許 平 楊朋飛 齊向東 阮健康

（太原科技大學(xué)，山西 太原 030024）

隨著科技的發(fā)展，自動(dòng)化在各個(gè)領(lǐng)域都占有著非常重要的位置，在AUV 靶標(biāo)瞄準(zhǔn)系中，目標(biāo)準(zhǔn)確識(shí)別和追蹤是海上目標(biāo)打擊的關(guān)鍵一環(huán)。圖像處理技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，為靶標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)跟蹤提供了更多的可能性，通過樹莓派做圖像采集和數(shù)據(jù)處理，結(jié)合OpenCV 添加霍夫圓檢測(cè)和顏色識(shí)別算法，以串口通訊的方式反饋給執(zhí)行機(jī)構(gòu)一個(gè)像素差，再通過控制程序?qū)UV 的俯仰和偏航進(jìn)行控制，就可以得到一個(gè)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的靶標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 靶標(biāo)識(shí)別算法

1.1 霍夫圓檢測(cè)

在靶標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中所使用的靶標(biāo)為同心圓靶標(biāo)，所以根據(jù)靶標(biāo)的特征，選用霍夫變換的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)于靶標(biāo)的檢測(cè)。

霍夫圓檢測(cè)通過點(diǎn)在圓上的出現(xiàn)最小個(gè)數(shù)來判斷圓，認(rèn)為在圖像上的每一個(gè)點(diǎn)都在某個(gè)圓上。

在X-Y 坐標(biāo)系中圓的方程為：

在a-b-r 參數(shù)空間中表示為

將X-Y 中圓上每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行反算，將其映射至a-b-r 坐標(biāo)系中，假設(shè)圓的半徑r 固定，將θ 在[0，360]內(nèi)進(jìn)行推演，所以在圓上的每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)都可以得到一個(gè)半徑為r 的圓，所有的圓周都在空間中交于一點(diǎn)，即在霍夫空間中不斷累加，得到信號(hào)最大的點(diǎn)，使得該點(diǎn)在霍夫空間中最亮，即為所檢測(cè)出圓的圓心點(diǎn)，將其重映射至X-Y 空間中，得到圓心坐標(biāo)。

由于霍夫圓累計(jì)到的是一個(gè)三維的空間，故有很大的計(jì)算消耗，因而提出霍夫梯度法來對(duì)傳統(tǒng)的霍夫變換進(jìn)行改進(jìn)。因?yàn)樗鶛z測(cè)到的圓心一定在圓的每個(gè)點(diǎn)的模向量上，即在該點(diǎn)切線的垂線上，其交點(diǎn)即為圓心。通過閾值設(shè)定進(jìn)行判斷，在本文中，實(shí)際實(shí)驗(yàn)的測(cè)量及對(duì)實(shí)時(shí)性的考慮，設(shè)定閾值為50。

霍夫變換對(duì)于噪聲非常敏感，所以首先利用高斯濾波的方法來處理?；趯?duì)靶標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性考量，采用基于圖像梯度實(shí)現(xiàn)的霍夫圓檢測(cè)，利用canny 邊緣檢測(cè)提取目標(biāo)圖像邊緣輪廓，基于邊緣檢測(cè)的結(jié)果從候選圓心開始計(jì)算最佳半徑大小，本文中，采取半徑大小范圍為20-70。

霍夫圓檢測(cè)完成后，輸出圓心像素坐標(biāo)。

1.2 顏色識(shí)別

本文的顏色識(shí)別是基于視頻檢測(cè)的識(shí)別，是將圖像進(jìn)行一個(gè)顏色范圍的過濾，通過掩模和閾值操作，找到紅色激光點(diǎn)所在區(qū)域位置，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行形態(tài)學(xué)操作去除干擾，將其輪廓提取出來，做出輪廓的最小外接圓，計(jì)算輪廓矩，外接圓圓心坐標(biāo)即為紅色激光點(diǎn)中心坐標(biāo)。

首先將圖像從RGB（Red，Green，Blue）空間映射至HSV（hue，saturation，value）空間上。本文中，由于在攝像頭中所顯示的紅光非常弱，并且在紅光的中心非常接近于白色，所以選擇HSV 的閾值范圍為：

2 系統(tǒng)工作原理

樹莓派通過霍夫圓檢測(cè)和顏色識(shí)別算法標(biāo)記出靶標(biāo)的中心點(diǎn)和紅色激光筆的光束點(diǎn)后，通過串口送至stm32，同時(shí)樹莓派可以通過SSH 連接上位機(jī)，將中心點(diǎn)數(shù)據(jù)通過wifi 送至上位機(jī)，即可通過上位機(jī)監(jiān)控靶標(biāo)中心點(diǎn)和激光中心點(diǎn)數(shù)據(jù)，收到兩個(gè)中心點(diǎn)的微處理器可以通過內(nèi)置PID 算法，輸出PWM波形，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中桿的角度發(fā)生改變，進(jìn)而達(dá)到使靶標(biāo)中心點(diǎn)和激光束中心點(diǎn)重合的目的。原理框圖如圖1。

圖1 靶標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，我們選擇了靜態(tài)靶標(biāo)瞄準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)靶標(biāo)跟蹤兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)AUV 啟動(dòng)后，遠(yuǎn)程啟動(dòng)樹莓派，攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉，樹莓派通過串口發(fā)送紅點(diǎn)坐標(biāo)與圓心坐標(biāo)差，上位機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打印結(jié)果，在樹莓派使用過程中，將可視窗口小型化，關(guān)閉顯示窗口，極大提高了算法的實(shí)時(shí)性，保證對(duì)于靶標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和追蹤，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖2 所示。

圖2

移動(dòng)靶標(biāo)跟蹤曲線如圖3 所示。

圖3 圓心與紅點(diǎn)像素關(guān)系曲線