基于點(diǎn)控制的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)研究

在射擊比賽和軍事射擊訓(xùn)練中，射擊成績(jī)的統(tǒng)計(jì)大部分仍然通過人工報(bào)靶的方法，由于受人為因素、環(huán)境因素等影響，使得報(bào)靶精度不高，報(bào)靶效率和安全方面也存在較大的問題，這樣使得運(yùn)動(dòng)員或士兵不能正確地了解自己的成績(jī)，不利于打靶水平的提高?；趫D像處理方法的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)因其具有簡(jiǎn)捷、方便、低成本、便于攜帶、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)而得到了較為廣泛的應(yīng)用。
    目前普遍使用的物理靶面大多，如圖1所示，物理靶面由靶心和以靶心中心為圓心的一系列環(huán)線等組成。作為基準(zhǔn)，靶面圖像中環(huán)線的識(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)的圓來處理。在實(shí)際中，由于靶面與光學(xué)系統(tǒng)的不垂直及光學(xué)系統(tǒng)的畸變，圖像會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的畸變，其結(jié)果是圖像中的環(huán)線并非正圓，所以由上述方法算得到的結(jié)果存在較大的誤差。因此環(huán)形靶面由于其固有缺陷，使報(bào)靶精度受到較大影響。

    在條件允許的情況下，如果對(duì)物理靶面進(jìn)行改造，或者根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)物理靶面，往往能夠得到更高的報(bào)靶精度。文中提出了一種基于點(diǎn)控制的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用標(biāo)識(shí)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，其相對(duì)靶面中心的位置已知，這些點(diǎn)具有已知半徑，降低了識(shí)別難度，一般的噪聲不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生嚴(yán)重影響。采用簡(jiǎn)單的閾值就可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的分割，大大減小了圖像預(yù)處理工作，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。針對(duì)點(diǎn)控制，文中提出了采用距離加權(quán)平均法來計(jì)算靶數(shù)，避免了圖像的幾何矯正工作，同時(shí)保證了報(bào)靶精度，系統(tǒng)的通用性也大大增強(qiáng)。

1 靶面設(shè)計(jì)及系統(tǒng)工作原理
    相對(duì)于傳統(tǒng)方法，基于點(diǎn)控制的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)的物理靶面只是在普通靶上增加了一些點(diǎn)，這些點(diǎn)以環(huán)線上的點(diǎn)為圓心，那么，從靶心中心點(diǎn)到這些控制點(diǎn)中心的距離就是該控制點(diǎn)所在靶環(huán)的半徑。每個(gè)環(huán)線上平均分布著若干個(gè)點(diǎn)，圓環(huán)半徑越小，圓環(huán)上的控制點(diǎn)相對(duì)也越密集，計(jì)算精度也相對(duì)越高。圖2給出了用控制點(diǎn)對(duì)環(huán)線進(jìn)行12等分的靶面示意圖。

    系統(tǒng)主要分兩步來完成報(bào)靶工作。首先，在射擊前完成對(duì)靶面背景圖像的采集和處理。通過閾值將各控制點(diǎn)從背景圖像中分割出來，由于控制點(diǎn)半徑相對(duì)很小，圖像畸變對(duì)其影響很小，可以采用各控制點(diǎn)的重心作為其中心坐標(biāo)，然后再?gòu)倪@些點(diǎn)中確認(rèn)出靶心中心。其次，射擊完畢后，采集靶面圖像，將采集到的圖像和背景圖像進(jìn)行差處理，獲取彈孔圖像，求取彈孔最內(nèi)側(cè)點(diǎn)相對(duì)靶心的距離R’，根據(jù)圖像比例關(guān)系，計(jì)算物理靶面上彈孔距離靶心的實(shí)際距離R，靶面上的最大的環(huán)線半徑已知，根據(jù)下式計(jì)算靶數(shù)

   

2 關(guān)鍵算法
2．1 靶心的求取
    在諸多控制點(diǎn)中確認(rèn)出靶心是后續(xù)工作的基礎(chǔ)，為了工作的簡(jiǎn)便，可以對(duì)靶心進(jìn)行特殊處理(比如尺寸不同等)。為了使系統(tǒng)更具一般性和普遍性，通過算法來實(shí)現(xiàn)：對(duì)每一個(gè)點(diǎn)求取其到其它所有控制點(diǎn)的距離和，其中和最小的這個(gè)點(diǎn)即為靶心，下面給出理論依據(jù)。

