一種基于圖像處理技術(shù)的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張曉錕，林嘉宇

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410073)

1 引言

當(dāng)前，部隊(duì)射擊科目訓(xùn)練中，大量采用的是傳統(tǒng)的人工報(bào)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(dāng)前部隊(duì)訓(xùn)練的要求［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步，國內(nèi)有許多單位對(duì)此進(jìn)行研究，相繼開發(fā)出多類射擊自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)。這些自動(dòng)報(bào)靶產(chǎn)品按其功能的實(shí)現(xiàn)方式可以分以下幾種類型［2］:雙層電極短路采樣系統(tǒng)、聲電定位自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)、光電電子靶系統(tǒng)、基于圖像處理技術(shù)的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)。而基于圖像處理的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)具有簡(jiǎn)捷方便、低成本、測(cè)量精度較高等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)字圖像處理技術(shù)主要包括圖像數(shù)字化、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、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(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的不斷提高，圖像處理技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事技術(shù)、政府部門、醫(yī)療衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域。例如，車牌識(shí)別、汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、人臉識(shí)別、指紋識(shí)別與匹配系統(tǒng)等都是圖像處理技術(shù)在實(shí)際中的典型應(yīng)用。為此，本文著眼于部隊(duì)實(shí)際需求，重點(diǎn)結(jié)合圖像處理技術(shù)，設(shè)計(jì)出了一種自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠提高射擊效率、節(jié)省人力、避免報(bào)靶時(shí)的人員傷亡，且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)靶、成績(jī)統(tǒng)計(jì)等功能，從而確保射擊成績(jī)的真實(shí)可靠，實(shí)現(xiàn)快速。

基于圖像處理技術(shù)的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)的工作原理是:在實(shí)彈射擊過程中，使用攝像頭對(duì)常規(guī)的胸環(huán)靶畫面進(jìn)行采集，根據(jù)采集到的靶圖像的特點(diǎn)和變化，利用計(jì)算機(jī)圖像處理和識(shí)別技術(shù)找出靶圖像中的真實(shí)彈點(diǎn)，然后通過判定彈點(diǎn)在靶中的位置來確認(rèn)彈點(diǎn)的環(huán)數(shù)值。使用這種自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)就好像是使用了一個(gè)“電子眼”，它會(huì)代替報(bào)靶人員的眼睛，在整個(gè)實(shí)彈射擊過程中實(shí)時(shí)、不間斷的對(duì)靶畫面進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)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，比人工報(bào)靶更客觀，更公正，有較高的可用性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本著貼近部隊(duì)、貼近實(shí)訓(xùn)的設(shè)計(jì)原則和便于實(shí)現(xiàn)、功能齊全、簡(jiǎn)單易用的設(shè)計(jì)要求，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由集中處理模塊和后臺(tái)管理模塊兩個(gè)部分組成。其中集中處理模塊由圖像采集設(shè)備和中央處理設(shè)備組成，其主要功能是實(shí)現(xiàn)視頻采集、圖像預(yù)處理、彈孔提取和環(huán)值判定，并將射擊成績(jī)傳輸給后臺(tái)管理計(jì)算機(jī)。后臺(tái)管理模塊主要是指后臺(tái)管理計(jì)算機(jī)(必要時(shí)可添加打印設(shè)備和大屏幕顯示設(shè)備)。其主要功能是產(chǎn)生射擊順序表、管理訓(xùn)練進(jìn)程、統(tǒng)計(jì)射擊成績(jī)，并兼作整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。同時(shí)，集中處理模塊通過無線HUB與后臺(tái)管理模塊構(gòu)建成局域網(wǎng)，每個(gè)靶位配備完全相同且獨(dú)立運(yùn)行的集中處理模塊系統(tǒng)。具體方案如圖1所示。

該系統(tǒng)的工作流程是:后臺(tái)計(jì)算機(jī)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給中央處理計(jì)算機(jī)，如姓名、靶位號(hào)等;射擊開始后，攝像頭將采集到靶標(biāo)圖像視頻信號(hào)，通過電纜傳輸給中央計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過視頻采集卡采集到的靶標(biāo)數(shù)字圖像，而后通過軟件進(jìn)行圖像預(yù)處理、彈孔識(shí)別和環(huán)值判斷，最后輸出射擊成績(jī)，并通過局域網(wǎng)把相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給后臺(tái)計(jì)算機(jī)。

