JP2011085337A - 弾着観測方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】曳光が弱く弾道が観測し難い場合であっても撮像装置により正確に弾着点を捉えることができ、弾着点を精度良く検出することを可能とした弾着観測方法及びシステムを提供する。
【解決手段】発射された弾の弾着点を推定する方法において、撮像装置にて弾着予想位置近傍を撮像して取得した画像フレームデータから高輝度領域をクラスタ化し、弾着発光に該当するクラスタを抽出する弾着発光判定ステップと、前記弾の種類に応じて、クラスタにおける重心点若しくは発光中心点を弾着予測点とみなす弾着予測点検出ステップと、前記画像フレームデータの時間差分から弾着発光のクラスタの面積差分値が最大となる画像フレームデータを検出し、該最大画像フレームデータに連続する画像フレームデータの最も早い時刻を弾着発光発生時刻と判定する時刻判定ステップと、各画像フレームデータの弾着予測点の平均値を弾着点と推定する弾着点特定ステップと、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、射撃装置から発射された弾の位置を検出する弾着観測方法及びシステムに関し、特に、発射された弾が着弾した位置である弾着点を精度良く推定することができる弾着観測方法及びシステムに関する。

射撃装置から発射された弾の実際の弾道は、弾道諸元の方程式から計算された理論上の弾道通りとはならない。即ち、射撃では様々な環境要因がその弾道に影響を及ぼすためであり、従って弾着点を観測し、狙った点と弾着点とのずれを考慮した射撃を行うことが命中確率の向上に必須となる。
従来は、弾着点を観測するため、まず赤外線映像機器等の撮像装置により、飛翔中の弾が発する光（以下、曳光と称する）、或いは着弾時に発生する強い光（以下、弾着発光と称する）を撮像し、次に、撮像装置により撮像した画像には地面や建造物などの背景も写りこみ、弾着発光は着弾時の砲弾と目標との衝突角度や障害物の影響等によりいびつな形状として撮像されるため、曳光から画像処理を用い飛翔弾の弾道軌跡を逐次計測、推定し、弾着位置を予測していた。

例えば、特許文献１（特許第３９０５７７０号公報）には、移動装置に搭載された射撃装置により射撃された弾の飛翔中の位置及び弾着点を検出する方法が開示されている。これは、飛翔中の弾を撮像して画像処理装置により弾の位置を逐次検出し、弾の位置から弾道諸元の方程式に基づいて擬似弾道を計算し、該計算された擬似弾道から弾着点を推定する方法となっている。さらに、本方法では、映像中の連続したコマを比較して画像ぶれ量を算出し、これを補正量として加算することにより振動による画像ぶれの問題を解決し、正確に弾の位置を検出するようにしている。

また、特許文献２（特開２００６−２０７８７６号公報）には、射撃位置から赤外線カメラにより飛翔中の弾を撮像し、標的側にも赤外線カメラを設置することにより標的への弾着の確認及び命中判定を行うようにしたシステムが開示されている。これにより、照準位置及び弾の軌跡を確認できるとともに、いかなる環境にあっても少ないパラメータで命中部位の判定が可能となる。

特許第３９０５７７０号公報 特開２００６−２０７８７６号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２等に記載される従来の方法では、飛翔中の弾が発する曳光は強い光ではないため、映像機器により捕らえることは極めて困難であった。また、特許文献１に記載される方法は、曳光が映らない場合は弾着発光から弾着点を求めているが、弾着点として重心点を用いているため、いびつな弾着発光に対応できず、精度が低下するという問題があった。さらに、特許文献２等に記載される構成では、標的周辺に赤外線カメラを設置することにより実現しており、限られた範囲にしか利用できないという問題がある。

従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、曳光が弱く弾道が観測し難い場合であっても撮像装置により正確に弾着点を捉えることができ、弾着点を精度良く検出することを可能とした弾着観測方法及びシステムを提供することを目的とする。

