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1、基于图像技术的智能报靶系统设计 声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。加,年多月乃旧研究生签名:冽乏驻学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文,按保密的有关规定和程序处理。矽胗年弓月归研究生签名:烟熏.硕
2、士论文 基于图像技术的智能报靶系统设计摘 要现今部队实战射击训练中,普遍采用人工报靶方式,即存在一定安全隐患,消耗了无谓的人力和时间,射手也无法根据射击情况进行实时调整。而以光电技术和图像技术为代表的报靶系统,具有安全性好、实时和高效的特点,正得到越来越广泛的应用。本文以野外实战环境下的部队射击用胸环靶为对象,研究了一种基于无线局域网技术和数字图像处理技术的智能报靶系统,研究内容包括系统总体设计以及针对靶环和弹孔识别等图像处理算法的设计实现。论文首先介绍了基于局域无线网技术的智能报靶系统的总体设计,给出了设计方案和系统总体结构图。论文围绕报靶系统的两个关键点即靶环识别和弹孔识别展开研究,首先提
3、出了一种利用滑动窗口分割和二次曲线拟合来提取靶环线的方法,解决了自然条件下靶面环线的精确定位问题;接着利用连通域标记、隶属度判定和区域生长等算法逐次滤除虚假弹孔,最终实现对真实弹孔的提取和弹着点成绩判定。论文通过大量实战射击图片验证了算法的有效性。实验表明,论文构建的智能报靶系统总体设计和相关图像算法切实可行,系统运行稳定可靠,弹孔识别率目前已能达到%。本系统弥补了人工判靶的不足,具有高效、快速和判靶精准等特点,能够很好的满足部队实战射击训练的需求,具有良好的应用前景。关键词:智能报靶,图像识别,曲线拟合,图像差分 硕士论文 . .苫, . : ;,;. ; % .,.: , ,硕士论文 基于
4、图像技术的智能报靶系统设计目 录摘 要.?绪论.。.。.。.。.。.。.。.课题背景?。.自动报靶系统研究现状.双层电极短路采样法自动报靶系统?.声电定位自动报靶系统.光电坐标定位自动报靶系统。.基于图像处理技术的自动报靶系统。?.论文研究内容和组织结构。.论文研究内容?.论文组织结构.智能报靶系统总体设计?.设计要求.总体设计?。.硬件设计?.图像采集设备?.无线传输设备一.图像处理、输出设备。.系统软件设计?.小结?靶面图像预处理及靶面标定?。. 靶面成像分析?.图像滤波技术?.中值滤波.形态学滤波?.图像的阈值分割及二值化.靶面环值标定?.基准点的选取.靶心检测?.:?.曲线拟合硕士论文
5、 基于图像技术的智能报靶系统设计绪论.课题背景在部队的军事训练当中,实弹射击已被列为一项基本的训练科卧。在实弹射击中,射手对目标的命中程度不仅是检测一个军人是否合格的重要指标,而且在一定程度上也能反映出射手武器操控能力的水平。传统的实弹射击目前还停留在人工报靶的方式,通常由一些具有报靶经验并且掌握报靶规则的人员来担任报靶工作。在人工报靶的过程中,报靶人员要么躲藏于物理靶下方的沟壕内对靶面进行近距离观测【】,要么通过网络摄像机拍摄的靶画图像进行观测,要么是用望远镜对靶面进行远距离观测,或者一场射击结束后派人员去靶面处确定和统计射手的成绩。据统计数据显示,在射击训练过程中,人工统计射手成绩和补靶时
6、间占据了训练时间的%。人工报靶对报靶人员的人身安全存在一定的威胁,如果在射击结束前报靶人员现身实物靶的沟壕之外或者报靶员前去判靶、补靶时,如果管理疏忽,就可能造成枪支走火,导致人员伤亡;并且当靶面上着弹点比较多时,辨别新旧弹孔对报靶员而言比较困难,加大了报靶的误差率,射击训练的质量直接受到影响。伴随着科学技术的进步,传统的训练手段越发显现出不足,所以需要引入一些先进的装备或武器同现代化手段相匹配。对于军人最基本也最重要的训练项目便是实弹射击,所以实弹射击训练设备的现代化在部队中具有着重要意义。为了提高部队射击训练质量、选手射击水平,克服传统报靶的不足,自动报靶系统的研究和应用对军队的现代化建设
