一种测量枪口及枪机运动的高速摄影数据处理方法技术

本发明专利技术公开了一种测量枪口及枪机运动的高速摄影数据处理方法，首先剔除枪口及枪机处于静止状态下的原始位移‑时间信息以及处于运动状态下的原始位移‑时间曲线毛刺，将枪口及枪机运动过程中经过每一像素点上的第一个数据点作为有效数据点，其余作为无效数据点并剔除。通过对Akima算法中的波动权重进行重新改进，避免了枪口及枪机运动参数曲线畸形，实现了对无效数据点合理修复还原的目的，有效消除了数据跳变问题，提高了采用高速摄影系统对枪口及枪机运动参数的测试精度。

【技术实现步骤摘要】
一种测量枪口及枪机运动的高速摄影数据处理方法
本专利技术属于枪械运动特性测量
，具体涉及一种非接触式测量枪口及枪机运动的高速摄影数据处理方法。
技术介绍
高速摄影测量系统能够利用图像信息对测试目标实施非接触式测量，没有附加质量对目标运动的影响，具有测试精度高、重复性好、操作简单等特点，目前已被广泛应用于枪械、自行火炮、坦克和导弹等武器装备的测试试验中。在枪械运动特性测试试验中，通常需要对枪械的枪口和枪机在某一时间段内的位移、速度和加速度等运动参数进行高精度动态测量，为枪械动力学建模与优化设计奠定数据基础。在使用高速摄影测量系统对某型枪械的枪口和枪机实施运动特性测试时发现，在定义图像比例尺和跟踪点的基础上，从高速摄影测量结果中容易提取到枪口和枪机的位移-时间数据信息。为全面了解枪口和枪机的运动特性，还需要对位移-时间数据信息进行处理以获得速度-时间与加速度-时间数据信息。然而，利用位移-时间数据信息中相邻两个数据点的位移差除以时间间隔的方式获得速度-时间曲线会出现不同程度的“数据跳变”现象，如图1、图2所示。显然，这与枪械射击过程中枪口和枪机的实际运动规律并不相符。经研究发现，由于高速摄像机的分辨率有限，当其使用过高的帧率进行拍摄时，枪口或枪机的标记点有可能会在某一时间段内多次落在同一个像素点上，而像素点是组成图像的最小单位，具有不可分割性，因此测试系统将落在同一像素点上的枪口或枪机实际位置用该像素点的坐标值代替，这使得从测试系统直接导出的枪口或枪机时间-位移曲线呈现出大规模微小“阶梯”状，如图3所示，这是导致速度-时间和加速度-时间曲线出现“数据跳变”现象的直接原因。为了解决数据跳变问题，在以往的研究中通常采用等效匀变速运动还原、导数多点平滑和去噪等数据处理方式，但也无法有效消除“数据跳变”现象。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种测量枪口及枪机运动的高速摄影数据处理方法，通过识别枪口与枪机的位移-时间信息有效数据点，剔除无效数据点，并利用改进Akima算法修复无效数据点，有效消除数据跳变问题，成功还原枪口与枪机的运动状态，提高了高速摄影测量系统的系统精度。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种测量枪口及枪机运动的高速摄影数据处理方法，包括以下步骤：步骤1、获取枪口和枪机的原始位移-时间数据信息；步骤2、对原始时间-位移曲线进行预处理：剔除枪口及枪机处于静止状态下的位移-时间信息以及在运动状态下的位移-时间曲线毛刺；步骤3、将枪口及枪机标记点在运动过程中落在每个像素点中的第一个数据点作为有效数据点，其余作为无效数据点并剔除掉；步骤4、采用改进Akima算法对所剔除的无效数据点进行修复还原：首先对原始Akima波动权重进行重新改进，赋予斜率更接近零的一侧更多权重，并增加一个调整系数，以控制枪口及枪机的数据点间插值后曲线的过冲；利用改进后的Akima算法在两相邻有效数据点间生成分段三次多项式函数；将步骤3中剔除的无效数据点所对应的时间分量代入对应的分段三次多项式函数中，获得修复后的枪口及枪机的位移成分；步骤5、复原步骤2中剔除的枪口及枪机处于静止状态下的位移-时间信息；步骤6、对还原后的位移-时间曲线进行微分处理，获得标记点速度-时间曲线；步骤7、对步骤6获得的速度-时间曲线进行滤波，消除残余噪声，获得最终枪口及枪机的速度-时间曲线。