そこで、本発明はかかる課題を解決するために、射撃装置から発射された弾の弾着点を推定する方法において、
撮像装置にて前記弾の弾着予想位置近傍を撮像して画像フレームデータを取得し、該画像フレームデータから高輝度領域をクラスタ化し、弾着発光に該当するクラスタを抽出する弾着発光判定ステップと、
前記弾の種類に応じて、前記弾着発光のクラスタにおける重心点若しくは発光中心点を弾着予測点とみなす弾着予測点検出ステップと、
前記画像フレームデータの時間差分から弾着発光のクラスタの面積差分値が最大となる画像フレームデータを検出し、該最大画像フレームデータに連続する画像フレームデータの最も早い時刻を弾着発光発生時刻と判定する時刻判定ステップと、
各画像フレームデータの弾着予測点の平均値を算出し、該平均値を弾着点と推定する弾着点特定ステップと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、発光が強い弾着発光より弾着点を推定することにより、撮像装置により簡単に弾着発光を捉えることができ、確実に弾着点を検出することが可能で、また曳光が撮像不可能な状況下にも対応でき幅広い使用環境が見込める。また、弾着発光の弾着予測点を求める際に、弾の種類によって弾着予測点の抽出方法を選択するようにし、また、弾着予測点から環境的影響を省く処理を行っているため、弾の種類や環境的影響による弾着発光の特性を考慮した精度の高い弾着点検出が可能となる。

また、前記時刻判定ステップにて、前記弾着発光の面積下限値を示す面積閾値と、前記弾着点の予測位置からの距離を示す弾着点変動閾値とを設定し、該面積閾値と弾着点変動閾値を満たすクラスタのみを弾着発光とすることを特徴とする。
このように、弾着発光の面積や概ねの距離から弾着発光に該当しないと思われるクラスタを破棄することにより、正確に弾着発光のみを抽出することが可能となり、弾着点を精度良く推定することが可能となる。

さらに、前記弾着点特定ステップにて、前記弾着予測点に対して環境的要因を補正する補正処理を行うことを特徴とする。
これにより、いかなる環境下においても弾着点を精度良く弾着点を推定することが可能となる。

さらにまた、前記時刻判定ステップにて得られた弾着発光発生時刻と弾着予時刻とを比較して近弾若しくは遠弾を判定することを特徴とする。
これにより、発射された弾が、目標の手前に着弾したか奥に着弾したかを簡単に判定することが可能となる。

また、射撃装置から発射された弾の弾着点を推定する弾着観測システムにおいて、
前記弾の弾着予想位置近傍を撮像する撮像装置と、該撮像装置により撮像された画像フレームデータから弾着点を推定する画像処理装置と、を備え、
前記画像処理装置は、撮像装置にて前記弾の弾着予想位置近傍を撮像して画像フレームデータを取得し、該画像フレームデータから高輝度領域をクラスタ化し、弾着発光に該当するクラスタを抽出する弾着発光判定手段と、
前記画像フレームデータの時間差分から弾着発光のクラスタの面積差分値が最大となる画像フレームデータを検出し、該最大画像フレームデータに連続する画像フレームデータの最も早い時刻を弾着発光発生時刻と判定する時刻判定手段と、
各画像フレームデータの弾着予測点の平均値を算出し、該平均値を弾着点と推定する弾着点特定手段と、を備えたことを特徴とする。

また、前記時刻判定手段は、前記弾着発光の面積下限値を示す面積閾値と、前記弾着点の予測位置からの距離を示す弾着点変動閾値とを設定し、該面積閾値と弾着点変動閾値を満たすクラスタのみを弾着発光とする構成を備えたことを特徴とする。
さらに、前記弾着点特定手段は、前記弾着予測点に対して環境的要因を補正する補正処理を行うことを特徴とする。
さらにまた、前記時刻判定手段にて得られた弾着発光発生時刻と弾着予時刻とを比較して近弾若しくは遠弾を判定する近弾・遠弾判定手段を備えたことを特徴とする。

