1、长春理工大学毕业论文I编号 本科生毕业论文基于高速相机的炸点坐标测量技术研究Stopping point coordinate measuring technology research based on high-speed camera学 生 姓 名 朱然陶专 业 光电信息工程学 号 0902123/18指 导 教 师 刘立欣学 院 光电工程学院二零一三年六月长春理工大学毕业论文II毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的
2、工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作 者 签 名： 年 月 日长春理工大学毕业论文I摘 要文中应用摄
3、像测量技术,提出了用面阵 CCD摄像测试弹丸炸点相对目标空间三维坐标的一种新方法。阐述了面阵 CCD摄像测量炸点坐标的工作原理以及交汇测量的方法确定图像位置，并对其测试精度进行了分析。采用低通滤波的方法去除噪音，通过阈值分割方法，边缘检测定位法对炸点图像进行分割。建立在图像物体的某些特征的基础上对炸点图像进行目标识别，用质心跟踪法和坐标转换把炸点的坐标表达出来。该方法的有效测试视场完全能够覆盖合格引信所引爆弹丸的爆炸区域,并在很大程度上提高了测试的精度。关键词:面阵 CCD 炸点坐标 交汇测量 目标识别 图像处理长春理工大学毕业论文IIAbstractAiming at the request
4、 of the shooting range, applying the technology of photogrammetry, a new method to measure the coordinate of projectile exploding position relative to the target by square array CCD is introduced. The measurementprinciple of the square array CCD and the steps of digital image processing are expatiat
5、ed. Intersection measurement to determine the image position. And its test accuracy are analyzed. Adopt the method of low-pass filter to remove noise. By the method of threshold segmentation, edge detection method for ZhaDian image segmentation. Based on some of the characteristics of image objects
6、on the basis of ZhaDian image target recognition. With the centroid tracking method and the coordinate transformation ZhaDian coordinates are expressed. And the measurement precision is analyzed. The system has the advantages of large field and high precision.Key words: square array CCD;coordinate o
7、f projectile exploding position; Intersection measurement；Target recognition ；image processing长春理工大学毕业论文1目录摘 要 .I第 1章 绪论 .11.1 课题研究的目的及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 本课题主要的研究内容 .3第 2章 面阵 CCD .42.1面阵 CCD照相交汇测量系统布置 .42.2面阵 CCD摄像交汇测量弹丸炸点的原理 .42.3面阵 CCD相机的选用与设置 .62.4 本章小结 .7第 3章炸点的图像处理 .83.1炸点的图像预处理 .83.2炸点图像的分
8、割 .93.3阈值分割方法 .103.4边缘检测定位法 .113.5炸点的目标识别 .123.6质心跟踪法 .133.7 VISUAL C+ 6.0 的简介及特点 .133.8坐标的转换 .163.9误差及交汇布置测量精度分析 .16第 4章 总结 .18致谢 .19参考文献: .20长春理工大学毕业论文1第 1章 绪论1.1 课题研究的目的及意义为了判断弹丸是否能够对目标起到摧毁作用,其测量的主要参数为弹丸炸点相对目标的空间三维坐标。对于弹丸炸点的测试方法目前主要用普通摄像机记录弹丸炸点的爆炸过程,通过定格回放,找到最先出现弹丸炸点的一幅图像,用目标长度作为参考进行判读得到弹丸炸点相对于目标
