0 引言
機器視覺是利用光學(xué)系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)字相機和圖像處理工具來模擬人類視覺和思維的技術(shù)，旨在賦予機器可媲美人類的視覺[1]。視覺體系因其非觸摸、速度快、精度高、現(xiàn)場抗干擾能力強等優(yōu)點，應(yīng)用范圍涵蓋工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、軍事、航天、氣象、天文、公安、交通、安全、科研等行業(yè)，并且還在逐步擴大[2]。機器視覺能突破人眼在速度、不可見光范圍的極限，提高武器裝備信息獲取能力的自動化程度，是提高裝備智能與自動化水平的關(guān)鍵?；诖耍P者對機器視覺技術(shù)在軍事上的應(yīng)用進行研究。
1 機器視覺技術(shù)簡介
1.1 機器視覺技術(shù)的發(fā)展史
機器視覺發(fā)展的起點可追溯到20世紀50年代以前的圖像處理。隨著數(shù)字計算機的出現(xiàn)，20世紀50年代提出機器視覺概念，60年代隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展開始3維機器視覺的研究，70年代真正開始發(fā)展，80年代進入發(fā)展正軌，90年代發(fā)展趨于成熟，而21世紀成為機器視覺技術(shù)大展宏圖的世紀[3]。新概念、新技術(shù)、新理論不斷涌現(xiàn)，使得機器視覺技術(shù)處于非?；钴S的研究領(lǐng)域。我國正成為世界機器視覺發(fā)展最活躍的地區(qū)之一?！吨袊鴻C器視覺產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景與投資分析報告》數(shù)據(jù)顯示，近年來，全球機器視覺行業(yè)發(fā)展迅猛，2015年，全球機器視覺系統(tǒng)及部件市場規(guī)模達42億美元，預(yù)計 2018 年市場規(guī)模將超過50億美元[4]。以10年為界定，機器視覺的發(fā)展過程如表 1所示。
1.2 機器視覺原理及組成
機器視覺系統(tǒng)是通過圖像輸入裝置將被攝取目標獲取圖像信號，然后傳送給專用的圖像處理單元，通過數(shù)字化圖像進行目標尺寸、形狀、顏色的判別，進而得出判別結(jié)果并據(jù)此執(zhí)行下一步動作控制[5]。
機器視覺技術(shù)是軟件和硬件的結(jié)合。硬件方面包括相機、圖像采集模塊和計算機等；軟件方面，主要通過對圖像的分析和處理，實現(xiàn)對待測目標特定參數(shù)的檢測和識別。機器視覺原理及組成如圖1。（圖1編于文末）
如今機器視覺技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品化、實用化。鏡頭、高速相機、光源、圖像軟件、圖像采集、視覺處理器等相關(guān)產(chǎn)品功能日益完善，機器視覺技術(shù)在信息化時代正扮演著越來越重要的角色[6]。
1.3 機器視覺的應(yīng)用優(yōu)勢
機器視覺在信息獲取方面具有量大、速優(yōu)、低成本的優(yōu)點，在軍事領(lǐng)域也具備先天條件，其技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢見表2。機器視覺將在軍事領(lǐng)域中充分發(fā)揮巨大的優(yōu)越性，大幅提高裝備的自動化、智能化水平。
2 機器視覺的軍事應(yīng)用
水中機器視覺在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，將會極大地減少戰(zhàn)時人員投入，提高武器裝備智能化水平，在減少人員傷亡的同時，加強戰(zhàn)場信息獲取能力，擴寬信息的維度和廣度，保證戰(zhàn)場信息獲取的及時性、準確性和處理智能化，更好地對作戰(zhàn)各個過程進行控制，顯著提高軍事效益。
