自動報靶系統(tǒng)研究綜述

摘要：介紹了一種基于機器視覺的自動報靶系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用CCD攝像機不間斷地對靶面進行觀測，根據(jù)采集的靶面圖像的特點和變化，利用計算機圖像識別技術(shù)檢測靶面圖像中的真實彈點，然后通過彈點在靶面圖中的位置來對彈點區(qū)域進行編碼。在觀測過程中，采用圖像灰度配準與增強技術(shù)、圖像的幾何配準技術(shù)和小波變換等算法來解決由于光照變化、大風等干擾因素對識別精度的影響。在實際應用中，能夠達到較高精度，并能大大減少錯報和漏報的情況，該系統(tǒng)精度高、成木低、完全可靠，能夠很好地應用于部隊訓練和射擊比賽中有著重要的實際意義和良好的應用前景。

關(guān)鍵詞：自動報靶系統(tǒng)；機器視覺；圖像識別；圖像配準；圖像增強

中圖分類號：TP212.12文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)33-1500-02

Summary on Automatic Target-scoring System

HUANG Ming， Wang Hao-hua， LIANG Xu

(School of Software Technology， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， China)

Abstract: An automatic target-scoring system is proposed， which based on machine vision. CCD camera was used to observe targets’ surface continuously. According to the feature and change of the images of targets’ surface observed by CCD， the technology of computer pattern recognition was used to detect the position of real shell in the target surface. Then the position was described in digital by coding target surface.In the process of observation， the technology on enhancement and matching of gray-scale， image matching technology in geometry， and wavelet transform algorithms were used to solve the effect on the accuracy of the identification due to changes in light， wind， and other factors. In practice， the system can achieve ideal accuracy， reduce the misstatements and omissions greatly. It was also high-precision， low-cost，and reliable system， can be used in military drill and shooting competitions. It will be meaningful and have good prospect.

Key words: automatic target-scoring system; machine vision; imagine recognition; imagine matching; imagine enhancement

1 引言

在專業(yè)與非專業(yè)軍事訓練中，實彈射擊是最基本的訓練項目。傳統(tǒng)的實彈射擊采用人工報靶。傳統(tǒng)人工報靶主要有四個方面的不足：1）依賴于報靶者的判靶經(jīng)驗，效率比較低。2）當靶板上彈著點多時，報靶員很難識別新舊彈孔，報靶誤差極大，直接影響射擊訓練質(zhì)量。3）射擊未完全結(jié)束時，補靶員現(xiàn)身靶壕外或在補靶員察看靶板報靶和補靶時，射擊位管理者若稍有疏忽，就易出現(xiàn)槍支走火，造成人員傷亡，安全隱患極大。4）容易出現(xiàn)弄虛作假的現(xiàn)象。為了克服傳統(tǒng)人工報靶有不足和滿足軍事訓練現(xiàn)代化需求，提高部隊射擊水平，自動報靶的研究和應用對推進軍隊現(xiàn)代化將具有普遍意義。本文介紹基于機器視覺的自動報靶系統(tǒng)的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)，該系統(tǒng)使用圖像識別，圖像配準和圖像增強等技術(shù)，在實際的訓練和考核中能夠發(fā)揮較好的作用，有良好的應用前景。

2 圖像與圖像處理的概念

圖像（Image）就是采用各種觀測系統(tǒng)獲得的，能夠為人類視覺系統(tǒng)所感覺的實體。圖像的范圍非常廣泛，包括：各類圖片（Picture），如照片、X光片；各類光學圖像，如電影、電視畫面；人們的有形想像以及外部描述，繪畫、繪圖；等等。圖像處理技術(shù)可分為兩大類，即模擬圖像處理和數(shù)字圖像處理。