    將環(huán)線12等分，設(shè)為D1中心o到小圓a上各點(diǎn)距離平方和。如圖3(a)所示，a1、a2、……、a12分別為分布在小圓上的12個(gè)控制點(diǎn)，小圓半徑記為r，則

   
    設(shè)D2為中心o到大圓b上各點(diǎn)距離平方和，如圖3(b)所示，b1、b2、……、b12分別為分布在小圓b上的12個(gè)控制點(diǎn)，大圓半徑記為R，則

   
    在小圓a上任取一點(diǎn)，不妨取a1點(diǎn)，a1點(diǎn)到小圓其它各點(diǎn)以及到中心o的距離和設(shè)為D3，則

    b1點(diǎn)到小圓上各點(diǎn)距離之和設(shè)為D’4則

    由式(6)和式(9)可知，靶心到其它各點(diǎn)的距離之和相比其它各點(diǎn)到其它點(diǎn)的距離之和要小。
2．2 彈孔到靶心距離R的確定
    由式(1)可以看出，R的計(jì)算精度唯一而直接地影響著報(bào)靶精度，針對(duì)點(diǎn)控制，提出了采用距離加權(quán)平均法來計(jì)算R。已知靶面上有n個(gè)控制點(diǎn)，適當(dāng)選取其中距離彈孔眠最近的m個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，分別記為M1、M2、…、Mm。物理靶面上這些點(diǎn)到靶心中心的距離分別為R1，R2，…，Rm；像面上M0到這些點(diǎn)的距離分別為r1、r2、…、rm，把1／ri(i=1，2，…，m)作為權(quán)重，采用加權(quán)平均的方法求取M0到中心基準(zhǔn)點(diǎn)o的距離R，則

    以m為例，如圖4所示，假設(shè)M1、M2、M3和M4分別為最靠近彈孔M0的4個(gè)點(diǎn)，o為中心基準(zhǔn)點(diǎn)，o到M1、M2、M3和的距離為R1、R2、R3和R4，則

很好地反映實(shí)際情況。

3 精度檢測(cè)
    為了便于檢測(cè)，這里采用激光光斑模擬彈孔。檢測(cè)設(shè)備布置，如圖5所示，準(zhǔn)直激光光束經(jīng)過加裝在高精度電子經(jīng)緯儀目鏡上的平面反射鏡反射后，在靶面上形成一光斑。調(diào)節(jié)電子經(jīng)緯儀，使得激光光束垂直于靶面，光斑和靶心基本重合，經(jīng)緯儀讀數(shù)為(α，β)，把這個(gè)點(diǎn)記為T1；調(diào)節(jié)經(jīng)緯儀，激光光束轉(zhuǎn)過一定的角度，經(jīng)緯儀讀數(shù)為(α’，β’)，此時(shí)的光斑記作T2，這時(shí)激光光束轉(zhuǎn)過的角度為(2(α’一α)，2(β’一β))。假設(shè)經(jīng)緯儀到靶面的距離為l，則光斑在物理靶面上的位移△x可以通過下式計(jì)算得到

    假設(shè)T1和T2圖像上的中心為T’1和T’2，靶心為T，將T’1和T’2進(jìn)行統(tǒng)一的坐標(biāo)平移，平移后T’1和T重合。此時(shí)，T1可以看作靶心位置，T’2可以看作彈孔的位置，由本系統(tǒng)計(jì)算出T’2到T’1的距離△x’，即彈孔到靶心的距離R。令△=△x’-△x，則△的值就是測(cè)試的誤差。

    以上系統(tǒng)精度檢測(cè)時(shí)，靶面距離電子經(jīng)緯儀的距離l=3 880 mm，相機(jī)距幕靶板距離為1 550 mm。
    從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，從ccD相機(jī)到軟件處理系統(tǒng)，整個(gè)彈孔的檢測(cè)誤差小于一個(gè)像素。

4 結(jié)束語
    文中對(duì)傳統(tǒng)的基于圖像處理技術(shù)的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)進(jìn)行了分析，針對(duì)其不足之處，提出了基于點(diǎn)控制的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)，采用點(diǎn)控制代替線控制，降低了圖像識(shí)別的難度，大大減小了圖像預(yù)處理工作，達(dá)到了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。針對(duì)點(diǎn)控制，提出了距離加權(quán)平均法來計(jì)算靶數(shù)，避免了繁雜的圖像幾何矯正工作。通過模擬實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性，并且具有較高的報(bào)靶精度。本系統(tǒng)亦可應(yīng)用于多管平行度測(cè)量的工程中，并可得到很好的結(jié)果。