機器視覺具有極高的分辨精度和處理速度，在諸多指標上達到或超過人眼的視覺能力，并可以通過紅外線、超聲波、微波專用傳感器成像等處理人體無法感知的內(nèi)容[7]。機器視覺幾乎可以適用所有需要人眼的場合，尤其在探測不可視物體及在戰(zhàn)場環(huán)境惡劣、高度危險等不適合、不需要戰(zhàn)斗員親歷的場合，能避免人員參與，防范風(fēng)險和危險，同時提高精度和速度，具有極為廣闊的應(yīng)用前景。
2.1 機器視覺軍事領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀
在軍事領(lǐng)域，機器視覺的應(yīng)用極為廣泛。早在20世紀80年代，美軍就在SDI防御每個不同的階段(提振、后推動、中途和終點)運用一個或多個機器視覺功能來實現(xiàn)防范威脅彈道導(dǎo)彈的防御[8]。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，從遙感測繪、航天航空、武器檢測、武器制導(dǎo)、目標探測、敵我識別到無人機和無人戰(zhàn)車的駕駛，處處都有機器視覺技術(shù)的存在。其中的典型應(yīng)用主要有巡航導(dǎo)彈地形識別、側(cè)視雷達的地形偵察、遙控飛行器的引導(dǎo)、目標的識別與制導(dǎo)、警戒系統(tǒng)及自動火炮控制、側(cè)視雷達的地形偵察等。
2.1.1 在遙感測繪中的應(yīng)用
在衛(wèi)星遙感系統(tǒng)中，通過運用機器視覺技術(shù)分析各種遙感圖像，進行自動制圖、衛(wèi)星圖像與地形圖校準、自動測繪地圖；通過分析地形、地貌的圖像及圖形特征，實現(xiàn)對地面目標的自動識別、理解和分類等；遙感系統(tǒng)在軍事偵察、定位、導(dǎo)航、指揮等的應(yīng)用，使得我國在軍事能力和國家安全上有了大幅度提升。
2.1.2 在航空航天中的應(yīng)用
在航空航天領(lǐng)域，機器視覺應(yīng)用于飛行器件的檢測和維修、跑道識別、空中加油識別定位以及目標確認引導(dǎo)等。
文獻介紹了基于機器視覺的自動化系統(tǒng)在軍用飛機機翼上鉆出外部模具孔，進行沉孔檢查的方法；文獻[14]進行了基于單目機器視覺的UAV自主空中加油的實時水龍頭識別和3D定位研究；文獻[15]依托機器視覺解決了機場跑道識別的問題；文獻[16]介紹了一種基于機器視覺的飛機對接引導(dǎo)和飛機類型識別的方法和系統(tǒng)；文獻[17]設(shè)計了一種使用計算機視覺在跑道上基于條紋線的自動著陸輔助系統(tǒng)。
2.1.3 在無人裝備中的應(yīng)用
無人裝備包括無人機和無人戰(zhàn)車等，要實現(xiàn)“無人”，就需要應(yīng)用機器視覺?；跓o人裝備的偵察、自主導(dǎo)航以及軍事目標的識別也需要通過機器視覺技術(shù)的應(yīng)用來實現(xiàn)。
文獻[18]介紹了一種在美國國家自動化公路系統(tǒng)(automated highway system，AHS)和美國國防部高級項目機構(gòu)等無人駕駛航空、自主公路導(dǎo)航、越野導(dǎo)航和無人駕駛飛行器目標檢測等領(lǐng)域獲得成功測試的機器視覺應(yīng)用方法；文獻[19]研究了機器人和無人駕駛車輛中機器視覺的使用，并提出應(yīng)用機器視覺的美國陸軍未來裝甲裝甲系統(tǒng)；文獻[20]報道了美國國防高級研究計劃署(defense advanced research projects agency，DARPA)Mind's Eye計劃要求開發(fā)無人駕駛智能相機以識別物體和動作，DARPA尋求一種技術(shù)，改進具有足夠視覺智能的無人地面車輛(unmanned ground vehicles，UGV)，以報告觀察領(lǐng)域的活動；文獻[21]介紹了機器視覺無人機(無人駕駛航空器)在無準備場地的著陸情況下的應(yīng)用；文獻[22]公開了一種基于機器視覺的無人機定位著陸方法和系統(tǒng)，使無人機能以高精度降落或懸停在固定；文獻[23]討論了不同戰(zhàn)爭領(lǐng)域中目標識別技術(shù)的應(yīng)用，總結(jié)其發(fā)展方向并提出了軍事應(yīng)用的實現(xiàn)方法。