圖1 通用的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)框圖

數(shù)字圖像處理是指，使用數(shù)字計算機對圖像進行加工與處理。傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理技術(shù)主要集中在圖像的獲取、變換、增加、恢復（還原）、壓縮編碼、分割與邊緣提取等方面；隨著計算機與信息技術(shù)的發(fā)展，圖像特征分析、圖像配準、圖像融合、圖像分類、圖像識別、基于內(nèi)容的圖像檢索與圖像數(shù)字水印等領(lǐng)域取得進展，這些圖像處理技術(shù)具有智能化功能，因而稱之為智能圖像處理技術(shù)。

數(shù)字圖像處理方法大致可分為兩大類，即空域法和變換域法。1）空域法是把圖像看作是平面中各個像素組成的集合，然后直接對這個二維函數(shù)進行相應的處理。2）變換域法是首先對圖像進行正交變換，得到變換域系數(shù)矩陣，然后再進行各種處理，處理后再將其反變換到空間域，得到處理結(jié)果。

3 基于機器視覺的自動報靶系統(tǒng)

此類產(chǎn)品是以計算機為圖像識別和處理理論為基礎(chǔ)，它沒有在靶體上安裝任何光電傳感設備。在實彈射擊過程中，它使用攝像頭對常規(guī)的標準靶畫面進行采集，根據(jù)采集來的靶圖像的特點和變化，利用計算機圖像識別(Image Recognition)和處理技術(shù)找出靶圖像中的真實彈點，使用這種自動報靶系統(tǒng)就好像是使用了一個“電子眼”，它會代替報靶人員的眼睛，在整個實彈射擊過程中不間斷的對靶畫面進行觀測。對不同靶位上的每一次射擊都采用相同的算法、規(guī)則和精度來判定，不存在受主觀因素影響的問題。比手工報靶更客觀，更公正，有較高的可用性。

實現(xiàn)此系統(tǒng)的軟件核心技術(shù)主要是數(shù)字圖像處理技術(shù)中的計算機圖像識別、圖像配準以及圖像增加等技術(shù)。在觀測過程中，采用圖像灰度配準與增強技術(shù)以及圖像的幾何配準技術(shù)來解決由于光照變化、大風等干擾因素對識別精度的影響。在此過程中，還要由其他優(yōu)秀算法來配合，提高性能與精度，例如小波變換等。

3.1 基于機器視覺的自動報靶系統(tǒng)的實現(xiàn)原理

機器視覺的概念是利用CCD攝像機等設備代替人眼，結(jié)合計算機視覺、數(shù)字圖像處理、和計算機控制技術(shù)實現(xiàn)對攝像機所攝取的圖像的分析過程。

其核心原理是：在整個實彈射擊的過程中，利用CCD攝像機不間斷地對靶面進行觀測，根據(jù)采集的靶面圖像的特點和變化，利用計算機圖像識別技術(shù)檢測靶面圖像中的真實彈點，然后通過彈點在靶面圖中的位置來對著彈點區(qū)域進行編碼。在觀測過程中，采用圖像灰度配準與增強技術(shù)以及圖像的幾何配準技術(shù)來解決由于光照變化、大風等干擾因素對識別精度的影響。在此過程中，還要由其他優(yōu)秀算法來配合，提高性能與精度，例如小波變換等。

通過以上論述可見，本系統(tǒng)由圖像采集設備、圖形采集卡、圖形處理軟件、計算機及顯示部分組成。具體的配置如下：購買一個CCD攝像頭、一塊圖形采集卡、一臺普通計算機及編寫相應的軟件，其中圖形采集卡可選擇大恒公司或杭州海康威視數(shù)字技術(shù)有限公司生產(chǎn)的。為完成本系統(tǒng)的功能與性能指標，主要工作集中在軟件的編程與實現(xiàn)上。

3.2 基于機器視覺的自動報靶系統(tǒng)的核心技術(shù)

實現(xiàn)本系統(tǒng)的軟件核心技術(shù)主要是數(shù)字圖像處理技術(shù)中的計算機圖像識別、圖像配準以及圖像增加等技術(shù)。

3.2.1 圖像識別技術(shù)

