張曉錕，林嘉宇

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410073)

1 引言

當(dāng)前，部隊射擊科目訓(xùn)練中，大量采用的是傳統(tǒng)的人工報靶方式，這種方式具有工作量大、效率低，且安全性差的弊端，已不能滿足當(dāng)前部隊訓(xùn)練的要求［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步，國內(nèi)有許多單位對此進(jìn)行研究，相繼開發(fā)出多類射擊自動報靶系統(tǒng)。這些自動報靶產(chǎn)品按其功能的實(shí)現(xiàn)方式可以分以下幾種類型［2］:雙層電極短路采樣系統(tǒng)、聲電定位自動報靶系統(tǒng)、光電電子靶系統(tǒng)、基于圖像處理技術(shù)的自動報靶系統(tǒng)。而基于圖像處理的自動報靶系統(tǒng)具有簡捷方便、低成本、測量精度較高等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)字圖像處理技術(shù)主要包括圖像數(shù)字化、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像分割、圖像分析、圖像壓縮、圖像重建等［3］。近年來，隨著圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展和計算機(jī)運(yùn)算速度的不斷提高，圖像處理技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事技術(shù)、政府部門、醫(yī)療衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域。例如，車牌識別、汽車自動駕駛系統(tǒng)、人臉識別、指紋識別與匹配系統(tǒng)等都是圖像處理技術(shù)在實(shí)際中的典型應(yīng)用。為此，本文著眼于部隊實(shí)際需求，重點(diǎn)結(jié)合圖像處理技術(shù)，設(shè)計出了一種自動報靶系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠提高射擊效率、節(jié)省人力、避免報靶時的人員傷亡，且能實(shí)現(xiàn)自動報靶、成績統(tǒng)計等功能，從而確保射擊成績的真實(shí)可靠，實(shí)現(xiàn)快速。

基于圖像處理技術(shù)的自動報靶系統(tǒng)的工作原理是:在實(shí)彈射擊過程中，使用攝像頭對常規(guī)的胸環(huán)靶畫面進(jìn)行采集，根據(jù)采集到的靶圖像的特點(diǎn)和變化，利用計算機(jī)圖像處理和識別技術(shù)找出靶圖像中的真實(shí)彈點(diǎn)，然后通過判定彈點(diǎn)在靶中的位置來確認(rèn)彈點(diǎn)的環(huán)數(shù)值。使用這種自動報靶系統(tǒng)就好像是使用了一個“電子眼”，它會代替報靶人員的眼睛，在整個實(shí)彈射擊過程中實(shí)時、不間斷的對靶畫面進(jìn)行觀測。對不同靶位上的每一次射擊都采用相同的算法、規(guī)則和精度來判定，不存在受主觀因素影響的問題，比人工報靶更客觀，更公正，有較高的可用性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

本著貼近部隊、貼近實(shí)訓(xùn)的設(shè)計原則和便于實(shí)現(xiàn)、功能齊全、簡單易用的設(shè)計要求，整個系統(tǒng)設(shè)計為由集中處理模塊和后臺管理模塊兩個部分組成。其中集中處理模塊由圖像采集設(shè)備和中央處理設(shè)備組成，其主要功能是實(shí)現(xiàn)視頻采集、圖像預(yù)處理、彈孔提取和環(huán)值判定，并將射擊成績傳輸給后臺管理計算機(jī)。后臺管理模塊主要是指后臺管理計算機(jī)(必要時可添加打印設(shè)備和大屏幕顯示設(shè)備)。其主要功能是產(chǎn)生射擊順序表、管理訓(xùn)練進(jìn)程、統(tǒng)計射擊成績，并兼作整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的運(yùn)行。同時，集中處理模塊通過無線HUB與后臺管理模塊構(gòu)建成局域網(wǎng)，每個靶位配備完全相同且獨(dú)立運(yùn)行的集中處理模塊系統(tǒng)。具體方案如圖1所示。

