基于圖像處理的智能射擊訓練系統(tǒng)

曹希霆，賈敏智

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024）

實彈射擊訓練對場地要求苛刻，而且需要消耗大量彈藥，訓練效率低且消耗大。因此出現(xiàn)了模擬射擊系統(tǒng)，現(xiàn)有的模擬射擊系統(tǒng)主要有以下幾類[1-4]：1）用激光器和光電傳感器。槍上安裝激光發(fā)射器，在目標靶上安裝光電傳感器，通過光電傳感器陣列檢測激光照射位置得到成績；2）用攝像頭。直接把攝像頭安裝到槍上，通過檢測圖像中靶子的位置得出成績；3）用激光器和攝像頭。激光器安裝在槍上，光束集中于一點，攝像頭安裝在合適的位置，通過圖像檢測激光照射位置得到成績。但以上幾類都有一些缺點，例如靶子上有電氣元件或固定攝像頭造成使用不方便，精度不高，攝像頭受其他光線干擾等問題。為了克服這些缺點，在本文在這幾種系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)了一種新的模擬射擊系統(tǒng)。

1 原理及結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的實現(xiàn)原理是：安裝系統(tǒng)時在目標靶上安裝標定點，訓練時用固定在槍上的攝像頭得到目標靶圖像，圖像中標定點的位置隨著瞄準位置的變化而變化，根據(jù)圖像中標定點位置得到成績。為使標定點易于捕捉，標定點采用逆反射材料，并在槍上加裝半導體紅外激光器。當瞄準到目標靶上時激光覆蓋到標定點，使標定點亮度增加。激光器和攝像頭在訓練過程中一直處于工作狀態(tài)，槍上處理系統(tǒng)得到瞄準坐標后通過藍牙模塊實時上傳給模擬顯示系統(tǒng)，生成瞄準軌跡并保存到數(shù)據(jù)庫。在扣動扳機時槍上系統(tǒng)向模擬顯示系統(tǒng)發(fā)送特殊標志，確定射擊環(huán)數(shù)和具體位置。模擬顯示系統(tǒng)對相關(guān)數(shù)據(jù)進行顯示、存儲、分析等操作。訓練槍上的檢測系統(tǒng)硬件以ARM9處理器S3C2440[5]為核心。

標定點所用材料為反光晶格貼片，具有很強的逆反射特性，當瞄準到目標靶上時，激光光斑覆蓋到標定點，可以產(chǎn)生很強的逆反射光線。由于太陽光光譜主要分布在可見光區(qū)域，而激光具有方向性好且波長固定等特性，因此在鏡頭前加裝紅外窄帶帶通濾光片，并降低圖像傳感器的曝光時間，可以減少太陽光及其他光線的干擾。在圖像上標定點與背景的亮度形成明顯差異，使檢測難度大大降低，可以在S3C2440上完成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件實現(xiàn)

2.1 目標靶

本系統(tǒng)通過圖像處理系統(tǒng)得到目標靶上標定點的位置來獲得射擊成績。為了方便高效地獲取標定點位置，利用了逆反射現(xiàn)象。逆反射是指反射光線從靠近入射光線的反方向，向光源返回的反射。當入射光線的方向在較大范圍內(nèi)變化時，仍能保持這種性質(zhì)，如交通標志。在目標靶上粘貼反光晶格貼片使激光發(fā)生逆反射，這樣槍上的攝像頭可以接收到更多的反射激光。

在目標靶上設(shè)置標定點，可以用來標定目標靶位置。但在多人多靶同時訓練時可能會出現(xiàn)瞄錯靶的情況，產(chǎn)生錯誤成績。為避免這種情況的發(fā)生，在目標靶上設(shè)置多個標定點，對目標靶進行編碼。如圖2所示，A，B，F(xiàn)，G為固定點，C，D，E用來編碼。

