应用数字图像技术测量炮口火焰的方法研究

范文涛，赵宏立，靳建伟，赵宝明，刘来东，张　衡，商　飞

(1.海装西安局，陕西西安710068；2.西安近代化学研究所，陕西西安710065;

3.南京理工大学，江苏南京200014)



应用数字图像技术测量炮口火焰的方法研究

范文涛1，赵宏立2，靳建伟2，赵宝明2，刘来东2，张衡2，商飞3

(1.海装西安局，陕西西安710068；2.西安近代化学研究所，陕西西安710065;

3.南京理工大学，江苏南京200014)

摘要：用高速数字图像技术获得炮口火焰序列照片，采用图像叠加、图像彩色-灰度转换和自适应大津阈值分割等图像综合处理方法，得到火焰面积、火焰周长、火焰最大直径、火焰平均直径、火焰平均光密度(实际为灰度值)以及火焰持续时间等炮口火焰的特性参数。采用该方法对130mm和30mm口径火炮的炮口火焰进行了测试，结果表明，该方法可以量化表征炮口火焰的特征，测量结果稳定性好。

关键词：应用化学；炮口火焰；数字图像技术；发射药；火焰面积；光密度；火焰持续时间

引言

炮口火焰是身管武器发射时发射装药燃烧后从炮口喷射到空气中的高压、高温反应气体所产生的非稳态特殊气流现象，这种特殊的气流使流场内的不同区域引发强烈的辐射，形成炮口火焰现象[1-2]。强烈的炮口火焰能使人瞬间致盲，影响瞄准，降低打击精度，甚至使制导系统无法跟踪目标，还会暴露位置、遭受敌方打击等不利因素。因此，合理地抑制和消除炮口火焰是发射药装药设计关键技术。

国内外对炮口火焰的测试方法较多，早期有B门照相法、转鼓摄影法等[3]。随着科学技术的发展，出现了光谱测量法、红外测量法、高速摄像仪法等。光谱测量法可以测量火焰温度、气流速度以及火焰辐射特性等，主要用于研究火焰的产生机理。红外测量法[4-6]可以测量火焰温度的变化过程，测量结果准确，但不能得到可见的火焰几何特征。高速摄像仪法[7]利用高速数字图像采集与处理技术计算可见火焰的几何参数及火焰变化过程，是目前已工程化应用的方法，但是由于火焰图像处理方法的不同，会对测量结果的准确性有一定的影响。

本研究应用高速数字图像技术获得炮口火焰序列照片，采用火焰图像的综合处理方法，对炮口火焰进行分析计算，获得一系列可量化表征的特性参数，以期为测量炮口火焰提供一种新的方法。

1实验

1.1测试方法

在规定条件及取样空间内，利用高速数字摄像仪拍摄火炮出口的火焰序列照片，采用照片序列叠加以及专用图像分析处理方法对图像进行分析、处理，通过标尺标定，得到炮口火焰面积(火焰叠加最大面积)、周长、最大直径、平均直径、平均光密度(实际为灰度值)和3D光密度图等火焰的状态特征和持续时间。

1.2测试仪器

测试平台：30mm弹道炮和130mm弹道炮；高速数字摄像仪：拍摄速度1000幅/s，光圈2.8；数据采集处理仪：Dalsa X64 Xcelera-C采集卡；图像采集与记录软件。

1.3火焰图像的处理

将拍摄的炮口火焰视频采用如图1所示处理软件进行图像分析、处理，最终得到炮口火焰的各种参量在像素单位上的测量结果，结合图像标尺标定的数据，计算得出炮口火焰的物理特征。

软件处理的基本流程为：(1)读取由高速摄像仪拍摄的包含炮口火焰传播过程的视频文件；(2)将视频文件逐帧分解叠加，再经过图像合成、分割转换，形成炮口火焰的二值图像；(3)将二值图像提取为炮口火焰轮廓图像，根据轮廓图像提取结果，计算炮口火焰的几何特性参数。

图1　炮口火焰测试软件流程图Fig.1　Flow chart of the gun muzzle flame test software

(1)图像的叠加与转换

图像叠加、转换分为图像叠加和图像彩色-灰度转换两个步骤。通过各帧图像的叠加获得炮口火焰的合成图像，用来表征火焰的总体传播状态。图像转换的目的是将彩色图像转换为灰度图像，使得处理过程不再受饱和度、色度干扰的影响。

图像叠加、转换模块流程如图2所示。首先依次读取各帧图像，通过图像叠加获得炮口焰的彩色合成图像SynImage。为了便于提取炮口火焰的区域，彩色合成图像SynImage被转换为灰度图像GrayImage，通常转换之后的灰度图像中炮口火焰区域与背景区域之间的对比度相差不大，因此需要经过灰度图像增强算法亮化炮口火焰区域，淡化背景区域。图像增强之后，使用灰度图像滤波(包括高斯滤波、形态学滤波等)进一步滤除图像中的噪声。