2.1.4 在武器檢測中的應(yīng)用
在武器檢查領(lǐng)域中，研究人員運用機器視覺技術(shù)進行武器系統(tǒng)瞄準、炮管參數(shù)檢測、火炮系統(tǒng)校準、射彈識別系統(tǒng)、自動戰(zhàn)術(shù)彈藥分類系統(tǒng)、槍械內(nèi)膛疵病檢測、槍彈表面質(zhì)量檢測等。
文獻[24]報告了開發(fā)用于評估彈道，射彈射擊武器系統(tǒng)瞄準精度的機器視覺系統(tǒng)；文獻[25]中LaserDot開發(fā)出了一種新的機器視覺系統(tǒng)，用于移動機器人的障礙物檢測，并在法國Angers技術(shù)中心(ETAS)的軍事環(huán)境中進行吉普車測試；文獻[26]介紹了采用機器視覺技術(shù)對火炮身管膛線參數(shù)進行檢測的方法；文獻[27]介紹了運用機器視覺技術(shù)實現(xiàn)對槍械內(nèi)膛疵病的檢測；文獻[28]設(shè)計了基于機器視覺的目標識別系統(tǒng)，并證明該系統(tǒng)提高了火炮系統(tǒng)校準的效率，具有廣闊的應(yīng)用前景；文獻[29]介紹了一種可用于開發(fā)射彈識別系統(tǒng)和自動戰(zhàn)術(shù)彈藥分類系統(tǒng)的機器視覺技術(shù)，可用于創(chuàng)建許多其他檢測和自動識別系統(tǒng)；文獻[30]進行了基于機器視覺的槍彈表面質(zhì)量檢測技術(shù)的研究，并將其用于槍彈質(zhì)量檢測中，不僅實現(xiàn)了槍彈質(zhì)量的自動化檢測，而且提高了精度和效率。
2.1.5 在彈藥測試中的應(yīng)用
彈藥測試領(lǐng)域中，研究人員運用機器視覺技術(shù)進行彈藥外觀檢測、運用ICT技術(shù)進行彈藥內(nèi)部探傷、彈丸飛行速度及姿態(tài)的測試以及彈藥射擊精度測試等。文獻[31]研究了機器視覺技術(shù)在彈藥測試設(shè)備研制工作中的應(yīng)用情況，并證明機器視覺在彈藥測試領(lǐng)域技術(shù)大有可為；文獻[32]介紹了一種采用X射線無損檢測技術(shù)在炮彈識別中的應(yīng)用，設(shè)計了一種X射線無損檢測炮彈識別系統(tǒng)；文獻[33]介紹了ICT在彈藥檢測中的應(yīng)用情況和應(yīng)用可行性。
在彈藥速度測量方面，目前研究比較多的是炮彈及槍彈的速度測量。如：文獻[34]提出了采用高速攝像系統(tǒng)對火箭彈離軌參數(shù)進行測量的方法，并給出了具體的參數(shù)計算公式；文獻[35]介紹了一種基于大靶面光幕靶的小口徑彈丸速度測試技術(shù)；文獻[36]介紹了一種基于六天幕靶彈丸彈道末端飛行速度的測試方法，測試彈道末端彈丸的速度。
2.1.6 在虛擬訓(xùn)練中的應(yīng)用
在虛擬訓(xùn)練中的應(yīng)用包括飛機駕駛員訓(xùn)練、醫(yī)學(xué)手術(shù)模擬，戰(zhàn)斗場景建模、戰(zhàn)場環(huán)境表示等，可幫助士兵在訓(xùn)練中超越人的生理心理極限、“親臨其境”、提高訓(xùn)練效率。
文獻[37]研究了3D立體視覺對戰(zhàn)場可視化或災(zāi)難響應(yīng)等命令和控制的應(yīng)用，并進行了實驗，完成了一些簡單的軍事規(guī)劃練習(xí)；文獻[38]提出使用立體3D視覺來提高軍事行動中的情境意識，以提高對現(xiàn)代軍事行動空間的理解；文獻[39]利用3D視覺進行3維戰(zhàn)術(shù)地圖的全球戰(zhàn)場解剖；文獻[40]介紹了美國國防部高級研究計劃局開啟的一項名為“阿凡達”的項目，該項目旨在大幅提高作戰(zhàn)效率，甚至改變傳統(tǒng)作戰(zhàn)樣式，其采用的主體技術(shù)是以機器視覺為基礎(chǔ)的人工智能；文獻[41]介紹了一個關(guān)于使用3D顯示器來幫助軍方的遠程操作員安全地使用機器人處置爆炸裝置。
2.1.7 其他軍事應(yīng)用
