楊博宇，姚愛琴，孫運強，魯旭濤

(中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051)

?

基于線陣CCD槍彈位置圖像處理的方法研究

楊博宇，姚愛琴，孫運強，魯旭濤

(中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051)

針對槍彈位置的線陣CCD測量圖像信息處理問題，研究了線陣CCD在測量槍彈射擊中槍彈的提取、噪聲的剔除、槍彈中心的確定等問題。常用的背景差分算法在實際系統的運算過程中存在速度慢、噪聲多等問題，根據線陣CCD測量系統采集到的槍彈圖像信息的特點，提出了在背景差分法的基礎上通過圖像的一種改進的互相關性快速提取槍彈圖像的算法，進而確定槍彈位置。通過比較該算法和背景差分法對槍彈圖像的采集與處理，可以得出用該算法計算出的槍彈位置精確度高，耗時短，提高了線性CCD測量系統實時處理的效率，在連發(fā)的高精度自動報靶系統中具有一定的實用性。

線陣CCD； 槍彈位置； 高精度；圖像處理

目前，以線陣CCD為傳感器的各種非接觸測量方法由于其智能化、自動化、驅動簡單、易于處理等優(yōu)點在工業(yè)檢測領域得到了廣泛的應用。線陣 CCD具有可以將一維像元數做多的優(yōu)點 , 而總的像元數與面陣CCD相比較少,并且?guī)鶖蹈?像元尺寸靈活, 非常適合一維動態(tài)目標測量，因此在室內高精度立靶系統中應用廣泛[1-2]。目前將線陣 CCD應用于室內高精度立靶測試系統，研究與分析基于線陣CCD的槍彈圖像位置信息的處理算法，趙慶嵐等在CCD實測數據恢復彈形的方法中提出了用幀相減和閾值提取有用數據的預處理方法提取槍彈[3]；馬衛(wèi)紅等在研究高精度CCD室內立靶系統中采用背景濾除算法提取槍彈位置[4]。這些都與背景差分法一樣要求背景是較為均勻且不變的，這在實際的測量系統中很難達到。針對以上的不足，筆者提出了一種槍彈圖像的快速提取方法，可以彌補背景差分法的不足，提高了測量系統的精確度和實時處理效率。

1 線陣CCD測量系統分析

線陣CCD采集到槍彈圖像信息的位置可以推算出槍彈射擊時在空間中的實際位置，而槍彈的尺寸又可在圖像的像素數目中反映出來[5]。因為槍彈的邊緣在圖像中比較模糊,即與背景相比是變化相對劇烈的部分 ,所以如何精確地識別出槍彈的邊緣直接關系到測量系統的精度問題 。為了研究槍彈圖像的處理算法，需要對槍彈圖像特點進行分析[6]。圖1為測量系統結構圖，圖2為測量系統實物圖。光源系統照射在CCD相機上形成光幕，當槍彈穿過光幕時，遮擋住了一部分光線，從而在線陣CCD相機上成像。線陣CCD相機接收到觸發(fā)控制系統給的信號后瞬間拍照并保存數據，然后再進行目標位置信息的確定[7-8]。

圖3為線陣CCD采集到的圖像，大小為1 000 pix×8 192 pix，由于槍彈體積小、飛行速度快，多數情況下線陣CCD拍到的槍彈在整幅圖像中所占像素為25 pix×50 pix，僅占整幅圖像的幾萬分之一。并且由于背景光源的均勻性和穩(wěn)定性不理想導致圖片的背景呈現出整體明暗交替變換劇烈而局部變化緩慢連續(xù)，使得彈丸完全淹沒在背景中，給圖像的后續(xù)處理帶來了很大的困難。因此，尋找一種有效的圖像提取方法是該項目的重點和難點。

