基于计算机视觉的破片参数精密测量技术研究

论文摘要

破片参数测量是武器研发与定型时不可缺少的环节。弹丸爆炸后产生的破片数量大,待测参数多,测量任务非常繁重。传统的人工测量法和光电测量法效率低、人为误差大、自动化程度低,难以满足不断发展的测量需求。计算机视觉检测技术是以现代光学为基础,融光电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代检测技术,具有非接触、全视场、速度快、精度高等优点,具备在线检测、实时分析、实时控制的能力,在军工、机械、电子、农业、医学等领域得到了广泛的应用。计算机视觉检测技术的相关原理与算法可用于破片参数测量系统,从而有效提高系统的测量速度和测量精度。本研究论文根据南京理工大学机械工程学院实验室建设项目“破片参数测量系统的研制”立题,旨在研制一套高速度、高精度的破片参数测量系统。本文通过对计算机视觉检测技术的研究,将该技术中的先进算法与原理用于破片参数测量系统中,以达到系统对测量速度和测量精度的要求。研究过程中参阅了大量文献,对破片参数测量系统的国内外研究状况进行了调研,深入分析了研制该系统的难点,提出了将计算机视觉检测技术的先进算法和原理用于破片参数测量系统的研制思路。概述了计算机视觉检测技术的发展历程、国内外研究现状及发展趋势,明确了检测精度和检测速度两大关键因素对视觉检测系统的重要影响。论文内容主要涉及破片参数测量模型、测量方法、系统组成、精度分析,以及计算机视觉检测中的图像处理、系统标定等关键技术。本文建立了破片迎风面积的测量模型,以正二十面半空间的16个特定方向模拟破片飞行过程中迎风面的取样方向,分别测量破片在这16个方向的投影面积。根据测量模型,构建了基于计算机视觉的破片参数测量系统,该系统由目标照明单元、载物台单元、机械传动单元、光学成像单元、电控单元、软件单元六大模块组成。摄像机在取样方向上采集破片的投影图像,经图像处理求得图像面积,最后根据像素的面积当量将图像面积换算成破片的迎风面积。为了达到单个破片测量时间小于35秒的技术要求,本文采用了四台摄像机并行工作的方式,大大节省了摄像机移动时间。系统软件中采用了多线程技术,使系统主线程与图像处理线程并行,大幅提高了测量速度。数字图像处理是计算机视觉检测的核心内容,对系统的测量精度和测量速度具有决定性的作用。本文着重论述了图像处理中的滤波、阈值分割和边缘检测三方面的内容,提出了适用于破片参数测量系统的图像处理方法。由于景深的限制,系统所采集的图像普遍存在离焦模糊现象,此模糊量会引起较大的面积测量误差。本文提出了两种图像处理方法用来修正离焦图像引起的面积测量误差,一种基于图像梯度最大值,另一种基于边缘检测。实验结果表明,两种修正方法均能达到系统要求的测量精度。在计算机视觉检测中,摄像机标定是一项非常关键的内容。由于摄像机光学系统并不是精确地按小孔成像模型工作,存在着图像畸变。在高精度测量时,需要对图像畸变进行校正。本文分析了镜头畸变产生的原因,介绍了用网格法校正图像畸变的原理。传统摄像机标定方法实时性差,在实际应用中较难实现。本文针对待测物的特点,提出了一种简便、实用而又不失精度的标定方法——特征参照物标定法。该方法不需要标定摄像机内外13个参数,只需标定CCD像元的物理面积当量。实验结果表明,该标定方法具有很高的精度,且不增加图像处理的时间。测量精度是破片参数测量系统最重要的技术指标之一。本文采用不确定度理论对系统精度进行了分析。系统的随机误差主要有系统噪声、测量模型原理误差、旋转台定位误差、离焦成像引起的误差和图像分割误差。对上述各随机误差进行了详细分析,计算了各种误差的不确定度,通过不确定度的合成得到了系统的总不确定度。本文采用实验的方法对系统的测量精度和重复精度进行了验证。按不同的长细比和不同的最大迎风面积设计了四个实验。实验结果表明:平均迎风面积的最大误差小于1.38%,重复测量的最大偏差小于0.03%,测量精度符合并优于技术指标要求。测量结果还表明:破片长细比越小,测量精度越高。最后总结了本课题的研究成果及创新点,并对今后的工作提出了建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 破片参数测量系统研制的目的和意义