9、头部的两维坐标,由于普通摄像场与场之间不进行光积分的时间较长,如果弹丸爆炸的时刻在这段时间间隔里,将记录不到弹丸爆炸的最初位置,加之通常用目视判读,精度较低。可以用高速摄像的方法减少场与场之间不进行光积分的时间。文章论述了一种用面阵 CCD摄像交汇测量的方法。选用两台面阵 CCD相机分别从不同角度同时抓拍同一弹丸的爆炸瞬间与目标的图像,通过图像处理得到两组数据,根据两台相机的位置关系计算得到弹丸炸点的空间三维坐标。该方法具有系统结构简单、价格低、测量精度较高等优点1.2 国内外研究现状国内对于测量炸点坐标提出了多幕光学法测量技术。分析了多光幕交汇测量弹丸炸点位置存在的问题，研究了采用侧向相机辅
10、助多光幕交汇测量技术。通过相机采集到的炸点图像，建立相机、模拟目标和多光幕交汇光幕阵列空间几何计算模型。利用弹丸的飞行轨迹和弹丸炸点图像平面坐标，研究了弹丸炸点侧向空间坐标的计算方法和多光幕交汇测量系统二维坐标修正原理，给出了弹丸炸点坐标计算函数。利用微分法从交汇光幕夹角、光幕幕厚、测时和测距等方面分析测量误差。还有用由面阵 CCD相机和电子经纬仪组成的 CCD电视经纬仪测量系统,可以实时地对各种重兵器弹丸爆炸时刻的角度坐标进行测量,而采用多套 CCD电视经纬仪测量系统组成空间交汇测量网,则可以实现对多个弹丸炸点的三维直角坐标值的测量。CCD 相机将光信号转变为视频信号送入视频处理器,经过 A
11、/D转换和视频图象处理,把数字信号送与计算机,经过细分和形心计算,得到炸点中心在靶面上的坐标值,再根据经纬仪度盘的方位和高低指标值,求出炸点目标的坐标角度值。CCD 相机靶面有效象素为 768(H)582(V),单个象元尺寸为11.5Lm11.0Lm,CCD相机光学镜头的焦距为 12 mm,可知单个象元所对应的角分辨率 198“189“,该精度已远远超过 40“的总指标要求。因此采用了亚象元细分技术(数学上称为插值法),经用投影插值法 8等细分,单个象元对应的角分辨率24.8“23.6“,细分后的 CCD电视量化误差的均方根可达 6.88“6.45“，这样满足了系统的测角精度要求。长春理工大学
12、毕业论文2还有的根据双目立体视觉的基本原理，首先建立了数学测量模型，然后根据建立的模型进行了布站参数与布站方式的优化，接着简化了标定模型并推导了摄像机的标定公式，研究了两种靶标识别技术并进行了对比分析，之后利用图像处理技术对前期得到的实际视频序列进行了处理，成功提取出目标，得到目标的精确像素平面坐标。炸点坐标测量系统主要是针对靶场轻武器炮弹炸点坐标的测试而设计的。该系统具有自动化程度高、准确性好和试验数据实时传输等特点，解决了以往人工测量带来的误差和试验周期。在军事领域，在发射端，可以利用高速摄像系统进行高速瞬发过程记录和弹体离轨参数的测量；在飞行过程中，利用每秒数百帧的电视跟踪实现弹道轨迹和
13、飞行姿态等目标特性测量；在着靶端，立体视觉测量系统可以精确测量弹体落点位置和偏靶量。以往轻武器落点坐标测试主要是采用人工单发标记，试验后逐点测量的原始方法，传统的方法不仅消耗大量的材料, 而且费时、费力, 不能实时得到测量结果, 同时无法消除人为误差，人工标记方法存在测量精度低、准确性差和周期长等特点，特别是存在着一定的安全隐患，所有这些都不能满足以人为本、高效、精确的现代化靶场试验要求。炸点坐标测量系统采用高速 CCD 摄像机和成熟的图像处理技术，能够自动测量炮弹的炸点坐标，实时进行试验数据的采集处理和无线传输。还有的采用图像法。利用图像传感器测量是将图像信息通过某些变换装置变换成电信号，再
14、经过各种处理之后，应用于测量和控制的。此外由于必须确定被测对象上各点的位置坐标以及与各位置相对应的亮度值等数据，所以还需要利用某种方法对图像进行扫描。CCD 具有自扫描、高分辨率、高灵敏度、结构紧凑及像素位置准确的特性，是应用非常广泛的一种图像传感器。CCD 作为图像敏感元件，在航天航空、卫星侦察、遥感遥测、天文测量、传真、静电复印、非接触工业测量、光学图像处理等领域都得到了广泛的应用；在动态非接触的尺寸检测、液面位置的遥测等光电测试技术中更引起人们的高度重视，特别是在摄像和信号处理等技术领域中应用非常广泛。利用 CCD 等光电传感器取代传统的感光胶片，通过在两个或两个以上不同位置捕捉弹体或弹
15、体击中地面瞬间产生的可见红外信号，然后用立体视觉的方法求解弹落点的位置坐标。基于图像弹落点探测方法的优点主要包括系统简单、维护方便、成本较低和探测精度高。还有为了测量炸点位置，提出了采用基于定目标为参照的双面阵相机交汇摄像法来获取高空弹丸炸点三维坐标参数。根据试验测试要求，分析了相机交汇摄像原理与方法，建立了弹丸炸点三维坐标位置计算模型；利用交汇相机的空间几何关系、图像处理技术与模拟目标实际尺寸，研究弹丸炸点相对模拟目标的空间三维坐标算法，并分析了坐标参数修正方法；利用微分法对参数进行长春理工大学毕业论文3误差分析。分析计算显示，坐标误差均小于；实弹试验和图像处理显示，相机交汇摄像法可以获得弹