2 槍彈圖像的快速提取與處理

目前國內關于槍彈位置的提取與確定的研究基本上采用的都是背景差分法。背景差分法要求背景是均勻不變的，這樣通過減背景能去除背景噪聲，但是線陣CCD實際采集回來的槍彈圖像的背景是變化的，尤其是在連發(fā)射擊中，槍彈連續(xù)通過靶面其強大的沖擊力會導致背景的變化，而且采集到的圖像較大(1 000 pix×8 192 pix)，直接用背景差分法提取槍彈中心會使得噪聲增多影響結果的準確性且耗時較長。針對此不足，筆者提出了一種改進的互相關法和背景差分法相結合快速提取槍彈圖像的方法，此方法分為槍彈圖像預處理和槍彈圖像處理兩部分。

2.1 槍彈圖像預處理

由圖3可以看出線陣CCD采集到的圖像比較大且背景復雜，很難在整幅圖像中找到槍彈的位置，但仔細看就會發(fā)現這明暗相間的復雜背景中存在著一定的互相關性，筆者通過圖像的互相關性來進行圖像的預處理。

互相關函數為隨機信號x(t)、y(t)在任意2個不同的時刻t1、t2下的值之間的相關程度[9]。在槍彈圖像處理中，互相關函數的定義如下：

設兩個函數分別為m(t)和n(t)，其反映的是2個函數在不同相對位置上的相互匹配程度。則互相關函數定義為

R(u)=m(t)×n(-t)

(1)

首先將圖片分成一個個50pix×128pix的小塊作為研究對象，從圖像的左上角按列開始把1個塊作為1個待測圖像，其后1個塊作為對比圖像，然后利用互相關函數把它們聯系起來判斷待測圖像中是否存在槍彈。用數學的形式表示為：將待測圖像與對比圖像按列展開為二維像素矢量i和j，利用式(2)計算2幅圖即2個矢量i和j的相互關系的相似性程度。

(2)

式中：k為待測圖像； f表示對比圖像；i和j表示圖像的行和列。

進行粗提取時，根據式(2)可以求出對應的ρ值，將其與閾值T1(采集1張沒有槍彈的圖像如上述算法分塊，進行式(2)的計算，取最大的ρ為閾值)進行比較。如果小于閾值說明待測圖像為有槍彈的圖像，否則視為背景圖像，把對比圖像作為待測圖像，其后1個小圖像作為新的對比圖像按上述算法進行計算，直到找到有槍彈待測圖像。為了保證圖像中槍彈的完整性，防止待測圖像中只有部分的槍彈圖像，所以截取待測圖像及其周圍的八聯通區(qū)域(50 pix×128 pix×9)的小圖像作為槍彈圖像預處理結果圖，如圖4所示。

2.2 槍彈圖像處理

槍彈圖像處理是利用背景差分法將預處理結果圖中的槍彈從復雜的背景中提取出來。具體算法如下：

1)槍彈圖像的預處理結果圖是通過截取八聯通區(qū)域得到的，所以槍彈大致在圖像的中間的位置，因此預處理結果圖中的前N行是不含有槍彈的，將前N行相加求平均構造一個背景模板。

(3)

2)上面構建的單行背景模板大小為1 pix×384 pix，要將其進行多次合并擴建成大小為150 pix× 384 pix的無槍彈模板圖l(i,j)，再將槍彈圖像預處理結果圖g(i,j)和無槍彈模板圖l(i,j)對應位置的像素按照式(4)做灰度值差分運算，差分后的灰度差值組成新的槍彈圖像輸出結果圖，灰度差值為255的像素點，表明此像素點為槍彈圖像中的背景部分，否則視為區(qū)別于背景的槍彈點。則槍彈圖像輸出結果圖的運算公式為

(4)

3)將槍彈圖像輸出結果圖h(i,j)進行中值濾波去掉剩余的少量噪聲，得到如圖5所示的槍彈圖像處理結果圖I(i,j)。

2.3 槍彈位置確定

在槍彈位置的確定中，灰度重心法可以根據圖像的位置和灰度信息更準確地確定槍彈的位置，但同時噪聲對其影響也很大，若圖像中存在較大的噪聲，所求出的重心就會偏向噪聲一方。因此可以用此方法來驗證筆者提出的快速提取法與傳統的背景差分法相比結果，能更好地去除背景噪聲的影響，快速精準地確定槍彈位置。