7、具有深远的意义【】。伴随着现代科学技术的飞速发展,自动报靶技术也推陈出新,新型报靶技术逐渐成长起来。此类新系统不仅能够提高射击效率、节省人力、消除安全隐患,而且还能自动统计射击成绩,从而确保成绩实时快速、真实可靠的输出,很好地满足部队训练中实弹射击的要求。为此,在部队中广泛推广使用自动报靶系统,既是推进军队现代化的有力举措,又对提高部队的训练水平有着极大的促进作用,并具有重大现实意义。.自动报靶系统研究现状现今,部队实弹射击训练器材比较落后,自动化程度低,很大程度上还依赖于人工报靶的形式,设备大都采用机械升落靶加靶濠的方式【。现在市面上存在的自动报靶装置也由于其对使用环境的苛刻限制、适应性差等
8、原因,采用率很低,难以得到推广。科技高速发展,但是部队训练设施的技术含量难于提高的原因总结有以下三点:一、当前国内的自动报靶系统技术还不成熟,性能比较单一、对环境的适应能力差,绪论硕士论文达不到部队实弹射击训练的要求;二、少数能够运用的模拟训练设备,却又仅限于进行模拟训练,而不能运用于实弹射击,难以保证训练质量:三、自动报靶系统中的科技含量相对较高,从而也造成了其成本相对偏高。对于野外靶场的各种不确定因素,自动报靶更是难以满足需求,但却迫切需要引进自动报靶系统,以减少人力的消耗,尤其是减少对报靶员生命安全的隐患。因此,真正可靠实用的智能报靶系统的研发才是射击训练器材设计的重点。响应科技强国的口
9、号,国内很多机构相继对报靶的智能化、自动化展开了研究,陆续开发出多类自动报靶系统。按产品功能的实现方式可以将它们分以下几类【:双层电极短路采样法自动报靶系统;声电定位方式自动报靶系统;光电坐标方式自动报靶系统;基于图像处理技术的自动报靶系统。.双层电极短路采样法自动报靶系统早期的该类报靶系统的实现方式采用的是在靶纸后面铺设两张相互间隔离的金属纸,这样借助弹头的导电特性,在弹孔穿过靶纸的时候会有瞬间信号【产生,对其进行检测便实现了报靶,即采用“双层电极短路采样法进行弹着点采集。此类报靶系统的原理图见图.。国家知识产权局于年月日正式公布:由国家信息产业部电子第研究所与山东省青岛市黄岛区人武部共同研
10、制的实弹射击自动报靶系统,获国家专利两项。专利号依次为.、.。这套系统采用的就是图.所示原理。上?一导电层 ?一、勿,多乡 ?/右.子弹霪?一一右下图.双层电极短路采样法目前,与此类似的报靶系统在我国一些部队已有所运用,但此类系统水平较低,难以满足训练的实际需要。采用“双层电极短路采样法的智能报靶系统对弹着点检测效硕士论文 基于图像技术的智能报靶系统设计果很差,例如在手枪等短弹头、圆弹头,曳光弹等弹头等命中目标时均不能报靶,从而使得判靶效率低下。即使采用普通弹孔射击的情况下的准确报靶率也很低。报靶方式相对比较落后,只能显示中弹靶环数,及中弹的大致区域,而无法实现弹着点的显示。并且在运用中对射击
11、选手有要求,射击手的两次射击的时间间隔必须在两秒以上,因为报靶显示一秒后消失且没有弹着点统计,故难以推广和普及【】。.声电定位自动报靶系统我国自主研发的首套声电定位自动报靶系统于年研制成功,象征着我国在报靶技术和外弹道测量方面已进入世界先进水平之列。此后,中国人民解放军总参谋部第六十研究所、南京航空航天大学等研究机构与科研院也对此类报靶系统进行了深入研究并取得了一定的成果。其实现报靶的原理为:将若干个声电传感器安置在贴靶纸的矩形框架上,当射击选手击中靶面时,弹头便会从矩形框架内穿过,在穿过的同时由于巨大的冲量会对框架内的空气造成扰动,从而会形成以弹着点为波源、向四周扩散的冲击波,该波也将会被距
