基于图象处理的靶板穿孔面积计算方法

基于图象处理的靶板穿孔面积计算方法
安凯
【摘要】提出一种通过靶板的数字图像计算穿孔面积的方法;通过为靶板着色,或者为穿孔选择背景颜色,使图像中靶板穿孔部分和未穿孔部分的颜色灰度值和具有明
显的区别;拍摄靶板的图像,选择灰度平均值作为灰度阈值,并以是否超过此灰度阈值为条件判定靶板穿孔部分和未穿孔部分;计算靶板穿孔部分和整个靶板的像素总数
N和M,则靶板穿孔面积为NS/M等,其中S为靶板面积;仿真结果证明了方法的可
行性及其计算精度.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2014(022)010
【总页数】2页(P3413-3414)
【关键词】碎片云;穿孔;图像处理;面积
【作者】安凯
【作者单位】山东航天电子技术研究所,山东烟台 264670
【正文语种】中文
【中图分类】V411.8;V520.7
0 引言
在研究碎片云对靶板的撞击特性时，需要计算碎片云撞击下在靶板形成穿孔的面积，但由于穿孔的边缘往往是极不规则的，使穿孔面积的计算变得十分困难［1－3］。

此类研究中穿孔面积是撞击特性的一个重要的指标，如果穿孔面积的计算不准确，将严重影响对撞击特性的评价，因此精确地计算穿孔面积对准确评价碎片云和对靶板的撞击特性具有十分重要的意义［4－5］。

其实，不规则形状的面积计算具有广泛的应用领域。

如叶面积是一些作物栽培和育种实践中常用的指标，也是农作物的产量和品质的评价指标；皮革的形状也是不规则的“随意形”，准确测量皮革面积有益于对产品进行经济成本核算和改进生产工艺操作等；在医学检查中用于计算受伤皮肤的面积，计算鼓膜穿孔的面积等。

后者根据数字耳镜检测的数据，为临床修补鼓膜穿孔提供及时准确的数据，从而减少误诊［6－7］。

但鼓膜穿孔的形状以类圆形、不规则形、三角形、梭形和裂隙形为
多见，计算难度远低于碎片云撞击靶板形成穿孔的面积计算，因此一种能够精确计算碎片云在靶板上穿孔面积的方法，不仅可以用于碎片云对靶板的撞击特性的研究，也可以用于其它众多的领域。

为解决不规则形状物体面积的快速测量问题，文献［8］提出一种图像测量硬件系统，并利用数字图像处理的理论和方法开发了一套适合不规则形状物体面积测量的视窗工作软件系统，可以实现对待测物体面积的快速准确测量、数据的存储及可视化。

但文献［8］中提出的测量方法的不足之处是需要专门的测量设备，而设备一旦选定，测量的精度也随之确定。

对于靶板穿孔的测量，由于穿孔本身的尺寸可能小于平方毫米级，因此采用文献［8］中提出的测量方法不能满足如此高精度的测量需要。

本文将给出一种利用普通照相机拍摄的图像，通过图像处理方法计算不规则形状面积的方法。

该方法不需要专门的设备，可以根据测量精度的要求选择适当分辨率的照相机。

就普通的照相机而言，每个像素代表的实际面积可以达到1%平方毫米级。

1 靶板穿孔计算方法
碎片云撞击靶板形成穿孔如图1所示。

在照相机的像平面与靶板平行时，靶板与
其图像为相似形，因此只要实际测量出靶板的面积或者靶板上包含全部穿孔的部分面积，根据图像中穿孔像素个数占靶板或靶板上包含全部穿孔部分的像素个数的比例就可以计算出穿孔面积。

1.1 拍摄带穿孔的靶板图像
为保证图像中靶板穿孔部分和未穿孔部分颜色灰度值具有明显的区别，首先需要为靶板着色，或者选择背景颜色。

背景颜色确定之后穿孔部分的颜色与背景颜色一致，而与靶板（1）未穿孔部分颜色具有明显的区别，如图1所示。

靶板图像中，外缘部分为背景，其颜色灰度值与穿孔部分一致，与靶板未穿孔部分的灰度值有明显的区别。

以S表示靶板的面积，h1和h2分别表示图像中穿孔部
分和未穿孔部分颜色的灰度值。

由于图像拍摄过程中产生灰度值漂移，处于穿孔边缘附近的像素其灰度值既不是h1，也不是h2，为分割这些像素，定义灰度阈值
图1 靶板穿孔的示意图
1.2 靶板像素个数的计算
由于图像的外缘是背景，背景内部是靶板，靶板的内部是穿孔，而穿孔与背景的颜色相同，因此对于图像中每一行像素，计算靶板部分的像素只需确定背景过渡到靶板的像素的列号和靶板过渡到背景的像素的列号，二者之差即为该行中靶板所占像素个数；以M 表示靶板像素个数，n和m 分别表示靶板图像像素的行数和列数，i，j表示像素的当前行号和列号，hij表示相应像素的灰度值，“i⇐i＋1”表示i
的值加1作为i的新值。

若h1＜h2，计算程序如下：
1）i＝0，M＝0；
2）i⇐i＋1，I＝0；
3）j＝0；
4）j⇐j＋1，若hij＞h且I＝0，则B＝j，I＝1；
若hi（j－1）＞h且hij≤h，则E＝j；
若j＜m 返回4），否则M⇐M ＋E－B；
5）若i＜n返回2），否则输出M ；
若h1＞h2，只需要在上述程序中将比较hij和h 的不等式反向即可。

1.3 穿孔像素个数的计算
假定穿孔在像素（u，v），（u，w），（p，v），（p，w）所围的矩形之内，以N 表示穿孔像素个数，若h1＜h2，计算程序如下：
1）i＝u－1，N＝0.
2）i⇐i＋1.
3）j＝v－1
4）j⇐j＋1，若hij≤h，则N⇐N ＋1；
若j＜w 返回4）；
5）若i＜p 返回2）；
6）输出N ；
若h1＞h2，只需要在上述程序中将比较hij和h 的不等式反向即可。

1.4 靶板穿孔面积的计算
靶板穿孔面积与靶板面积的比应等于各自像素个数之比，因此靶板穿孔面积为。

2 仿真
一块12cm×9.6cm 纸片，上面撕一个不规则形的洞。

用照相机拍照后得到一个如图2所示的图像。

将图像导入Matlab软件中，得到一个598×482的灰度矩阵，且h1＝254，h2＝128，因此h＝191。

利用上述程序计算得穿孔像素个数N＝28 523，靶板像素个数：
M＝598×482＝288 236
而S＝12cm×9.6cm＝115.2cm2，因此穿孔的面积为：
图2 穿孔的图像
大量实验结果表明，当弹丸的某些参数（例如速度）发生微小变化时，靶板上穿孔面积的变化十分微弱。

如果面积测量不精确，面积的比较可能得出相反的结果。

采用本文中的方法，以仿真中的图像分辨率为例，纸片的面积为120 mm×9.6mm
＝11 520 mm2，其图像的像素个数为598×482＝288 236，因此每个像素代表
的实际面积竟达到0.04mm2！
可能出现误差的像素是那些位于图形边界上的像素。

误差的大小还与灰度阈值的选取有关。

3 结论
目前照相机的分辨率可以达到数百万，甚至上千万，采用本文中的方法测量靶板穿孔面积可以达到十分理想的效果。

采用本文中的方法测量不规则形的面积，不仅不需要专门的设备，测量的精度也可以随照相机分辨率的提高而提高。

【相关文献】
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［9］安凯 .一种靶板穿孔面积的计算方法［P］.中国专利：201410105345.3，2014－03－14.。