16、丸炸点三维坐标。对四光幕法与摄像法的对比表明，两种方法在高低方向所测数值平均差为 0.158m，左右方向数值平均差为0.114m。这是一种基于模拟目标实际尺寸，按照相机布置的空间几何结构，基于摄像法的空中弹丸炸点位置参数测量方法。介绍一种基于模拟目标实际尺寸，按照相机布置的空间几何结构，基于摄像法的空中弹丸炸点位置参数测量方法。测量时通常采用静态目标进行试验测试，在距离火炮发射炮口距离为处放置被击模拟目标模型，模型与地面的高度为。当火炮发射的弹丸接近被击模拟目标某一范围区域时，引信利用自身的控制起爆装置的点燃弹体内的火药而产生爆炸，利用弹体爆炸产生的破片而毁伤被击目标。在测试系统中，所求的弹丸
17、炸点位置是以被击目标头部中心为原点的相对空间三维坐标。本测试原理采用双面阵交汇测试方法，图像采集与计算处理模块是测试系统捕获弹丸炸点图像与相关参数的计算处理核心，并进行同步图像采集控制等，最后，利用远程计算机进行相关数据的采集与参数计算并显示测量的参数。1.3 本课题主要的研究内容一种用面阵 CCD摄像交汇测量的方法。选用两台面阵 CCD相机分别从不同角度同时抓拍同一弹丸的爆炸瞬间与目标的图像,通过图像处理得到两组数据,根据两台相机的位置关系交汇测量计算得到弹丸炸点的空间三维坐标。然后将当炸点图像输入到计算机里面，先将 RGB图转换为灰度图，再采用低通滤波的方法去除噪音。随后通过阈值分割方法，
18、边缘检测定位法对炸点图像进行分割。通过建立在图像物体的某些特征的基础上对炸点图像进行目标识别。用质心跟踪法和坐标转换把炸点的坐标表达出来。长春理工大学毕业论文4第 2章 面阵 CCD随着计算机技术的飞速发展以及对炸点图像处理理论的深入研究，采用 CCD 图像传感器对炸点目标进行监测成为测量领域的一种新的趋势，但是处理过程往往是通过大量的数值计算来实现的，本课题根据面阵 CCD 图像传感器测量的理论，拟对炸点目标的坐标进行测量。CCD 应用技术是一项具有广泛应用前景的新技术。三十多年来，CCD 技术取得的惊人进展足以说明这一点。目前 CCD 已经在三大领域得到广泛应用：摄像，信号处理和存储。它之
19、所以能在图像测量领域中得到广泛的应用，是因为它具有灵敏度高、体积小、动态范围大、转换效率高、功率低、寿命长、性能稳定等优点。CCD 用于测量的研究于上世纪九十年代末进入火热期，国内外科研工作者在这个领域进行了广泛、深入的研究并获得了丰硕的成果。CCD 测量具有无接触、准确度高、便于计算机处理，易于和自动控制设备连接等优势，因此 CCD 用于测量的研究一直延续到现在。CCD 测量技术在其他方面也得到了很好的应用和创新，清华大学研制出一种基于 CCD 传感器的人体运动图像的检测方法，它采用图像动态采集及标志点自动识别跟踪技术，实现了运动图像的采集与分析，并用该方法构建了二维和三维人体运动图像检测分
20、析系统，将其运用与人体步态和人手运动分析。目前，国内利用 CCD 进行工业实时在线检测的系统不多，大多采用线阵 CCD 而且精度不高，与国外的 CCD 测量技术相比还有一定的差距。2.1面阵 CCD照相交汇测量系统布置面阵 CCD照像交汇测量弹丸炸点空间三维坐标的系统布置如图 2-1所示。图中两面阵 CCD相机对称架设在弹道线的两侧。图 2-1 面阵 CCD交汇测量系统布置 图 2-2 面阵 CCD交汇测量测试原理两相机光轴分别与弹道线垂直并交汇于目标头部(坐标原点)。2.2面阵 CCD摄像交汇测量弹丸炸点的原理长春理工大学毕业论文5相机 1与相机 2所拍摄同一弹丸爆炸瞬间与目标的图像分别经过
21、图像处理,可分别求得两幅图像中炸点相对目标头部的两维坐标为(y1, z1)和(y2, z2),由图 2-2可分别求得直线的方程表达式如下:（2-1 ）12H+y.cos=XL-H-in.s（ ）（ ）联系上式，求解：（2-122111212H+y.cos.L-sin-H+y.L-sinx= . .co +L-H-sin.-.si-.cos-.in（ ） （ ） （ ） （ ）（ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ）（ ） （ ） （2）相机 1与相机 2光轴正交时误差最小,即 =45 度,H=L,则上式变为（2-3）2122111 1222 22y-.Hx=+-y.-ZXZ=+H-x-y()()相 机相 机 （ ） （ ）坐 标 可 由 下 式 求 得 ：（ ） （ ）考虑到误差平均原则，取（2-4）1212122Z)=()()XZZHxy（对式取微分得