灰度重心法是以像素灰度值為權值的加權型重心法。重心的計算是對槍彈積分的過程：對每個槍彈像素求出它相對起始點的位置信息，再累加所有槍彈像素位置信息，最后求出所有槍彈像素灰度級的積分[10-11]。前者與后者的商即為要求的槍彈的重心位置。在圖5所示的灰度圖像I(i，j)中：

(5)

(6)

式中，W(i,j)為權值。

由于槍彈的灰度值低于背景的灰度值，W(i,j)取值為

(7)

式中，T2為迭代法求出的用于區(qū)分槍彈與背景的閾值。

3 試驗與分析

試驗采用了圖1的測量系統，將線陣CCD采集到的3張不同槍彈位置的圖像，分別用傳統的背景差分法和筆者提出的快速提取法進行實時處理，然后與用灰度重心法求出的槍彈位置進行比較。為了清晰地看到圖像的槍彈位置，表1中的槍彈原圖和槍彈位置結果圖僅截取了圖片的槍彈部分。

表1 比較兩種方法確定槍彈位置

由表1中槍彈位置結果圖和槍彈位置可以看出，背景差分法和筆者提出的快速提取法確定的槍彈的位置在不同背景下對所處行數影響不大，主要影響所處的列數。由槍彈原圖可看出，當槍彈處在較為均勻且不變的背景中，2種方法所標注的槍彈中心基本上一致，計算出槍彈位置相差很??；當槍彈處在兩明暗交替且發(fā)生輕微變化的背景中，從2種方法所標注的槍彈中心很明顯可以看出，背景差分法提取槍彈時產生的噪聲影響了槍彈所占列的位置確定，而對于快速提取法影響不大。由于在槍彈射擊中，槍彈落在背景發(fā)生輕微變化的明暗條紋中的概率很大，所以筆者提出的快速提取法確定的槍彈位置更準確。在運算速度上，背景差分法的平均運行時間為 6.644 s，快速提取法的平均運行時間為0.509 s，本文的方法比背景差分法耗時明顯減少，提高了實時處理的效率，解決了室內高精度報靶系統在連發(fā)射擊中實時性報靶的運算問題。綜上所述，快速提取法在運算速度和精確度方面都優(yōu)于背景差分法。

4 結束語

筆者介紹了線陣 CCD 的測量系統，在常規(guī)背景差分法提取槍彈的基礎上，提出了一種基于線陣 CCD 的槍彈位置圖像處理的研究方法：先對圖像進行互相關性預處理，再進行背景差分處理的彈丸快速提取，最后對提取后的槍彈圖像進行位置的確定，消除了因圖像背景復雜多變導致槍彈位置偏移造成的影響。這種方法受噪聲的影響小，精確度高，很大程度上縮短了算法的運行時間，在連發(fā)的高精度自動報靶系統中具有一定的實用性。

References)

[1]王英,曾光宇.雙線陣CCD交匯測量立靶精度系統研究[J].光電工程,2011,38(10):33-38. WANG Ying, ZENG Guangyu. Dual CCD intersection measurement precision of vertical target system research[J]. Photoelectric Engineering, 2011,38(10):33-38.(in Chinese)

[2]雷志勇,李翰山.線陣CCD測量高速彈丸圖像信息處理研究[J].半導體光電,2009,30(5):751-754. LEI Zhiyong, LI Hanshan. Linear CCD measuring high-speed projectile image information processing research[J]. Semiconductor Optoelectronic, 2009,30(5):751-754. (in Chinese)

