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基于装备三维模型的数码迷彩图案设计研究

2020-07-04 301 上传者：管理员

摘要：数码迷彩设计是实现伪装效果的主要关键环节，面向自动涂装作业的迷彩设计是发展趋势与研究热点。通过目标建模方法构建装备四边形三维网格模型，基于分形布朗模型的迷彩生成方法得到装备目标最小外接矩形体五面展开数码迷彩图案;运用最小法矢角纹理映射方法实现二维、三维迷彩图案转换;基于开放图形库和微软基础类库实现的人工交互功能模块，完成图案优化修改。仿真验证与喷涂试验结果表明:输出的数码迷彩图案符合背景特征，草原、荒漠、林地、丛林背景的平均灰度对比和纹理相似度分别为0.18、0.45，且满足自动涂装作业输入要求。

关键词：
三维模型
军事工程
图案设计
数码迷彩
自动涂装作业
迷彩伪装
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引言

迷彩是机动装备伪装的基本措施之一，主要通过在目标表面设置涂层或贴片来分割目标外形，减小目标与背景在亮度、颜色、纹理等光学特性上的差别，降低各类探测系统对目标的发现和识别概率，从而有效提升武器装备战场生存能力[1,2]。数码迷彩是近年发展起来的迷彩伪装新技术，综合运用人类视觉特性和计算机图像处理技术，通过“马赛克”化的斑点组合模拟自然背景的斑驳特性，是实现装备迷彩伪装实效化、精确化、智能化的有效途径[3]。

数码迷彩设计是实施迷彩伪装的重要环节，直接关系装备目标最终达到的伪装效果。目前，数码迷彩设计主要有两种方式:一是由专业技术人员借助计算机辅助设计(CAD)软件在装备二维外形图纸上开展设计，设计周期长、误差大，不适合自动化涂装，难以实现装备迷彩图案多样性;二是运用随机场分布算法[4]、小波重构算法[5]、分形算法[6]或等周理论[7]等方法自动生成二维数码迷彩图案，该类方法自动化程度较高，有较好的理论依据，但设计输出为二维平面图案，与装备自动化涂装要求尚有差距。

当前，综合集成计算机、自动控制、机器人等技术发展迷彩自动化精确喷涂作业装备，已成为国内外研究热点[8,9,10]，迷彩图案设计也需顺应趋势、有所发展。本文针对现有数码迷彩设计方法存在的不足，提出了一种基于装备三维模型构建和迷彩图案自动生成的数码迷彩图案设计方法，其设计输出可直接用于指导喷涂规划等自动喷涂作业流程，为数码迷彩自动化喷涂装备发展奠定技术基础。

1、目标建模

目标建模是开展三维数码迷彩设计的基础，其目的是对数据采集模块获取的装备目标点云数据进行处理，输出符合数码迷彩设计要求的三维规则四边形网格模型。目标建模流程如图1所示。

图1目标建模流程

具体步骤[11]为:

步骤1采用标准高斯滤波的数据平滑方法，对点云数据进行平滑去噪处理。

步骤2运用盒边长为1cm的最小包围盒划分点云数据，通过加权平均法计算获取每一个包围盒中的代表点，如(1)式:

公式1

式中:i、j、k分别表示空间长、宽、高3个方向的序列数;Si,j,k表示第i、j、k个包围盒内的点云数据集合;n表示点集Si,j,k中数据点的个数;vmid表示包围盒的几何中心坐标;vp表示Si,j,k中数据点坐标;dis()表示取两点间距离，本文采用欧式距离。

步骤3连接相邻包围盒的代表点，形成多边形网格。此处包围盒相邻包括面相邻和边相邻两种情况，代表点连接时按照先面相邻和边相邻的优先级顺序。

步骤4将步骤3得到的小尺寸网格通过区域生长法合并为10cm边长的大尺寸网格。

步骤5采用统一的面片数据结构封装四边形网格的顶点坐标、法向量等信息。

步骤6网格模型输出采用多边形文本存储标准格式(PLY格式)。

2、三维数码迷彩图案生成

三维空间任意物体可以通过其前视、后视、左视、右视、俯视5个正投影面进行表述，反之亦然。根据此事实，本文采用一种基于最小法矢角的纹理映射法实现二维数码迷彩图案向三维目标表面数码迷彩图案的转换，流程如图2所示。具体步骤为:

