机械视觉及其在军事上的应用探索.docx

1、机械视觉及其在军事上的应用探索机械视觉及其在军事上的应用探索第22卷第4期2003年8月工兵装备研究EngineerEquipmentResearch机器视觉及其在军事上的应用探索阮宝牙牛1,刘记军,韩曼曼,程建辉(1.解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007;2.上海荣文专业照明有限公司,上海200040)摘要:概述了机器视觉技术的原理,重点阐述了其发展和应用现状,并分析了机器视觉技术在国防科学技术中的可瞻性应用前景,为将机器视觉技术尽早,高效,广泛地应用于军事上做了探索.关键词:机器视觉;军事应用;应用前景;侦察技术中图分类号:文献标识码:AMachineVisionandits

2、ApplicationinMilitaryAffairsRUANBaoke,LIUJijun,HANManman.,CHENGJianhui,.&Tech.,Nanjing210007,China;.,Shanghai200040,China)Abstract:Thepapersummarizestheprincipleofmachinevision,emphasesitspresentdevelopmentandapplicationconditions,probeshavebeendoneinordertowidelyusethemachinevisiontechnologyinm

3、ilitaryaffairssoonerandmoreefficiently.Keywords:machinevision;militaryapplication;applicationprospect;reconnaissancetechnique机器视觉又称计算机视觉,是指由人类设计并在计算机环境下实现的模拟或再现与人类视觉有关的某些智能行为的技术.机器视觉是多学科的交叉,它涉及计算机,数学,光学,心理学,物理学及信号处理等学科.研究机器视觉的目的是要实现对人类视觉的模拟和延伸.简而言之,对模拟高等动物的视觉而言,完成对物体的形状和类别的识别是最重要的,机器视觉处理的原始信息多数是图像,因

4、此,该领域又和图像处理和模式识别有着十分密切的联系.机器视觉目前已经广泛的应用于各个领域.机器视觉的特点是自动化,客观,非接触和高精度,与一般意义上的图像处理系统相比,机器视觉强调的是速度和精度,以及工业环境下的可靠性.1机器视觉技术一般的机器视觉系统是由CCD摄像机,装备有图像采集板的计算机,光照系统以及专门的图像处理软件等组成的.CCD摄像机可以将所要识别的作业对象(或者目标)和背景以图像的形式记录下来,它实际上是一个光电传感器,将反映目标和对象的光学信号转变为电信号.图像采集板可以将CCD摄像机采集的电信号转变为数字信号图像数字化,供计算机进行特定的处理.处理完毕的数字信号需要转变成视频

5、信号,由显示器显示.如果配备有控制系统,处理的结果还需经图像采集板输出端输出,以控制相应的执行机构.光照系统为图像采集提供合适的照明,以利于后续图像的处理和分析.专用图像处理软件完成对图像的处理和分析.图像处理是一系列增强图像质量的操作,其目的在于抑制或消除在图像生成,传输和变换过程中由于摄像器材,随机噪声等对图像的不利影响.图像分析是识别研究对象并提取一系列数据的过程.收稿日期:2003-Ol-06作者简介:阮宝科(1979一),男,山西平遥人,硕士生,主要从事机电一体化技术研究.44工兵装备研究第22卷2机器视觉的发展和应用现状目前,随着国内外对机器视觉研究的逐步深入,尤其是在计算机技术和

6、数字图像处理技术不断发展的促进下,机器视觉在工农业生产,大型商场管理,智能自动化技术,检测和测量等领域都得到了广泛的应用.国际上还开发了专门用于机器视觉的软件DTVisionFoundry(DTVF).这些技术的发展使机器视觉在国防科技中诸如遥控测量,精密测量,重点场所的监视报警,智能自动化侦察装备等方面进行推广成为可能,并有着极其诱人的前景.工农产品检测技术利用机器视觉技术对工农产品进行非接触精确检测,可以达到两个目的.其一,测量一些用别的方法无法测量的产品重要指标.例如:通过检测果梗内部品质判断作物的长势,有否病虫害,是否缺水缺肥;精确的检测水果的果形(尺寸和外形),水果表面的损伤面积并估