除以上應(yīng)用外，在軍事領(lǐng)域的其他方面，關(guān)于機器視覺的研究也有很多，比較典型的有戰(zhàn)爭控制、武器制導(dǎo)、作戰(zhàn)口糧檢測、軍事視覺系統(tǒng)等。
1996年開始，美國國防高級研究計劃局(DARPA)主導(dǎo)研制了一種可應(yīng)用于戰(zhàn)爭控制的視頻監(jiān)視系統(tǒng)，可在一些惡劣的環(huán)境中代替人力進行勘測、偵查和遠程監(jiān)控。文獻[42-43]介紹了紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈自動目標識別的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了機器視覺在精確打擊武器應(yīng)用中的關(guān)鍵問題。文獻[44]探討了軍事作戰(zhàn)口糧檢測機器人與機器視覺的可行性，基于模擬和經(jīng)濟分析，得出基于機器視覺的MRE袋自動檢查在技術(shù)上和經(jīng)濟上都是可行的結(jié)論。文獻[45]提出了一種可用于各種NASA科學(xué)任務(wù)和軍事視覺應(yīng)用的高度集成智能視覺系統(tǒng)。文獻[46]介紹了一種用于苛刻的工業(yè)和軍事應(yīng)用(如計算機視覺和自動目標識別)中的成像系統(tǒng)。美軍方于2012年研究的一項名叫PIXNET的技術(shù)，把視覺、近紅外和紅外傳感器合成為一種便攜式設(shè)備，可用于武器的瞄準器和頭盔上，并可通過無線網(wǎng)絡(luò)與整個班或排的軍人分享其顯示系統(tǒng)上的圖像。文獻[47]研究評估了7項CV測試，將機器視覺用于軍事篩查的彩色視覺測試的性能比較。
2.2 發(fā)展前景
機器視覺系統(tǒng)對于未來武器裝備的自動化、智能化來說是不可或缺的。虛擬訓(xùn)練、戰(zhàn)場偵察、無人裝備、精確保障等未來戰(zhàn)場的新時代高要求，必將由機器視覺為基礎(chǔ)的智能技術(shù)實現(xiàn)突破。在肯定機器視覺軍事應(yīng)用取得突破的同時，也應(yīng)看到相應(yīng)的應(yīng)用標準還有待進一步規(guī)范，軍事發(fā)展還有待進一步統(tǒng)籌。最重要的是需要認清我軍與外軍在視覺技術(shù)應(yīng)用上的差距還很大，我國民用與軍用的應(yīng)用深度、廣度差距還很大，亟需我們高度重視，大力推進與發(fā)展，縮小差距，為我軍裝備的高度智能化奠定堅實的基礎(chǔ)。
隨著科技的發(fā)展及機器視覺在軍事領(lǐng)域應(yīng)用范圍不斷擴大，必將出現(xiàn)更多新理論、新方法、新手段、新設(shè)備，相信不久的將來，更加小型化、智能化、無需網(wǎng)絡(luò)的單機視覺設(shè)備將會應(yīng)運而生，它們能夠執(zhí)行各類錯綜復(fù)雜的任務(wù)，完全自動化地運作。屆時，其軍用領(lǐng)域應(yīng)用也將進一步擴展。
2.2.1 嵌入式高智能化系統(tǒng)成為趨勢
在未來的機器視覺軍事應(yīng)用中，嵌入式系統(tǒng)將會扮演更重要的角色, 嵌入式的高集成度、數(shù)字化、實時化和智能化視覺系統(tǒng)成為趨勢。機器視覺系統(tǒng)逐漸向高度集成的嵌入式小型化邁進。數(shù)字化是機器視覺發(fā)展的必然趨勢，精度更高，速度更快，算法也將更先進，機器視覺系統(tǒng)的實時性將更好，智能程度也將更高。屆時，圖像采集、處理實現(xiàn)實時化，嵌入式系統(tǒng)將具有更緊湊的結(jié)構(gòu)、更低的成本和功耗、更高的產(chǎn)品可靠性和更易于維護和升級。
軍事領(lǐng)域?qū)π畔⒀b備的成本、處理速度要求較高。采用嵌入式機器視覺系統(tǒng)，可以不再依靠計算機，從而具有極高的便攜性，特別適合軍事領(lǐng)域的高機動性、應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性特點，有助于減輕戰(zhàn)場負擔(dān)，滿足未來戰(zhàn)場便攜性的高要求。