圖2 標定點示意圖

2.2 訓練槍

訓練用槍是在普通的槍上加裝激光器、攝像頭模塊、圖像處理系統(tǒng)和藍牙通信等模塊后實現(xiàn)的。

1）激光器在本系統(tǒng)中的作用主要是使標定點產(chǎn)生逆反射光，增加標定點亮度。調(diào)整出射光散射角使激光可以覆蓋到所有標定點。為了避免在瞄準時標定點產(chǎn)生的反射光對射擊者產(chǎn)生視覺干擾，采用了功率為30 mW、波長為980 nm的紅外激光器。

2）攝像頭模塊用來獲取目標靶圖像，訓練過程中一直處于工作狀態(tài)，實時獲得目標靶圖像，通過圖像處理系統(tǒng)確定標定點坐標，從而得到成績以及整個瞄準過程的軌跡，方便分析射擊者的技術(shù)特點，提高訓練效率。

攝像頭加裝980 nm窄帶帶通濾光片。性能參數(shù)為：半高寬為20 nm，截止深度OD3-C，中心波長980 nm，峰值透過率T〉90%。截止范圍200～2 000 nm內(nèi)光波的透過率為0.001，970～990 nm范圍波段除外。由于所選激光器波長固定為980 nm，經(jīng)濾光后標定點更容易檢測。

3）圖像處理系統(tǒng)以S3C2440微處理器為核心。S3C2440芯片內(nèi)部設(shè)計有多種控制器以方便對外設(shè)的操作，這里主要用到攝像頭控制器和LCD控制器。攝像頭模塊接相應引腳，扳機經(jīng)改造后接外部中斷EINT4。S3C2440設(shè)計有3個串口，在本系統(tǒng)中urat0用于程序調(diào)試，urat1接藍牙模塊與模擬顯示系統(tǒng)實現(xiàn)無線通信。

4）藍牙通信模塊，采用的藍牙模塊為主從一體，可通過AT指令設(shè)置相關(guān)參數(shù)。訓練槍的藍牙模塊設(shè)置為從模式。

2.3 模擬顯示系統(tǒng)

該部分主要由PC機和藍牙模塊組成。藍牙模塊可以進行一對一、一對多、多對多的組網(wǎng)通信。PC機上的藍牙模塊設(shè)置為主模式，可以與多個從模式藍牙模塊同時通信。PC機通過藍牙模塊得到數(shù)據(jù)后進行處理、顯示、保存等操作。

3 圖像處理

圖像獲取及檢測都在S3C2440平臺上完成，成績及瞄準軌跡等數(shù)據(jù)的顯示、記錄、分析由模擬顯示系統(tǒng)完成。圖像處理程序的開發(fā)環(huán)境為Fedora17，開發(fā)調(diào)試工具有arm-linux-gcc、arm-linux-gdb、JLlink等硬件、軟件工具。模擬顯示系統(tǒng)程序采用VC2008開發(fā)。

圖像的獲取是由攝像頭模塊和S3C2440上的攝像頭控制器來完成。攝像頭控制器的接口輸入為YCbCr 4∶2∶2格式的數(shù)據(jù)，得到圖像數(shù)據(jù)后通過2個DMA通道將數(shù)據(jù)傳輸至相應緩沖區(qū)：通過P通道將轉(zhuǎn)換后得到的RGB值送至RGB幀緩沖區(qū)；通過C通道把Y，Cb，Cr分別送至Y幀緩沖區(qū)、Cb幀緩沖區(qū)、Cr幀緩沖區(qū)。同時S3C2440還采用了Ping-Pong Memory Hierarchy，使圖像檢測更為方便，如圖3所示。

圖3中C-port Y1，C-port Y2，C-port Y3，C-port Y4為4個Y值幀緩沖區(qū)，可存儲連續(xù)4幀的像素點亮度值，4個緩沖區(qū)地址可以相同也可以不同。本系統(tǒng)中只用C通道的Y值，設(shè)置4個緩沖區(qū)為不同地址，并且關(guān)閉P通道節(jié)省總線資源。