7、计其损伤程度;通过对水果的内部品质检测获得其成熟度;种子质量的检测等.其二,基于视觉检测的自动化和智能化,将检测用于生产线,提高生产效率.例如,在电视机显像管的生产中,利用机器视觉光学测量的本质,通过边缘确定方法,判断产品的质量是否合格.机器视觉用于检测避免了人类检测时的主观情绪影响,准确而高效,实现了人类自身无法检测到的许多重要产品性能指标,继而完成对产品的准确分类.智能化车辆和农业机械机器视觉比较有效地解决了智能车辆1的关键技术难题导航技术,采用完全意义上的”视觉技术”,模拟人的视觉原理来识别道路或者采用标识线识别法,即”有线式”视觉导航.智能农业机械可以通过机器视觉系统动态地检测作物的生

8、长和病虫害状况,从而自动的控制施肥和喷洒农药的时机和施肥量.视频监视报警系统在安保,交通,工业,楼宇等方面视频监视报警系统都有着广泛应用,机器视觉用于视觉监视系统克服了人类容易疲劳和运用长时间录像成本过高的弱点,自动捕获图像,自动分析,并对特定位置的物理特性与标准进行比对.此系统在军事上诸如武器库,保密室,重点办公场所,会议室,作战指挥场所等有着极广泛的应用前景.此系统的研究着重于推进其智能化和微型化.遥控测量和精确测量非接触的光学测量,避免了接触测量时由于被测物表面变形和测量头半径所引起的误差.在遥控测量方面采用三角法测量原理设计的距离测量光路,基于平面等倾干涉原理的机器视觉高精度平面度测量

9、系统,基于Hough变换将图像的空间域变换成参数空间,并据边界点绘制曲线等.在精确测量方面,利用边缘跟踪的方法来获取工件的边缘轮廓,再利用高精度的边缘提取算法,确定工件的边缘轮廓曲线,这一曲线从微观上看是一系列离散的点,它们精确的再现了工件的实际轮廓,提高了测量精度.机器人视觉系统机器视觉技术应用在机器人的视觉系统中,通过CCD摄像机摄像,并经过复杂的算法完成对图像的处理和识别,控制执行装置采用相应的行为动作.目前,机器人视觉系统设计受面向目的思想的影响,功能单一,获得的数据不能与其他数据进行比较和测试,可靠性差.在机器人的视觉研究中,由于其所涉及的识别难度差异比较大,所以,其研究指导思想是依

10、据视觉层次对视觉系统设计采用分层次研究,将机器人视觉实现模块化设计,使其层次分明,增加主动视觉指导功能,提高开放性,实现方便地增减传感器和软件,提供更智能化的人一机视觉接口功能.3机器视觉技术在军事上应用前景侦察领域基于光学测量原理3,开发非接触微型机器视觉精确测量装置,用于军事侦察.图1是一般的光学设计图,倾斜相机和成像光轴,使激光扫描面和其光轴的夹角大于0,通常其变化范围为3O.6O.这种设计使光线被遮挡的程度大大减少,但是不满足scheimpflug条件,并且激光点和其在CCD面阵上的像点并不存在线性关系.为了获得这种线性关系,并且尽可能地满足scheimpflug条件(当激光面和光轴的

11、夹角等于0时满足scheimpflug条件),采用如图2所示的通用光路设计计算图进行设计和计算.第4期阮宝科,等:机器视觉及其在军事上的应用探索45激光源图1一般的光学设计图R肿心一R图2通用视觉光路设计图智能车辆技术用于军事装备智能车辆1视觉系统,方法一,采用远景视野导航,以曲线模型为其车道拟合模型;方法二,采用近视野导航,以线性模型拟合车道.国内研究都为方法二,利用一阶差分算子和倾斜抽样策略对拟合算法进行改进,排除光的强弱,树影及其移动等户外光照下的影响.机器视觉技术可能有效地解决了智能车辆的关键技术难题导航技术,目前该领域有两个研究方向,一是完全意义上的”视觉技术”,它能模拟人的视觉原理

12、来识别道路.其实现方法是在智能车辆上装两台或多台摄像机,进行图象的3D处理,然后根据一定的算法识别前方的道路,从而实现自动导航.另一种研究方向是标识线识别法,即”有线式”视觉导航.它根据路面或者路边的明显路径标识线,通过车载CCD摄像机摄取路面图像,经车载计算机处理识别出标识线,通过控制转向系统使实际行使路线在允许的偏差范围内.配备智能车辆视觉系统的军事装备可以被广泛利用于以下两个方面:第一,研究可以从事高风险作业,如雷区的勘察和排雷的专用智能机械,实现无人驾驶,减少战时损失;第二,开发微型智能化侦察车,或者侦察用微型飞行物,进入敌方机密场所和其它人类难以直接进入的作业地获取资料,以完成侦察任

