苑瑋琦，李夢(mèng)祺

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 視覺檢測(cè)技術(shù)研究所 遼寧省機(jī)器視覺重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 引 言

近年來，隨著高新技術(shù)迅猛發(fā)展，高新技術(shù)在射擊訓(xùn)練當(dāng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。目前在戶外射擊訓(xùn)練中，主要采取的是人工報(bào)靶方式，選擇具有報(bào)靶經(jīng)驗(yàn)并且熟練掌握?qǐng)?bào)靶規(guī)則的人員對(duì)訓(xùn)練者的射擊結(jié)果進(jìn)行記錄，但是這種報(bào)靶方式存在著一些問題。例如，人工報(bào)靶占用了射擊訓(xùn)練大量的時(shí)間，而且對(duì)報(bào)靶人員的生命安全造成了一定的威脅，還有可能存在著“人情分”現(xiàn)象，不利于公平公正。

早期國內(nèi)國外的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)主要有雙電極短路采樣系統(tǒng)、光電傳感式自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)、聲電定位自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)等，但是這些系統(tǒng)配置嚴(yán)苛和后期維護(hù)的成本過高，而且在環(huán)境上無法適應(yīng)戶外射擊訓(xùn)練?；谝曈X檢測(cè)的胸環(huán)靶自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)，主要由胸環(huán)靶區(qū)域提取、靶線識(shí)別、彈孔識(shí)別、環(huán)值判定四個(gè)部分組成。文中通過借鑒大量的文獻(xiàn)研究理論知識(shí)，并且實(shí)踐報(bào)靶準(zhǔn)確度，發(fā)現(xiàn)彈孔識(shí)別是整個(gè)自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)最核心也是最艱難的地方，并且發(fā)現(xiàn)通過滯后閾值邊緣檢測(cè)、減影運(yùn)算、仿射變換相結(jié)合的方法能夠基本準(zhǔn)確獲取彈孔信息。而對(duì)于胸環(huán)靶區(qū)域提取、靶線識(shí)別和環(huán)值判定的方法大多數(shù)文獻(xiàn)當(dāng)中的方法大同小異。

1 自動(dòng)報(bào)靶技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)所研究的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)按其實(shí)現(xiàn)原理可分為以下幾種類型：

(1)雙層電極短路采樣系統(tǒng)[1]是在靶紙后面放置兩張相互間隔的金屬紙，根據(jù)子彈的導(dǎo)電特性，能夠檢測(cè)到彈點(diǎn)信號(hào)，這種報(bào)靶系統(tǒng)雖然方法簡(jiǎn)單、成本低廉，但是報(bào)靶率很低，而且不能連續(xù)射擊，很難運(yùn)用到軍事訓(xùn)練當(dāng)中。

(2)光線編碼定位靶是利用光線編碼的機(jī)制，平行安裝兩組不同焦距的鏡頭，形成一個(gè)光學(xué)靶面[2]。光纖編碼定位靶成本高、組件制作工藝復(fù)雜且遠(yuǎn)距離射擊的實(shí)驗(yàn)精度十分困難，不適用于國內(nèi)的軍事訓(xùn)練。

(3)聲電定位自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)是在固定靶紙框架的四周安裝若干個(gè)聲電傳感器[3]，該系統(tǒng)報(bào)靶精度高，但是對(duì)于同一個(gè)靶面，連續(xù)兩次射擊的時(shí)間間隔太短有一定的干擾。

(4)光電傳感器式自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)是在靶面的四周圍，按照垂直方向和水平方向相對(duì)應(yīng)的方式，安裝兩套高靈敏度的光電傳感器(一般是感光二極管和發(fā)光二極管)[4]，形成一個(gè)激光網(wǎng)格。如果想要該系統(tǒng)報(bào)靶精度高，那么勢(shì)必需要大量的光電傳感器，這樣就會(huì)使成本大大增加。

(5)電極埋入式自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)與光電傳感器式自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)原理十分相同，不同點(diǎn)是將光電傳感器換成電極，是由電極組成的網(wǎng)格，這種特制的靶體是一次性的，每射擊一次就要更換一次靶紙，成本非常高。

(6)基于圖像處理的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)由圖像采集模塊、信息傳輸模塊、圖像處理模塊及成績顯示模塊組成。對(duì)基于圖像處理技術(shù)的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)國外研究的比較早，如：芬蘭的Noptel ST-2000 Sport，還有1999年美國Rots Burgun設(shè)計(jì)的Ad-vanced Target Scoring & Reporting System。