综上，本专利技术所述的测量枪口及枪机运动高速摄影数据处理方法流程如图4所示。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：考虑到射击过程中枪口及枪机快速震荡的运动特性，对原始Akima算法中的波动权重进行了重新修正，有效控制了快速震荡数据点间插值后曲线的“过冲”现象，合理修复了枪口与枪机的运动状态，避免了枪口及枪机运动参数曲线畸形，有效消除了数据跳变问题，提高了采用高速摄影系统对枪口及枪机运动参数的测试精度。附图说明图1为对原始位移-时间曲线进行直接微分处理获得的枪口前后速度-时间曲线图；图2为对原始位移-时间曲线进行直接微分处理获得的枪机前后速度-时间曲线图；图3为枪口水平方向原始位移-时间曲线图；图4为数据处理方法流程图；图5为高速摄影测试现场示意图；图6为经步骤2处理后的枪口水平方向位移-时间曲线图；图7为经步骤3处理后的枪口水平方向位移-时间有效数据散点图；图8为波动权重调整参数a取不同值时的枪口位移-时间曲线修复效果对比图；图9为经步骤5处理后的枪口水平方向位移-时间曲线图；图10为经步骤6处理后的枪口水平方向速度-时间曲线；图11为经步骤7处理后的枪口水平方向速度-时间曲线；图12为多种算法对无效数据点进行修复的效果对比图；图13为采用导数多点平滑处理的枪口水平方向速度-时间曲线；图14为对“跳变”速度-时间曲线进行滤波获得的枪口水平方向速度-时间曲线；图15为经本专利技术所述的方法处理后的枪机水平方向速度-时间曲线。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的介绍。本专利技术所述的测量枪口与枪机运动的高速摄影数据处理方法包括以下步骤：步骤1：从高速摄影测量系统中获取枪口和枪机的原始位移-时间数据信息；试验前，将枪械固定在夹具上，同时将高速摄像机固定在三脚架上。在枪口和枪机测点的位置粘贴标记点，以便测试系统能够更好地捕捉与跟踪到枪口和枪机的运动。调节三角架高度使得高速摄像机镜头正对枪械上的枪口或者枪机标记点，如图5所示。为了确保标记点的运动轨迹分配到足够多的像素点，选用短焦距的镜头，使得镜头尽可能贴近标记点。高速摄影机的拍摄帧率选为4000帧/s。开始试验，不失一般性，进行枪械四连发射击，高速摄影机记录下四连发射击时标记点运动的全过程。试验后，将高速摄影机所记录下的视频导入配套的图像处理软件中，选择国际单位制为软件参考单位制，输入两标记点之间的实际距离，计算获得视频图像的测量比例尺。将枪口和枪机标记点定义为自动跟踪点并进行自动跟踪测量，得到标记点在不同时刻下的像素坐标值数据文件。步骤2：对原始时间-位移曲线进行预处理：剔除枪口和枪机处于静止状态下的位移-时间信息以及在运动状态下的位移-时间曲线“毛刺”；图3为从高速摄影测量系统中提取到的枪口前后方向原始位移-时间曲线。在四连发射击前和完全结束后，枪口处于静止状态，同时测量结果也显示此时枪口标记点没有产生任何位移，这与实际物理现象相符，因此无须对静止状态下的枪口位移-时间信息进行特别的数据处理。放大图3观察曲线可以发现，原始位移-时间曲线除了呈现出大规模微小“阶梯”状以外，还出现了各种类型的“毛刺”。经分析可知，这些“毛刺”的出现是由于当枪口标记点恰好位于两个相邻像素点之间时，测量系统跟踪不稳定所导致的。