12、波源最近的传感器最先捕获,此时启动检靶仪开始计时,记录其它传感器捕获到该冲击波的时间,这样就可以得到各个传感器检测出该波的时间差,根据速度传输原理:,由时间差与波的传输速度计算便能获知波源的具体位置,即弹着点的位置。该系统的设计原理可以简略的用图.进行描述。该类报靶系统相对传统的报靶技术含量相对较高,同时具有很好的报靶精度,但同样存在着一定的缺陷,例如当射击选手前后两发命中靶面的时间间隔比较短时,两次冲击叠加在一起将对报靶造成一定的干扰,同时这种干扰也可能来自相邻靶位间的相互影响,在射击训练中都是多靶位的同时射击,外界噪声强度很大,都会增加上述检测的干扰【】【】【】。图.声电坐标定位原理图基于
13、声电坐标定位技术的自动报靶系统由于主要只受冲击力影响,所以对于外界的光照因素对本系统都不会造成任何影响,所以能运用于任何气候情况下,而且具有较高绪论 硕士论文的报靶精度。但是它的优点的来源也决定了系统的缺陷,例如对于风向、风速的影响都要加以修正,对于速度低于音速的弹孔也难以检测。如果现实环境中能减少或消除上述因素的影响,该系统还是大有应用前景的【】【。.光电坐标定位自动报靶系统基于光电坐标定位技术的自动报靶系统的具体实现方法是在射击靶四周沿水平方向、垂直方向铺设感光二极管或发光二极管等高灵敏度的光电收发装置。该类系统原理如图.所示。头穿过点图.光电靶原理示意图光电收发装置按照图.中所示的按一定
14、间距摆放成等距网格的方法安置,在靶面形成了一对对激光发射接收对。图中横列和纵列中的小箭头表示激光的发射方向,其中置于网格上的黑色圆点表示弹孔位置。靶面被由纵向和横向的两组发光设备所发射的光线划分为矩阵式网格状态,靶面区域与网格中的每个小的矩形区域相对应。给每一组光电设备进行水平方向和垂直方向的编号,编号对应着靶面相应点坐标【。在射击过程中,所有的激光接收器和激光发射器都处于工作的状态。当各向光电装置间的间距小于弹头直径时,选手击中靶面则弹头在穿过靶体的瞬时,必将最少切断水平方向和垂直方向各一根光线,瞬时的光线中断或强度变化都会使得光电器件的电平等电气参数发生变化。通过单片机等复杂可编程逻辑器件
15、来分析处理这些光电器件的编号,便可得到弹着点坐标,通过查找之前建立的光电器件编号与靶环坐标转换表便可获知弹孔的中弹靶环数。显然,此类系统的精度提高在于网格的疏密,故精度也就体现着系统的成本【。基于光电原理的自动报靶设备由于也只与子弹穿过靶面时与光电传感器之间的切割有关,所以与声电定位自动报靶装置一样不受环境因素的影响,同时更不依赖于靶纸。光电传感式自动报靶系统在使用时应注意以下两个问题:一、在射击过程中要注意光电硕士论文 基于图像技术的智能报靶系统设计传感设备的保护,防止子弹对其的损坏;二、射击开始前得对实际靶面和光电传感装置之间的对应点进行校对儿。光电自动报靶系统相对传统报靶实现了准确高效、
16、安全、快速的输出中弹情况,但是由于子弹在从与靶面刚接触到子弹穿透靶面也只是个瞬间的过程,所以如果采用的是普通光电二极管的话,则难以满足射击训练的实时性的要求,如果采用高精度的激光二极管则使得此类靶的造价明显偏高,对今后的推广使用造成了一定的限带。.基于图像处理技术的自动报靶系统。图像处理 技术基本上可分成两大类:模拟图像处理 和数字图像处理 。其中数字图像处理,也被称为计算机图像处理 ,也就是利用计算机对图像信息进行加工处理,以得到某些预期的效果或从图像中获取某些有用的信息。其目的主要包含三个方面:其中第一方面是改善视觉效果,第二方面是提高图像传输和存储效率,最后一个方面就是进行图像测量、重建
17、、理解与识别。其具有四点优势:灵活性强;可靠性强;处理内容丰富;处理精度高。数字图像处理技术主要包括以下各个方面:模拟图像的数字化、图像压缩、图像分割、图像变换、图像复原、图像增强、图像分析、图像重建等。近年来,由于计算机运算速度的不断提高,从而也推动图像处理技术的快速向前发展,数字图像处理技术已在军事技术、工农业生产、科学研究、医疗卫生等方面得到了广泛运用。例如智能识别技术中的人脸识别、车牌识别、指纹识别,人机交互的实现以及智能汽车的发展都是图像技术在实际生活中应用的经典案例。本文要设计实现的“基于图像技术的智能报靶系统就是一个集成靶面图像采集、图像智能识别以及数据库后台管理于一体的典型图像
