基于圖像識別的模擬射擊精度判定方法*

賀擁亮，張 帆

（武警杭州士官學(xué)校，杭州 310023）

0 引言

部隊(duì)在組織實(shí)彈射擊訓(xùn)練之前，往往要花費(fèi)大量的時間進(jìn)行專門的瞄靶訓(xùn)練。即采取臥姿、蹲姿或立姿等方式，進(jìn)行據(jù)槍瞄準(zhǔn)，以達(dá)到掌握瞄準(zhǔn)方法的訓(xùn)練效果。該方法主要具有訓(xùn)練周期長、訓(xùn)練效果難以評估的缺點(diǎn)：參訓(xùn)人員需要長時間保持一種固定的姿勢進(jìn)行枯燥乏味的瞄靶訓(xùn)練，掌握動作要領(lǐng)慢；組訓(xùn)人員需要根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)在瞄準(zhǔn)基線上加裝折光鏡，以判斷照門與準(zhǔn)星之間的關(guān)系，效果評估不準(zhǔn)確。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)模擬接近于真實(shí)的射擊已完全可行。與常規(guī)訓(xùn)練方法相比，基于圖像處理技術(shù)進(jìn)行模擬射擊訓(xùn)練具有更直觀、訓(xùn)練效果評估準(zhǔn)確度更高等特點(diǎn)，同時可節(jié)省大量時間、彈藥。而目前開發(fā)的模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)［1-3］，重點(diǎn)都放在射擊結(jié)果上，忽視了對瞄準(zhǔn)過程的記錄，使用人員知其結(jié)果而不知何以出現(xiàn)該結(jié)果，射擊方法的提高比較緩慢。為提高射擊訓(xùn)練效果，以某步槍為研究對象，研制了利用Hough變換后灰度矩細(xì)分定位法計(jì)算的模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)在擊發(fā)瞬間采集瞄準(zhǔn)圖像，通過圖像處理，得出覘孔圓中心、準(zhǔn)星頂點(diǎn)中心和靶紙中心，利用灰度矩細(xì)分定位法檢測各中心之間的距離，根據(jù)射擊原理，運(yùn)用相似三角形的比例關(guān)系，計(jì)算得出模擬彈著點(diǎn)的方向和高低偏移量，從而得出模擬射擊的射擊精度。通過該系統(tǒng)，在模擬射擊中，能夠直觀顯示射手瞄準(zhǔn)時的方向和高低偏差量是如何產(chǎn)生的，供訓(xùn)練人員有意識克服瞄準(zhǔn)陋習(xí)，改進(jìn)瞄準(zhǔn)方法，提高射擊成績。本文主要介紹該系統(tǒng)的射擊精度判定方法。

1 圖像預(yù)處理

模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)的圖像采集通過加裝在扳機(jī)上的開關(guān)觸發(fā)，采集擊發(fā)瞬間的瞄準(zhǔn)圖像，其瞄準(zhǔn)的是特制的胸環(huán)靶紙（四周描邊，增加與環(huán)境對比度），得到圖像后對圖像進(jìn)行預(yù)處理。排除噪聲與干擾信息，并提取邊緣集，為下一步Hough變換做好準(zhǔn)備［4］。

1.1 采集圖像的二值化

Hough變換所處理對象必須是二值圖像，所以在進(jìn)行Hough變換之前，還需對采集的圖像進(jìn)行二值化處理［5］。雖然二值化處理會使得圖像像素有一定損失，但會讓圖像變得簡單，且能凸顯感興趣的目標(biāo)的輪廓，減小數(shù)據(jù)量，方便進(jìn)一步地邊緣檢測。本文采用最大方差法［5］對灰度圖像進(jìn)行二值化，該方法是在判別最小二乘原理的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的，效果好且運(yùn)算時間少，符合模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)的要求。圖1是對灰度化圖像進(jìn)行二值化的結(jié)果。

