基于線陣CCD槍彈位置圖像處理的方法研究

楊博宇，姚愛琴，孫運(yùn)強(qiáng)，魯旭濤

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

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基于線陣CCD槍彈位置圖像處理的方法研究

楊博宇，姚愛琴，孫運(yùn)強(qiáng)，魯旭濤

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

針對槍彈位置的線陣CCD測量圖像信息處理問題，研究了線陣CCD在測量槍彈射擊中槍彈的提取、噪聲的剔除、槍彈中心的確定等問題。常用的背景差分算法在實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)算過程中存在速度慢、噪聲多等問題，根據(jù)線陣CCD測量系統(tǒng)采集到的槍彈圖像信息的特點(diǎn)，提出了在背景差分法的基礎(chǔ)上通過圖像的一種改進(jìn)的互相關(guān)性快速提取槍彈圖像的算法，進(jìn)而確定槍彈位置。通過比較該算法和背景差分法對槍彈圖像的采集與處理，可以得出用該算法計算出的槍彈位置精確度高，耗時短，提高了線性CCD測量系統(tǒng)實(shí)時處理的效率，在連發(fā)的高精度自動報靶系統(tǒng)中具有一定的實(shí)用性。

線陣CCD； 槍彈位置； 高精度；圖像處理

目前，以線陣CCD為傳感器的各種非接觸測量方法由于其智能化、自動化、驅(qū)動簡單、易于處理等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。線陣 CCD具有可以將一維像元數(shù)做多的優(yōu)點(diǎn) , 而總的像元數(shù)與面陣CCD相比較少,并且?guī)鶖?shù)高,像元尺寸靈活, 非常適合一維動態(tài)目標(biāo)測量，因此在室內(nèi)高精度立靶系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[1-2]。目前將線陣 CCD應(yīng)用于室內(nèi)高精度立靶測試系統(tǒng)，研究與分析基于線陣CCD的槍彈圖像位置信息的處理算法，趙慶嵐等在CCD實(shí)測數(shù)據(jù)恢復(fù)彈形的方法中提出了用幀相減和閾值提取有用數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法提取槍彈[3]；馬衛(wèi)紅等在研究高精度CCD室內(nèi)立靶系統(tǒng)中采用背景濾除算法提取槍彈位置[4]。這些都與背景差分法一樣要求背景是較為均勻且不變的，這在實(shí)際的測量系統(tǒng)中很難達(dá)到。針對以上的不足，筆者提出了一種槍彈圖像的快速提取方法，可以彌補(bǔ)背景差分法的不足，提高了測量系統(tǒng)的精確度和實(shí)時處理效率。

1 線陣CCD測量系統(tǒng)分析

線陣CCD采集到槍彈圖像信息的位置可以推算出槍彈射擊時在空間中的實(shí)際位置，而槍彈的尺寸又可在圖像的像素數(shù)目中反映出來[5]。因?yàn)闃審椀倪吘壴趫D像中比較模糊,即與背景相比是變化相對劇烈的部分 ,所以如何精確地識別出槍彈的邊緣直接關(guān)系到測量系統(tǒng)的精度問題 。為了研究槍彈圖像的處理算法，需要對槍彈圖像特點(diǎn)進(jìn)行分析[6]。圖1為測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖2為測量系統(tǒng)實(shí)物圖。光源系統(tǒng)照射在CCD相機(jī)上形成光幕，當(dāng)槍彈穿過光幕時，遮擋住了一部分光線，從而在線陣CCD相機(jī)上成像。線陣CCD相機(jī)接收到觸發(fā)控制系統(tǒng)給的信號后瞬間拍照并保存數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行目標(biāo)位置信息的確定[7-8]。

圖3為線陣CCD采集到的圖像，大小為1 000 pix×8 192 pix，由于槍彈體積小、飛行速度快，多數(shù)情況下線陣CCD拍到的槍彈在整幅圖像中所占像素為25 pix×50 pix，僅占整幅圖像的幾萬分之一。并且由于背景光源的均勻性和穩(wěn)定性不理想導(dǎo)致圖片的背景呈現(xiàn)出整體明暗交替變換劇烈而局部變化緩慢連續(xù)，使得彈丸完全淹沒在背景中，給圖像的后續(xù)處理帶來了很大的困難。因此，尋找一種有效的圖像提取方法是該項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 槍彈圖像的快速提取與處理