• 1.2 破片参数测量系统的国内外研究现状
• 1.3 计算机视觉检测技术在破片参数测量系统中的应用
• 1.4 计算机视觉检测技术概述
• 1.4.1 计算机视觉概述
• 1.4.2 计算机视觉检测技术
• 1.4.3 计算机视觉检测技术的现状
• 1.4.4 计算机视觉检测技术的发展
• 1.5 计算机视觉检测技术的关键因素
• 1.5.1 检测速度
• 1.5.2 检测精度
• 1.6 课题来源及论文主要内容
• 1.7 本章小结
• 第二章 破片参数测量系统
• 2.1 破片参数测量系统的技术指标
• 2.2 破片参数测量系统的设计
• 2.2.1 破片迎风面积测量模型的建立
• 2.2.2 破片参数测量系统的系统组成
• 2.2.3 破片参数测量系统的工作原理
• 2.3 破片参数测量系统的关键技术
• 2.3.1 采用多线程技术提高测量速度
• 2.3.2 破片参数测量系统的USB接口设计
• 2.3.3 采用自适应阈值提高测量精度
• 2.3.4 离焦图像对面积测量的影响及误差修正
• 2.4 本章小结
• 第三章 计算机视觉中的图像处理
• 3.1 图像和数字图像的基本概念
• 3.2 数字图像的滤波
• 3.2.1 图像平滑
• 3.2.2 中值滤波
• 3.3 数字图像的阈值分割
• 3.3.1 灰度图像与灰度直方图
• 3.3.2 基于阈值分割的图像二值化
• 3.3.3 阈值计算方法
• 3.4 数字图像的边缘检测
• 3.4.1 引言
• 3.4.2 一阶微分边缘检测算子
• 3.4.3 二阶微分边缘检测算子
• 3.5 破片参数测量系统中图像处理的关键技术
• 3.5.1 基于图像梯度最大值的离焦面积测量误差修正
• 3.5.2 基于边缘检测的离焦面积测量误差修正
• 3.6 本章小结
• 第四章 计算机视觉检测系统的标定
• 4.1 标定的概念
• 4.2 系统标定中的坐标系与坐标变换
• 4.3 计算机视觉检测系统标定方法综述
• 4.3.1 传统标定方法
• 4.3.2 自标定方法
• 4.4 计算机视觉检测系统中的图像畸变
• 4.4.1 摄像机小孔成像模型
• 4.4.2 摄像机实际成像模型
• 4.4.3 图像畸变的分类
• 4.5 破片参数测量系统图像畸变的实验分析
• 4.6 破片参数测量系统的标定
• 4.6.1 镜头一（f=60mm）的标定
• 4.6.2 镜头二（f=40mm）的标定
• 4.7 本章小结
• 第五章 破片参数测量系统的精度分析
• 5.1 误差与不确定度
• 5.1.1 标准不确定度评定的分类
• 5.1.2 标准不确定度评定的合成
• 5.1.3 系统精度的不确定度表示
• 5.2 破片迎风面积测量的不确定度分析
• 5.2.1 成像系统的噪声
• 5.2.2 测量模型的原理性误差
• 5.2.3 旋转台的定位误差
• 5.2.4 离焦成像引起的边缘模糊
• 5.2.5 离焦成像引起的放大倍率变化
• 5.2.6 图像分割误差
• 5.2.7 破片迎风面积的总不确定度
• 5.3 本章小结
• 第六章 实验结果及分析
• 6.1 重复性实验
• 6.1.1 实验一测量结果
• 6.1.2 实验二测量结果
• 6.1.3 实验三测量结果
• 6.1.4 实验四测量结果
• 6.2 实验结果分析
• 6.2.1 实验一结果分析
• 6.2.2 实验二结果分析
• 6.2.3 实验三结果分析
• 6.2.4 实验四结果分析
• 6.2.5 实验结果汇总
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 下一步工作建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 致谢