以上記載のごとく本発明によれば、発光が強い弾着発光より弾着点を推定することにより、撮像装置により簡単に弾着発光を捉えることができ、確実に弾着点を検出することが可能で、また曳光が撮像不可能な状況下にも対応でき幅広い使用環境が見込める。また、弾着発光の弾着予測点を求める際に、弾の種類によって弾着予測点の抽出方法を選択するようにし、また、弾着予測点から環境的影響を省く処理を行っているため、弾の種類や環境的影響による弾着発光の特性を考慮した精度の高い弾着点検出が可能となる。
さらに、本発明では、遠弾・近弾判定手段にて、弾着予測時刻と弾着発光時刻を比較することにより、近弾・遠弾の判定を行うことができる。
さらにまた、本発明によれば、発射された弾が、目標の手前に着弾したか奥に着弾したかを簡単に判定することが可能となる。

本発明の実施例に係るシステムの全体構成図である。 本発明の実施例に係る動作を示すフローチャートである。 本実施例にて特徴量計測方法における発光中心点を説明する図である。 本実施例にて弾着発生時刻の判定フローを説明する図である。 本実施例にて弾着点の発光形状を示す図である。 本実施例にて弾着点の補正を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施例に係るシステムの全体構成図、図２は本発明の実施例に係る動作を示すフローチャート、図３は本実施例にて特徴量計測方法における発光中心点を説明する図、図４は本実施例にて弾着発生時刻の判定フローを説明する図、図５は本実施例にて弾着点の発光形状を示す図、図６は本実施例にて弾着点の補正を説明する図である。

本実施例に係る弾着観測方法及びシステムは、射撃装置から発射された弾の弾着点を、その弾着発光の幾何的情報及び時系列情報から精度良く推定するものであり、また弾着発光の時系列情報により目標への弾着時刻を正確に推定することが可能で、さらには時系列情報から遠弾・近弾の判定を行うことを可能としている。尚、本実施例において、弾着点とは原則として弾が目標に当った位置を言い、弾着発光とは弾が目標に衝突した際に発光する現象を言う。

図１を参照して、本実施例のシステム構成につき説明する。
本実施例の弾着観測システムは、撮像装置１と、該撮像したビデオキャプチャー装置２と、測距装置３と、画像処理装置４と、表示器５とを備える。
前記撮像装置１は、弾着点近傍を撮像する撮像手段であり、好ましくは弾の曳光や弾着発光によって放射される光や電磁波の特徴、特性に応じてそれらを検出することができるセンサを具備したカメラ等が使用され、例えば赤外線映像機器が好適に用いられる。
前記ビデオキャプチャー装置は、前記撮像装置１にて撮像された映像信号が入力され、画像処理装置４に適した形式に変換して画像情報を該画像処理装置４に送出する周知の装
置である。

前記測距装置３は、弾着点までの距離を測定する周知の装置であり、例えば光波や電波を用いて距離を測定する光波／電磁波測距儀等が好適に用いられる。
前記表示器５は、撮像装置１により撮像された画像、或いは画像処理装置４での画像処理工程における諸々の画像が表示される装置であり、例えばＣＲＴ、ＴＦＴ液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ等が用いられる。
前記画像処理装置４は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるコンピュータとして構成されており、これらの機器の動作により、弾着発光判定手段４１、特徴量計測手段４２、弾着発光発生時刻判定手段４３、弾着点補正／検出手段４４、弾着点判定手段４５、遠弾・近弾判定手段４６が機能するように構成される。

前記弾着発光判定手段４１は、前記撮像装置１にて撮像された画像フレームデータから弾着発光を特定する手段である。
前記特徴量計測手段４２は、前記弾着発光判定手段４１にて特定された画像フレームデータ中の弾着発光の特徴量を抽出する手段であり、抽出する特徴量として、弾着予測点座標、弾着発光の端点、面積、最大輝度が挙げられる。前記弾着予測点とは、弾着発光から推定される仮の弾着点であり、最終的な弾着点とは異なるものである。

