0 引言
機器視覺是利用光學系統、工業數字相機和圖像處理工具來模擬人類視覺和思維的技術，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、現場抗干擾能力強等優點，應用范圍涵蓋工業、農業、醫藥、軍事、航天、氣象、天文、公安、交通、安全、科研等行業，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鍵。基于此，筆者對機器視覺技術在軍事上的應用進行研究。
1 機器視覺技術簡介
1.1 機器視覺技術的發展史
機器視覺發展的起點可追溯到20世紀50年代以前的圖像處理。隨著數字計算機的出現，20世紀50年代提出機器視覺概念，60年代隨著計算機技術的迅速發展開始3維機器視覺的研究，70年代真正開始發展，80年代進入發展正軌，90年代發展趨于成熟，而21世紀成為機器視覺技術大展宏圖的世紀[3]。新概念、新技術、新理論不斷涌現，使得機器視覺技術處于非常活躍的研究領域。我國正成為世界機器視覺發展最活躍的地區之一。《中國機器視覺產業發展前景與投資分析報告》數據顯示，近年來，全球機器視覺行業發展迅猛，2015年，全球機器視覺系統及部件市場規模達42億美元，預計 2018 年市場規模將超過50億美元[4]。以10年為界定，機器視覺的發展過程如表 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，通過數字化圖像進行目標尺寸、形狀、顏色的判別，進而得出判別結果并據此執行下一步動作控制[5]。
機器視覺技術是軟件和硬件的結合。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，實現對待測目標特定參數的檢測和識別。機器視覺原理及組成如圖1。（圖1編于文末）
如今機器視覺技術已經實現了產品化、實用化。鏡頭、高速相機、光源、圖像軟件、圖像采集、視覺處理器等相關產品功能日益完善，機器視覺技術在信息化時代正扮演著越來越重要的角色[6]。
1.3 機器視覺的應用優勢
機器視覺在信息獲取方面具有量大、速優、低成本的優點，在軍事領域也具備先天條件，其技術應用優勢見表2。機器視覺將在軍事領域中充分發揮巨大的優越性，大幅提高裝備的自動化、智能化水平。
2 機器視覺的軍事應用
水中機器視覺在軍事領域的應用，將會極大地減少戰時人員投入，提高武器裝備智能化水平，在減少人員傷亡的同時，加強戰場信息獲取能力，擴寬信息的維度和廣度，保證戰場信息獲取的及時性、準確性和處理智能化，更好地對作戰各個過程進行控制，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場環境惡劣、高度危險等不適合、不需要戰斗員親歷的場合，能避免人員參與，防范風險和危險，同時提高精度和速度，具有極為廣闊的應用前景。
2.1 機器視覺軍事領域應用現狀
在軍事領域，機器視覺的應用極為廣泛。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防范威脅彈道導彈的防御[8]。隨著技術的不斷發展，從遙感測繪、航天航空、武器檢測、武器制導、目標探測、敵我識別到無人機和無人戰車的駕駛，處處都有機器視覺技術的存在。其中的典型應用主要有巡航導彈地形識別、側視雷達的地形偵察、遙控飛行器的引導、目標的識別與制導、警戒系統及自動火炮控制、側視雷達的地形偵察等。
2.1.1 在遙感測繪中的應用
在衛星遙感系統中，通過運用機器視覺技術分析各種遙感圖像，進行自動制圖、衛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，實現對地面目標的自動識別、理解和分類等；遙感系統在軍事偵察、定位、導航、指揮等的應用，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 在航空航天中的應用
在航空航天領域，機器視覺應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等。
文獻介紹了基于機器視覺的自動化系統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和飛機類型識別的方法和系統；文獻[17]設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。
2.1.3 在無人裝備中的應用
無人裝備包括無人機和無人戰車等，要實現“無人”，就需要應用機器視覺。基于無人裝備的偵察、自主導航以及軍事目標的識別也需要通過機器視覺技術的應用來實現。
