一種基于圖像處理技術的自動報靶系統設計

張曉錕，林嘉宇

(國防科學技術大學電子科學與工程學院，長沙410073)

1 引言

當前，部隊射擊科目訓練中，大量采用的是傳統的人工報靶方式，這種方式具有工作量大、效率低，且安全性差的弊端，已不能滿足當前部隊訓練的要求［1］。隨著科學技術的巨大進步，國內有許多單位對此進行研究，相繼開發出多類射擊自動報靶系統。這些自動報靶產品按其功能的實現方式可以分以下幾種類型［2］:雙層電極短路采樣系統、聲電定位自動報靶系統、光電電子靶系統、基于圖像處理技術的自動報靶系統。而基于圖像處理的自動報靶系統具有簡捷方便、低成本、測量精度較高等優點。

數字圖像處理技術主要包括圖像數字化、圖像變換、圖像增強、圖像恢復、圖像分割、圖像分析、圖像壓縮、圖像重建等［3］。近年來，隨著圖像處理技術的飛速發展和計算機運算速度的不斷提高，圖像處理技術已經被廣泛應用于科學研究、工農業生產、軍事技術、政府部門、醫療衛生等諸多領域。例如，車牌識別、汽車自動駕駛系統、人臉識別、指紋識別與匹配系統等都是圖像處理技術在實際中的典型應用。為此，本文著眼于部隊實際需求，重點結合圖像處理技術，設計出了一種自動報靶系統。該系統不僅能夠提高射擊效率、節省人力、避免報靶時的人員傷亡，且能實現自動報靶、成績統計等功能，從而確保射擊成績的真實可靠，實現快速。

基于圖像處理技術的自動報靶系統的工作原理是:在實彈射擊過程中，使用攝像頭對常規的胸環靶畫面進行采集，根據采集到的靶圖像的特點和變化，利用計算機圖像處理和識別技術找出靶圖像中的真實彈點，然后通過判定彈點在靶中的位置來確認彈點的環數值。使用這種自動報靶系統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實時、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、規則和精度來判定，不存在受主觀因素影響的問題，比人工報靶更客觀，更公正，有較高的可用性。

2 系統總體設計

2.1 總體設計

本著貼近部隊、貼近實訓的設計原則和便于實現、功能齊全、簡單易用的設計要求，整個系統設計為由集中處理模塊和后臺管理模塊兩個部分組成。其中集中處理模塊由圖像采集設備和中央處理設備組成，其主要功能是實現視頻采集、圖像預處理、彈孔提取和環值判定，并將射擊成績傳輸給后臺管理計算機。后臺管理模塊主要是指后臺管理計算機(必要時可添加打印設備和大屏幕顯示設備)。其主要功能是產生射擊順序表、管理訓練進程、統計射擊成績，并兼作整個系統的網絡服務器，協調整個系統的運行。同時，集中處理模塊通過無線HUB與后臺管理模塊構建成局域網，每個靶位配備完全相同且獨立運行的集中處理模塊系統。具體方案如圖1所示。

該系統的工作流程是:后臺計算機將相關數據傳輸給中央處理計算機，如姓名、靶位號等;射擊開始后，攝像頭將采集到靶標圖像視頻信號，通過電纜傳輸給中央計算機，計算機通過視頻采集卡采集到的靶標數字圖像，而后通過軟件進行圖像預處理、彈孔識別和環值判斷，最后輸出射擊成績，并通過局域網把相關數據傳輸給后臺計算機。

2.2 實現功能

本系統實現的主要功能有［4］:

(1)實現輕武器(步槍、手槍)射擊自動報靶，顯示靶位圖像，輸出射擊成績，且可重復使用;

(2)統計和記錄靶場數據，如射擊人員姓名、所在班組、已射擊發彈序、當前發序號、當前環數、總環數等;

(3)根據人員射擊成績，自動進行評估，提出修正建議。

2.3 判靶流程

自動報靶系統的流程如圖2所示。首先，攝像頭拍攝到靶子的模擬圖像，而后經過視頻采集設備得到數字圖像;計算機提取出一幀數字圖像，隨后進行圖像預處理，主要包括圖像濾波、幾何校正、邊緣檢測、圖像差影、二值化等，得到信噪比較高的數字圖像。在此基礎上，對數字圖像進行模式匹配、細化等處理，找到彈孔位置;而后將彈孔圖與標準靶位模板進行匹配，找到彈孔對應的靶位區域，對照預設的環值判定表格得出相應環值，并顯示、統計射擊成績。