2.2 實(shí)現(xiàn)功能

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有［4］:

(1)實(shí)現(xiàn)輕武器(步槍、手槍)射擊自動(dòng)報(bào)靶，顯示靶位圖像，輸出射擊成績(jī)，且可重復(fù)使用;

(2)統(tǒng)計(jì)和記錄靶場(chǎng)數(shù)據(jù)，如射擊人員姓名、所在班組、已射擊發(fā)彈序、當(dāng)前發(fā)序號(hào)、當(dāng)前環(huán)數(shù)、總環(huán)數(shù)等;

(3)根據(jù)人員射擊成績(jī)，自動(dòng)進(jìn)行評(píng)估，提出修正建議。

2.3 判靶流程

自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)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(jīng)過視頻采集設(shè)備得到數(shù)字圖像;計(jì)算機(jī)提取出一幀數(shù)字圖像，隨后進(jìn)行圖像預(yù)處理，主要包括圖像濾波、幾何校正、邊緣檢測(cè)、圖像差影、二值化等，得到信噪比較高的數(shù)字圖像。在此基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行模式匹配、細(xì)化等處理，找到彈孔位置;而后將彈孔圖與標(biāo)準(zhǔn)靶位模板進(jìn)行匹配，找到彈孔對(duì)應(yīng)的靶位區(qū)域，對(duì)照預(yù)設(shè)的環(huán)值判定表格得出相應(yīng)環(huán)值，并顯示、統(tǒng)計(jì)射擊成績(jī)。

圖2 判靶流程圖

3 關(guān)鍵算法

上面簡(jiǎn)單介紹了判靶的基本流程，要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)判靶，最重要的部分是圖像預(yù)處理、彈孔提取和環(huán)值判定，下面為該系統(tǒng)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(zhuǎn)換過程中，會(huì)受到外部環(huán)境和人為因素的影響，從而導(dǎo)致圖像產(chǎn)生多種噪聲和失真信息，這就需要對(duì)圖像進(jìn)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(yīng)濾波等。為了滿足系統(tǒng)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(jì)算機(jī)采集到的圖像存在一定程度的失真現(xiàn)象。為了復(fù)原圖像，必須對(duì)失真圖像進(jìn)行幾何校正。一般來講，幾何校正可分為兩步:一是空間坐標(biāo)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(diǎn)矯正法;二是依據(jù)即便圖像的校正方法。該系統(tǒng)選用了參考點(diǎn)矯正法，其基本思路是［6］:按照一定的變換關(guān)系式，事先測(cè)量出各種標(biāo)準(zhǔn)靶型的尺寸數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)中選取多個(gè)合適的“模板基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)”存放在報(bào)靶系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，然后在報(bào)靶系統(tǒng)初始化過程中再選擇多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)靶圖像的“觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)”，將“觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)”和數(shù)據(jù)庫中的“模板基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)”對(duì)應(yīng)起來，從而計(jì)算出變換矩陣。利用這一變換矩陣對(duì)失真圖像進(jìn)行幾何校正。

3.3 圖像差影

彈點(diǎn)是系統(tǒng)需要提取出的關(guān)鍵對(duì)象。彈點(diǎn)檢出的過程實(shí)際上就是對(duì)靶圖像進(jìn)行檢測(cè)和分割。采用了簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)坐標(biāo)的像素灰度值相減，得到各點(diǎn)的灰度差值組成新的結(jié)果圖像。兩個(gè)原圖像中的所有相同背景由于灰度值相同，相減結(jié)果為0，在這個(gè)結(jié)果圖像里面就是統(tǒng)一的暗區(qū)域。而結(jié)果圖像中的亮區(qū)域是射擊在后靶圖像上造成的新彈點(diǎn)和前靶圖像上沒有彈點(diǎn)的對(duì)應(yīng)區(qū)域灰度值相減形成的。這個(gè)亮區(qū)域就是我們要提取的對(duì)象物，它代表一個(gè)新的彈點(diǎn)。

3.4 二值化

二值化是數(shù)字圖像處理的重要基礎(chǔ)。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(xué)中的概念進(jìn)行分析和特征描述，比灰度圖像優(yōu)勢(shì)大的多，可以有效提高系統(tǒng)效率?，F(xiàn)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(yīng)閾值法［8］。其中全局閾值法計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)直方圖為雙峰、質(zhì)量較好的圖像效果較好。為此，采用一種經(jīng)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(biāo)和背景有效分離［9］。