該系統(tǒng)的工作流程是:后臺計算機(jī)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給中央處理計算機(jī)，如姓名、靶位號等;射擊開始后，攝像頭將采集到靶標(biāo)圖像視頻信號，通過電纜傳輸給中央計算機(jī)，計算機(jī)通過視頻采集卡采集到的靶標(biāo)數(shù)字圖像，而后通過軟件進(jìn)行圖像預(yù)處理、彈孔識別和環(huán)值判斷，最后輸出射擊成績，并通過局域網(wǎng)把相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給后臺計算機(jī)。

2.2 實(shí)現(xiàn)功能

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有［4］:

(1)實(shí)現(xiàn)輕武器(步槍、手槍)射擊自動報靶，顯示靶位圖像，輸出射擊成績，且可重復(fù)使用;

(2)統(tǒng)計和記錄靶場數(shù)據(jù)，如射擊人員姓名、所在班組、已射擊發(fā)彈序、當(dāng)前發(fā)序號、當(dāng)前環(huán)數(shù)、總環(huán)數(shù)等;

(3)根據(jù)人員射擊成績，自動進(jìn)行評估，提出修正建議。

2.3 判靶流程

自動報靶系統(tǒng)的流程如圖2所示。首先，攝像頭拍攝到靶子的模擬圖像，而后經(jīng)過視頻采集設(shè)備得到數(shù)字圖像;計算機(jī)提取出一幀數(shù)字圖像，隨后進(jìn)行圖像預(yù)處理，主要包括圖像濾波、幾何校正、邊緣檢測、圖像差影、二值化等，得到信噪比較高的數(shù)字圖像。在此基礎(chǔ)上，對數(shù)字圖像進(jìn)行模式匹配、細(xì)化等處理，找到彈孔位置;而后將彈孔圖與標(biāo)準(zhǔn)靶位模板進(jìn)行匹配，找到彈孔對應(yīng)的靶位區(qū)域，對照預(yù)設(shè)的環(huán)值判定表格得出相應(yīng)環(huán)值，并顯示、統(tǒng)計射擊成績。

圖2 判靶流程圖

3 關(guān)鍵算法

上面簡單介紹了判靶的基本流程，要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)判靶，最重要的部分是圖像預(yù)處理、彈孔提取和環(huán)值判定，下面為該系統(tǒng)采用的部分算法。

3.1 濾波

由于攝像頭采集的圖像在傳輸、轉(zhuǎn)換過程中，會受到外部環(huán)境和人為因素的影響，從而導(dǎo)致圖像產(chǎn)生多種噪聲和失真信息，這就需要對圖像進(jìn)行濾波處理。濾波的方法有很多種，如低通濾波、中值濾波、自適應(yīng)濾波等。為了滿足系統(tǒng)需求，采用了中值濾波算法，先排序后求得中值，這樣既能很好的保持邊緣信息，又能夠有效抑制噪聲。

3.2 幾何校正

計算機(jī)采集到的圖像存在一定程度的失真現(xiàn)象。為了復(fù)原圖像，必須對失真圖像進(jìn)行幾何校正。一般來講，幾何校正可分為兩步:一是空間坐標(biāo)變換;二是灰度插值。其中空間變換通常采用兩種方法［5］:一是參考點(diǎn)矯正法;二是依據(jù)即便圖像的校正方法。該系統(tǒng)選用了參考點(diǎn)矯正法，其基本思路是［6］:按照一定的變換關(guān)系式，事先測量出各種標(biāo)準(zhǔn)靶型的尺寸數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)中選取多個合適的“模板基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)”存放在報靶系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，然后在報靶系統(tǒng)初始化過程中再選擇多個現(xiàn)場靶圖像的“觀測基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)”，將“觀測基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)”和數(shù)據(jù)庫中的“模板基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)”對應(yīng)起來，從而計算出變換矩陣。利用這一變換矩陣對失真圖像進(jìn)行幾何校正。