步骤1导入PLY格式的目标三维网格模型。

步骤2由目标网格模型计算获取目标最小外接矩形体，并将目标网格按照实际空间关系分别对应至目标前、后、左、右、俯5个视面。

步骤3根据装备最小外接矩形体，计算得到其五面展开图的最小外包络矩形尺寸，尺寸为(a+2b)×(2b+c)，如图3所示。

步骤4采用基于分形布朗模型的数码迷彩图案生成算法(DSH算法)生成尺寸为(a+2b)×(2b+c)的二维数码迷彩图案，算法流程[6]如图4所示。

步骤4.1依据预设的侦察分辨率，对背景图像进行灰度化，生成灰度图Gray并低分辨化处理，提取图像纹理特征Hurst系数、亮度平均值Graya和亮度方差Grayv.

步骤4.2将背景图像颜色转化至Lab颜色空间，采用模糊c均值聚类算法提取得到背景主色及其面积比例。

步骤4.3运用钻石-菱形算法生成纹理。

图2三维迷彩图案生成方法

图3最小外接矩形体示意

步骤4.4根据背景主色及面积比例及其与纹理亮度对应关系，完成纹理图像赋色，生成得到数码迷彩图案。

步骤5采取最小法矢角法进行二维、三维图案映射。

步骤5.1计算得到模型各面片的法向矢量，定义面片朝外的方向为法向方向。

步骤5.2计算面片法向矢量同装备前、后、左、右、顶5个视面法向矢量的夹角，将面片对应夹角最小的视面。

步骤5.3计算得到模型各面片的中心点坐标。

步骤5.4根据模型面片中心点坐标，投影得到各面片在五视面的对应位置，以此建立模型面片和二维数码迷彩图案基本单元间的映射关系。

步骤5.5根据建立的映射关系，完成三维模型面片的伪装色赋色。

图4DSH数码迷彩生成算法流程

步骤6以PLY格式输出三维数码迷彩图案模型。

3、三维数码迷彩图案优化

由于在二维迷彩图案生成时没有考虑装备凹凸、拐角等外形特征，为了进一步提高设计图案伪装效果，在实际操作中需要对自动生成的图案进行优化修改。为此，本文基于微软基础类库(MFC)和开放图形库(OpenGL)开发了3个功能模块，以实现对三维数码迷彩图案的人工交互修改与优化设计。其中，功能模块1用于通过鼠标选取单个网格面片，如图5所示。具体步骤为:

步骤1获取鼠标点的Window视窗坐标，根据Window视窗坐标与OpenGL坐标系的关系，计算得到鼠标点在OpenGL坐标系下的坐标值。

步骤2运用gluUnProject函数得到拣选射线OP与OpenGL场景平截头体远截面、近截面的交点Y、J的世界坐标点[12]。拣选射线、OpenGL场景平截头体和OpenGL视窗的关系如图6所示。

步骤3由J、Y确定得到选拣射线方程，遍历模型网格面片，计算选拣射线与网格面片所在平面的交点;考虑网格面片中存在空间四边形的情况，将面片分为两个三角形，并通过面积法判断交点是否在网格面片内，由此得到与选拣射线相交的网格面片[13]。由于很多时候与选拣射线相交的网格面片不止一个，通过比较面片法矢量与选拣射线的夹角，选取得到面朝视点的网格面片。

图5鼠标选取单个网格面片

图6拣选射线、OpenGL场景平截头体和OpenGL视窗的关系

功能模块2用于同色网格面片区域生长，流程如图7所示。具体步骤为:

步骤1新建面片链表用来存储生长得到的面片，将当前面片存入所选面片链表。

图7同色网格面片区域生长

步骤2若当前面片存在邻接面片，则转步骤3，否则算法结束。

步骤3读取一个邻接面片，若其颜色与当前面片相同，则将该邻接面片存入所选面片链表。遍历邻接面片后算法结束。

功能模块3用于通过鼠标选取斑点，流程如图8所示。具体步骤为:

图8鼠标选取单个斑点

步骤1获取鼠标点坐标，由功能模块1得到所选面片，并设为当前面片，存入所选面片链表。

步骤2若当前面片存在邻接面片，则转步骤3，否则算法结束。

步骤3读取一个邻接面片，若该邻接面片与当前面片颜色一致，则将其存入所选面片链表，设为当前面片后调用功能模块2;否则读取下一个邻接面片，执行步骤3.