因此，根据步骤2剔除枪口处于静止状态下的位移-时间信息以及在运动状态下的位移-时间曲线“毛刺”，处理后的结果如图6所示。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量枪口及枪机运动的高速摄影数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、获取枪口和枪机的原始位移-时间数据信息；/n步骤2、对原始时间-位移曲线进行预处理：剔除枪口及枪机处于静止状态下的位移-时间信息以及在运动状态下的位移-时间曲线毛刺；/n步骤3、将枪口及枪机标记点在运动过程中落在每个像素点中的第一个数据点作为有效数据点，其余作为无效数据点并剔除掉；/n步骤4、采用改进Akima算法对所剔除的无效数据点进行修复还原：首先对原始Akima波动权重进行重新改进，赋予斜率更接近零的一侧更多权重，并增加一个调整系数，以控制枪口及枪机的数据点间插值后曲线的过冲；利用改进后的Akima算法在两相邻有效数据点间生成分段三次多项式函数；将步骤3中剔除的无效数据点所对应的时间分量代入对应的分段三次多项式函数中，获得修复后的枪口及枪机的位移成分；/n步骤5、复原步骤2中剔除的枪口及枪机处于静止状态下的位移-时间信息；/n步骤6、对还原后的位移-时间曲线进行微分处理，获得标记点速度-时间曲线；/n步骤7、对步骤6获得的速度-时间曲线进行滤波，消除残余噪声，获得最终枪口及枪机的速度-时间曲线。/n...

【技术特征摘要】
1.一种测量枪口及枪机运动的高速摄影数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取枪口和枪机的原始位移-时间数据信息；
步骤2、对原始时间-位移曲线进行预处理：剔除枪口及枪机处于静止状态下的位移-时间信息以及在运动状态下的位移-时间曲线毛刺；
步骤3、将枪口及枪机标记点在运动过程中落在每个像素点中的第一个数据点作为有效数据点，其余作为无效数据点并剔除掉；
步骤4、采用改进Akima算法对所剔除的无效数据点进行修复还原：首先对原始Akima波动权重进行重新改进，赋予斜率更接近零的一侧更多权重，并增加一个调整系数，以控制枪口及枪机的数据点间插值后曲线的过冲；利用改进后的Akima算法在两相邻有效数据点间生成分段三次多项式函数；将步骤3中剔除的无效数据点所对应的时间分量代入对应的分段三次多项式函数中，获得修复后的枪口及枪机的位移成分；
步骤5、复原步骤2中剔除的枪口及枪机处于静止状态下的位移-时间信息；
步骤6、对还原后的位移-时间曲线进行微分处理，获得标记点速度-时间曲线；
步骤7、对步骤6获得的速度-时间曲线进行滤波，消除残余噪声，获得最终枪口及枪机的速度-时间曲线。


2.根据权利要求1所述的测量枪口及枪机运动的高速摄影数据处理方法，其特征在于，步骤3剔除无效数据点，具体过程为：
(1)令位移-时间数据信息中的时刻为t1，t2，...，tm，与相应时刻对应的枪口或枪机标记点在枪管轴线方向上的像素点坐标值分别为x1，x2，...，xm；
(2)设t1，t2，...，tn时刻，标记点位于第一个像素点上，则xi＝x1，i＝2，3，...，n；n＜m；设tn+1，tn+2，...，tp时刻，标记点位于第二个像素点上，则xj＝xn+1，j＝n+2，n+3，...，p；n＜p＜m；设tq+1，tq+2，...，tm时刻，标记点位于运动过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：周克栋，丁钰刚，黄雪鹰，赫雷，王希阔，张俊斌，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32