3.3 圖像差影

彈點(diǎn)是系統(tǒng)需要提取出的關(guān)鍵對象。彈點(diǎn)檢出的過程實(shí)際上就是對靶圖像進(jìn)行檢測和分割。采用了簡單高效的圖像差影的方法，其原理是［7］:把前后捕獲的兩幅圖像對應(yīng)坐標(biāo)的像素灰度值相減，得到各點(diǎn)的灰度差值組成新的結(jié)果圖像。兩個原圖像中的所有相同背景由于灰度值相同，相減結(jié)果為0，在這個結(jié)果圖像里面就是統(tǒng)一的暗區(qū)域。而結(jié)果圖像中的亮區(qū)域是射擊在后靶圖像上造成的新彈點(diǎn)和前靶圖像上沒有彈點(diǎn)的對應(yīng)區(qū)域灰度值相減形成的。這個亮區(qū)域就是我們要提取的對象物，它代表一個新的彈點(diǎn)。

3.4 二值化

二值化是數(shù)字圖像處理的重要基礎(chǔ)。二值圖像是指圖像畫面只包含黑、白二值的圖像。二值化后的圖像能夠用幾何學(xué)中的概念進(jìn)行分析和特征描述，比灰度圖像優(yōu)勢大的多，可以有效提高系統(tǒng)效率?，F(xiàn)有的二值化方法大多屬于閾值化方法，主要包括全局閾值法、局部閾值法和自適應(yīng)閾值法［8］。其中全局閾值法計算相對簡單，對直方圖為雙峰、質(zhì)量較好的圖像效果較好。為此，采用一種經(jīng)典的全局閾值法—otsu算法，使用全搜索的方式得到最佳閾值，使目標(biāo)和背景有效分離［9］。

3.5 彈點(diǎn)提取

經(jīng)過圖像預(yù)處理后，靶圖像中仍然存在孤立點(diǎn)、孔洞、毛刺等噪聲，要得到清晰的彈孔，必須進(jìn)行噪聲濾出。為此，運(yùn)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波方法，反復(fù)進(jìn)行開、閉運(yùn)算，取得了較好的效果。接下來是檢測彈心，首先利用Canny檢測算子進(jìn)行邊緣檢測，得到彈孔的邊緣信息，而后采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)細(xì)化方法加以細(xì)化，得到單像素彈孔邊緣，保證彈心提取的精確性。在此基礎(chǔ)上，采用三點(diǎn)定圓法找到彈心坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)證明，該法實(shí)現(xiàn)簡單，效果較好。

3.6 環(huán)值判定

環(huán)值判定是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。采用了如下算法:一是離線求得靶心坐標(biāo)和各環(huán)線半徑，主要步驟是采用上述方法對標(biāo)準(zhǔn)胸環(huán)靶進(jìn)行二值化、細(xì)化處理，而后進(jìn)行形態(tài)學(xué)開、閉合運(yùn)算，去掉靶環(huán)線和數(shù)字等信息，而后利用投影法切割找到十環(huán)區(qū)域，運(yùn)用上述三定定圓法確定靶心坐標(biāo);利用圓上任意一點(diǎn)到靶心的距離即為半徑的幾何特性，求出各環(huán)線的半徑及其表達(dá)式。二是創(chuàng)建環(huán)值區(qū)域，值得注意的是由于胸環(huán)靶6、7環(huán)為不規(guī)則圓環(huán)，8、9、10環(huán)為規(guī)則圓環(huán)，為了能夠精確判定環(huán)值，采用了設(shè)定約束線的方法，準(zhǔn)確劃定每個環(huán)值的對應(yīng)區(qū)域，三是確定彈孔所在區(qū)域，即可實(shí)現(xiàn)環(huán)值判定。其具體流程如圖3所示。

圖3 彈點(diǎn)提取和環(huán)值判定流程圖

4 系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計

4.1 軟件設(shè)計

按照自動報靶系統(tǒng)的實(shí)際需求，系統(tǒng)軟件主要由以下功能模塊組成(如圖4所示):①系統(tǒng)管理控制軟件;②圖像采集軟件;③圖像處理、識別和判靶軟件;④數(shù)據(jù)庫管理軟件;⑤人機(jī)交互軟件;⑥計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信控制軟件等。

