專利名稱：一種軍用救生衣對人體的水中姿態(tài)控制測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軍用救生衣對人體的水中姿態(tài)控制測試系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)可迅速、準(zhǔn)確測量人體著各品種救生衣在水中的準(zhǔn)靜態(tài)姿態(tài)參數(shù)及相關(guān)參數(shù)隨時間的歷程，包括穩(wěn)態(tài)漂浮角、口出水高度、翻轉(zhuǎn)時間等。
背景技術(shù)：
著軍用救生衣的人體在水中的姿態(tài)是評價軍用救生衣性能的必要參素，如何準(zhǔn)確獲得各姿態(tài)參數(shù)對于救生衣的性能評價至關(guān)重要。著救生衣的人體在水中的姿態(tài)參數(shù)主要通過專家評價、及靜態(tài)測試手段獲得。各國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)人體著救生衣處于平衡狀態(tài)時，測試口部離水面的距離、用秒表記錄人體的翻轉(zhuǎn)時間、用量角器獲得漂浮角度，測試手段簡單、落后，且只能反映某一時刻人體在靜水中的姿態(tài)，不能準(zhǔn)確有效的反映著救生衣的人體在水中的姿態(tài)變化歷程及其準(zhǔn)靜態(tài)參數(shù)。到目前為止，未見有相關(guān)測試裝置或系統(tǒng)的公開文獻(xiàn)報道。因此，研制發(fā)明著救生衣的人體在水中的準(zhǔn)靜態(tài)姿態(tài)參數(shù)及參數(shù)隨時間的歷程的測試系統(tǒng)是必須且有意義的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以快速、準(zhǔn)確測定人體著各軍用救生衣的準(zhǔn)靜態(tài)姿態(tài)參數(shù)及其時間歷程的軍用救生衣對人體的水中姿態(tài)控制測試系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是由下述技術(shù)方案實現(xiàn)的一種軍用救生衣對人體的水中姿態(tài)控制測試系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由標(biāo)志點背架、圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)三大部分構(gòu)成；所述圖像采集系統(tǒng)采集背負(fù)所述標(biāo)志點背架的著待測型號救生衣的戰(zhàn)士在水中的漂浮過程的視頻序列信息，然后將所采集的視頻序列信息送入所述圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而獲取人體漂浮姿態(tài)的時間歷程及穩(wěn)態(tài)姿態(tài)角。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述圖像采集系統(tǒng)包括兩路25-30幀/秒的CCD攝像機(jī)和顯示分辨率最大為1024×768像素的兩路圖像采集卡，所述兩臺CCD攝像機(jī)分別通過數(shù)據(jù)線與裝于計算機(jī)主機(jī)箱內(nèi)的圖像采集卡相連；所述標(biāo)志點背架位于兩臺攝像機(jī)的公共視場；所述圖像處理系統(tǒng)包括VC和MATLAB聯(lián)合編程、數(shù)據(jù)處理的測控軟件、計算機(jī)和黑白方格平面標(biāo)定板；通過所述圖像采集卡采集所述平面標(biāo)定板圖像，然后用攝像機(jī)標(biāo)定軟件(用Matlab編制的標(biāo)定程序)對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，從而獲取攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)；再通過圖像采集軟件(用Visual C++結(jié)合OK系列卡軟件開發(fā)工具集編制的軟件)采集人體漂浮過程視頻序列信息，然后調(diào)用圖像處理軟件(用MATLAB語言編制的圖像處理軟件)進(jìn)行分析，最后通過計算機(jī)生成人體漂浮姿態(tài)的時間歷程及穩(wěn)態(tài)姿態(tài)角曲線。