前記弾着発光発生時刻判定手段４３は、時系列で得られる複数の画像フレームデータの夫々の弾着発光をもとに弾着発光発生時刻を判定する手段である。
前記弾着点補正／検出手段４４は、周囲環境に基づく弾着発光への影響を排除する補正を行い、各画像フレームデータにおける弾着点を検出する手段である。
前記弾着点判定手段４５は、各画像フレームデータにおける弾着点の平均値を算出し、弾着点を特定する手段である。
前記遠弾・近弾判定手段４６は、弾着予想時刻と弾着発光発生時刻とを比較することにより弾着点が照準点よりも近く着弾した近弾か、若しくは遠く着弾した遠弾かを判定する手段である。

次に、図２のフローチャートを参照して、本実施例に係る弾着観測フローを具体的に説明する。
まず、撮像手段１により撮像した映像信号を、ビデオキャプチャー装置２を介して画像処理装置４に画像フレームデータとして取り込む（Ｓ１）。このとき、図４（ａ）に示されるように、時系列に複数の画像フレームデータが得られる。
次いで、画像処理装置４の弾着発光判定手段４１にて、平滑化フィルタにより前記画像フレームデータにおけるノイズを低減し（Ｓ２）、該画像フレームデータに基づき輝度閾値を設定し、該閾値により２値化処理を行い、高輝度領域を求める（Ｓ３）。これは、取得した画像フレームデータの輝度情報に基づいて相対的に高輝度領域を特定する閾値が自動的に設定されるようにしてもよいし、予め閾値を設定して記憶部（図示略）に記憶させておいてもよい。

そして、求めた高輝度領域をグルーピングしてクラスタ化する（Ｓ４）。これは、一般的なラベリング処理により高輝度の領域をグルーピングすることによりクラスタ化するものである。このとき、画像上に複数のクラスタが存在する場合には、この複数のクラスタから弾着発光に該当するクラスタを抽出し、これ弾着発光をする（Ｓ５）。この抽出方法は、クラスタの面積に着目し、ソート処理を実施して最も大きい面積を有するクラスタを弾着発光とみなす。このとき、最も大きい面積を有するクラスタが複数あった場合には、最大輝度が最も高いクラスタを選択する。さらに、最も大きい面積を有するクラスタが複数あり、且つ最大輝度が同じ場合には、射撃装置で狙った点に最も近い距離のクラスタを選択する。即ち、本実施例では、弾着発光のクラスタ選択において、優先順位を最大面積、最大輝度、位置の順とする。

そして、特徴量計測手段４２にて、幾何的情報及び時系列情報基づいて特徴量を計測する（Ｓ６）。該特徴量計測手段４２では、弾着予測点の判定にて、弾の種類によって以下の２つの方法を選択的に用いるようにする。
弾着発光が小さい弾、或いは弾着発光が対象的な形状となる弾の場合、弾着予測点は、弾着発光の重心点を用いる。重心点は、以下の式により得られる。
重心点ｘ座標＝（Σ高輝度値画素のｘ座標）／画素数
重心点ｙ座標＝（Σ高輝度値画素のｙ座標）／画素数

弾着発光が大きい弾、或いは弾着発光がいびつな形状となる弾の場合、弾着予測点は、弾着発光のｘ軸端点を結ぶ直線とｙ軸端点を結ぶ直線の交点である発光中心点を用いる。図３に示すように、弾着発光５０におけるｘ座標の最小値ｘ_１を有する最小端点と、最大値ｘ_２を有する最大端点を結んだ直線Ａと、ｙ座標の最小値ｙ_１を有する最小端点と、最大値ｙ_２を有する最大端点を結んだ直線Ｂとの交点を発光中心点とし、この点を弾着予測点とする。
さらに、特徴量計測手段４２では、上記した重心点若しくは発光中心点からなる発光予測点の他に、特徴量として、弾着発光の面積、最大輝度等を抽出する。