2.2.2 軍事應(yīng)用領(lǐng)域會更加廣闊
首先，隨著功能增多、性能提升和價格下降，視覺系統(tǒng)的較高性價比將逐漸上升，也將得到軍方廣泛認可；其次，產(chǎn)品的小型化有利于系統(tǒng)在裝備有限的空間內(nèi)應(yīng)用，在軍事領(lǐng)域的適用面將進一步擴寬；再次，高集成度使得微處理器和高性能楨采集器更具有智能性，最終實現(xiàn)“芯片上的視覺系統(tǒng)”，有助于視覺技術(shù)的軍事應(yīng)用開發(fā)和擴展。
視覺系統(tǒng)具有體積小、成本低、拆卸方便、可快速更新的優(yōu)點，非常適合嵌入在軍事裝備內(nèi)使用。一旦軍方對視覺技術(shù)普遍需求得到快速響應(yīng)，機器視覺在智能化軍用裝備領(lǐng)域的應(yīng)用必將穩(wěn)步發(fā)展。
2.2.3 高度的標準化和任務(wù)針對性
軍事領(lǐng)域應(yīng)用的特殊性，視覺系統(tǒng)的專業(yè)化及其接口的標準化需求催生系統(tǒng)的標準化。作為軍事領(lǐng)域、軍事特定應(yīng)用的智能系統(tǒng)，因其需求比較固定，可以通過較少的硬件和軟件算法來構(gòu)成，在確保效率相對較高又降低成本的基礎(chǔ)上達到專業(yè)化。此外，由于在軍事領(lǐng)域存在著大量通信需求，視覺系統(tǒng)的接口也需支持現(xiàn)有的軍用標準化通用協(xié)議。為規(guī)范視覺技術(shù)的軍事應(yīng)用，提高統(tǒng)籌建設(shè)能力，減少經(jīng)費的盲目投入，亟需盡快制定視覺系統(tǒng)的軍事化應(yīng)用標準。
俗話說，“鐵打的營盤流水的兵”，面對部隊人員的頻繁更迭代替，機器視覺需要成為使用簡單的專用工具。視覺系統(tǒng)要能克服更多的人員、環(huán)境變化，簡單針對一類軍事問題具體解決。即把“視覺專業(yè)知識”優(yōu)化集成，實現(xiàn)自動調(diào)用，使士兵在使用機器視覺工具時，需要了解的專業(yè)知識大大減少，只需關(guān)注任務(wù)性質(zhì)即可。軍用視覺系統(tǒng)將不斷增強任務(wù)針對性，更加具備可移植性，在減少對人員素質(zhì)依賴性的同時，提高其戰(zhàn)場利用率。
2.2.4 3維成像的開發(fā)及應(yīng)用
機器視覺的軍事應(yīng)用發(fā)展，必定會涉及到3D視覺。隨著研究人員應(yīng)用專門的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來幫助機器識別和理解現(xiàn)實世界的圖像，如今的3D視覺功能強大。從戰(zhàn)場可視化、3維戰(zhàn)術(shù)地圖、3D立體識別、3維重構(gòu)到3D打印，3維技術(shù)在軍事的各領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用空間。目前的3D視覺軍事應(yīng)用主要集中于模擬訓(xùn)練領(lǐng)域，隨著技術(shù)的進步與發(fā)展，3D視覺的軍事應(yīng)用將更加豐富，范圍更加廣泛。
3 結(jié)束語
機器視覺是實現(xiàn)武器自動化和智能化的必要手段。伴隨著成本的下降和性能的提升，其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用必然增多。視覺系統(tǒng)可在管理、作戰(zhàn)中減少人力物力的投入，提高工作效率，必將在我軍裝備智能化進程中發(fā)揮巨大作用。
對于未來數(shù)字化信息化戰(zhàn)場來說，戰(zhàn)場上萬物的數(shù)字化是前提，而機器視覺在這個過程中將發(fā)揮重要作用。我軍應(yīng)充分認清機器視覺軍事應(yīng)用的大趨勢，持續(xù)聚集資源，大力研發(fā)并推出高性能的機器視覺組件，結(jié)合軍工自動化，不斷豐富智能武器裝備，為基層部隊提供能夠滿足智能制代軍事需求的解決方案，助力我國軍工邁向“智造”新時代，助力戰(zhàn)斗力提升走進“芯”時代。