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于在所述圖像處理系統(tǒng)中以曲率尺度空間技術(shù)為基礎(chǔ)采用了邊緣圖像的曲線演化模型，具體步驟是對獲取的視頻序列信息中的每一幀圖像首先進(jìn)行邊緣提取，然后用不同尺度的Gaussian函數(shù)逐一對提取到的各邊緣做卷積運算，這樣可起到消除噪聲干擾，平滑邊緣的作用。這就為后續(xù)階段篩選圓弧段創(chuàng)造了條件。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于在所述圖像處理系統(tǒng)中采用快速、高精度的圓形目標(biāo)魯棒識別算法，根據(jù)用Gaussian平滑后的邊緣圖像，將曲率突變或曲率過零點作為目標(biāo)輪廓的關(guān)鍵點，來分割輪廓，并從中篩選出可接受的圓弧，經(jīng)過兩次聚類和兩次擬合得到球形標(biāo)志點中心在像平面上的精確坐標(biāo)。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述標(biāo)志點背架包括三根用于支撐標(biāo)志點的鋁管，金屬板，薄鋼板，鋼條連接件，柔性鋁波紋管，標(biāo)志點托盤以及標(biāo)志點；其中所述三根用于支撐標(biāo)志點的鋁管在背架中部借助金屬板與三根鋁管焊接相連，在下部薄鋼板與醫(yī)用腰帶中的鋼條通過三處鉚釘連接在一起；在三根用于支撐標(biāo)志點的鋁管上方通過連接件與柔性鋁波紋管相接；在鋁波紋管上端通過連接件與標(biāo)志點托盤以及標(biāo)志點相接。
一種優(yōu)選技術(shù)方案，其特征在于所述球形標(biāo)志點底部均配有黑色托盤，表面涂有黑色低反射率涂層。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)標(biāo)志點背架具有剛?cè)嵋惑w的特點，剛度大、重量輕、連接方便可靠、與裝備兼容、可適應(yīng)不同姿態(tài)、不會對人在水中的運動造成影響，充分滿足了測量要求并有一定的靈活性。
(2)標(biāo)志點的圖像識別算法在曲率尺度空間理論的基礎(chǔ)上，建立了邊緣圖像中的曲線演化模型，使得標(biāo)志點發(fā)生部分遮擋時仍能準(zhǔn)確地對圓心進(jìn)行定位，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。3個標(biāo)志點底部均配有黑色托盤，表面涂有黑色低反射率涂層，有助于克服復(fù)雜水面背景中反光的影響，給目標(biāo)識別帶來了極大的便利和可靠性。
(3)采用非接觸式、通過標(biāo)志點光學(xué)測量人體在水中的運動姿態(tài)，巧妙地將人體姿態(tài)測量轉(zhuǎn)化為標(biāo)志點空間位置的測量，可獲得所期望的任意時間長度的動態(tài)過程，克服了人工目測采樣時間的局限性以及結(jié)果不可靠性。
(4)本系統(tǒng)的標(biāo)志點識別算法以曲率尺度空間技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了一種快速、高精度的圓形目標(biāo)魯棒識別算法。
(5)本圓形目標(biāo)魯棒識別算法可以獲得比經(jīng)典Hough變換更高的精度，相比基于塊的處理識別方法極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，并在一定程度上克服了標(biāo)志點遮擋、復(fù)雜背景帶來的干擾問題。且計算時間大大縮短。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案通過測量縛于人體的標(biāo)志點背架頂端的標(biāo)志點的方位間接測量人體姿態(tài)，巧妙地降低了任務(wù)的復(fù)雜度，而同時不失精度。
下面通過附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但并不意味著對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。