图2　图像叠加、转换模块流程图Fig.2　Module flow chart of image superpositionand transformation

(2)火焰图像分割

炮口火焰图像分割模块目的是将炮口火焰与背景分割开来。通过灰度直方图得到相对清晰的分割阈值。为了保证图像分割的正确性，采用自适应的大津阈值分割方法。自适应的分割阈值g分割出的炮口火焰和背景两部分构成了整幅图像，分割阈值g的计算公式为：

g=ArgMax[ω0(t)(μ0(t)-μ2)+ω1(t)(μ1(t)-μ)2]

(1)

式中：μ0(t)为炮口火焰区域均值；ω0(t)为炮口火焰区域概率；μ1(t)为背景均值；ω1(t)为背景区域概率；μ为总均值；L为图像灰度级；t为灰度值；方括号内为类间方差值。

因为方差是灰度分布均匀性的一种度量，方差值越大，说明构成图像的两部分差别越大，当部分炮口火焰区域错分为背景，或部分背景错分为炮口焰时，都会导致两部分差别变小，因此使类间方差最大的分割意味着错分概率最小。让g在0~L-1区间内依次取值，最终类间方差为最大的g，即为阈值分割点。

2结果与分析

2.1130mm口径火炮炮口火焰测试数据的处理

某装药条件下130mm口径火炮炮口火焰照片序列如图3所示，采用上述处理方法对拍摄的火焰图像进行分析，得到如图4所示的各阶段图像，同时获得了表1所示的火焰面积、周长、最大直径、平均直径、平均光密度数值。

图3　130mm口径火炮炮口火焰照片序列Fig.3　The muzzle flame series photographs of130mm caliber gun

图4　130mm口径火炮炮口火焰处理后的各阶段图像Fig.4　Photographs in various stages after treating themuzzle flame of 130mm caliber gun

S/m2l/mDmax/mD/mρ38.7729.248.677.41171.07

注：S为火焰面积；l为火焰周长;Dmax为火焰最大直径；D为火焰平均直径；ρ为平均光密度。

2.2炮口火焰测试结果的重复性

在30mm口径火炮和130mm口径火炮上采用特定的发射药装药进行射击实验，用本研究的方法进行炮口火焰测量和软件处理，表2为在同种装药条件下30mm口径火炮和同种装药条件下130mm口径火炮炮口火焰的测试结果。

表2　30mm和130mm口径火炮炮口火焰测试结果

从表2数据和图2可以看出，在相同的试验条件下，本研究的方法可以用于评价30mm和130mm口径火炮炮口火焰，且结果一致性较好。

3结论

(1)用数字高速摄像仪获得炮口火焰序列照片，采用图像叠加、图像彩色-灰度转换和自适应的大津阈值分割等图像综合处理方法，编制出专用火焰图像处理软件，得到某装药条件下130mm口径火炮的火焰面积为38.77m2、火焰周长为29.24m、火焰最大直径为8.67m、火焰平均直径为7.41m、火焰平均光密度(实际为灰度值)为171.07、火焰持续时间为61.6ms等多种火焰特征参量。

(2)进行了130mm和30mm口径火炮及不同装药的实验验证，结果表明该方法操作简单，测量结果的重复性好，可用于其他火炮及发射药装药的火焰特性研究。

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Study on the Method of Testing the Gun Muzzle Flame by Digital Image Technique

FAN Wen-tao1，ZHAO Hong-li2，JIN Jian-wei2，ZHAO Bao-ming2，LIU Lai-dong2，

ZHANG Heng2，SHANG Fei3

(1. Equipment Department of the Navy Bureau of Xi′an, Xi′an 710068, China； 2. Xi′an Modern Chemistry Research

Institute, Xi′an 710065, China；3. Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210014，China)

Abstract:The high-speed digital image technology was applied to obtain the flame series photographs of muzzle export. The characteristic parameters of gun muzzle flame, including flame area, perimeter, maximum diameter, average diameter, average optical density (actually the gray value) and flash duration were obtained by image synthesis processing method including image superposition, image color-gray transformation and adaptive Otsu threshold segmentation etc. The muzzle flames of 130mm and 30mm caliber gun were measured by this method. Results show that the method can characterize the feature of muzzle flame quantitatively and has good stability for measurement results.

Keywords:applied chemistry; muzzle flame; digital image technique; gun propellant; flame area; optical density; flash duration

通讯作者:赵宏立(1972-)，男，研究员，从事火药性能与检测技术研究。

作者简介:范文涛(1980-)，男，工程师，从事武器系统与应用管理研究。

基金项目:国家基础产品创新科研项目

收稿日期:2014-07-09；修回日期:2014-11-01

中图分类号：TJ55; O69

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2015)01-0087-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.01.020