激光打靶系統(tǒng)中靶數(shù)視頻圖像采集與自動(dòng)識(shí)別

楊 劍 飛， 李 寶 營(yíng)， 臧 克 家

( 大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

激光打靶系統(tǒng)中靶數(shù)視頻圖像采集與自動(dòng)識(shí)別

楊 劍 飛， 李 寶 營(yíng)， 臧 克 家

( 大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

鑒于傳統(tǒng)打靶系統(tǒng)實(shí)彈射擊及人工報(bào)靶的缺點(diǎn)，如打靶受場(chǎng)地限制、人工報(bào)靶的準(zhǔn)確性差，提出了一種激光打靶系統(tǒng)。針對(duì)視頻圖像采集與識(shí)別進(jìn)行了研究，包括CCD視頻圖像采集以及對(duì)圖像的識(shí)別判靶，詳細(xì)介紹了視頻圖像采集系統(tǒng)的硬件組成和工作原理,并重點(diǎn)研究了圖像識(shí)別判靶的方法，包括靶環(huán)紙中心點(diǎn)的確定，光斑位置的判定以及打靶環(huán)數(shù)及方位的判定，成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)報(bào)靶。

打靶系統(tǒng)；視頻圖像采集；CCD

0 引 言

在軍事射擊訓(xùn)練和學(xué)生軍訓(xùn)射擊考核、比賽中以實(shí)彈訓(xùn)練為主，不僅危險(xiǎn)系數(shù)高，費(fèi)用開(kāi)支大，而且傳統(tǒng)人工報(bào)靶的可靠性及公正性都無(wú)法保障[1]。利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)自動(dòng)計(jì)算靶數(shù)雖然有效減少了人為因素對(duì)成績(jī)的影響，但成本高，機(jī)動(dòng)性差，安裝、操作技術(shù)條件高，不利于基層單位推廣使用[2-3]。

在本報(bào)靶系統(tǒng)中，發(fā)射部分以激光打靶模擬實(shí)彈射擊,節(jié)省了彈藥和費(fèi)用，而且能提高訓(xùn)練的安全性和訓(xùn)練效率；視頻圖像采集處理部分利用CCD攝像頭采集圖像進(jìn)行閾值判斷處理求取光斑中心；采用LM1881分離芯片對(duì)所得到的黑白信號(hào)進(jìn)行同步分離，得到場(chǎng)同步、行同步信號(hào)[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)采用激光束代替真實(shí)的子彈發(fā)射過(guò)程，靶紙面接收端利用CCD攝像頭捕獲帶有激光光斑的靶紙面圖像，并通過(guò)圖像處理技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理[5-7]，獲取激光打靶的成績(jī)。系統(tǒng)包括激光發(fā)射部分和視頻圖像采集處理部分。激光槍及瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)是由半導(dǎo)體激光管做成的激光槍?zhuān)眉す鈽尠l(fā)射的激光來(lái)模擬實(shí)彈射擊，根據(jù)選取的不同激光器的性能，可模擬不同的射擊距離[8]。彈著點(diǎn)檢測(cè)電路是通過(guò)CCD攝像頭采集靶面圖像,通過(guò)圖像采集處理模塊將采集到的模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào),并存儲(chǔ)在幀存儲(chǔ)器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其核心部分是STM32F103單片機(jī)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 激光槍彈著點(diǎn)的提取原理

1.2.1 靶面劃分及對(duì)彈著點(diǎn)的識(shí)別

靶面由靶心和以靶心中心為圓心的一系列環(huán)線(xiàn)等組成。作為基準(zhǔn)，靶面圖像中環(huán)線(xiàn)的識(shí)別和處理直接影響到報(bào)靶精度。在報(bào)靶精度要求不高的情況下，一般將圖像中靶環(huán)作為標(biāo)準(zhǔn)的圓來(lái)處理，即在不反光的白紙畫(huà)有—組相距5 cm的同心圓(線(xiàn)寬不超過(guò)1 mm)，最內(nèi)圓環(huán)直徑10 cm，圓環(huán)內(nèi)為10環(huán)區(qū)域，從最內(nèi)環(huán)至最外環(huán)間分別為9、8、7、6、5環(huán)區(qū)域，最外環(huán)外為脫靶。方位信息是指彈著點(diǎn)與10環(huán)區(qū)域的相對(duì)位置，包括：中心、正上、正下、正左、正右、左上、左下、右上、右下。如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)靶環(huán)數(shù)及方位信息示意

CCD攝像頭可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。在滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)目的的前提下,為減少單片機(jī)采樣攝像頭輸出視頻信號(hào)的負(fù)擔(dān)，采用黑白攝像頭。