目前國內(nèi)關(guān)于槍彈位置的提取與確定的研究基本上采用的都是背景差分法。背景差分法要求背景是均勻不變的，這樣通過減背景能去除背景噪聲，但是線陣CCD實(shí)際采集回來的槍彈圖像的背景是變化的，尤其是在連發(fā)射擊中，槍彈連續(xù)通過靶面其強(qiáng)大的沖擊力會導(dǎo)致背景的變化，而且采集到的圖像較大(1 000 pix×8 192 pix)，直接用背景差分法提取槍彈中心會使得噪聲增多影響結(jié)果的準(zhǔn)確性且耗時較長。針對此不足，筆者提出了一種改進(jìn)的互相關(guān)法和背景差分法相結(jié)合快速提取槍彈圖像的方法，此方法分為槍彈圖像預(yù)處理和槍彈圖像處理兩部分。

2.1 槍彈圖像預(yù)處理

由圖3可以看出線陣CCD采集到的圖像比較大且背景復(fù)雜，很難在整幅圖像中找到槍彈的位置，但仔細(xì)看就會發(fā)現(xiàn)這明暗相間的復(fù)雜背景中存在著一定的互相關(guān)性，筆者通過圖像的互相關(guān)性來進(jìn)行圖像的預(yù)處理。

互相關(guān)函數(shù)為隨機(jī)信號x(t)、y(t)在任意2個不同的時刻t1、t2下的值之間的相關(guān)程度[9]。在槍彈圖像處理中，互相關(guān)函數(shù)的定義如下：

設(shè)兩個函數(shù)分別為m(t)和n(t)，其反映的是2個函數(shù)在不同相對位置上的相互匹配程度。則互相關(guān)函數(shù)定義為

R(u)=m(t)×n(-t)

(1)

首先將圖片分成一個個50pix×128pix的小塊作為研究對象，從圖像的左上角按列開始把1個塊作為1個待測圖像，其后1個塊作為對比圖像，然后利用互相關(guān)函數(shù)把它們聯(lián)系起來判斷待測圖像中是否存在槍彈。用數(shù)學(xué)的形式表示為：將待測圖像與對比圖像按列展開為二維像素矢量i和j，利用式(2)計算2幅圖即2個矢量i和j的相互關(guān)系的相似性程度。

(2)

式中：k為待測圖像； f表示對比圖像；i和j表示圖像的行和列。

進(jìn)行粗提取時，根據(jù)式(2)可以求出對應(yīng)的ρ值，將其與閾值T1(采集1張沒有槍彈的圖像如上述算法分塊，進(jìn)行式(2)的計算，取最大的ρ為閾值)進(jìn)行比較。如果小于閾值說明待測圖像為有槍彈的圖像，否則視為背景圖像，把對比圖像作為待測圖像，其后1個小圖像作為新的對比圖像按上述算法進(jìn)行計算，直到找到有槍彈待測圖像。為了保證圖像中槍彈的完整性，防止待測圖像中只有部分的槍彈圖像，所以截取待測圖像及其周圍的八聯(lián)通區(qū)域(50 pix×128 pix×9)的小圖像作為槍彈圖像預(yù)處理結(jié)果圖，如圖4所示。

2.2 槍彈圖像處理

槍彈圖像處理是利用背景差分法將預(yù)處理結(jié)果圖中的槍彈從復(fù)雜的背景中提取出來。具體算法如下：

1)槍彈圖像的預(yù)處理結(jié)果圖是通過截取八聯(lián)通區(qū)域得到的，所以槍彈大致在圖像的中間的位置，因此預(yù)處理結(jié)果圖中的前N行是不含有槍彈的，將前N行相加求平均構(gòu)造一個背景模板。

(3)

2)上面構(gòu)建的單行背景模板大小為1 pix×384 pix，要將其進(jìn)行多次合并擴(kuò)建成大小為150 pix× 384 pix的無槍彈模板圖l(i,j)，再將槍彈圖像預(yù)處理結(jié)果圖g(i,j)和無槍彈模板圖l(i,j)對應(yīng)位置的像素按照式(4)做灰度值差分運(yùn)算，差分后的灰度差值組成新的槍彈圖像輸出結(jié)果圖，灰度差值為255的像素點(diǎn)，表明此像素點(diǎn)為槍彈圖像中的背景部分，否則視為區(qū)別于背景的槍彈點(diǎn)。則槍彈圖像輸出結(jié)果圖的運(yùn)算公式為

(4)

3)將槍彈圖像輸出結(jié)果圖h(i,j)進(jìn)行中值濾波去掉剩余的少量噪聲，得到如圖5所示的槍彈圖像處理結(jié)果圖I(i,j)。

2.3 槍彈位置確定

在槍彈位置的確定中，灰度重心法可以根據(jù)圖像的位置和灰度信息更準(zhǔn)確地確定槍彈的位置，但同時噪聲對其影響也很大，若圖像中存在較大的噪聲，所求出的重心就會偏向噪聲一方。因此可以用此方法來驗(yàn)證筆者提出的快速提取法與傳統(tǒng)的背景差分法相比結(jié)果，能更好地去除背景噪聲的影響，快速精準(zhǔn)地確定槍彈位置。