18、处理系统。如南京航空航天大学开发研制的自动报靶系统和西安电子科技大学研发的基于图像的射击竞赛用自动报靶系统都是基于图像处理技术才得以实现。其工作原理是:将摄像机放置于靶面前方,当开始射击时,摄像机实时采集靶面信息,根据采集到的靶面图像的变化等特点来分析、判断当前是否存在新生弹孔,如果有弹着点的话,则对中弹点在靶面的位置进行分析得出中弹点对应的靶环数。基于图像技术的报靶系统就如同智能交通中采用了“电子眼对违规车辆车牌的抓拍一样,系统可以用于替代报靶员,并能实现报靶过程的不间断、实时监控。并且对不同靶位上的每一次射击都采用相同的算法、规则和精度来判定,不存在受主观因素影响的问题,比人工报靶更客观、
19、更公正,有较高的可用性。基于图像技术的报靶系统不仅成本低而且简洁方便,所看即所得的图像信息给人的感官视觉以更真实的感受,但是目前一些基于该技术的自动报靶系统,普遍存在算法精确度不高的情况,且主要应用于圆形靶,不适合部队推广使用。因此,在此基础上加以绪论 硕士论文改进,提出高精度、高可靠性、高效率的算法,则该系统便可以广泛应用于部队训练。.论文研究内容和组织结构基于图像处理技术,本文重点结合军事射击项目的特点,设计了一种智能报靶系统的实现方案和相关算法。在实现智能报靶的同时完成人员分配、数据统计等功能。.论文研究内容评价自动报靶系统性能好坏的参数主要体现在报靶精度,报靶精度的又高低取决于靶面图像
20、质量的优劣和图像处理算法的设计好坏,所以本课题研究的主要内容是:报靶系统的硬件设计:主要包括图像采集及基于无线局域网的图像传输系统。靶环线检测:运用形态学算法实现靶心信息获取,在此基础上提出了基于八邻域的滑动窗口靶环线检测算法。靶面弹孔提取:采用图像差分来初步获取弹孔的位置信息,本文中提出结合隶属度判定和区域生长的双尺度分析方法获取真实弹孔信息。.论文组织结构论文组织结构的安排如下:第一章绪论:主要介绍了课题背景、报靶系统的研究现状、本文的间就内容。第二章系统总体设计:首先介绍了针对设计要求而提出的设计框架,之后从图像传输方面对无线局域网进行了详细介绍,并对软件系统也进行了详细阐述。第三章靶面
21、图像预处理及靶面标定:介绍了图像滤波及图像二值化等图像预处理算法,在此基础上重点介绍了靶面环线标定,利用三次膨胀三次腐蚀实现靶心的提取,之后本系统的特点提出了基于八邻域的滑动窗口靶环线检测算法,精确的定位各个靶环,为后面的环值判定奠定基础。第四章靶面弹孔提取和成绩判定:本系统的主要是基于图像差分技术来实现弹孔的粗提取,在图像预处理、图像差分后图像存在噪声干扰,因此首先利用八连通域的离散点滤波去除离散噪声点,之后采用连通域标记算法得到弹孔可能处于的位置信息,在此基础上再利用隶属度判定和区域生长等算法逐次滤除虚假弹孔,最终实现对真实弹孔的提取和弹着点成绩判定。第五章总结和展望:总结了本文的主要工作
22、,并对基于图像处理技术的自动报靶系统进行了展望。硕士论文 基于图像技术的智能报靶系统设计智能报靶系统总体设计目前,智能报靶系统根据智能化程度的差异,有多种多样的设计方案,各有特色。本章从实战设计训练的实际需求出发,以无线局域网技术和图像处理技术为基础,展开系统的总体设计研究。主要内容安排为:第一节介绍了报靶系统的总体设计要求;第二节围绕设计要求,介绍了系统的总体设计思想并给出了总体结构图;第三节介绍了系统的硬件构成、特性和连接关系;第四节介绍了系统的软件设计思想和流程;最后给出了本章小结。.设计要求针对野外复杂多变的训练环境、个靶位同时监控等实际情况,对系统提出以下要求:首先要求系统具有野外自