1.2 邊緣檢測

為達(dá)到較好的邊緣檢測性能，圖像邊緣檢測選擇 Canny算子［6-8］。

Canny算子的具體實(shí)現(xiàn)步驟：1）計(jì)算源圖像f（x，y）與二維高斯函數(shù)G（x，y），進(jìn)行卷積，降低噪聲，得平滑圖像；2）遍歷圖像，計(jì)算梯度幅值與方向：；3）對梯度幅值進(jìn)行“非極大值抑制”，得出邊緣強(qiáng)度，以此判斷邊緣點(diǎn)；4）利用雙域值化處理，剔除假邊緣后，開始邊緣連接，得到精確邊緣。如圖2所示。

2 Hough變換提取覘孔圓、靶紙矩形和準(zhǔn)星矩形

對覘孔、準(zhǔn)星和靶紙邊緣的提取需要較高的檢測精度，同時也應(yīng)具有很好的魯棒性和容錯性［9］，故采用Hough變換提取。

覘孔式照門的瞄準(zhǔn)方法是首先將覘孔對準(zhǔn)目標(biāo)，確保覘孔中心與目標(biāo)中心一致，然后將準(zhǔn)星中心放至兩者中心，從而達(dá)到精準(zhǔn)命中目標(biāo)的戰(zhàn)術(shù)目的。Hough變換對覘孔、靶紙、準(zhǔn)星三者的提取尤為重要。

2.1 覘孔圓的提取

利用邊緣檢測時已獲得的梯度方向信息，將Hough變換中參數(shù)空間累加器維數(shù)降至二維，同時增加一項(xiàng)約束：邊緣點(diǎn)梯度方向，便可實(shí)現(xiàn)圓的檢測［10］。其基本實(shí)現(xiàn)步驟如下：1）獲取邊緣梯度方向，即；2）若每個邊緣點(diǎn)和其參數(shù)空間內(nèi)（a，b）沿該點(diǎn)的 1）值直線對應(yīng)，則作累加，最后參數(shù)空間（a，b）累加器峰值位置即為圓心（a，b）；3）以2）值作射線，遍歷整個圖像，若其方向與邊緣點(diǎn)梯度方向的偏差在一定閾值內(nèi)，則作累加，最后參數(shù)空間（r）的累加器峰值即為所檢測到的半徑。至此，覘孔圓的基本參數(shù)：圓心（a，b）和半徑（r）都已檢測完畢。圖3為檢測出的覘孔圓。

2.2 準(zhǔn)星、靶紙的提取

利用Hough直線變換的點(diǎn)—線的對偶性［11-12］，即可提取準(zhǔn)星（多邊形）與靶紙（矩形）。其基本實(shí)現(xiàn)步驟如下：1）通過極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將圖像空間中直線檢測轉(zhuǎn)換為參數(shù)空間中點(diǎn)（ρ，θ）的檢測；2）選取二維累加數(shù)組M（ρ，θ），進(jìn)一步將點(diǎn)的檢測轉(zhuǎn)換為累加器的取值；3）遍歷所有允許值，對M（ρ，θ）進(jìn)行累加，取累加器中較大的點(diǎn)（ρ，θ），即為圖像空間中直線的擬合參數(shù)。下頁圖4為檢測出的準(zhǔn)星與靶紙的直線。

3 灰度矩細(xì)分定位法讀取射擊精度

通過灰度矩細(xì)分定位法，得出亞像素精度邊緣位置［13-14］：覘孔圓中心o1、靶紙中心o2和準(zhǔn)星頂點(diǎn)中心o3。然后，根據(jù)瞄準(zhǔn)原理，射擊精度的判定方法如下：

首先，檢測覘孔圓中心與靶紙中心的方向與高低偏移量，這也是射擊中瞄準(zhǔn)的第一步；第二，檢測準(zhǔn)星頂點(diǎn)中心與覘孔的方向與高低偏移量，從而推算出模擬彈著點(diǎn)命中的環(huán)數(shù)。該偏移量在瞄準(zhǔn)過程中影響極大，以某步槍為例，準(zhǔn)星偏左1mm，100m處彈著點(diǎn)將偏左230mm，因此，對檢測精度要求較高。

