基于LabVIEW的圖像處理自動報靶軟件設(shè)計與實現(xiàn)

胡 杰，支凱艷，陳小軍

(中國兵器工業(yè)試驗測試研究院，陜西 華陰 714200)

當(dāng)前我國大多數(shù)軍事射擊訓(xùn)練設(shè)施的自動化程度偏低，自動報靶尚未普及[1]。因此，設(shè)計一種操作簡單，計算準(zhǔn)確的自動報靶軟件系統(tǒng)具有重要的意義。

LabVIEW是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖形化開發(fā)環(huán)境，擁有豐富的控件和函數(shù)庫，采用并行處理的設(shè)計模式，能夠快速實現(xiàn)圖像分析及處理、數(shù)據(jù)分析及處理、圖形控制等功能強大的應(yīng)用程序[2-3]。本文采用LabVIEW軟件實現(xiàn)自動報靶的功能。

1 系統(tǒng)整體控制介紹

自動報靶系統(tǒng)由主機和從機兩部分組成，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖像獲取基于無線網(wǎng)橋與監(jiān)控攝像頭，通過5.8 GHz信道傳至主工控機。幾何校正通過預(yù)知坐標(biāo)的透視失真測試圖，驗證了設(shè)計的幾何校正算法，并將實測圖代入，最大限度地修正了側(cè)下角度拍攝的扭曲靶面[4-5]。通過背景減法從相鄰兩幀有彈孔和無彈孔的圖片中，提取出彈孔的二值圖。通過顏色相似性度量，設(shè)置一定的閾值，得到靶心十字，再通過初級形態(tài)學(xué)的開運算，去除背景色相近的干擾，得到目標(biāo)二值圖。最終，分析計算得到目標(biāo)靶心和目標(biāo)彈孔的坐標(biāo)數(shù)據(jù)[6]。

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件設(shè)計

基于LabVIEW圖像處理的自動報靶技術(shù)流程為：首先通過攝像頭和無線傳輸，在電腦終端得到靶板的圖像，然后依次進行幾何校正、彈孔提取、靶心提取及測算彈孔位置[7]，圖2是圖像處理流程框圖。

圖2 圖像處理流程框圖

2.1 幾何校正VI

靶場試驗時為了使攝像機躲避彈丸或者破片的打擊，所以攝像機不是正對著靶板架設(shè)，即與靶板存在一定夾角；則該情況下獲取的靶板圖像存在透視失真。透視失真會影響靶板彈孔的識別，因此在后續(xù)圖像處理操作之前，需先對圖像進行幾何校正[8]。本設(shè)計采用后驗校正法對靶板圖像進行幾何校正，通過多項式扭曲技術(shù)將圖像的空間位置進行幾何變換，對像素逐一進行校正[9]。

根據(jù)后驗校正法編寫圖像幾何校正子程序并結(jié)合靶場試驗進行驗證。圖3是試驗靶板圖像幾何校正前后的對比?？梢钥闯觯F(xiàn)場靶板原圖得到了很好的幾何校正，靶面和靶心的黃框均較為方正。

圖3 校正前后靶板實景圖

2.2 彈孔提取及彈孔坐標(biāo)測算VI

靶場射擊試驗前后靶板除了存在彈孔差異外，其他背景均不變；經(jīng)過分析研究，采用背景差分法(背景減法)提取彈孔信息。背景差分法是在背景恒定的情況下，通過前后兩幀圖像比對能夠從中提取出運動目標(biāo)的軌跡，其工作原理是采用當(dāng)前幀和背景做差，然后使用閾值對差值二值化，得到二值化的對象信息。根據(jù)背景差分法編寫彈孔提取程序?qū)缀涡Ｕ蟮臒o彈孔圖與幾何校正后的帶彈孔圖做差即可提取到彈孔，如圖4所示。

圖4 實景靶板與提取到的彈孔圖

將上述中背景差值圖片轉(zhuǎn)為灰度圖，編寫程序進行計算，結(jié)果如圖5所示。

圖5 彈孔坐標(biāo)計算結(jié)果

2.3 靶心十字及靶心黃框識別VI

經(jīng)過分析，靶板中心十字為亮紅色，與周圍環(huán)境存在較大的差異，所以靶心十字可采用色彩閾值方法區(qū)別出來；由于靶場試驗時環(huán)境因素的影響，色彩閾值方法識別的靶板十字圖像中存在微量的雜點，如圖6(a)，所以需采用基本形態(tài)學(xué)對色彩閾值方法識別的靶板十字進一步處理。