[3]趙慶嵐，宋衛(wèi)東，宋丕極，等.利用CCD實測數據恢復彈形的方法[J].傳感器技術，2005,24(6):26-28. ZHAO Qinglan, SONG Weidong, SONG Piji,et al. The method of using CCD measurement data recovery bullet shape[J]. Journal of Transducer Technology, 2005, 24(6): 26-28. (in Chinese)

[4]馬衛(wèi)紅，倪晉平，董濤，等.高精度CCD室內立靶測試系統設計[J].光學技術，2012(2): 180-184. MA Weihong, NI Jinping, DONG Tao, et al.High precision CCD indoor vertical target test system design[J]. Optical Technique, 2012(2): 180-184 . (in Chinese)

[5]董濤, 華燈鑫, 李言,等. 一種雙目標同時著靶坐標測量方法[J]. 兵工學報, 2013, 34(10):1273-1278. DONG Tao,HUA Dengxin,LI Yan,et al.A double targets at the same time the target coordinate measuring method[J].Acta Armamentarii,2013，34(10): 1273-1278. (in Chinese)

[6]李翰山,雷志勇,袁朝輝,等.立靶光幕探測性能分析與彈丸信息提取研究[J].計算機測量與控制,2010,18(8): 1831-1833. LI Hanshan, LEI Zhiyong, YUAN Chaohui,et al. Vertical target screen detection performance analysis and the projectile information extraction research[J]. Computer Measurement & Control, 2010,18(8): 1831-1833. (in Chinese)

[7]劉晶晶.室內線陣CCD立靶測試系統中關鍵問題的研究[D].西安：西安工業(yè)大學, 2013. LIU Jingjing. Indoor linear CCD vertical target and the study of the key problems of the test system[D]. Xi’an: Xi’an Technological University，2013. (in Chinese)

[8]OHBO M, AKIYAMA I, TANAKA T. A new noise suppression method for high-definition CCD cameras[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 1989, 35(3):368-374.

[9]何丹,雷鳴.基于線陣CCD高速目標信號提取[J].機械與電子, 2013(2):27-29. HE Dan, LEI Ming.Based on the linear CCD high speed target signal extraction[J].Machinery & Electronics, 2013(2): 27-29. (in Chinese)

[10]余鴻銘,萬敏,顧靜良.數字信號處理器紅外弱小目標搜索算法[J].強激光與粒子束，2012，24(8):1951- 1955. YU Hongming,WAN Min,GU Jingliang. Digital signal processor of infrared dim-small target search algorithm[J] High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24(8): 1951-1955. (in Chinese)

[11]瞿仕波，周炎濤. 邊緣檢測法在線陣CCD中的應用[J].傳感器與微系統，2013，32(8)： 149-152. QU Shibo,ZHOU Yantao. The application of the edge test online CCD[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2013，32(8)： 149-152. (in Chinese)

Methods of the Bullet Position Image Processing Based on Linear CCD

YANG Boyu, YAO Aiqin, SUN Yunqiang, LU Xutao

(School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China)

In response to the linear CCD image information processing problems, such issues are stu-died as the extraction of linear CCD bullets in the measurement of firings, the deletion of noise, the determination of bullet centers, etc. Problems existing in the actual system operation process of algorithms for background difference include slow speed and much noise. According to the characteristics of collected bullets image information through linear CCD measuring system, the cross-correlation rapid extraction of bullets image is to be presented through image on the basis of background subtraction, and then the center of the bullets position is to be determined. Through image acquisition and processing of bullets, a comparison is made of the algorithm and background subtraction. It is concluded that the algorithm can be used to calculate the bullets position with great accuracy and less time with the efficiency of real-time processing improved. In the continuous shooting high precision automatic target scoring system, it has certain practicability.

linear CCD; bullet position; high precision; image processing

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.005

2016-03-22

楊博宇(1991—)，女，碩士研究生，主要從事高精度立靶系統數字圖像處理技術研究。E-mail：ybyqscx@163.com

TP751.1

A

1673-6524(2016)04-0020-05