文獻[18]介紹了一種在美國國家自動化公路系統(automated highway system，AHS)和美國國防部高級項目機構等無人駕駛航空、自主公路導航、越野導航和無人駕駛飛行器目標檢測等領域獲得成功測試的機器視覺應用方法；文獻[19]研究了機器人和無人駕駛車輛中機器視覺的使用，并提出應用機器視覺的美國陸軍未來裝甲裝甲系統；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計劃要求開發無人駕駛智能相機以識別物體和動作，DARPA尋求一種技術，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，使無人機能以高精度降落或懸停在固定；文獻[23]討論了不同戰爭領域中目標識別技術的應用，總結其發展方向并提出了軍事應用的實現方法。
2.1.4 在武器檢測中的應用
在武器檢查領域中，研究人員運用機器視覺技術進行武器系統瞄準、炮管參數檢測、火炮系統校準、射彈識別系統、自動戰術彈藥分類系統、槍械內膛疵病檢測、槍彈表面質量檢測等。
文獻[24]報告了開發用于評估彈道，射彈射擊武器系統瞄準精度的機器視覺系統；文獻[25]中LaserDot開發出了一種新的機器視覺系統，用于移動機器人的障礙物檢測，并在法國Angers技術中心(ETAS)的軍事環境中進行吉普車測試；文獻[26]介紹了采用機器視覺技術對火炮身管膛線參數進行檢測的方法；文獻[27]介紹了運用機器視覺技術實現對槍械內膛疵病的檢測；文獻[28]設計了基于機器視覺的目標識別系統，并證明該系統提高了火炮系統校準的效率，具有廣闊的應用前景；文獻[29]介紹了一種可用于開發射彈識別系統和自動戰術彈藥分類系統的機器視覺技術，可用于創建許多其他檢測和自動識別系統；文獻[30]進行了基于機器視覺的槍彈表面質量檢測技術的研究，并將其用于槍彈質量檢測中，不僅實現了槍彈質量的自動化檢測，而且提高了精度和效率。
2.1.5 在彈藥測試中的應用
彈藥測試領域中，研究人員運用機器視覺技術進行彈藥外觀檢測、運用ICT技術進行彈藥內部探傷、彈丸飛行速度及姿態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在彈藥測試設備研制工作中的應用情況，并證明機器視覺在彈藥測試領域技術大有可為；文獻[32]介紹了一種采用X射線無損檢測技術在炮彈識別中的應用，設計了一種X射線無損檢測炮彈識別系統；文獻[33]介紹了ICT在彈藥檢測中的應用情況和應用可行性。
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對火箭彈離軌參數進行測量的方法，并給出了具體的參數計算公式；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；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 在虛擬訓練中的應用
在虛擬訓練中的應用包括飛機駕駛員訓練、醫學手術模擬，戰斗場景建模、戰場環境表示等，可幫助士兵在訓練中超越人的生理心理極限、“親臨其境”、提高訓練效率。
文獻[37]研究了3D立體視覺對戰場可視化或災難響應等命令和控制的應用，并進行了實驗，完成了一些簡單的軍事規劃練習；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，以提高對現代軍事行動空間的理解；文獻[39]利用3D視覺進行3維戰術地圖的全球戰場解剖；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效率，甚至改變傳統作戰樣式，其采用的主體技術是以機器視覺為基礎的人工智能；文獻[41]介紹了一個關于使用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 其他軍事應用
除以上應用外，在軍事領域的其他方面，關于機器視覺的研究也有很多，比較典型的有戰爭控制、武器制導、作戰口糧檢測、軍事視覺系統等。
1996年開始，美國國防高級研究計劃局(DARPA)主導研制了一種可應用于戰爭控制的視頻監視系統，可在一些惡劣的環境中代替人力進行勘測、偵查和遠程監控。文獻[42-43]介紹了紅外成像制導導彈自動目標識別的應用現狀，分析了機器視覺在精確打擊武器應用中的關鍵問題。文獻[44]探討了軍事作戰口糧檢測機器人與機器視覺的可行性，基于模擬和經濟分析，得出基于機器視覺的MRE袋自動檢查在技術上和經濟上都是可行的結論。文獻[45]提出了一種可用于各種NASA科學任務和軍事視覺應用的高度集成智能視覺系統。文獻[46]介紹了一種用于苛刻的工業和軍事應用(如計算機視覺和自動目標識別)中的成像系統。美軍方于2012年研究的一項名叫PIXNET的技術，把視覺、近紅外和紅外傳感器合成為一種便攜式設備，可用于武器的瞄準器和頭盔上，并可通過無線網絡與整個班或排的軍人分享其顯示系統上的圖像。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 發展前景