圖2 判靶流程圖

3 關鍵算法

上面簡單介紹了判靶的基本流程，要實現精準判靶，最重要的部分是圖像預處理、彈孔提取和環值判定，下面為該系統采用的部分算法。

3.1 濾波

由于攝像頭采集的圖像在傳輸、轉換過程中，會受到外部環境和人為因素的影響，從而導致圖像產生多種噪聲和失真信息，這就需要對圖像進行濾波處理。濾波的方法有很多種，如低通濾波、中值濾波、自適應濾波等。為了滿足系統需求，采用了中值濾波算法，先排序后求得中值，這樣既能很好的保持邊緣信息，又能夠有效抑制噪聲。

3.2 幾何校正

計算機采集到的圖像存在一定程度的失真現象。為了復原圖像，必須對失真圖像進行幾何校正。一般來講，幾何校正可分為兩步:一是空間坐標變換;二是灰度插值。其中空間變換通常采用兩種方法［5］:一是參考點矯正法;二是依據即便圖像的校正方法。該系統選用了參考點矯正法，其基本思路是［6］:按照一定的變換關系式，事先測量出各種標準靶型的尺寸數據，在這些數據中選取多個合適的“模板基準點坐標”存放在報靶系統數據庫中，然后在報靶系統初始化過程中再選擇多個現場靶圖像的“觀測基準點坐標”，將“觀測基準點坐標”和數據庫中的“模板基準點坐標”對應起來，從而計算出變換矩陣。利用這一變換矩陣對失真圖像進行幾何校正。

3.3 圖像差影

彈點是系統需要提取出的關鍵對象。彈點檢出的過程實際上就是對靶圖像進行檢測和分割。采用了簡單高效的圖像差影的方法，其原理是［7］:把前后捕獲的兩幅圖像對應坐標的像素灰度值相減，得到各點的灰度差值組成新的結果圖像。兩個原圖像中的所有相同背景由于灰度值相同，相減結果為0，在這個結果圖像里面就是統一的暗區域。而結果圖像中的亮區域是射擊在后靶圖像上造成的新彈點和前靶圖像上沒有彈點的對應區域灰度值相減形成的。這個亮區域就是我們要提取的對象物，它代表一個新的彈點。

3.4 二值化

二值化是數字圖像處理的重要基礎。二值圖像是指圖像畫面只包含黑、白二值的圖像。二值化后的圖像能夠用幾何學中的概念進行分析和特征描述，比灰度圖像優勢大的多，可以有效提高系統效率?，F有的二值化方法大多屬于閾值化方法，主要包括全局閾值法、局部閾值法和自適應閾值法［8］。其中全局閾值法計算相對簡單，對直方圖為雙峰、質量較好的圖像效果較好。為此，采用一種經典的全局閾值法—otsu算法，使用全搜索的方式得到最佳閾值，使目標和背景有效分離［9］。

3.5 彈點提取

經過圖像預處理后，靶圖像中仍然存在孤立點、孔洞、毛刺等噪聲，要得到清晰的彈孔，必須進行噪聲濾出。為此，運用數學形態學濾波方法，反復進行開、閉運算，取得了較好的效果。接下來是檢測彈心，首先利用Canny檢測算子進行邊緣檢測，得到彈孔的邊緣信息，而后采用數學形態學細化方法加以細化，得到單像素彈孔邊緣，保證彈心提取的精確性。在此基礎上，采用三點定圓法找到彈心坐標。實驗證明，該法實現簡單，效果較好。

3.6 環值判定

環值判定是整個系統的關鍵環節。采用了如下算法:一是離線求得靶心坐標和各環線半徑，主要步驟是采用上述方法對標準胸環靶進行二值化、細化處理，而后進行形態學開、閉合運算，去掉靶環線和數字等信息，而后利用投影法切割找到十環區域，運用上述三定定圓法確定靶心坐標;利用圓上任意一點到靶心的距離即為半徑的幾何特性，求出各環線的半徑及其表達式。二是創建環值區域，值得注意的是由于胸環靶6、7環為不規則圓環，8、9、10環為規則圓環，為了能夠精確判定環值，采用了設定約束線的方法，準確劃定每個環值的對應區域，三是確定彈孔所在區域，即可實現環值判定。其具體流程如圖3所示。

圖3 彈點提取和環值判定流程圖

4 系統軟、硬件設計

4.1 軟件設計

按照自動報靶系統的實際需求，系統軟件主要由以下功能模塊組成(如圖4所示):①系統管理控制軟件;②圖像采集軟件;③圖像處理、識別和判靶軟件;④數據庫管理軟件;⑤人機交互軟件;⑥計算機網絡通信控制軟件等。

圖4 軟件設計框圖

其實現的主要功能是:①系統管理控制軟件主要負責系統的初始化和管理、協調、控制整個系統;②圖像采集軟件主要負責對攝像頭及采集到的畫面進行管理控制，實現準確、實時采集;③圖像處理和判靶軟件主要負責對采集的圖像進行預處理，并進行彈孔提取，而后判定環值;④數據庫管理軟件主要負責管理存儲圖像數據和射擊成績，并可實現成績統計、排名、評估等功能;⑤人機交互軟件主要負責把系統生成的相關信息分類形成友好界面，顯示在計算機屏幕上，實現良好的人機交換;⑥網絡控制程序主要負責中央處理計算機和后臺管理計算機間的通信和數據交換。