4、设计实例

本文算法测试环境:IntelCore(TM)i7-4800MQCPU笔记本电脑，8GB内存，Windows7×64、Visualstudio2010、OpenGL和OpenCv．测试目标为某型坦克1∶1模型，目标点云数据通过基于CamCube3.0深度相机和ABBIRB5400-14喷涂机器人搭建的采集装置获取[8]。目标三维数码迷彩图案设计主要流程如图9所示。

图9三维数码迷彩图案设计主要流程

由点云数据建模得到目标网格模型，如图10、图11所示。提取背景特征参数后，依据目标尺寸生成五面展开数码迷彩图案，采用二维、三维映射方式完成三维数码迷彩图案模型生成。

对于自动生成图案在目标交界面处的斑点搭接缺陷，采用人工交互方式进行优化修改。如图12所示，目标右侧裙板中前部同上侧面交界处的绿色斑点无顺延衔接(图12(a)中红圈标注)，不符合迷彩设计原则，通过优化设计功能，在相应位置增加了绿色斑点。

图13、图14、图15、图16分别是针对草原、荒漠、林地、丛林等不同背景类型设计得到的三维数码迷彩图案。

图10目标点云数据

图11目标网格模型

采用平均灰度对比K和纹理相似度S[14]对生成三维图案的前、后、左、右、顶5个不同视面与背景图案进行纹理相似度计算，以此作为伪装效果的评价:

公式2

公式3

式中:Lat、Lab分别为目标迷彩图案和背景图案的平均灰度值;atij、abij分别为目标迷彩图案和背景图案的灰度共生矩阵值。K越小、S越大，表示迷彩图案同背景越相似。荒漠型、林地型和丛林型迷彩图案同相应背景图案的纹理相似度计算结果如表1、表2、表3所示。由于每次生成的三维图案具有随机性，计算时取10次生成结果的平均值。

表1荒漠型数码迷彩伪装效果

图12图案修改优化

表2林地型数码迷彩伪装效果

表3丛林型数码迷彩伪装效果

图13草原型数码迷彩设计结果

图14荒漠型数码迷彩设计结果

图15林地型数码迷彩设计结果

图16丛林型数码迷彩设计结果

从上述设计过程和结果可以看出，运用本文方法，可以根据不同背景图像数据，结合装备三维外形信息，自动生成符合背景特征的三维数码迷彩图案，并可以方便地进行修改优化。由于得到的三维数码迷彩图案本质上是带有颜色信息的网格模型数据(PLY格式)，设计输出结果满足构建的自动喷涂作业系统[8]数据接口要求，可以直接用于解析与指导自动喷涂指令生成等后续作业流程。

5、结论

本文提出了一种面向自动涂装作业的机动装备三维数码迷彩设计方法。首先通过目标建模方法构建目标四边形三维网格模型，然后采用DSH算法生成目标五面展开数码迷彩图案，之后运用最小法矢纹理映射的方法实现二维、三维迷彩图案转化，最后通过基于OpenGL和MFC的交互功能模块进行图案优化修改，最终完成符合背景特征的三维数码迷彩图案设计。今后进一步开展工作的方向包括:1)生成目标五面展开图时，考虑前后视图与左右视图交界面的斑点衔接问题，以满足伪装图案设计原则中关于交界面斑点需具有延续性的要求;2)探索考虑目标外形特征的迷彩斑点生成方法，以满足伪装图案设计原则中关于目标凹凸部位亮暗斑点的配置原则。

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