模擬彈著點(diǎn)命中的環(huán)數(shù)計(jì)算方法是通過判斷與靶心位置的距離而得出的，基本模型圖如圖5所示。

其中，X、Y分別為彈著點(diǎn)方向和高低偏移量；xo1、yo1分別為覘孔圓方向和高低偏移量；xo3、yo3分別為準(zhǔn)星頂點(diǎn)中心方向和高低偏移量；（偏移量正負(fù)表示方向，x方向上正為偏右，負(fù)為偏左；y方向上正為偏高，負(fù)為偏低）L為某步槍瞄準(zhǔn)基線長；l為模擬彈著點(diǎn)偏移量。

所以射擊精度判定流程如圖6所示。

射手分別根據(jù)圖6步驟2）、3）、4）顯示的結(jié)果，及時修正瞄準(zhǔn)偏差，提高訓(xùn)練效果。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以某步槍作為實(shí)驗(yàn)對象，選取射手1人（減少人為影響），定表尺“1”，在100 m射擊距離上進(jìn)行實(shí)彈射擊20發(fā)，其中8發(fā)10環(huán)，2發(fā)9環(huán)，5發(fā)8環(huán)，3發(fā)7環(huán)，1發(fā)6環(huán)，1發(fā)脫靶。為確保對比度清晰，選取10環(huán)1發(fā)，8環(huán)偏右上1發(fā)，6環(huán)偏左下1發(fā)，脫靶1發(fā)，共4發(fā)彈著點(diǎn)，分別進(jìn)行實(shí)際彈著點(diǎn)與模擬彈著點(diǎn)的對比分析。

通過圖像處理程序，運(yùn)用灰度矩細(xì)分定位法，讀取出覘孔中心、準(zhǔn)星頂點(diǎn)中心和靶紙中心坐標(biāo)，按照圖6所示的流程圖，分別計(jì)算出方向偏移量X和高低偏移量Y，得出模擬射擊系統(tǒng)計(jì)算得出的命中環(huán)數(shù)，與實(shí)際彈著點(diǎn)環(huán)數(shù)進(jìn)行對比分析，得出如下頁表1所示的分析結(jié)果。

對比分析可知，通過灰度矩細(xì)分定位法得出的射擊精度與實(shí)際彈著點(diǎn)基本一致，同時在瞄準(zhǔn)修正上判定更加精確，可以分為兩步判定：一是根據(jù)o1大小，判定覘孔中心與靶紙中心是否一致；二是根據(jù)o3大小，判定覘孔中心與準(zhǔn)星中心是否一致。而普通的瞄靶訓(xùn)練或?qū)崗椛鋼暨^程中，射手在擊發(fā)瞬間是無法精確描述其瞄準(zhǔn)誤差，只能憑借彈著點(diǎn)或經(jīng)驗(yàn)來判定。所以，基于圖像識別的模擬射擊精度判定方法可以用來指導(dǎo)射擊訓(xùn)練，且可以大大提高安全性，節(jié)約時間與彈藥。

5 結(jié)論

本文為了解決當(dāng)前模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)忽視瞄準(zhǔn)過程，尤其是對覘孔與準(zhǔn)星的重要關(guān)系的判定這一問題，首先對采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，利用Canny算子檢測邊緣；其次，運(yùn)用Hough變換提取覘孔圓、靶紙和準(zhǔn)星的基本參數(shù)；最后采用灰度矩細(xì)分定位法，結(jié)合射擊原理，得出模擬射擊模擬系統(tǒng)的射擊精度判定方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以很好地判定射擊精度，并對瞄準(zhǔn)過程、彈著點(diǎn)的方向都有清晰描述，可以在訓(xùn)練過程中提供瞄準(zhǔn)修正依據(jù)。

表1 射擊精度判定及瞄準(zhǔn)修正

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