圖1是本發(fā)明測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明測試系統(tǒng)用背架示意圖；圖3是本發(fā)明測試系統(tǒng)用測試標(biāo)尺示意圖；圖4是本發(fā)明測試系統(tǒng)用標(biāo)志點背架上端鋁波紋管與標(biāo)志點連接件32的局部裝配圖；圖5是本發(fā)明測試系統(tǒng)用連接件31的剖面示意圖；圖6是本發(fā)明測試系統(tǒng)用連接件32的剖面示意圖；圖7是本發(fā)明測試系統(tǒng)用人體坐標(biāo)系示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，是本發(fā)明測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖.其中1為攝像機(jī)2#數(shù)據(jù)線，2為攝像機(jī)1#數(shù)據(jù)線，3為攝像機(jī)2#數(shù)據(jù)線，4為攝像機(jī)同步控制線，5為攝像機(jī)1#數(shù)據(jù)線，6為攝像機(jī)支架，7為標(biāo)志點，8為標(biāo)志點支撐管，9為肩部固定帶，10為腰帶，11為顯示器，12為計算機(jī)主機(jī)。整體布局?jǐn)z像機(jī)支架6位于水池邊緣；計算機(jī)顯示器11及計算機(jī)主機(jī)12位于攝像機(jī)支架6一側(cè)。攝像機(jī)3和攝像機(jī)5分別固定于攝像機(jī)支架6上，攝像機(jī)支架6有兩個方向的自由度，可調(diào)節(jié)攝像機(jī)3和攝像機(jī)5的俯仰角和掃視角。攝像機(jī)3和攝像機(jī)5分別通過數(shù)據(jù)線1和2與計算機(jī)主機(jī)12內(nèi)的兩塊OK_C30S圖像采集卡相連。調(diào)節(jié)好視角后，使攝像機(jī)3，5俯視水面，其公共視場便為著救生衣戰(zhàn)士的水中運動區(qū)域。攝像機(jī)3和5的外同步觸發(fā)端口通過數(shù)據(jù)線4相連接，以保證同步采集，并應(yīng)保證拍攝對象位于兩攝像機(jī)的公共視場之內(nèi)。著救生衣戰(zhàn)士入水之前應(yīng)通過肩帶9及腰帶10背負(fù)好標(biāo)志點背架，同時應(yīng)注意入水后應(yīng)保證標(biāo)志點背架7上的標(biāo)志點位于兩架攝像機(jī)的公共視場內(nèi)。調(diào)節(jié)兩架攝像機(jī)3和5應(yīng)對照計算機(jī)顯示器11中打開的采集軟件的“雙卡同步實時顯示”進(jìn)行。通過圖像采集程序進(jìn)行人機(jī)交互，按照用戶指定的模式進(jìn)行采樣。采樣模式包括選擇不同的采集目標(biāo)體(如內(nèi)存、硬盤等)以及采樣時間、采樣頻率等參數(shù)。
為求取標(biāo)志點背架7上的標(biāo)志點的圖像平面2維坐標(biāo)與其空間3維坐標(biāo)之間的關(guān)系，需要進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定，方法是兩路攝像機(jī)采集圖7所示本發(fā)明測試系統(tǒng)用攝像機(jī)標(biāo)定用黑白方格平面標(biāo)定板的運動序列圖像，然后按照攝像機(jī)標(biāo)定程序向?qū)нM(jìn)行處理即可求得攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)并將結(jié)果保存到數(shù)據(jù)文件供后續(xù)計算使用。
為了求取著救生衣戰(zhàn)士在水中的穩(wěn)態(tài)漂浮姿態(tài)，為被測試的戰(zhàn)士配備標(biāo)志點背架的結(jié)構(gòu)參見圖2。如圖2所示，是本發(fā)明測試系統(tǒng)用標(biāo)志點背架結(jié)構(gòu)示意圖；其中13為柔性鋁波紋管，14為標(biāo)志點托盤，7為球形標(biāo)志點，16為肩部鋼板，17為鋁管，18為腰部鋼板，19為腰帶鋼條，20為鉚釘，21為醫(yī)用腰帶，22為焊接點，32為連接件。
該標(biāo)志點背架的三根用于支撐球形標(biāo)志點7的柔性鋁波紋管在標(biāo)志點背架中部借助肩部鋼板16與三根鋁管17焊接相連，在下部腰部鋼板18與醫(yī)用腰帶21中的腰帶鋼條19通過三處鉚釘20連接在一起，保證了較牢靠的連接性能。在三根標(biāo)志點支撐鋁管上方通過連接件32與長度為20cm左右的柔性鋁波紋管33相接。在柔性鋁波紋管33上端通過連接件31與標(biāo)志點托盤14以及標(biāo)志點7相接。其中標(biāo)志點托盤14表面覆有低反射率的涂層，并通過螺紋與連接件31緊固。標(biāo)志點29為標(biāo)準(zhǔn)乒乓球，通過溶合膠與連接件31固連。這樣參加測試的戰(zhàn)士穿好所需測試型號的救生衣，攜帶必要裝備之后通過圖2中的肩部鋼板16用肩帶縛于肩部，同時用腰帶10縛緊于腰部。這樣通過多點與人體軀干連接，保證了背架與人體運動的一致性。