通過(guò)CCD攝像頭識(shí)別激光槍投射在環(huán)靶上的彈著點(diǎn)光斑,彈點(diǎn)是在靶圖像上提取出來(lái)的對(duì)象物，彈點(diǎn)提取過(guò)程的實(shí)質(zhì)是把從靶圖像采集回來(lái)的靶面數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和分割并二值化處理，在處理完的每幅數(shù)據(jù)中以10環(huán)中心處為圓心，建立坐標(biāo)系，如圖3所示。

圖3 靶面坐標(biāo)的建立

1.2.2 靶心的確定

使用閾值是一種區(qū)域分割技術(shù)，適合對(duì)物體與背景有較強(qiáng)對(duì)比的景物進(jìn)行分割。靶面的圖像是由一系列等間距的同心圓組成，這個(gè)圓心就是靶心。當(dāng)使用閾值規(guī)則進(jìn)行圖像分割時(shí)，所有灰度大于或等于某閾值的像素都被判屬于物體。所有灰度小于該閾值的像素被排除在物體之外。靶面中某點(diǎn)具有最大的灰度，用坐標(biāo)(x0，y0)表示，且該點(diǎn)唯一，把這一點(diǎn)確定為靶心。

1.2.3 環(huán)數(shù)信息的確定

在圖3中r為每一環(huán)的寬度為5 cm，B為激光彈著點(diǎn)的位置，R為彈著點(diǎn)到圓心的距離，根據(jù)圓上每一點(diǎn)到圓心的距離都相等的原理，可知靶面上每?jī)森h(huán)的分界線(xiàn)到圓心(即中心點(diǎn))的距離相等。設(shè)彈著點(diǎn)B(x1，y1)，則由

R2=x2+y2

判斷環(huán)數(shù)的信息為(1)0≤R2≤r2，打靶環(huán)數(shù)為10；(2)r2

1.2.4 方位信息的確定

設(shè)彈著點(diǎn)為B(x1，y1)，假設(shè)彈著點(diǎn)在第—象限，則根據(jù)彈著點(diǎn)B與圓心連線(xiàn)的斜率L=y1/x1可判斷彈著點(diǎn)方位信息為：(1)0

假設(shè)彈著點(diǎn)在第二象限，可判斷方位信息為(1)tan 0.246π

假設(shè)彈著點(diǎn)在第三象限，判斷方位信息為(1)tan 0.369π

假設(shè)彈著點(diǎn)在第四象限，判斷方位信息。(1)tan 0.492π

激光槍彈著點(diǎn)提取原理算法流程如圖4所示。

圖4 算法流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

視頻圖像采集處理部分包括對(duì)視頻圖像的采集和處理，采用CCD圖像傳感器作為視頻圖像采集器件，其掃描制式為PAL 制式，水平分辨率為420 線(xiàn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過(guò)圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度對(duì)應(yīng)的電壓，然后將此電壓通過(guò)信號(hào)端輸出。視頻圖像信號(hào)的處理主要采用同步分離芯片LM1881，它對(duì)黑白信號(hào)進(jìn)行視頻信號(hào)同步分離，得到場(chǎng)同步、行同步信號(hào)。將視頻信號(hào)通過(guò)—個(gè)電容C1接至LM1881的2腳，即可得到控制STM32單片機(jī)進(jìn)行A/D采集的控制信號(hào)。

系統(tǒng)使用TLC5510芯片作為外部A/D轉(zhuǎn)換器。使用外部A/D轉(zhuǎn)換電路后，最多可在每行圖像采集250多個(gè)點(diǎn)，增加了靶面檢測(cè)的信息量并提高了信息處理的靈活。

視頻同步分離電路的原理圖如圖5所示。

圖5 視頻同步分離電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程圖

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主程序流程如圖6所示。啟動(dòng)系統(tǒng)后，激光發(fā)射器發(fā)岀紅色光斑打在靶面上，CCD攝像頭對(duì)常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)靶畫(huà)面進(jìn)行周期性地采集，根據(jù)采集來(lái)的靶面圖像的特點(diǎn)和變化，利用圖像識(shí)別和處理技術(shù)識(shí)別出靶圖像中的真實(shí)彈點(diǎn)，送往處理器經(jīng)過(guò)二值化處理后，根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制判斷算法，判斷光斑的位置，如果本次光斑的位置與上次不同則顯示本次的信息，如果相同則顯示上次的位置。