3.5 彈點(diǎn)提取

經(jīng)過圖像預(yù)處理后，靶圖像中仍然存在孤立點(diǎn)、孔洞、毛刺等噪聲，要得到清晰的彈孔，必須進(jìn)行噪聲濾出。為此，運(yùn)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波方法，反復(fù)進(jìn)行開、閉運(yùn)算，取得了較好的效果。接下來是檢測(cè)彈心，首先利用Canny檢測(cè)算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，得到彈孔的邊緣信息，而后采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)細(xì)化方法加以細(xì)化，得到單像素彈孔邊緣，保證彈心提取的精確性。在此基礎(chǔ)上，采用三點(diǎn)定圓法找到彈心坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)證明，該法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，效果較好。

3.6 環(huán)值判定

環(huán)值判定是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用了如下算法:一是離線求得靶心坐標(biāo)和各環(huán)線半徑，主要步驟是采用上述方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)胸環(huán)靶進(jìn)行二值化、細(xì)化處理，而后進(jìn)行形態(tài)學(xué)開、閉合運(yùn)算，去掉靶環(huán)線和數(shù)字等信息，而后利用投影法切割找到十環(huán)區(qū)域，運(yùn)用上述三定定圓法確定靶心坐標(biāo);利用圓上任意一點(diǎn)到靶心的距離即為半徑的幾何特性，求出各環(huán)線的半徑及其表達(dá)式。二是創(chuàng)建環(huán)值區(qū)域，值得注意的是由于胸環(huán)靶6、7環(huán)為不規(guī)則圓環(huán)，8、9、10環(huán)為規(guī)則圓環(huán)，為了能夠精確判定環(huán)值，采用了設(shè)定約束線的方法，準(zhǔn)確劃定每個(gè)環(huán)值的對(duì)應(yīng)區(qū)域，三是確定彈孔所在區(qū)域，即可實(shí)現(xiàn)環(huán)值判定。其具體流程如圖3所示。

圖3 彈點(diǎn)提取和環(huán)值判定流程圖

4 系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)

4.1 軟件設(shè)計(jì)

按照自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)的實(shí)際需求，系統(tǒng)軟件主要由以下功能模塊組成(如圖4所示):①系統(tǒng)管理控制軟件;②圖像采集軟件;③圖像處理、識(shí)別和判靶軟件;④數(shù)據(jù)庫管理軟件;⑤人機(jī)交互軟件;⑥計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信控制軟件等。

圖4 軟件設(shè)計(jì)框圖

其實(shí)現(xiàn)的主要功能是:①系統(tǒng)管理控制軟件主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化和管理、協(xié)調(diào)、控制整個(gè)系統(tǒng);②圖像采集軟件主要負(fù)責(zé)對(duì)攝像頭及采集到的畫面進(jìn)行管理控制，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)采集;③圖像處理和判靶軟件主要負(fù)責(zé)對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，并進(jìn)行彈孔提取，而后判定環(huán)值;④數(shù)據(jù)庫管理軟件主要負(fù)責(zé)管理存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)和射擊成績(jī)，并可實(shí)現(xiàn)成績(jī)統(tǒng)計(jì)、排名、評(píng)估等功能;⑤人機(jī)交互軟件主要負(fù)責(zé)把系統(tǒng)生成的相關(guān)信息分類形成友好界面，顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交換;⑥網(wǎng)絡(luò)控制程序主要負(fù)責(zé)中央處理計(jì)算機(jī)和后臺(tái)管理計(jì)算機(jī)間的通信和數(shù)據(jù)交換。

整個(gè)系統(tǒng)程序主要由VC++6.0編寫，系統(tǒng)基于Windows XP軟件PC平臺(tái)開發(fā)。

4.2 硬件設(shè)計(jì)