13、务.将机器视觉技术应用到军用装备,可以针对其技术难题导航技术,在以下两方面进行深入研究:(1)探索完全意义上的”视觉技术”,此技术的关键问题:一是提高图像3D处理的功能,开发更好的图像处理软件;二是增加用于识别道路的算法的准确性和计算精度,可以致力于这种算法的理论研究,并将成熟的理论程序化.(2)通过对智能车辆获得的图像进行滤波,边缘处理等,更好地解决图像畸变矫正,减小方位偏差角货物偏测距离,建立比较完善的导航参数库.安全保卫系统机器视觉检测拥有最大的优先级,自动定时发送切换命令,将摄像机的视频信号切换过来;发送控制命令,将摄像机运行到预置位;通过MCI命令捕获图像,自动存为BMP格式;自动分

14、析图像,判定是否警告,并将警告信息存储,然后以其他方式通知管理者.机器视觉技术在视频监视报警系统中的应用可以自然地延伸到军事场合.众所周知,对于部队而言,保密和安全工作重于泰山,尤其是在一些诸如武器库,保密室,档案室,高级领导办公室,作战指挥室等地方.采用机器视觉技术支持的视频监视系统作为安全措施可以实现低成本,高效率,智能化防护!这方面在市场上已经有许多成熟的产品,可以直接选择改进,使系统更趋微型化,提高智能化,在保证其可靠性的前提下,扩展作业范围(譬如不受天气状况,温度,湿度等影响).4结束语本文叙述了机器视觉的原理和在多个领域中的应用.在此基础上,重点探索了机器视觉在军事上的应用前景并提

15、出了进行军事运用研究的方向,对于全面了解机器视觉技术及其在军事领域中的应用有一定的指导意义.参考文献:1王荣本.基于线性模型的导航路径图象检测算法研究J3.公路交通科技,2001,(4):1416.23郑南宁.计算机视觉和模式识别M.北京:国防工业出版社,1998.33阳道善.线机构激光一机器视觉三角测量光路设计46工兵装备研究第22卷EJ3.光学技术,2001,(6):30-32.E4张培忠.机器视觉在检测告警中的作用J.电视应用,2000,(5):l7一l8.E53应义斌.水果图象的背景切割和边缘检测技术研究EJ3.浙江大学(农业和社会科学版)2000,26(1),3537.M.北京:清华

16、大学出版社,1998.7MotionRecoveryinVehiclePlanarNavigation-J.PaternRecognition,1999,(8)l12115.IEEEInternationalConferenceonInterlligentVehicles.】998.9thescalefactorandimagecenterforhighaccuracy3-DmachinevisionmetrologyJ.PAMI,1988,10(5):713720.Elo3SuXianyu,SuLikun,profilometrybasedonmodulationmeasurement.Pr

17、ocEM.SPIE,1998,3558:I-7.11DelwieheMJ,TangS,detectionbylinescanimagingJ.Transofthe,33(3):950954.12loopSearchmethodforonlineautomaticcalibrationsofmuticamerainspectionsystemsEJ.,41(5):】5491555.工兵装备研究征订启事工兵装备研究是经中国人民解放军总政治部和国家新闻出版总署批准,具有国内统一刊号(cN321584/TJ),在军内外具有一定知名度的综合性学术刊物,同时也是中国兵工学会工程装备专业委员会的会刊.它由总

18、装工程兵科研一所主办,主要刊载渡河与桥梁,工程机械与电工,伪装与模拟,地雷与爆破,探雷与工程侦察,野战给水等工程装备领域中的发展研究,应用研究,设计计算,试验分析,测试技术,装备运用,科研管理,质量管理,标准化与计量,可靠性与维修性,装备保障,外军研究等方面的优秀论文,研究报告和综合评述,内容丰富,学术性强,有较大的理论和实用价值.工兵装备研究以从事工程装备论证,研究,设计,试验,生产,验收,教学,训练,使用,管理,维护等科技人员,装备管理与使用人员,部队指挥人员,高等院校师生等为主要阅读对象.工兵装备研究为双月刊,每期64页,定价8元,全年55元(含邮费).订阅办法:凡需订阅的单位,可与本编辑部联系,索取征订单;也可从邮局直接汇款到本编辑部.联系地址及电话如下:江苏省无锡市通惠西路160号工兵装备研究编辑部,联系人:熊万奎.邮政编码:214035.电话:0557272(地方线),051357272(军线).