圖3 Ping-Pong Memory Hierarchy示意圖

對上述4個Y緩沖區(qū)進行掃描檢測得到各標定點坐標，轉(zhuǎn)換為瞄準坐標后通過藍牙模塊實時傳送給模擬顯示系統(tǒng)。程序檢測最新的一幀數(shù)據(jù)，通過讀取寄存器CICOSTATUS的[27:26]位可以得到攝像頭控制器當前正在操作的緩沖區(qū)的序號。例如：如果控制器正在向C通道Y2傳數(shù)據(jù)，則程序?qū)通道Y1進行掃描檢測；如果控制器正在向C通道Y1傳數(shù)據(jù)，則程序?qū)通道Y4進行掃描檢測。

然后進行圖像傳感器內(nèi)部寄存器的設(shè)置。OV7670的內(nèi)部寄存器要通過SCCB總線來設(shè)置，其中關(guān)鍵的幾個寄存器的代碼如下：

Wr7670（0x12,0x10）；//設(shè)置為 QVGA 模式，并使其輸出格式與S3C2440相匹配；

Wr7670（0x9f,0x01）；Wr7670（0xa0,0x07）；//調(diào)整 AEC/AGC（自動增益和曝光時間），縮短曝光時間使周圍物體亮度減小，突出標定點。

扣動扳機時，進入中斷后向模擬顯示系統(tǒng)發(fā)送相應數(shù)據(jù)標志，通知模擬顯示系統(tǒng)該坐標為著彈點位置。

4 模擬顯示系統(tǒng)程序

本系統(tǒng)采用藍牙模塊進行通信。藍牙通信系統(tǒng)采用一種很靈活的無基站組網(wǎng)方式，每個主設(shè)備可以與最多7個從設(shè)備同時通信。PC機使用USB藍牙模塊，并安裝藍牙驅(qū)動千月（BlueSoleil），該軟件可創(chuàng)建多個虛擬藍牙串口，虛擬藍牙串口的使用方式和普通串口相同。PC機主程序采用MFC開發(fā)，使用多線程技術(shù)通過虛擬藍牙串口與其他設(shè)備同時進行通信。系統(tǒng)安裝時需要對槍上的攝像頭和激光器進行校正。為了滿足用戶對訓練人員信息管理和訓練相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示、保存、分析，用戶程序可以根據(jù)使用者的具體要求進行定制。

5 總結(jié)

在了解多種模擬射擊系統(tǒng)的實現(xiàn)方式后，查閱相關(guān)資料，筆者提出這種新的實現(xiàn)方式。系統(tǒng)使用方便，安全可靠，可在多種場所使用；可以多人多靶同時訓練，也可以應用到移動靶和起倒靶的射擊訓練中；不僅可以得到射擊者的成績，還可以記錄瞄準軌跡，對射擊者的技術(shù)分析更加詳細，使訓練效果更好。同時，在測試中也暴露出了一些不足，由于攝像頭的分辨率和鏡頭質(zhì)量的問題，造成圖像不夠清晰，影響成績的精度；由于幀率偏低，在目標靶距離較遠且訓練槍晃動比較嚴重時，連續(xù)兩幀圖像中的目標靶位移偏大，造成成績不夠準確?？梢酝ㄟ^使用更高分辨率和幀率的圖像傳感器，使用更好的鏡頭，或者優(yōu)化算法來克服這些不足。

[1] 趙苗.激光模擬打靶訓練系統(tǒng)的研究[D].南昌：南昌大學，2008.

[2] 王輝，姜大鵬，曾光宇.學生軍訓激光模擬打靶系統(tǒng)設(shè)計[J].應用科技，2009（12）：45-47.

[3] 劉建，秦會斌，黃博志，等.激光打靶系統(tǒng)的設(shè)計[J].傳感技術(shù)學報，2003（4）：513-515.

[4] 姚竹亭，王憲朝.實用激光打靶機設(shè)計與應用[J].電子技術(shù)，1998（2）：35-36.

[5] 唐浩，代少升.Qt/Embedded在S3C2440平臺上的移植與開發(fā)[J].電視技術(shù)，2010，34（10）：32-35.