機器視覺系統對于未來武器裝備的自動化、智能化來說是不可或缺的。虛擬訓練、戰場偵察、無人裝備、精確保障等未來戰場的新時代高要求，必將由機器視覺為基礎的智能技術實現突破。在肯定機器視覺軍事應用取得突破的同時，也應看到相應的應用標準還有待進一步規范，軍事發展還有待進一步統籌。最重要的是需要認清我軍與外軍在視覺技術應用上的差距還很大，我國民用與軍用的應用深度、廣度差距還很大，亟需我們高度重視，大力推進與發展，縮小差距，為我軍裝備的高度智能化奠定堅實的基礎。
隨著科技的發展及機器視覺在軍事領域應用范圍不斷擴大，必將出現更多新理論、新方法、新手段、新設備，相信不久的將來，更加小型化、智能化、無需網絡的單機視覺設備將會應運而生，它們能夠執行各類錯綜復雜的任務，完全自動化地運作。屆時，其軍用領域應用也將進一步擴展。
2.2.1 嵌入式高智能化系統成為趨勢
在未來的機器視覺軍事應用中，嵌入式系統將會扮演更重要的角色, 嵌入式的高集成度、數字化、實時化和智能化視覺系統成為趨勢。機器視覺系統逐漸向高度集成的嵌入式小型化邁進。數字化是機器視覺發展的必然趨勢，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、處理實現實時化，嵌入式系統將具有更緊湊的結構、更低的成本和功耗、更高的產品可靠性和更易于維護和升級。
軍事領域對信息裝備的成本、處理速度要求較高。采用嵌入式機器視覺系統，可以不再依靠計算機，從而具有極高的便攜性，特別適合軍事領域的高機動性、應用環境的復雜性特點，有助于減輕戰場負擔，滿足未來戰場便攜性的高要求。
2.2.2 軍事應用領域會更加廣闊
首先，隨著功能增多、性能提升和價格下降，視覺系統的較高性價比將逐漸上升，也將得到軍方廣泛認可；其次，產品的小型化有利于系統在裝備有限的空間內應用，在軍事領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“芯片上的視覺系統”，有助于視覺技術的軍事應用開發和擴展。
視覺系統具有體積小、成本低、拆卸方便、可快速更新的優點，非常適合嵌入在軍事裝備內使用。一旦軍方對視覺技術普遍需求得到快速響應，機器視覺在智能化軍用裝備領域的應用必將穩步發展。
2.2.3 高度的標準化和任務針對性
軍事領域應用的特殊性，視覺系統的專業化及其接口的標準化需求催生系統的標準化。作為軍事領域、軍事特定應用的智能系統，因其需求比較固定，可以通過較少的硬件和軟件算法來構成，在確保效率相對較高又降低成本的基礎上達到專業化。此外，由于在軍事領域存在著大量通信需求，視覺系統的接口也需支持現有的軍用標準化通用協議。為規范視覺技術的軍事應用，提高統籌建設能力，減少經費的盲目投入，亟需盡快制定視覺系統的軍事化應用標準。
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。視覺系統要能克服更多的人員、環境變化，簡單針對一類軍事問題具體解決。即把“視覺專業知識”優化集成，實現自動調用，使士兵在使用機器視覺工具時，需要了解的專業知識大大減少，只需關注任務性質即可。軍用視覺系統將不斷增強任務針對性，更加具備可移植性，在減少對人員素質依賴性的同時，提高其戰場利用率。
2.2.4 3維成像的開發及應用
機器視覺的軍事應用發展，必定會涉及到3D視覺。隨著研究人員應用專門的神經網絡來幫助機器識別和理解現實世界的圖像，如今的3D視覺功能強大。從戰場可視化、3維戰術地圖、3D立體識別、3維重構到3D打印，3維技術在軍事的各領域都有廣闊的應用空間。目前的3D視覺軍事應用主要集中于模擬訓練領域，隨著技術的進步與發展，3D視覺的軍事應用將更加豐富，范圍更加廣泛。
3 結束語
機器視覺是實現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，其在軍事領域的應用必然增多。視覺系統可在管理、作戰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揮巨大作用。
對于未來數字化信息化戰場來說，戰場上萬物的數字化是前提，而機器視覺在這個過程中將發揮重要作用。我軍應充分認清機器視覺軍事應用的大趨勢，持續聚集資源，大力研發并推出高性能的機器視覺組件，結合軍工自動化，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，助力戰斗力提升走進“芯”時代。