2 基于圖像處理自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)中的彈孔識(shí)別方法的分析研究

圖像減影運(yùn)算識(shí)別彈孔[5-7]，把前后兩張圖像做減影運(yùn)算，把差值不為零的區(qū)域默認(rèn)為彈孔區(qū)域，這種方法能夠快速有效地識(shí)別彈孔，但是光照不穩(wěn)定和靶面抖動(dòng)會(huì)帶來很大的干擾，抗噪聲能力弱。

改進(jìn)的模板匹配識(shí)別彈孔的方法有普通模板匹配與彈點(diǎn)統(tǒng)計(jì)性質(zhì)結(jié)合的方法[8]，特征匹配方法[9]，基于特征中心不變矩匹配算法[10]。這些改進(jìn)的模板匹配方法是對(duì)彈孔區(qū)域和干擾噪聲區(qū)域計(jì)算它們各自的特征向量，與待檢測(cè)圖像中的每一個(gè)像素點(diǎn)的特征向量進(jìn)行比較，在彈孔區(qū)域特征向量范圍內(nèi)的像素點(diǎn)就代表屬于彈孔區(qū)域。這種方法需要在系統(tǒng)中預(yù)存大量的數(shù)據(jù)，需要大量計(jì)算，導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)擔(dān)大，運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較長。

模糊理論識(shí)別彈孔[11]，根據(jù)彈孔灰度值與背景灰度值之間存在的差異性來識(shí)別彈孔，計(jì)算彈孔區(qū)域的平均灰度值與背景的平均灰度值做比較，來判斷是否為彈孔區(qū)域。這種方法簡(jiǎn)單快速，但是沒有考慮到由于子彈的穿透而造成靶面顫動(dòng)的問題。

基于小波變換的圖像信息融合技術(shù)識(shí)別彈孔[12]，分別對(duì)兩幅圖像進(jìn)行小波分解，對(duì)兩幅圖像小波變換系數(shù)進(jìn)行融合，主要改變存在著新彈點(diǎn)圖像的小波變換系數(shù)，以此來突出新彈點(diǎn)的邊緣和位置，最后對(duì)存在著新彈點(diǎn)的圖像進(jìn)行小波逆變換，恢復(fù)成原始圖像。這種識(shí)別彈孔的方法抗干擾能力強(qiáng)，很好地解決了減影運(yùn)算方法中的靶線干擾問題，但是時(shí)間復(fù)雜度高，算法復(fù)雜。

基于顏色相似性識(shí)別彈孔[13]，這種方法不同于以往采用黑白圖像作為研究對(duì)象而是以彩色圖像作為研究對(duì)象，首先將RGB圖像轉(zhuǎn)換為HSI顏色模型，以矩形區(qū)域?yàn)閱挝?，?jì)算兩幅圖像矩形區(qū)域內(nèi)顏色相似性系數(shù)，通過比較顏色相似性系數(shù)來判斷彈孔區(qū)域和非彈孔區(qū)域。這種方法利用RGB圖像包含了相對(duì)豐富的信息，能夠很好地識(shí)別彈孔，但是計(jì)算量大，運(yùn)行時(shí)間較長。

基于統(tǒng)計(jì)模型識(shí)別彈孔[14]，首先獲取不同狀況下的彈孔圖像和非彈孔圖像，訓(xùn)練級(jí)聯(lián)分類器，然后根據(jù)訓(xùn)練好的級(jí)聯(lián)分類器與拍攝到的靶面圖像進(jìn)行匹配，掃描整張圖像，掃描到彈孔信息后進(jìn)行標(biāo)記。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)由于對(duì)彈孔的先驗(yàn)知識(shí)和參數(shù)模型的知識(shí)掌握不完全，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不精確。

3 彈孔識(shí)別

彈孔識(shí)別是整個(gè)系統(tǒng)中最核心的部分，射擊訓(xùn)練的時(shí)候，射擊完畢后，子彈會(huì)在靶紙上留下彈孔。而文中所設(shè)計(jì)的胸環(huán)靶自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)的拍攝順序是射擊完畢一次拍攝一張圖像，所以當(dāng)前圖像和前一張圖像的區(qū)別就在于當(dāng)前圖像比前一張圖像多了一個(gè)彈孔，因此運(yùn)用圖像減影能夠很容易地找到彈孔的位置，但是由于一些外界的不可抗因素，每張圖片都會(huì)有一些較小的差異，比如有些小角度的旋轉(zhuǎn)和很小距離的平移變化等，所以要對(duì)當(dāng)前圖像進(jìn)行圖像幾何校正處理，再進(jìn)行圖像減影運(yùn)算。

