坐标系：
若为立式放置，以战斗部轴线向上为正航向xx，若为卧式放置，以战斗部轴线向左为正航向xx；
计算破片的航向角：
若为卧式放置，破片穿孔的三维坐标为(Xi,Yi,Zi)，其中i∈(1,N)，N为破片的总数，利用式(1)计算其航向角θi：
θi＝arc tan2(Yi/Xi) (1)
其中，θi为航向角，Xi和Yi分别为某个破片穿孔相对爆炸场景三维模型中爆心坐标系的坐标；
若为卧式放置，利用式(2)计算航向角θi：
θi＝arc tan2(Zi/Xi) (2)
其中，θi为航向角，Xi和Zi分别为破片穿孔相对爆炸场景三维模型中爆心坐标系的坐标；
以正航向X顺时针旋转，根据式(2)计算第5％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角θs，第50％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角θm，以及第95％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角θe；
S3、计算飞散参数：
利用式(3)计算破片飞散角Ω，
Ω＝θe-θs (3)
其中，Ω为破片飞散角，θs为第5％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角，θe为第95％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角；
利用式(4)计算破片飞散方向角ψ，
ψ＝90°-θm (4)
其中，ψ为破片飞散方向角，θm为第50％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角；
设以爆心为圆心，将等效靶板从左到右顺时针旋转进行k份分区，每份分区对应的圆心角为
Figure BDA0002444503850000081
分区内的破片的数量为nk，利用式(5)计算破片球面分布密度ν，
Figure BDA0002444503850000082
其中，ν为破片球面分布密度，π为圆周率，R为等效靶板布置的等效爆炸半径，当战斗部卧式放置时，n为等效靶板的高度，当战斗部立式放置时，n为等效靶板的宽度。
实施例1
下面结合图1所示，对本发明的方法进行详细的说明，具体的包括以下的步骤：
(1)利用等效靶板布靶参数以及战斗部的爆炸位置，建立战斗部静爆场景等效靶板三维模型；
1)设定单块等效靶板长宽尺寸m×n，矩形靶、L型靶或者球型靶(弧形靶)的尺寸M×N或战斗部爆炸半径R，以及战斗部爆心位置；
2)以爆心位作为原点o，平行于水平面为xy轴，z轴垂直于水平面，建立坐标系；
3)将单块等效靶板按照设定的布靶形状与尺寸，在o-xyz坐标系中建立三维模型；
4)获取每块等效靶板四个顶点的三维坐标。
(2)战斗部爆炸前，对每块靶板标序号；
(3)战斗部爆炸后，利用数码相机拍摄单块靶板图像，对应设置的序号一一存储每块靶板的图像，获得每块靶板的原始图像；
(4)基于几何校正技术对任意位姿拍摄的每块靶板的原始图像进行校正；
1)分割提取每块靶板的原始图像，并获取每块靶板的原始图像四个顶点的二维坐标；
2)利用单块等效靶板的先验形状及长宽比例信息，采用投影变换计算几何校正参数；
3)利用几何校正参数对每块靶板的原始图像进行校正；
4)根据单块等效靶板物体的先验尺寸信息，将图像点的坐标转换成实际物理尺寸坐标，获得校正靶板图像。
(5)采用自适应阈值分割技术提取校正靶板上破片穿孔的中心位置二维坐标；
1)采用自适应阈值对校正靶板图像上的破片穿孔进行分割检测；
2)基于形态学闭运算连接目标；
3)根据现场要求，基于面积、形状去除面积小和长条形等伪目标；
4)利用灰度加权计算破片穿孔的中心位置二维坐标；
(6)利用坐标变换技术，将破片穿孔的二维位置坐标转换到爆炸场景三维模型中的等效靶板上，获取其位置三维坐标；
1)建立每块校正靶板图像四个顶点二维坐标，与爆炸场景三维模型中相应等效靶板四个顶点三维坐标的对应关系；
2)采用单应矩阵的投影变换，计算校正靶板图像二维坐标转换到爆炸场景三维模型中相应等效靶板的变换矩阵；
3)基于计算的变换矩阵，将破片穿孔的二维坐标转换到爆炸场景三维模型中，得到破片穿孔的三维坐标；
(7)根据三维位置坐标所在的角度位置，计算破片穿孔在等效球面上的飞散参数。
1)选择战斗部放置方式：立式放置或卧式放置；
2)建立战斗部飞散参数计算坐标系，如果为立式放置，以战斗部轴线向上为正航向xx，如果为卧式放置，以战斗部轴线向左为正航向xx；
3)计算破片的航向角：
如果为卧式放置，破片的三维坐标为(X,Y,Z)，其航向角为：
θ＝arc tan2(Y/X) (1)
如果为卧式放置，其航向角为：
θ＝arc tan2(Z/X) (2)
4)以正航向X顺时针旋转，统计5％破片穿孔总数扫描对应的航向角θ1，统计50％破片穿孔总数扫描对应的航向角θ2，以及统计95％破片穿孔总数扫描对应的航向角θ3；
5)飞散参数计算：破片飞散角为：
Ω＝θ3-θ1 (3)
破片飞散方向角为：
ψ＝90°-θ2 (4)
设以爆心为圆心，将等效靶板从左到右顺时针旋转进行k份分区，每份分区对应的圆心角为
Figure BDA0002444503850000111
分区内的破片的数量为nk，则破片球面分布密度为：
Figure BDA0002444503850000112
本发明利用布靶参数，适用于任意大小的爆炸场景，基于图像处理技术，可以准确获得破片穿孔的位置坐标，基于坐标转换技术，快速准确有效地确定了破片参数，该方法还可以保存破片穿孔状态信息，可靠地识别破片穿孔，准确测量破片穿孔的位置，实用性好，值得推广。
以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