整個系統程序主要由VC++6.0編寫，系統基于Windows XP軟件PC平臺開發。

4.2 硬件設計

系統硬件主要由圖像采集設備、圖像處理和顯示設備組成。為了確保采集圖像高品質、處理圖像高效率、顯示圖像高清晰，我們選取了如下設備:

(1)圖像采集設備

圖像采集就是圖像的數字化過程，即將圖像采集到計算機中的過程，主要涉及模數轉換(A/D Converter)技術。目前，圖像的數字化設備可分為兩類，一類是使用圖像采集卡將模擬制式的視頻信號采集到計算機;另一類是攝像設備本身帶有數字化部件可以直接將數字圖像通過計算機端口或標準設備傳送到計算機［11］。本文采用第一類模式，也就是“攝像頭+采集卡”的模式。

根據系統設計要求，采用了維視公司 VS－808H(CCD)模擬(黑白)工業攝像頭用以采集圖像。該攝像頭采用SONY公司1/3"CCD傳感器，具有更好的使用壽命、可靠性、穩定性和極高的靈敏度;并采用自動增益控制和降噪技術，實現先進的背光補償功能，能夠得到高質量的灰度圖像;且其結構緊湊，外形小巧，功耗低。

下面一個環節就是圖像數字化。圖像數字化任務由圖像采集卡來實現。實時圖像采集系統中，一般采用具有幀同步存儲方式的接口數據采集卡［12］?？紤]到系統采用的是工控平板電腦，為此，選用了維視公司MV—U2000外置黑白圖像采集盒，該采集盒可以實現高品質視頻信號實時采集。其圖象顯示采集分辨率可達768X576，采樣位數為9BIT;并嚴格執行場同步，實現不丟幀。

其工作原理(如圖5所示)是模擬圖像數據由攝像頭采集后，經視頻編碼芯片處理，轉化成數字圖像，傳給可編程邏輯器件FPGA;FPGA接收到數字圖像數據后，送RAM緩存，然后從RAM中取出數據，傳給USB 2.0控制芯片，該芯片利用USB 2.0接口將數據最終傳給計算機實時顯示并存儲。

圖5 圖像采集設備工作原理圖

(2)圖像處理(顯示)設備

圖像處理、顯示設備主要是指中央處理計算機，其主要任務是對采集到的圖像進行圖像預處理和判定環值，并將人員姓名、所在班組、已射擊發彈序、當前發序號、當前環數、總環數射擊結果等信息實時顯示在計算機屏幕上。

基于自動報靶系統圖像處理(顯示)終端小型化、一體化、實時化的設計需求，選用研華公司PPC－125T工控平板電腦(如圖6所示)。該平板電腦采用觸摸式屏幕，設計小巧，接口豐富，開發方便，功能強大，是一款高可靠性、高性能、超低功耗的一體化工控液晶觸摸平板電腦。其采用12.1"SVGA(800X600)液晶顯示器(TFT LCD)，內嵌Inter Celeron移動(1.06GHz)中央處理器(CPU)，40G(SATA)硬盤(HDD)，1G(DDR)內存(Memory)和無線(LAN)模塊?？蛇x裝Windows XP和Windows CE系統。并支持嵌入式安裝、壁掛式安裝、支架式安裝、底座式安裝等多種模式，能夠方便靈活地與客戶的具體產品形態結合，達到很好的一體化效果。

圖6 PPC－125T端口圖

5 總結及展望

首先介紹了當前部隊射擊科目訓練的現狀，分析了采用基于圖像處理技術的自動報靶系統的必要性。在此基礎上，充分考慮實彈射擊自動報靶系統的實時性和環境要求，提出了一種自動報靶系統的總體設計方案，介紹了其工作流程及實現功能。而后，簡要闡述了在圖像預處理、彈點提取和環值判定中所采用的關鍵算法。并從系統設計實際需求出發，分別說明了軟件設計和硬件選取。經過仿真試驗證明，本文實現的設計方案，具有較好的實時性和實用性。

數字圖像處理技術無論從理論或實踐上都存在巨大潛力。下步工作中，應重點研究采用無線傳輸和無線通信，提高系統對多種射擊環境的適應能力，并將本系統數據與其他系統連接，形成一體化數據網，實現遠程控制指揮;從部隊建設實際出發，不斷降低系統制作成本，基于嵌入式平臺加以開發自動報靶系統;不斷更新數字圖像處理理論知識，改進圖像處理識別的算法，提高系統速度，提升系統性能。

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