3.1 圖像幾何校正

所設(shè)計(jì)的胸環(huán)靶自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)需要進(jìn)行兩種圖像幾何校正，一種是由于相機(jī)以仰角的方式拍攝胸環(huán)靶，造成采集到的圖像豎直方向的壓縮，要把這種畸變校正過來以便于后續(xù)環(huán)值判定的計(jì)算；另一種是由于子彈在穿過胸環(huán)靶的時(shí)候會(huì)有一定的沖擊力，造成當(dāng)前圖像與上一張圖像會(huì)有一定的位移和旋轉(zhuǎn)，為了后續(xù)彈孔識(shí)別算法的順利進(jìn)行，需要將這種畸變校正過來。

圖像幾何校正又稱為圖像空間變換，它將一幅圖像中的坐標(biāo)位置映射到另一幅圖像中的坐標(biāo)位置[15]。圖像幾何校正不改變圖像的像素值，只是在圖像平面上進(jìn)行像素的重新排列。圖像校正一般需要進(jìn)行兩部分運(yùn)算：首先是空間變換所需的運(yùn)算，如平移、旋轉(zhuǎn)和鏡像等，需要用它來表示輸出圖像與輸入圖像之間的像素映射關(guān)系；然后使用灰度差值算法，因?yàn)榘凑者@種變換關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，輸出圖像的像素可能被映射到輸入圖像的非整數(shù)坐標(biāo)上。

圖像幾何校正的方法一般有：埃爾米特變換、仿射變換和投影變換等。

3.1.1 校正系數(shù)的確定

對(duì)于第一種圖像幾何校正，是由于拍攝角度造成的，所以采集到的每張圖像都會(huì)有相同的畸變，校正這種畸變主要是為了后續(xù)的環(huán)值判定，而環(huán)值判定主要是利用彈心坐標(biāo)、10環(huán)中心點(diǎn)坐標(biāo)和環(huán)間距這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。這次校正的主要目的是校正彈心坐標(biāo)和10環(huán)中心點(diǎn)坐標(biāo)，使彈心坐標(biāo)和10環(huán)中心點(diǎn)坐標(biāo)復(fù)原到實(shí)際情況，所以只需要通過數(shù)學(xué)上的幾何問題就可以求出校正系數(shù)。

校正系數(shù)的計(jì)算過程是：由于形變10環(huán)靶線變?yōu)闄E圓形，橢圓形長軸為水平方向的長度，短軸為豎直方向的長度，通過獲取十環(huán)靶線的長半軸長度A1和短半軸長度B1，計(jì)算校正系數(shù)K，K=A1/B1，如圖1所示。

圖1 10環(huán)的長軸與短軸

3.1.2 基于仿射變換的圖像校正

對(duì)于第二種圖像幾何變換，是由于子彈的沖擊力使固定胸環(huán)靶紙的支架發(fā)生了位置的變化，使得采集到的圖像與上一槍所采集到的圖像有所不同，因?yàn)槭勘鋼魰r(shí)每一槍所瞄準(zhǔn)的位置不同，所以采集到的每一槍圖像所產(chǎn)生的畸變也不同，所以以上一槍采集的圖像為主圖像，以當(dāng)前圖像為待配準(zhǔn)圖像，進(jìn)行圖像幾何校正。通過比較幾種圖像幾何校正的方法，文中選擇仿射變換。

仿射變換：如果一幅圖像上的直線經(jīng)過變換后映射到另一幅圖像上仍然為直線，并且保持平行關(guān)系，則這種變換稱為仿射變換。仿射變換適用于平移、旋轉(zhuǎn)、比例、剪切[16]。

(1)平移：設(shè)坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)，平移Δx和Δy到坐標(biāo)點(diǎn)(x',y')，則仿射變換矩陣方程表示為：

(1)

為了便于變換矩陣計(jì)算，將2×2矩陣擴(kuò)展為3×3矩陣，表示為：

(2)

(2)旋轉(zhuǎn)：設(shè)坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)，旋轉(zhuǎn)θ角到坐標(biāo)點(diǎn)(x',y')，則仿射變換矩陣方程為：