23、然环境的适应性、便于携带、安装方便快捷。主要针对采用胸环靶的步枪、手枪射击,要求实时地对射击结果进行实时输出,方便射击选手查看。实现人员分配合理化及射击结果统计的简易化。操作简单、易懂,同时要求软件实现精准的判靶,即准确率要求%以上。.总体设计采用图像技术实现报靶,不仅需要图像,而且需要有对图像进行处理的软件。其中图像的获取需要依赖摄像机、图像采集卡这类的硬件设施,图像处理软件正是本系统需要设计实现的。所以整个方案的实现主要由硬件模块和软件模块两大部分组成。系统的总体设计框图如图.所示。打印机胸环靶堡查酬视频采集卡卜计算机无无 像处理环节胸环靶卜吐蔓亟堕口叫视频采集卡卜线线.。后台管理, 计算
24、机胸环靶卜吐蔓亟堕口叫视频采集卡卜计算机图 大屏幕像处理环节显示胸环靶卜叶两面两订叫视频采集卡卜图.系统总体设计框图其中每台计算机分管两个靶面的信息处理,摄像机采集的靶面图像通过视频采集卡将其数字化后通过无线局域网传输给图像处理环节。系统的硬件模块包含了图像采集设智能报靶系统总体设计 硕士论文备摄像机、无线传输设备瑚皿等【。软件模块是整个系统的内核部分,概况来讲,软件模块主要包含图像处理环节和后台管理环节两部分。下面就硬件设计和软件设计两部分进行详细介绍。.硬件设计处理计算机的处理对象依赖于摄像机的采集,同时系统不仅要用于百米步枪的实时报靶监控,在米的手枪射击中也要实现自动报靶。如此长的距离,
25、 个靶位同时监控,如果对个靶位采用有限传输的形式是比较繁琐的,要求射击前铺设线路,而且万一子弹击中传输线,则对应靶位的监控就此断了,所以本系统采用无线网络传输实现靶面图像的传送以及计算机之间的通信。硬件设计方案同样如图.所示。广?.一图.硬件设计方案图硬件系统主要完成的任务有:将实时采集的靶面图像传输给网络中的处理计算机。射击成员名单的分配,各处理计算机进度的协调。处理计算机、无线、后台管理计算机之间的通讯。其中无线实时显示射击选手当前命中位置,为瞄准方向提供可靠的反馈调节参数。考虑到系统室外训练便携性的要求,采用部队现有的最普通靶及靶纸作为本系统的处理对象,如图.所示。图.室外射击训练射击靶
26、靶纸贴于泡沫夹板纸上,缓冲弹孔冲力,射击靶的基座采用的是铁质四角支持支撑模型。采用传统射击靶一方面成本低、易实现、便于携带和普及;由于子弹的速度比较硕士论文基于图像技术的智能报靶系统设计快,即便是经过了百米距离带来的衰减,在穿过靶面时将对靶面造成一个较大的冲量,刚性的四角支撑对减小冲量带来的靶面晃动,从而降低或减免瞬时冲击引起的图像畸变,提高报靶准确率。.图像采集设备图像采集就是将图像采集到计算机中的一个过程,只有数字化的信息才能为是计算机所用,所以图像采集实质上就是一个图像数字化的过程。模拟图像向数字图像的转换过程 是其中的主要技术。通过摄像机采集到的图像实际上是一种模拟信号,只有通过图像采
27、集卡完成图像的数字化过程的图像才能被计算机识别和处理。按照某种规律将时间上、幅值上连续的模拟信号表示成二进制码的形式,即用图像信息用数码“和“来表示。图像的色彩、灰度的变化、光线的强弱、构造和形状等信息都可以用数字编码来进行记录。这些数字化编码的信息能够很方便的被计算机处理分析、无失真的进行通讯传输,并且方便的存储在磁盘、光盘等存储设备中。模数转换理论上来讲就是一个抽样、量化、编码的过程。见图.。图.转换原理抽样就是用每隔一定时间的信号样值来代替原来在时间上连续的信号,即时间上将模拟信号离散化;量化则是用有限个幅度值来近似原来连续变化的幅度值,即幅值上将模拟信号离散化。目前的模拟图像数字化设备
28、主要可以归结为两大类【】:一类是摄像机自身就集成有数字化设备,同时具备有类似于接口、口的通信端口,可以直接将数字图像通过通讯端口直接传送给计算机;另一类则是采用摄像机加采集卡的模式,直接将模拟机制的图像信号采集到计算机。本系统采用的是第一类摄像机集成数字化设备的装置,设备选型采用的是海康威视.高清网络一体化摄像机,如图.所示,该设备的基本参数见表.。?纽传感器类型信号系统 快门 /秒至/,秒镜头接口类型 /接口日夜转换模式 红外滤片式视频压缩标准 诨可选压缩输出码率?。最大图像尺寸图像设置 通过客户端或浏览器可调对比度,亮度,饱和度存储功能 支持/,胛/支持协议通讯接口 个一接口,个/自适应以