灰度重心法是以像素灰度值為權(quán)值的加權(quán)型重心法。重心的計算是對槍彈積分的過程：對每個槍彈像素求出它相對起始點(diǎn)的位置信息，再累加所有槍彈像素位置信息，最后求出所有槍彈像素灰度級的積分[10-11]。前者與后者的商即為要求的槍彈的重心位置。在圖5所示的灰度圖像I(i，j)中：

(5)

(6)

式中，W(i,j)為權(quán)值。

由于槍彈的灰度值低于背景的灰度值，W(i,j)取值為

(7)

式中，T2為迭代法求出的用于區(qū)分槍彈與背景的閾值。

3 試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)采用了圖1的測量系統(tǒng)，將線陣CCD采集到的3張不同槍彈位置的圖像，分別用傳統(tǒng)的背景差分法和筆者提出的快速提取法進(jìn)行實(shí)時處理，然后與用灰度重心法求出的槍彈位置進(jìn)行比較。為了清晰地看到圖像的槍彈位置，表1中的槍彈原圖和槍彈位置結(jié)果圖僅截取了圖片的槍彈部分。

表1 比較兩種方法確定槍彈位置

由表1中槍彈位置結(jié)果圖和槍彈位置可以看出，背景差分法和筆者提出的快速提取法確定的槍彈的位置在不同背景下對所處行數(shù)影響不大，主要影響所處的列數(shù)。由槍彈原圖可看出，當(dāng)槍彈處在較為均勻且不變的背景中，2種方法所標(biāo)注的槍彈中心基本上一致，計算出槍彈位置相差很??；當(dāng)槍彈處在兩明暗交替且發(fā)生輕微變化的背景中，從2種方法所標(biāo)注的槍彈中心很明顯可以看出，背景差分法提取槍彈時產(chǎn)生的噪聲影響了槍彈所占列的位置確定，而對于快速提取法影響不大。由于在槍彈射擊中，槍彈落在背景發(fā)生輕微變化的明暗條紋中的概率很大，所以筆者提出的快速提取法確定的槍彈位置更準(zhǔn)確。在運(yùn)算速度上，背景差分法的平均運(yùn)行時間為 6.644 s，快速提取法的平均運(yùn)行時間為0.509 s，本文的方法比背景差分法耗時明顯減少，提高了實(shí)時處理的效率，解決了室內(nèi)高精度報靶系統(tǒng)在連發(fā)射擊中實(shí)時性報靶的運(yùn)算問題。綜上所述，快速提取法在運(yùn)算速度和精確度方面都優(yōu)于背景差分法。

4 結(jié)束語

筆者介紹了線陣 CCD 的測量系統(tǒng)，在常規(guī)背景差分法提取槍彈的基礎(chǔ)上，提出了一種基于線陣 CCD 的槍彈位置圖像處理的研究方法：先對圖像進(jìn)行互相關(guān)性預(yù)處理，再進(jìn)行背景差分處理的彈丸快速提取，最后對提取后的槍彈圖像進(jìn)行位置的確定，消除了因圖像背景復(fù)雜多變導(dǎo)致槍彈位置偏移造成的影響。這種方法受噪聲的影響小，精確度高，很大程度上縮短了算法的運(yùn)行時間，在連發(fā)的高精度自動報靶系統(tǒng)中具有一定的實(shí)用性。

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Methods of the Bullet Position Image Processing Based on Linear CCD

YANG Boyu, YAO Aiqin, SUN Yunqiang, LU Xutao

(School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China)

In response to the linear CCD image information processing problems, such issues are stu-died as the extraction of linear CCD bullets in the measurement of firings, the deletion of noise, the determination of bullet centers, etc. Problems existing in the actual system operation process of algorithms for background difference include slow speed and much noise. According to the characteristics of collected bullets image information through linear CCD measuring system, the cross-correlation rapid extraction of bullets image is to be presented through image on the basis of background subtraction, and then the center of the bullets position is to be determined. Through image acquisition and processing of bullets, a comparison is made of the algorithm and background subtraction. It is concluded that the algorithm can be used to calculate the bullets position with great accuracy and less time with the efficiency of real-time processing improved. In the continuous shooting high precision automatic target scoring system, it has certain practicability.

linear CCD; bullet position; high precision; image processing

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.005

2016-03-22

楊博宇(1991—)，女，碩士研究生，主要從事高精度立靶系統(tǒng)數(shù)字圖像處理技術(shù)研究。E-mail：ybyqscx@163.com

TP751.1

A

1673-6524(2016)04-0020-05