(3)

擴(kuò)展成3×3矩陣表示為：

(4)

(3)縮放：設(shè)坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)，放大或縮小k倍后的坐標(biāo)點(diǎn)為(x',y')，則仿射變換矩陣方程為：

(5)

擴(kuò)展成3×3矩陣表示為：

(6)

文中設(shè)計(jì)的胸環(huán)靶自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)只用到平移和旋轉(zhuǎn)這兩個(gè)性質(zhì)，所以使用到的仿射變換矩陣可以表示為：

(7)

設(shè)主圖像基本點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y)，待配準(zhǔn)圖像基本點(diǎn)坐標(biāo)為(x',y')；主圖像與x軸所形成的角度為phi，待配準(zhǔn)圖像與x軸所形成的角度為phi'，式7中θ=phi-phi'，Δx=x-x'，Δy=y-y'。

圖2表示圖像中基本點(diǎn)的位置和角度。由圖2可知，(x,y)表示胸環(huán)靶左下角的坐標(biāo)，即為所選取的基本點(diǎn)；phi表示胸環(huán)靶底邊與x軸所成夾角，即為所選取的角度。

圖2 基本點(diǎn)和角度的位置

3.2 滯后閾值邊緣檢測(cè)

文中是針對(duì)戶外射擊訓(xùn)練設(shè)計(jì)的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)，戶外光照強(qiáng)度不穩(wěn)定且不受控制，導(dǎo)致采集到的每張圖像的光照強(qiáng)度不一樣。當(dāng)光照強(qiáng)度較小時(shí)，彈孔區(qū)域與背景區(qū)域灰度值相差較小，為了使設(shè)計(jì)的算法適用于每種情況，采取基于邊緣的分割方法，進(jìn)行彈孔與背景區(qū)域的分割。

運(yùn)用圖像減影算法需要運(yùn)用當(dāng)前圖像信息減去前一張圖像信息，所以首先需要對(duì)仿射變換后的當(dāng)前圖像和前一張圖像進(jìn)行滯后閾值邊緣檢測(cè)，將兩張圖像的邊緣信息進(jìn)行二值化，只用0或1進(jìn)行表達(dá)。滯后閾值邊緣檢測(cè)需要設(shè)置三個(gè)參數(shù)：TL、TH、Len，下面對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。由Sobel算子獲得兩張圖像的幅值圖像，對(duì)兩張圖像的幅值圖像進(jìn)行滯后閾值分割，根據(jù)胸環(huán)靶靶面提取使用的全局閾值Otsu算法得到的最佳閾值T，設(shè)置一個(gè)低閾值TL,一個(gè)高閾值TH，當(dāng)幅值圖像中像素點(diǎn)的灰度值大于或等于TH時(shí)，作為圖像的真實(shí)邊緣；當(dāng)幅值圖像中像素點(diǎn)的灰度值小于TL時(shí)，不作為圖像的邊緣；當(dāng)幅值圖像中像素點(diǎn)的灰度值在[TL,TH]時(shí)，作為圖像的偽邊緣。再設(shè)置Len,如果兩段真實(shí)邊緣之間有Len個(gè)像素點(diǎn)的偽邊緣，那么將這Len個(gè)像素點(diǎn)的偽邊緣與兩段真實(shí)邊緣連接在一起，形成一個(gè)完整的邊緣。通過建立圖庫，觀察彈孔，發(fā)現(xiàn)彈孔直徑像素點(diǎn)在15個(gè)像素點(diǎn)到30個(gè)像素點(diǎn)之間，所以將Len設(shè)置為10足夠檢測(cè)到完整的彈孔邊緣。由圖3能夠明顯觀察到，當(dāng)Len=1時(shí)，彈孔的少量邊緣沒有被檢測(cè)出來，當(dāng)Len=10時(shí)，彈孔的邊緣被完整地檢測(cè)出來。

(a)Len = 1 (b)Len=10

在很多文獻(xiàn)中邊緣檢測(cè)運(yùn)用的是Canny算子，Canny算子檢測(cè)邊緣效果很好，效果好隨之帶來的代價(jià)是運(yùn)算時(shí)間長，而文中運(yùn)用運(yùn)算時(shí)間較短的Sobel算子結(jié)合滯后閾值同樣能很好地檢測(cè)到彈孔邊緣，也可以降低運(yùn)算時(shí)間。