29、太网口视频输出? /湿度和工作温度湿度小于%无凝结,电源供应 %/%/功耗当切换时,高清网络一体机采用的公司传感器实现视频图像的采集,集成的数字采集卡再将采集到的模拟图像数字化,这样便完成了图像采集过程。采集的图像是以一定的文件格式存储的,图像只有按一定格式存储才能被计算机处理和分析,在不同的运用环境和不同的操作系统下又有着许多不同的图像存储格式,常用的格式有,等。海康威视为客户提供、两种图片格式。的缩写在数字图像处理方面占有着重要地位,是操作系统本身保存图像的一种通用文件格式。所谓的操作系统本身指的是内部硕士论文 基于图像技术的智能报靶系统设计位图存储采用的格式,同时系统还提供了丰富的函数来
30、对图像文件进行操作,从而使得基于平台对图像文件进行处理的运用程序相当灵活、便利。图像文件是一种与设备无关,即? 的缩写的图像数据保存格式。自带有颜色信息,是标准的位图格式。所以调色板管理比较容易【。介于的以上特点,故本文采用了无压缩灰度文件作为智能报靶系统处理的图像文件的存储格式。图像采集完成,接下来便是将数字化后的图像通过无线设备传输给相应的计算机进行靶面分析。.无线传输设备实战训练涵盖步枪射击训练和手枪射击训练两种,而步枪射击训练要求射击选手在距离靶面米外射击,综合考虑时间成本、人力成本、物质成本之和,本系统采用无线网络进行图像传输。无线局域网络的最基本要求就是每一个节点能从另外的一些节点
31、上获取信息,或者将信息发送给另外的节点。当前所采用的无线网络的拓扑结构归纳起来主要有以下两类:对等式的环形结构 和有中心的星型结构?拓扑。如图.和图.所示。图.环型网 图.星型网环型网中的任意两个站间均可以直接通信,当时当网络中用户比较多时,行道竞争将削弱网络的性能,严重时通信的大部分内容都是路由信息。星型网中所有站点间的通讯都需要经过中心基站,中心基站能达到对站点间网络通讯的控制,当用户增多也不会造成网络性能的恶化,但是当中心基站出现故障可能导致整个网络瘫痪。由于本系统的无线网络主要负责完成各靶的靶面图像到对应计算机的信息传输,以及后台管理计算机、各处理计算机间、间的相互通信。用户比较少但是
32、要求比较大的铺盖面积,所以系统采用的是星型的拓扑结构。具体实现见图.。以上提及的详细信息通过无线局域网传输给后台管理计算机,完成选手成绩的统计、分析、打印等。移动则供各位射击训练中的射击选手实时查看当前的射击成绩及弹孔所处的靶面位置,以便校正瞄准方位,形成一个良好的反馈系统,对射击选手的射击技能有很大的提高,而且也提高了实战训练的价值。硕士论文 基于图像技术的智能报靶系统设计.系统软件设计软件设计是整个智能报靶系统的核心部分,它决定了整个系统的稳定性、可靠性和适用性。系统的软件框图如图.所示。图.软件系统框架图后台管理软件幽的主要工作除担当整个系统的服务器协调整个系统的运行外,还负责射击进程的
33、管理、产生射击选手的射击训练表、统计和管理射击选手成绩等。图像处理环节是系统的关键,关系着本报靶系统的准确率,其主要包含图片的预处理、弹孔提取、环值判定等,图像处理系统软件流程图如图.所示。图环 结图 弹像像 孔 值 果预采 识判 输处集 别 定 出理图.系统软件流程图其中,图像预处理环节主要包括图像滤波、几何校正、图像差分、阈值分割和二值化等步骤;弹孔识别环节主要包括二值图像去噪、边缘检测、弹孔提取等;环值判定环节主要包括靶心检测、环线半径计算、创建环值区域和弹孔环值判定等。图.展示的是本系统的软件操作界面。智能报靶系统总体设计 硕士论文图.系统软件操作界面示意图系统围绕着靶面标定和弹孔提取