画像処理装置４に取り込まれた複数の画像フレームデータにおいて上記した検出（Ｓ１〜Ｓ５）を行い、全ての画像フレームデータが終了したら（Ｓ７）、弾着発光の面積の時系列変化に基づいて弾着発光発生時刻を判定する（Ｓ８）。弾着発光発生時刻を判定フローを図４に示す。同図に示されるように、まず、各画像フレームデータにおける弾着予測点座標、弾着発光面積、輝度等の時系列データを取得し（Ｓ１１）、画像フレームデータの時間差分をとり、弾着発光面積の差分が最大となる画像フレームデータ（以下、Ｓフレームと称する）を選択する（Ｓ１２）。次いで、面積閾値により弾着発光発生時刻を判定する（Ｓ１３）。これは、まず面積閾値を設定する。これは、面積閾値より小さい弾着発光は、実際の弾着発光ではない可能性が高いとみなし、ノイズとして破棄するものである。同様に、弾着点変動閾値を設定する。弾着予測点が前時刻より閾値以上移動しているものをノイズとして破棄するものである。さらに、これらの閾値をともに満たすものを、弾着発光が撮像されたフレームとみなす。そして、Ｓフレームと連続した弾着発光撮像フレームで、最も早い時刻を弾着発光発生時刻と判定する。

次に、各時刻の弾着予測点を検出する（Ｓ９）。これは、地面や障害物等の影響によりいびつになった弾着発光を、計測した弾着発光の特徴から、前時刻との変化量を用いて環境の影響を排除した発光へ補正し、弾着点を精度良く検出するものである。即ち、弾着発光は、弾が真っ直ぐに衝突した場合は円状に広がるが、弾が傾いて衝突した場合は弾着発光の拡大が非対称になる。また、弾着発光が大きい場合、地面の影響により弾着発光はいびつな形状となり撮像装置に撮像される。
図５（Ａ）は、弾が真っ直ぐに衝突した場合などにみられ、弾着発光の面積拡大が対称の場合である。前時刻の弾着発光５４に対して現時刻の弾着発光５３が同心円状に存在する。図５（Ｂ）は、弾が傾いて衝突した場合などに見られ、弾着発光の面積拡大が非対称の場合である。前時刻の弾着発光５４に対して、現時刻の弾着発光５３がずれて存在する。

そこで、弾着発光クラスタの差分を考慮し、差分補正を弾着点に加算し、弾着点位置を更新する。例えば、図６に示すように、前時刻の弾着発光５４と現時刻の弾着発光５３がずれている場合、補正前の重心Ｃの座標をＣ_０（Ｘ_Ｃ０，Ｙ_Ｃ０）とすると、補正後Ｃ_１（Ｘ_Ｃ１，Ｙ_Ｃ１）の座標は以下の式により得られる。
Ｘ座標：Ｘ_Ｃ１＝Ｘ_Ｃ０＋（Ｌ_２−Ｌ_１）／２
Ｙ座標：Ｙ_Ｃ１＝Ｙ_Ｃ０＋（Ｌ_２−Ｌ_１）／２
そして、上記により得られた各画像フレームデータの弾着予測点の平均値を算出し、最終的な弾着点を特定する（Ｓ１０）。

本実施例のように、発光が強い弾着発光より弾着点を推定することにより、撮像装置により簡単に弾着発光を捉えることができ、確実に弾着点を検出することが可能で、また曳光が撮像不可能な状況下にも対応でき、幅広い使用環境が見込める。また、弾着発光の弾着予測点を求める際に、弾の種類によって弾着予測点の抽出方法を選択するようにし、また、弾着予測点から環境的影響を省く処理を行っているため、弾の種類や環境的影響による弾着発光の特性を考慮した精度の高い弾着点検出が可能となる。