如圖3所示，是本發(fā)明測試系統(tǒng)用測試標(biāo)尺。其作用在于著救生衣人員穿好救生衣并背好標(biāo)志點背架后分別測量三個標(biāo)志點到口部的距離。依圖3中方位來說，桿24的下端口部與以截5cm長的有機(jī)玻璃柱23通過過盈配合固接在一起，桿24距離上端部的3cm范圍內(nèi)的部分軋平后做鉆孔處理，通過螺栓和蝶形螺母與左端做同樣軋平處理的桿26連接，桿27的下端部開有一個3cm長，1.5mm寬的槽，嵌入一厚為1.5mm的矩形鋁板28，二者為過盈配合，注意桿27開槽時應(yīng)使鋁板28安裝后面對桿24。桿27的距上端部3cm范圍內(nèi)的部分做軋平、鉆孔處理，同樣通過螺栓和蝶型螺母與桿26相連。這樣測量時可通過調(diào)節(jié)桿24、桿27與桿26的夾角，使有機(jī)玻璃柱23緊貼口部，而鋁板28與待測標(biāo)志點相切，然后旋緊桿24和桿27兩端的蝶形螺母，固定桿24和27與桿26的夾角。取下支架，用皮尺測量有機(jī)玻璃柱23下端部與板28的距離，即可得到待測標(biāo)志點與口部的距離。
如圖4所示，是本發(fā)明測試系統(tǒng)用標(biāo)志點背架上端鋁波紋管與標(biāo)志點連接件32的局部裝配圖；其中15為標(biāo)志點，14為標(biāo)志點托盤，31、32均為連接件，33為柔性鋁波紋管。
其中，標(biāo)志點托盤14的半徑為8cm，中心鉆孔后攻絲，與連接件31通過螺紋旋接在一起，標(biāo)志點29通過強(qiáng)力膠與連接件31的上部的螺栓端部固結(jié)。柔性鋁波紋管33嵌入連接件31后，用連接件31下部的以90度均布的4個螺釘固定好。
如圖5所示，是本發(fā)明測試系統(tǒng)背架中用連接件31的剖面示意圖。如圖6所示，是本發(fā)明測試系統(tǒng)用連接件32的剖面示意圖。
如圖7所示，是本發(fā)明測試系統(tǒng)用人體坐標(biāo)系示意圖；它規(guī)定人體坐標(biāo)系，定義胸背軸為X方向，左右軸為Y方向，頭盆軸為Z方向。定義測試背架頂端的3個標(biāo)志點平面構(gòu)成背架坐標(biāo)系的XY平面，其法線構(gòu)成背架坐標(biāo)系Z方向。由于背架在人體上固定好后，背架坐標(biāo)系相對于人體坐標(biāo)系的變換矩陣便不隨人體運動而發(fā)生變化。這樣就可借助標(biāo)志點間接測量背架坐標(biāo)系的各坐標(biāo)軸的方位，進(jìn)而由兩坐標(biāo)系間的變換關(guān)系求得人體坐標(biāo)系各軸的空間方位。當(dāng)采集到的圖像為一時間序列時，便可求得人體姿態(tài)隨時間變化的動態(tài)歷程，繼而通過分析姿態(tài)的穩(wěn)態(tài)值獲得評價救生衣漂浮性能的可靠數(shù)據(jù)。
使用本發(fā)明進(jìn)行著救生衣人員水中漂浮姿態(tài)測量時，先啟動計算機(jī)，接通攝像機(jī)電源。打開圖像采集軟件，選擇“雙路實時顯示”菜單按前述要求調(diào)節(jié)好兩架攝像機(jī)的方位，確定測量區(qū)域。在軟件的向?qū)?，完成所需圖像的采集和數(shù)據(jù)處理過程，并對測量結(jié)果加以顯示和結(jié)果分析。測量結(jié)果以數(shù)據(jù)和圖表兩種形式保存在數(shù)據(jù)庫中?？梢酝ㄟ^“查看結(jié)果”界面查看各種分析結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種軍用救生衣對人體的水中姿態(tài)控制測試系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由標(biāo)志點背架、圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)三大部分構(gòu)成；所述圖像采集系統(tǒng)采集背負(fù)所述標(biāo)志點背架的著待測型號救生衣的戰(zhàn)士在水中的漂浮過程的視頻序列信息，然后將所采集的視頻序列信息送入所述圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而獲取人體漂浮姿態(tài)的時間歷程及穩(wěn)態(tài)姿態(tài)角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軍用救生衣對人體的水中姿態(tài)控制測試系統(tǒng)，其特征在于所述圖像采集系統(tǒng)包括兩路25-