在控制终端建立战斗部静爆场景等效靶板三维模型；
战斗部爆炸前，对每块靶板标序号；
战斗部爆炸后，对应设置的序号一一采集每块靶板的图像，获得每块靶板的原始图像；
将采集到的每块靶板的原始图像一一输入控制终端，对每块靶板的原始图像分别进行校正，并将每块靶板的原始图像的形状特征点的二维坐标转换成实际物理尺寸坐标，获得校正靶板图像；
对每块校正靶板图像上的破片进行穿孔检测，并去除伪目标；
提取校正靶板图像上破片穿孔的中心位置的二维坐标；
将破片穿孔的中心位置的二维坐标转换到战斗部静爆场景等效靶板三维模型中的等效靶板上，获取破片穿孔的中心位置的三维坐标参数；
利用破片穿孔的中心位置的三维坐标参数，计算穿孔在等效球面上的飞散参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法，其特征在于，战斗部静爆场景等效靶板三维模型的建立方法，包括以下步骤：
设定单块等效靶板的布靶形状及尺寸，并设定战斗部的爆心位置；
以爆心位置作为原点o，平行于水平面为xy轴，z轴垂直于水平面，建立o-xyz坐标系；
将单块等效靶板按照设定的布靶形状与尺寸，在o-xyz坐标系中建立三维模型；
获取每块等效靶板的形状特征点的三维坐标。
3.根据权利要求1所述的一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法，其特征在于，采集每块靶板的图像的方法是基于静态采集或基于动态采集的任意位姿获取的靶板图像。
4.根据权利要求1所述的一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法，其特征在于，对每块靶板的原始图像分别进行校正的方法，包括以下步骤：
分割提取每块等效靶板的原始图像，并获取每块靶板原始图像的形状特征点的二维坐标；
利用单块靶板的形状及尺寸比例信息，采用投影变换计算几何校正参数；
利用几何校正参数对靶板进行校正；
根据单块等效靶板的尺寸信息，将每块靶板的形状特征点的二维坐标转换成实际物理尺寸坐标，获得校正靶板图像。
5.根据权利要求1所述的一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法，其特征在于，穿孔检测的方法包括以下步骤:
采用自适应阈值对校正靶板图像上的破片穿孔进行分割检测；
基于形态学闭运算连接目标；
去除伪目标。
6.根据权利要求1所述的一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法，其特征在于，提取校正靶板图像上破片穿孔的中心位置的二维坐标的方法是基于灰度加权处理规则。
7.根据权利要求1所述的一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法，其特征在于，获取破片穿孔的中心位置的三维坐标参数的方法，包括以下步骤：
建立每块靶板形状特征点的二维坐标，与爆炸场景三维模型中相应等效靶板形状特征点的三维坐标的对应关系；
采用单应矩阵的投影变换，计算靶板二维坐标转换到爆炸场景三维模型中相应等效靶板的变换矩阵；
基于计算的变换矩阵，将破片穿孔的二维坐标转换到爆炸场景三维模型中，得到破片穿孔的三维坐标。
8.根据权利要求1所述的一种基于图像处理技术的破片飞散参数确定方法，其特征在于，计算穿孔在等效球面上的飞散参数的方法包括以下步骤：
S1、选择战斗部放置方式：
立式放置或卧式放置；
S2、建立战斗部飞散参数计算坐标系：
若为立式放置，以战斗部轴线向上为正航向xx，若为卧式放置，以战斗部轴线向左为正航向xx；
计算破片的航向角：
若为卧式放置，破片穿孔的三维坐标为(Xi,Yi,Zi)，其中i∈(1,N)，N为破片的总数，利用式(1)计算其航向角θi：
θi＝arctan2(Yi/Xi) (1)
其中，θi为航向角，Xi和Yi分别为某个破片穿孔相对爆炸场景三维模型中爆心坐标系的坐标；
若为卧式放置，利用式(2)计算航向角θi：
θi＝arctan2(Zi/Xi) (2)
其中，θi为航向角，Xi和Zi分别为破片穿孔相对爆炸场景三维模型中爆心坐标系的坐标；
以正航向X顺时针旋转，根据式(2)计算第5％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角θs，第50％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角θm，以及第95％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角θe；
S3、计算飞散参数：
利用式(3)计算破片飞散角Ω，
Ω＝θe-θs (3)
其中，Ω为破片飞散角，θs为第5％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角，θe为第95％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角；
利用式(4)计算破片飞散方向角ψ，
ψ＝90°-θm (4)
其中，ψ为破片飞散方向角，θm为第50％破片穿孔总数个破片穿孔对应的航向角；
设以爆心为圆心，将等效靶板从左到右顺时针旋转进行k份分区，每份分区对应的圆心角为
Figure FDA0002444503840000041
分区内的破片的数量为nk，利用式(5)计算破片球面分布密度ν，
Figure FDA0002444503840000042
其中，ν为破片球面分布密度，π为圆周率，R为等效靶板布置的等效爆炸半径，当战斗部卧式放置时，n为等效靶板的高度，当战斗部立式放置时，n为等效靶板的宽度。
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