基本形態(tài)學(xué)處理包括3步：侵蝕處理—膨脹處理—再侵蝕處理，分別是為了①侵蝕目標(biāo)體的邊界，如色彩閾值方法識別的靶板左下方的雜點經(jīng)過侵蝕被消掉了，較粗壯的紅十字變得比較纖細(xì)，如圖6(b)；②膨脹使侵蝕后圖中各個目標(biāo)體邊界擴大，斷續(xù)的細(xì)線變?yōu)榇謮训膶嵕€，紅十字變更為粗壯的十字線，如圖6(c)；③再侵蝕使靶心十字變得光滑連續(xù)，最大程度地還原了靶心十字，如圖6(d)。

同理，可以通過色彩閾值方式及形態(tài)學(xué)處理得到黃框的binary圖(二進制圖)，如圖7。

圖6 靶心十字的綜合處理

圖7 靶心黃框的二值圖

2.4 靶心十字及黃框中心坐標(biāo)識別VI

編寫靶心十字中心坐標(biāo)識別程序：設(shè)置最小半徑為3個像素，最大100個像素點，將識別到的所有相對圓編號，從程序界面的圖10中可以看到，靶心十字中心圓為編號10的點，由此得到的靶心坐標(biāo)為(1 833，1 878)，如圖8。

圖8 靶心十字中心坐標(biāo)識別程序及結(jié)果

通過2.3節(jié)得到校正后的黃框二值圖，編寫程序：設(shè)置為從用戶的ROI區(qū)域，尋找平行邊沿的間距，平行線的間距起始位置可以為從亮到暗、從暗到亮或者所有邊沿求黃框的長寬數(shù)據(jù)。程序中，對于正方形靶板黃框的外沿，選擇從暗到亮—從亮到暗；而內(nèi)沿設(shè)置為從亮到暗—從暗到亮。求得方形黃框左/右或上/下邊沿中心距離為1 328像素點。圖9為靶心黃框中心坐標(biāo)識別程序及結(jié)果。

圖9 靶心黃框中心坐標(biāo)識別程序及結(jié)果

2.5 彈孔至靶心距離的換算

彈孔距離靶心越近，得分越高。因此，系統(tǒng)以靶面上彈孔距離靶心的實際距離作為測試結(jié)果輸出。實際距離由圖片中像素距離結(jié)合標(biāo)定值得到[10-11]。具體為：

(1)

據(jù)多次實測去除異常值后求平均，得到的實測黃框中心間距實際距離為3013 mm。2.4節(jié)中，求得黃框中心間距像素為1 328像素點；則：

(2)

根據(jù)2.2節(jié)中得到的彈孔坐標(biāo)，與2.4節(jié)中得到的靶中心坐標(biāo)，得到彈孔與靶中心的直線像素距離，如表1所示。

表1 彈孔坐標(biāo)

3 軟件驗證

將幾何校正、彈孔提取、靶心提取及測算彈孔坐標(biāo)等子程序集成為自動報靶軟件系統(tǒng)，主界面由靶板的實時圖像、彈孔提取圖及彈孔坐標(biāo)三部分組成，如圖10所示。結(jié)合靶場某射擊試驗，連續(xù)射擊5發(fā)實彈，得到彈孔坐標(biāo)如表1所示，經(jīng)與人工檢靶的結(jié)果對比：該軟件系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確得到目標(biāo)靶心和目標(biāo)彈孔坐標(biāo)。

圖10 自動處理軟件界面

4 結(jié)論

利用LabVIEW語言構(gòu)建的圖像處理自動報靶軟件系統(tǒng)，經(jīng)過幾何校正、彈孔提取、靶心提取及測算彈孔坐標(biāo)處理可以快速精確地計算出彈孔至靶心的距離，完成自動報靶功能。經(jīng)試驗驗證：該軟件系統(tǒng)節(jié)省人工成本，對軍事實戰(zhàn)化訓(xùn)練和靶場實彈射擊考核具有實際應(yīng)用價值。