圖4 軟件設(shè)計框圖

其實(shí)現(xiàn)的主要功能是:①系統(tǒng)管理控制軟件主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化和管理、協(xié)調(diào)、控制整個系統(tǒng);②圖像采集軟件主要負(fù)責(zé)對攝像頭及采集到的畫面進(jìn)行管理控制，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、實(shí)時采集;③圖像處理和判靶軟件主要負(fù)責(zé)對采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，并進(jìn)行彈孔提取，而后判定環(huán)值;④數(shù)據(jù)庫管理軟件主要負(fù)責(zé)管理存儲圖像數(shù)據(jù)和射擊成績，并可實(shí)現(xiàn)成績統(tǒng)計、排名、評估等功能;⑤人機(jī)交互軟件主要負(fù)責(zé)把系統(tǒng)生成的相關(guān)信息分類形成友好界面，顯示在計算機(jī)屏幕上，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交換;⑥網(wǎng)絡(luò)控制程序主要負(fù)責(zé)中央處理計算機(jī)和后臺管理計算機(jī)間的通信和數(shù)據(jù)交換。

整個系統(tǒng)程序主要由VC++6.0編寫，系統(tǒng)基于Windows XP軟件PC平臺開發(fā)。

4.2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由圖像采集設(shè)備、圖像處理和顯示設(shè)備組成。為了確保采集圖像高品質(zhì)、處理圖像高效率、顯示圖像高清晰，我們選取了如下設(shè)備:

(1)圖像采集設(shè)備

圖像采集就是圖像的數(shù)字化過程，即將圖像采集到計算機(jī)中的過程，主要涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D Converter)技術(shù)。目前，圖像的數(shù)字化設(shè)備可分為兩類，一類是使用圖像采集卡將模擬制式的視頻信號采集到計算機(jī);另一類是攝像設(shè)備本身帶有數(shù)字化部件可以直接將數(shù)字圖像通過計算機(jī)端口或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備傳送到計算機(jī)［11］。本文采用第一類模式，也就是“攝像頭+采集卡”的模式。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，采用了維視公司 VS－808H(CCD)模擬(黑白)工業(yè)攝像頭用以采集圖像。該攝像頭采用SONY公司1/3"CCD傳感器，具有更好的使用壽命、可靠性、穩(wěn)定性和極高的靈敏度;并采用自動增益控制和降噪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的背光補(bǔ)償功能，能夠得到高質(zhì)量的灰度圖像;且其結(jié)構(gòu)緊湊，外形小巧，功耗低。

下面一個環(huán)節(jié)就是圖像數(shù)字化。圖像數(shù)字化任務(wù)由圖像采集卡來實(shí)現(xiàn)。實(shí)時圖像采集系統(tǒng)中，一般采用具有幀同步存儲方式的接口數(shù)據(jù)采集卡［12］?？紤]到系統(tǒng)采用的是工控平板電腦，為此，選用了維視公司MV—U2000外置黑白圖像采集盒，該采集盒可以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)視頻信號實(shí)時采集。其圖象顯示采集分辨率可達(dá)768X576，采樣位數(shù)為9BIT;并嚴(yán)格執(zhí)行場同步，實(shí)現(xiàn)不丟幀。

其工作原理(如圖5所示)是模擬圖像數(shù)據(jù)由攝像頭采集后，經(jīng)視頻編碼芯片處理，轉(zhuǎn)化成數(shù)字圖像，傳給可編程邏輯器件FPGA;FPGA接收到數(shù)字圖像數(shù)據(jù)后，送RAM緩存，然后從RAM中取出數(shù)據(jù)，傳給USB 2.0控制芯片，該芯片利用USB 2.0接口將數(shù)據(jù)最終傳給計算機(jī)實(shí)時顯示并存儲。

圖5 圖像采集設(shè)備工作原理圖

(2)圖像處理(顯示)設(shè)備

圖像處理、顯示設(shè)備主要是指中央處理計算機(jī)，其主要任務(wù)是對采集到的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理和判定環(huán)值，并將人員姓名、所在班組、已射擊發(fā)彈序、當(dāng)前發(fā)序號、當(dāng)前環(huán)數(shù)、總環(huán)數(shù)射擊結(jié)果等信息實(shí)時顯示在計算機(jī)屏幕上。