さらに、本実施例では、遠弾・近弾判定手段４６にて、弾着予測時刻と弾着発光時刻を比較することにより、近弾・遠弾の判定を行うことができる。前記弾着予測時刻は、弾の種類と測距装置３により測定された距離から予想し得る時刻で、前記弾着発光時刻は、前記弾着発光発生時刻判定手段４３にて得られる時刻である。
本実施例によれば、発射された弾が、目標の手前に着弾したか奥に着弾したかを簡単に判定することが可能となる。

１ 撮像装置
２ ビデオキャプチャー装置
３ 測距装置
４ 画像処理装置
５ 表示器
４１ 弾着発光判定手段
４２ 特徴量計測手段
４３ 発生時刻判定手段
４４ 弾着点補正／検出手段
４５ 弾着点判定手段
４６ 遠弾・近弾判定手段

Claims (8)

1. 射撃装置から発射された弾の弾着点を推定する方法において、
   撮像装置にて前記弾の弾着予想位置近傍を撮像して画像フレームデータを取得し、該画像フレームデータから高輝度領域をクラスタ化し、弾着発光に該当するクラスタを抽出する弾着発光判定ステップと、
   前記弾の種類に応じて、前記弾着発光のクラスタにおける重心点若しくは発光中心点を弾着予測点とみなす弾着予測点検出ステップと、
   前記画像フレームデータの時間差分から弾着発光のクラスタの面積差分値が最大となる画像フレームデータを検出し、該最大画像フレームデータに連続する画像フレームデータの最も早い時刻を弾着発光発生時刻と判定する時刻判定ステップと、
   各画像フレームデータの弾着予測点の平均値を算出し、該平均値を弾着点と推定する弾着点特定ステップと、を備えたことを特徴とする弾着観測方法。
2. 前記時刻判定ステップにて、前記弾着発光の面積下限値を示す面積閾値と、前記弾着点の予測位置からの距離を示す弾着点変動閾値とを設定し、該面積閾値と弾着点変動閾値を満たすクラスタのみを弾着発光とすることを特徴とする請求項１記載の弾着観測方法。
3. 前記弾着点特定ステップにて、前記弾着予測点に対して環境的要因を補正する補正処理を行うことを特徴とする請求項１記載の弾着観測方法。
4. 前記時刻判定ステップにて得られた弾着発光発生時刻と弾着予時刻とを比較して近弾若しくは遠弾を判定することを特徴とする請求項１記載の弾着観測方法。
5. 射撃装置から発射された弾の弾着点を推定する弾着観測システムにおいて、
   前記弾の弾着予想位置近傍を撮像する撮像装置と、該撮像装置により撮像された画像フレームデータから弾着点を推定する画像処理装置と、を備え、
   前記画像処理装置は、撮像装置にて前記弾の弾着予想位置近傍を撮像して画像フレームデータを取得し、該画像フレームデータから高輝度領域をクラスタ化し、弾着発光に該当するクラスタを抽出する弾着発光判定手段と、
   前記画像フレームデータの時間差分から弾着発光のクラスタの面積差分値が最大となる画像フレームデータを検出し、該最大画像フレームデータに連続する画像フレームデータの最も早い時刻を弾着発光発生時刻と判定する時刻判定手段と、
   各画像フレームデータの弾着予測点の平均値を算出し、該平均値を弾着点と推定する弾着点特定手段と、を備えたことを特徴とする弾着観測システム。
6. 前記時刻判定手段は、前記弾着発光の面積下限値を示す面積閾値と、前記弾着点の予測位置からの距離を示す弾着点変動閾値とを設定し、該面積閾値と弾着点変動閾値を満たすクラスタのみを弾着発光とする構成を備えたことを特徴とする請求項５記載の弾着観測システム。
7. 前記弾着点特定手段は、前記弾着予測点に対して環境的要因を補正する補正処理を行うことを特徴とする請求項５記載の弾着観測システム。
8. 前記時刻判定手段にて得られた弾着発光発生時刻と弾着予時刻とを比較して近弾若しくは遠弾を判定する近弾・遠弾判定手段を備えたことを特徴とする請求項５記載の弾着観測システム。

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