圖像識別是對圖像進行預處理后，再經(jīng)分割和描述，提取有效的特征，進而加以判決分類的圖像處理技術(shù)。

一個圖像識別系統(tǒng)可分為三個主要部分，第一部分是圖像信息的獲取，對圖像識別來說就是把圖片、底片、文字圖形等用采集設備變換為電信號。第二部分是信息的特征提取，它的作用在于把調(diào)查了解到的數(shù)據(jù)材料進行加工、整理、分析、歸納以去偽存真，抽出能反映事物本質(zhì)的特征。第三部分是判決，做出結(jié)論的過程，與判決的方式密切相關(guān)。

圖2 圖像識別系統(tǒng)框圖

在圖像識別的發(fā)展過程中，出現(xiàn)了四類有代表性的理論和方法。即統(tǒng)計圖像識別方法、句法（或結(jié)構(gòu)）圖像識別方法、模糊圖像識別方法和神經(jīng)網(wǎng)絡圖像識別方法。

3.2.2 圖像配準技術(shù)

圖像配準是指同一目標的兩幅（或兩幅以上）圖像在空間位置上的對準。圖像配準的技術(shù)過程稱為圖像匹配（Image matching）或圖像相關(guān)（Image correlation）。圖像配準可分為半自動配準和全自動配準。

全自動配準是直接利用計算機完成圖像配準工作，大致可分為基于灰度與基于特征兩類。基于灰度的方法有：空間相關(guān)法、不變矩陣、頻域相關(guān)法。此方法具有精度高的優(yōu)點，但計算復雜度高。基于特征的方法有兩個重要環(huán)節(jié)：特征提取和特征匹配。本方法與小波變換等結(jié)合，進一步提高了圖像配準的精度與運算速度。

3.2.3 圖像增加技術(shù)

圖像增加的目的有兩個：一是改善圖像的視覺效果，提高圖像成分的清晰度；二是使圖像變的更有利于計算機處理。

圖像增加的方法一般分為空間域和變換域兩大類。空間域方法直接對圖像像素的灰度進行處理。變換域方法在圖像的某個變換域中對變換系統(tǒng)進行處理，然后通過逆變換獲得增加圖像。常用的圖像增加方法有：空間域單點增加、圖像平滑、圖像銳化、圖像濾波與圖像增加。

4 總結(jié)與展望

運用數(shù)字圖像處理技術(shù)的自動報靶系統(tǒng)，在國內(nèi)、外都有相應的研究，但實際系統(tǒng)的功能需要與性能指標各有差異，所應用的原理和方法手段不近相同，所以可從另外方面進行開發(fā)，拓展數(shù)字圖像處理的領(lǐng)域，滿足不同系統(tǒng)的不同需要。

在本系統(tǒng)中，力求將其它優(yōu)秀的算法，嫁接到圖像處理中，以提高圖像處理的性能與精度，在我軍某坦克基地的實際應用中，達到了預期的目標。由于本系統(tǒng)是一室外項目，光照變化、大風等干擾因素會對識別精度造成一定影響，還需通過一些方法或算法來彌補這些不足。本系統(tǒng)所要研究報靶系統(tǒng)所采用的方法不僅有著精度高的優(yōu)點，而且完全滿足部隊實彈射擊需求，稍作改動之后還可用于運動類報靶，具有廣闊的應用前景和研究價值。

參考文獻：

[1] 張軍，顏樹華，徐琰.自動報靶系統(tǒng)的研究進展[J].激光與紅外，2006，36(12):1152- 1154.

[2] 楊子寧.光電自動報靶系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].科學技術(shù)與工程， 2007，7(1):102-104.

[3] 陳海峰.基于圖像處理技術(shù)的自動報靶系統(tǒng)研究[D].南京航空航天大學，2005.

[4] 袁莉茹.基于圖像處理的軍用自動報靶系統(tǒng)彈孔識別[D].重慶大學，2006.

[5] 戰(zhàn)延謀，王卓柱，孫吉紅等.一種自動報靶系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2008， 31(5):1-3.