30幀/秒的CCD攝像機(jī)和顯示分辨率最大為1024×768像素的兩路圖像采集卡，所述兩臺CCD攝像機(jī)分別通過數(shù)據(jù)線與裝于計算機(jī)主機(jī)箱內(nèi)的圖像采集卡相連；所述標(biāo)志點背架位于兩臺攝像機(jī)的公共視場；所述圖像處理系統(tǒng)包括VC和MATLAB聯(lián)合編程、數(shù)據(jù)處理的測控軟件、計算機(jī)和黑白方格平面標(biāo)定板；通過所述圖像采集卡采集所述平面標(biāo)定板圖像，然后用攝像機(jī)標(biāo)定軟件對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，從而獲取攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)；再通過圖像采集軟件采集人體漂浮過程視頻序列信息，然后調(diào)用圖像處理軟件進(jìn)行分析，最后通過計算機(jī)生成人體漂浮姿態(tài)的時間歷程及穩(wěn)態(tài)姿態(tài)角。
3根據(jù)權(quán)利要求2所述的軍用救生衣對人體的水中姿態(tài)控制測試系統(tǒng)，其特征在于在所述圖像處理系統(tǒng)中采用邊緣圖像的曲線演化模型，具體步驟是對獲取的視頻序列信息中的每一幀圖像首先進(jìn)行邊緣提取，然后用不同尺度的Gaussian函數(shù)逐一對提取到的各邊緣做卷積運算。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的軍用救生衣對人體的水中姿態(tài)控制測試系統(tǒng)，其特征在于在所述圖像處理系統(tǒng)中采用快速、高精度的圓形目標(biāo)魯棒識別算法，根據(jù)用Gaussian平滑后的邊緣圖像，將曲率突變或曲率過零點作為目標(biāo)輪廓的關(guān)鍵點，來分割輪廓，并從中篩選出可接受的圓弧，經(jīng)過兩次聚類和兩次擬合得到球形標(biāo)志點中心在像平面上的精確坐標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的軍用救生衣對人體的水中姿態(tài)控制測試系統(tǒng)，其特征在于所述標(biāo)志點背架包括三根用于支撐標(biāo)志點的鋁管，金屬板，薄鋼板，鋼條連接件，柔性鋁波紋管，標(biāo)志點托盤以及標(biāo)志點；其中所述三根用于支撐標(biāo)志點的鋁管在背架中部借助金屬板與三根鋁管焊接相連，在下部薄鋼板與醫(yī)用腰帶中的鋼條通過三處鉚釘連接在一起；在三根用于支撐標(biāo)志點的鋁管上方通過連接件與柔性鋁波紋管相接；在鋁波紋管上端通過連接件與標(biāo)志點托盤以及標(biāo)志點相接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的軍用救生衣對人體的水中姿態(tài)控制測試系統(tǒng)，其特征在于所述球形標(biāo)志點底部均配有黑色托盤，表面涂有黑色低反射率涂層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軍用救生衣對人體的水中姿態(tài)控制測試系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由標(biāo)志點背架、圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)三大部分構(gòu)成；所述圖像采集系統(tǒng)采集背負(fù)所述標(biāo)志點背架的、著待測型號救生衣的戰(zhàn)士在水中的漂浮過程的視頻序列信息，然后將所采集的視頻序列信息送入所述圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而獲取人體漂浮姿態(tài)的時間歷程及穩(wěn)態(tài)姿態(tài)角。本發(fā)明的測試系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確測定人體著各軍用救生衣的準(zhǔn)靜態(tài)姿態(tài)參數(shù)及其時間歷程。
文檔編號G01C11/36GK1916566SQ200610088838
公開日2007年2月21日 申請日期2006年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月19日
發(fā)明者周宏 , 戴詩亮, 施楣梧, 段菲, 肖紅, 朱金鈺 申請人:中國人民解放軍總后勤部軍需裝備研究所