基于自動報靶系統(tǒng)圖像處理(顯示)終端小型化、一體化、實(shí)時化的設(shè)計需求，選用研華公司PPC－125T工控平板電腦(如圖6所示)。該平板電腦采用觸摸式屏幕，設(shè)計小巧，接口豐富，開發(fā)方便，功能強(qiáng)大，是一款高可靠性、高性能、超低功耗的一體化工控液晶觸摸平板電腦。其采用12.1"SVGA(800X600)液晶顯示器(TFT LCD)，內(nèi)嵌Inter Celeron移動(1.06GHz)中央處理器(CPU)，40G(SATA)硬盤(HDD)，1G(DDR)內(nèi)存(Memory)和無線(LAN)模塊?？蛇x裝Windows XP和Windows CE系統(tǒng)。并支持嵌入式安裝、壁掛式安裝、支架式安裝、底座式安裝等多種模式，能夠方便靈活地與客戶的具體產(chǎn)品形態(tài)結(jié)合，達(dá)到很好的一體化效果。

圖6 PPC－125T端口圖

5 總結(jié)及展望

首先介紹了當(dāng)前部隊射擊科目訓(xùn)練的現(xiàn)狀，分析了采用基于圖像處理技術(shù)的自動報靶系統(tǒng)的必要性。在此基礎(chǔ)上，充分考慮實(shí)彈射擊自動報靶系統(tǒng)的實(shí)時性和環(huán)境要求，提出了一種自動報靶系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，介紹了其工作流程及實(shí)現(xiàn)功能。而后，簡要闡述了在圖像預(yù)處理、彈點(diǎn)提取和環(huán)值判定中所采用的關(guān)鍵算法。并從系統(tǒng)設(shè)計實(shí)際需求出發(fā)，分別說明了軟件設(shè)計和硬件選取。經(jīng)過仿真試驗(yàn)證明，本文實(shí)現(xiàn)的設(shè)計方案，具有較好的實(shí)時性和實(shí)用性。

數(shù)字圖像處理技術(shù)無論從理論或?qū)嵺`上都存在巨大潛力。下步工作中，應(yīng)重點(diǎn)研究采用無線傳輸和無線通信，提高系統(tǒng)對多種射擊環(huán)境的適應(yīng)能力，并將本系統(tǒng)數(shù)據(jù)與其他系統(tǒng)連接，形成一體化數(shù)據(jù)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制指揮;從部隊建設(shè)實(shí)際出發(fā)，不斷降低系統(tǒng)制作成本，基于嵌入式平臺加以開發(fā)自動報靶系統(tǒng);不斷更新數(shù)字圖像處理理論知識，改進(jìn)圖像處理識別的算法，提高系統(tǒng)速度，提升系統(tǒng)性能。

［1］袁莉茹.基于圖像處理的軍用自動報靶系統(tǒng)彈孔識別［D］.重慶:重慶大學(xué)，2006.

［2］陳海峰.基于圖像處理技術(shù)的自動報靶系統(tǒng)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2005.

［3］孫即祥.圖像處理［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［4］張建波.射擊運(yùn)動自動報靶系統(tǒng)中的圖象識別判靶算法研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2001.

［5］劉文耀.數(shù)字圖像采集與處理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［6］鹿洪旭，盧朝陽，高西全，丁玉美.用于射擊運(yùn)動自動判靶的圖像校正算法及實(shí)現(xiàn)［J］.計算機(jī)工程與科學(xué)，2001，23(3):21 －24.

［7］崔春雷.軍用自動報靶系統(tǒng)圖像識別技術(shù)的研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2004.

［8］Pal N R，Pal S K.A Review on Image Segmentation Techniques［J］.Pattern Recognition，1993，26(9):1277 －1294.

［9］陳丹，張蜂，賀貴明.一種改進(jìn)的文本圖像二值化算法［J］.計算機(jī)工程，2003，29(13):85 －86.

［10］彭紅霞.智能數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的若干關(guān)鍵算法研究［D］.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

［11］代飛.實(shí)時自動報靶系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2005.