34、两个方面展开,实际检测的弹孔信息在模拟靶上显示,简单明了,同时操作界面简单易操作。.小结本章结合户外实战射击训练的实际情况,提出了一种基于无线局域网和图像处理技术的智能报靶系统的总体设计方案。系统由硬件模块和软件模块两部分组成。硬件模块主要包括图像采集设备、图像传输设备、图像处理及管理计算机和便携式输出设备等。软件模块包括实现靶环定位和弹孔识别等功能的图像处理算法,以及人机交互界面和数据库。本章对硬件模块和软件模块的组成、功能和结构进行了详细阐述。在此基础上,下章将重点介绍靶面预处理及靶面标定。基于图像技术的智能报靶系统设计硕士论文一靶面图像预处理及靶面标定图像预处理是为了改善图像质量而进行的
35、各种图像滤波等环节,因此预处理环节的好坏直接影响图像识别的准确度。通过靶面标定才能确定模板处理区域,同时靶环线的判定的弹孔环值判定的理论依据。.靶面成像分析考虑到系统实际的运用环境是自然光照条件下、野外复杂环境,这就要求采集系统便于移动而非铺设好的固定系统;靶面于射击前架设好,故靶面和摄像机的距离具有一定的随机性;摄像机的摆设位置、高度决定了实际靶面在像素坐标中的位置,摄像机位置的轻微变动都将对靶面成像位置造成很大的影响【】【。所以每次系统铺设好,靶面图像在成像平面都非固定位置。摄像机坐标与像素坐标关系如图.所示:世界坐标系.。威,摄像机坐标系彩.,/图像坐标系, 。/图.图像处理中几个坐标系
36、间的关系示意图摄像机坐标是由与砟,耳,轴组成的直角坐标系,其中为摄像机光心,为摄像机的光轴,光轴与图像平面的交点为图像平面的轴心点,为摄像机焦距,群轴、耳轴与成像平面坐标系中的轴、轴平行,空间中点砟,乓,在图像中对应着像素,。可以看到当射击靶安置好之后如果摄像机位置的略微的偏离原先的位置,靶面对应的在成像平面中的位置将较大的偏移原图对应的像素位置。并且设计要求?.“颐士论文靶面图像预处理及靶面标定工作人员必须在开始射击前的半小莳内将堑个系统搭建好,以便不影响射击进程。这样艰苦的条件要像素靶面呈现图.所示的标准靶面是很难保证的。 纛臻聚 ,茹簸图.规则像素坐标的标准靶面理论上各个圆环都是以靶心为
37、中心的同心圆,而且半径成等差数列的形式,即假设环的半径为尺,则环的半径为,环半径为尺以此类推,但是在实际当中的摄像机光轴与靶面轴心并非在一个水平线上,而成如图.所示的关系,这成为造成像素坐标中“圆环不圆”的一个因素,加之摄像机自身的光学畸变、靶面贴得不正等因素都将造成各靶环为非规则的圆环。由图.,根据几何原理可以知道即便是当摄像机的光轴中心对准靶面中心的时候口角和角也是不相等的,由此可知在像素坐标中圆环的上、下部分是不对称的【】。机图.靶面轴心与摄像机光轴中心关系采集的靶面图像存在一定的几何畸变在本系统所面临的环境条件是不易于克服的,从而使得几何校正在本系统中不可行,因为几何校正需要的标准靶图
38、像在自然环境下是很难获得的。然而不进行几何校正的同时也减少了线性插值带来的误差。现存的很多图像处理报靶系统,在靶面环线的识别过程都是基于理论条件下进行的,即将靶面近似认为呈图.中的标准靶的形式。同时自然环境下中的光照等因素的硕士论文 基于图像技术的智能报靶系统设计影响必然使采集到的图片夹杂着一定的噪声。针对现实状况本文提出一套适于本系统的处理算法。系统中采用中值滤波对靶面进行预处理,在保留图像轮廓的基础上去除噪声,同时提出了基于滑动窗口的八象限靶环线识别算法来准确获知靶环线信息。本系统软件处理流程图如图.所示。图.系统图像处理模块整体流程图围绕图.的处理流程,本章主要介绍了基于滤波技术的靶面图
39、像预处理方法,并深入研究了自然环境下的靶心和靶环线判定技术,为进一步的弹孔辨识和成绩判定打下基础。.图像滤波技术.中值滤波中值滤波是图基在年提出的一种常用非线性平滑滤波器,能够在滤除脉冲噪声和随机噪声的同时很好的保留边缘细节,在图像处理、语音和通信领域得到了广泛的运用【。中值滤波的流程是:确定一个邻域通常称为窗口;将像素置于邻域的中心;按灰度值对邻域中的像素进行排序无所谓升序、降序;取排序队列的中间值作为中间点像素的灰度新值。当窗口在图像中上下左右进行移动时,将序列中点的值用该点的邻域中的各点值的中值代替,进而对图像进行平滑处理刚。硕士论文:对于一组数,.,。,先把这个数按值的大小顺序排?证或