3.3 圖像減影處理

圖像減影也稱為圖像差影[17]，其原理是將當(dāng)前圖像與前一張圖像做減法運(yùn)算，也就是將兩張圖像互相對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行減法運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的像素點(diǎn)的新的灰度值構(gòu)成新的圖像。文中對(duì)兩張圖像二值化后的圖像進(jìn)行減影運(yùn)算，兩張圖像完全相同的部分的灰度值進(jìn)行減法運(yùn)算后，灰度值為0，在新圖像上就表示為黑色的部分，而兩張圖像不相同的部分的灰度值進(jìn)行減法運(yùn)算后，就會(huì)在新圖像上完整表示出來，結(jié)果如圖4所示。

圖4 減影圖像

減影算法的數(shù)學(xué)公式為：

glr(x,y)=|glp(x,y)-glb(x,y)|

(8)

其中，glp(x,y)是當(dāng)前圖像；glb(x,y)是前一張圖像；glr(x,y)是減影圖。假如glp(x,y)

3.4 開運(yùn)算消除干擾區(qū)域

由圖4可以觀察到經(jīng)過減影運(yùn)算后，除了彈孔信息還有少量的環(huán)線干擾信息，這是由于兩張圖像不能完全重合造成的。圖像幾何校正只適用于剛性變換，而子彈的沖擊不僅會(huì)使靶體產(chǎn)生振動(dòng)，也會(huì)使靶紙產(chǎn)生抖動(dòng)，紙是柔性的，所以靶紙產(chǎn)生的變化屬于柔性變換，所以減影運(yùn)算后會(huì)有少量的靶線干擾信息。靶線干擾區(qū)域包含的像素點(diǎn)比彈孔區(qū)域包含的像素點(diǎn)少很多，所以進(jìn)行一次數(shù)學(xué)形態(tài)的開運(yùn)算就可以將干擾區(qū)域消除。

腐蝕和膨脹是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)最基本的變換，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的應(yīng)用幾乎覆蓋了圖像處理的所有領(lǐng)域，下面介紹利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)二值圖像進(jìn)行的腐蝕膨脹運(yùn)算。

用B(x)代表結(jié)構(gòu)元素，E代表二值化圖像，腐蝕和膨脹運(yùn)算的定義式分別為：

腐蝕：

E⊙B={x:B(x)?E}

(9)

膨脹：

E⊕B={x:B(x)∩E≠?}

(10)

腐蝕運(yùn)算是把結(jié)構(gòu)B平移后，使B包含于E的所有點(diǎn)構(gòu)成的集合，結(jié)果使二值圖像收縮；膨脹運(yùn)算是把結(jié)構(gòu)B平移后，使B與E交集不為空集的所有點(diǎn)構(gòu)成的集合，結(jié)果使二值圖像擴(kuò)張。

一般情況下，膨脹和腐蝕是不可恢復(fù)的運(yùn)算。開運(yùn)算是先腐蝕后膨脹的過程，用來消除小物體、分離物體、平滑較大物體的邊界，并且可以保持其面積基本不變。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，彈孔直徑像素點(diǎn)在15個(gè)到30個(gè)之間，而環(huán)線干擾區(qū)域像素點(diǎn)在1個(gè)到5個(gè)之間，所以結(jié)構(gòu)元素選擇圓形，半徑為3.0能夠達(dá)到消除環(huán)線干擾并且保留彈孔信息的效果。圖5為開運(yùn)算的結(jié)果。

圖5 開運(yùn)算的結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過建立圖庫測(cè)試文中系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和運(yùn)行時(shí)長；所建立的圖庫共260張圖像，通過測(cè)試準(zhǔn)確率為99.2%，運(yùn)行時(shí)長為0.525 s。為了使用戶能夠更方便地使用該系統(tǒng)，還設(shè)計(jì)了用戶所使用的人機(jī)交互界面，圖6顯示了系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié)束語

對(duì)大量的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)文獻(xiàn)進(jìn)行閱讀研究，介紹了自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)的發(fā)展歷程，并且對(duì)自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)中的核心算法——彈孔識(shí)別算法進(jìn)行了分析對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的彈孔識(shí)別方法準(zhǔn)確度高，運(yùn)行時(shí)長符合實(shí)彈訓(xùn)練要求，能夠較好地適應(yīng)野外射擊訓(xùn)練，具有良好的應(yīng)用前景。