圖6 主程序流程圖

3.2 圖像采集子模塊

將STM32的PA13和PA15設(shè)置為外部中斷輸入引腳，圖像采集模塊中的LM1881輸岀的場(chǎng)信號(hào)端接單片機(jī)的PA13端口，行信號(hào)端接單片機(jī)的PA15端口，由TLC5510轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)接單片機(jī)的PA0～PA7端口。

高速AD TLC5510的采樣頻率選取為20 MHz，因?yàn)椴蓸右曨l信號(hào)的頻率約為7～8 MHz，根據(jù)香農(nóng)定理當(dāng)采樣頻率是信號(hào)頻率2倍以上時(shí)才會(huì)保證采集到的圖像信息不會(huì)失真，保持圖像的完整度、清晰度，故選擇TLC5510的采樣頻率為20 MHz。

3.3 激光槍發(fā)射與方位控制子模塊

本系統(tǒng)中激光槍的發(fā)射與否是通過(guò)程序來(lái)驅(qū)動(dòng)控制的，通過(guò)單片機(jī)輸出高低電平給電流驅(qū)動(dòng)既而控制激光槍的發(fā)射與否。通過(guò)單片機(jī)輸出脈寬調(diào)制波(PWM)來(lái)控制2個(gè)S-D5舵機(jī)向左右上下移動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到有按鍵信號(hào)時(shí)，PWM波的占空比就會(huì)發(fā)生變化，既而控制舵機(jī)的動(dòng)作。

4 結(jié) 論

在深入了解國(guó)內(nèi)外圖像處理技術(shù)與激光器發(fā)展的基礎(chǔ)上，對(duì)激光自動(dòng)打靶報(bào)靶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與靶環(huán)圖像處理技術(shù)研究中的原理和方法進(jìn)行論述與探討，在系統(tǒng)檢測(cè)中達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，能比較準(zhǔn)確地顯示岀打靶的環(huán)數(shù)與方位信息，此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新性的應(yīng)用了CCD圖像采集技術(shù)和圖像處理技術(shù)，為射擊訓(xùn)練系統(tǒng)提供了—種新的設(shè)計(jì)思路。本系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單，容易上手，體積小，容易移動(dòng)等的—系列優(yōu)點(diǎn)。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究過(guò)程中，仍然有—些不足的地方，需作進(jìn)—步的更深層次研究和改進(jìn)。例如系統(tǒng)環(huán)值的判定只是精確到整數(shù)位，射擊精度不高，雖然能達(dá)到普通的訓(xùn)練要求，但是，如果對(duì)訓(xùn)練要求比較高，要求的精度更高時(shí)，此系統(tǒng)就會(huì)暴露岀它的缺陷，所以，今后的系統(tǒng)研究中重點(diǎn)是提高系統(tǒng)的精確度。

[1] 張育釗,黃永福,蘇溪泉.射擊訓(xùn)練自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào),2002,23(2):198-202.

[2] 張偉,高航.基于圖像處理技術(shù)的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2000,32(6):691-695.

[3] 王輝,姜大鵬,曾光宇.學(xué)生軍訓(xùn)激光模擬打靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用科技,2009,12(12):45-47.

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

[5] 劉焱,李敏勇.靶面目標(biāo)圖像識(shí)別算法[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(12):313-314.

[6] 韓曉軍.數(shù)字圖像處理技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[7] 陳東娥.圖像處理方法在自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[J].微型電腦應(yīng)用,2000,16(8):56-57.

[8] 尚波.射擊訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].大連:大連海事大學(xué),2008.

The video and image acquisition and automatic identification of target number in laser targeting system

YANG Jianfei, LI Baoying, ZANG Kejia

( School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

A simulation of laser targeting system was proposed to overcome the shortcomings of firing practice and artificial reported target in the traditional targeting system, such as site restriction of targeting and the poor accuracy of artificial reported targeting.The video image acquisition and recognition were studied, including the CCD video image acquisition and identification of target of image.The hardware components and working principle of the video image acquisition system were introduced in detail. The method of image recognition and judgment of target were studied, including the determination of the center position of rings paper, the judgement of light spot position and the number and location of shooting ring, realizing automatic target-scoring.

targeting system; video and image acquisition; CCD

2015-07-01.

楊劍飛(1987-)，男，碩士研究生；通信作者：李寶營(yíng)(1965-)，男，副教授.

TN911.73

A

1674-1404(2017)03-0231-04

楊劍飛,李寶營(yíng),臧克家.激光打靶系統(tǒng)中靶數(shù)視頻圖像采集與自動(dòng)識(shí)別[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(3):231-234.

YANG Jianfei, LI Baoying, ZANG Kejia. The video and image acquisition and automatic identification of target number in laser targeting system[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(3): 231-234.