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

(1)圖像采集設(shè)備

圖像采集就是圖像的數(shù)字化過程，即將圖像采集到計(jì)算機(jī)中的過程，主要涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D Converter)技術(shù)。目前，圖像的數(shù)字化設(shè)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(hào)采集到計(jì)算機(jī);另一類是攝像設(shè)備本身帶有數(shù)字化部件可以直接將數(shù)字圖像通過計(jì)算機(jī)端口或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備傳送到計(jì)算機(jī)［11］。本文采用第一類模式，也就是“攝像頭+采集卡”的模式。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，采用了維視公司 VS－808H(CCD)模擬(黑白)工業(yè)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(wěn)定性和極高的靈敏度;并采用自動(dòng)增益控制和降噪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的背光補(bǔ)償功能，能夠得到高質(zhì)量的灰度圖像;且其結(jié)構(gòu)緊湊，外形小巧，功耗低。

下面一個(gè)環(huán)節(jié)就是圖像數(shù)字化。圖像數(shù)字化任務(wù)由圖像采集卡來實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)中，一般采用具有幀同步存儲(chǔ)方式的接口數(shù)據(jù)采集卡［12］?？紤]到系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)高品質(zhì)視頻信號(hào)實(shí)時(shí)采集。其圖象顯示采集分辨率可達(dá)768X576，采樣位數(shù)為9BIT;并嚴(yán)格執(zhí)行場(chǎng)同步，實(shí)現(xiàn)不丟幀。

其工作原理(如圖5所示)是模擬圖像數(shù)據(jù)由攝像頭采集后，經(jīng)視頻編碼芯片處理，轉(zhuǎn)化成數(shù)字圖像，傳給可編程邏輯器件FPGA;FPGA接收到數(shù)字圖像數(shù)據(jù)后，送RAM緩存，然后從RAM中取出數(shù)據(jù)，傳給USB 2.0控制芯片，該芯片利用USB 2.0接口將數(shù)據(jù)最終傳給計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)。

圖5 圖像采集設(shè)備工作原理圖

(2)圖像處理(顯示)設(shè)備

圖像處理、顯示設(shè)備主要是指中央處理計(jì)算機(jī)，其主要任務(wù)是對(duì)采集到的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理和判定環(huán)值，并將人員姓名、所在班組、已射擊發(fā)彈序、當(dāng)前發(fā)序號(hào)、當(dāng)前環(huán)數(shù)、總環(huán)數(shù)射擊結(jié)果等信息實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。

基于自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)圖像處理(顯示)終端小型化、一體化、實(shí)時(shí)化的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)小巧，接口豐富，開發(fā)方便，功能強(qiáng)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(nèi)嵌Inter Celeron移動(dòng)(1.06GHz)中央處理器(CPU)，40G(SATA)硬盤(HDD)，1G(DDR)內(nèi)存(Memory)和無線(LAN)模塊?？蛇x裝Windows XP和Windows CE系統(tǒng)。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(chǎn)品形態(tài)結(jié)合，達(dá)到很好的一體化效果。

圖6 PPC－125T端口圖

5 總結(jié)及展望

首先介紹了當(dāng)前部隊(duì)射擊科目訓(xùn)練的現(xiàn)狀，分析了采用基于圖像處理技術(shù)的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)的必要性。在此基礎(chǔ)上，充分考慮實(shí)彈射擊自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和環(huán)境要求，提出了一種自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，介紹了其工作流程及實(shí)現(xiàn)功能。而后，簡(jiǎn)要闡述了在圖像預(yù)處理、彈點(diǎn)提取和環(huán)值判定中所采用的關(guān)鍵算法。并從系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)際需求出發(fā)，分別說明了軟件設(shè)計(jì)和硬件選取。經(jīng)過仿真試驗(yàn)證明，本文實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案，具有較好的實(shí)時(shí)性和實(shí)用性。

數(shù)字圖像處理技術(shù)無論從理論或?qū)嵺`上都存在巨大潛力。下步工作中，應(yīng)重點(diǎn)研究采用無線傳輸和無線通信，提高系統(tǒng)對(duì)多種射擊環(huán)境的適應(yīng)能力，并將本系統(tǒng)數(shù)據(jù)與其他系統(tǒng)連接，形成一體化數(shù)據(jù)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制指揮;從部隊(duì)建設(shè)實(shí)際出發(fā)，不斷降低系統(tǒng)制作成本，基于嵌入式平臺(tái)加以開發(fā)自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng);不斷更新數(shù)字圖像處理理論知識(shí)，改進(jìn)圖像處理識(shí)別的算法，提高系統(tǒng)速度，提升系統(tǒng)性能。

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