40、?面,如果数列的中值为,丁?为奇数,?,.。地仔。.?岛偶数窗口通常是取一个像素点的特定形状或长度。例如在一维的情况下,含奇数个像素的滑动窗口取定为中值滤波的滤波器,在滤波过程中,滤波器窗口的中间像素将被窗口像素的中间值所代替。例:如采用图.所示的一维窗口,顺序排序像素灰度值为,等。图.一维窗口, ,初始顺序排序像素灰度值, ,上一步中的被中值替代,窗口右移,照,剑,此时中间点的又将被中值替代,窗口继续右移一个数字,以此类推。考虑到图像一般在横向和纵向上都具有一定的相关性,所以通常选用二维窗口为滑动窗口,常用的有、和等形状,如图.所示。方形 十孚 菱形 近似圆形图.中值滤波常用窗口形状硕士论文
41、基于图像技术的智能报靶系统设计其主要功能是,当某一像素灰度值与周围像素相差较大时,将其修改成与周围像素的灰度值相近,从而对孤立的噪声点进行滤除。中值滤波在实际运用中不需要图像的统计特性,并且在又能做到在保护图像边界的情况下滤除噪声,所以得到广泛推广运用。图.是中值滤波在本系统中的处理结果:图.中值滤波前的灰度图【砂 图.中值滤波后的灰度图从图.和图.的对比中可以看到中值滤波有效的滤除了图像中夹杂的噪声信息,特别是数字周围由光照因素造成的噪点,同时保留了图片在各类物体的轮廓信息,其中弹孔的轮廓信息得到了很好的保留。.形态学滤波形态学滤波 是依据数字形态学的集合论方法发展起来的图像处理方法,主要针
42、对二值图像展开。通常形态学滤波和中值滤波一样表现为邻域运算的形式。该邻域即为“结构元素仃聆,其是一种特殊定义的邻域形式。硕士论文靶面图像预处理及靶面标定该“结构元素将在每个像素上与二值图像中对应区域进行特定的逻辑运算,最后的输出图像的像素就是逻辑运算的结果。逻辑运算的性质,结构元素的内容、大小对形态学运算的效果具有决定性的作用。典型的形态学运算有膨胀、腐蚀、开运算和闭运算。已知二值图像和结构元素,则典型的腐蚀、膨胀运算可表示如下:.雪:矽.其中:,?,即对集合做关于原点的映射后,再做沿向量的平移;, ,集合沿向量的平移。膨胀不仅能够填补图像的空洞,而且还能够填平图像边界上凹陷不平滑的部分并形成
43、连通域,即能够将图像周围的边界点合并到物体中,所以膨胀运算对分割运算后具有空洞的图像具有很好的填补作用。如果两个物体之间的距离相对较近,运用膨胀运算就可能将两个物体连接到一起【刀。腐蚀则与膨胀相反,该算法可以将小于结构元素的小物体滤除,结构元素的大小确定其能滤除的物体的大小,故腐蚀在数学形态学中的作用归结为是消除物体边界点。由于腐蚀对边界的消除特性,所以当两个物体原本有部分连通是情况下加于腐蚀运算,将能够使两物体分离。开运算的定义为先腐蚀后膨胀的过程,如式.所示。用于在不明显改变面积的情况下平滑大物体边界、将有细小衔接的物体分离开,消除小物体等。.,。闭运算的定义则是先膨胀后腐蚀的过程,如式.
44、所示。用于在不明显改变面积的情况下平滑其边界、将临近但未连接的物体衔接起来、填充物体内的空洞等。.,?由于图像处理中噪声是难以避免的,因此阈值分割后的二值化图像的物体区域可能存在一些噪声孔,物体边界也不平滑,噪声点也可能散布在背景区域中,这时连续的开、闭运算将能有效滤除噪声点,明显提升图像质量。有的时候连续多次的腐蚀运算之后再加于同样多次数的膨胀运算可能会产生很多意想之外的好效果,在靶心检测中系统将结合实际的处理效果详细介绍膨胀、腐蚀对靶面标定的重要作用【。分析射击后的靶面图,经常发现在子弹穿过靶面时会在弹孔周围形成白色裂痕等,使得弹孔在图像中有白边,图.、图.中就能看到这种现象。图.对应的是图.未采用任何算法前的靶面图,图.是图.的局部细节图,对于这些含有白边的点硕士论文如果不经态也会不胀结果,图.形态学滤波示意图.图像的阈值分割
