1、 目錄 摘 要I關鍵字IAbstractIKey wordI1引言11.1自動報靶在國內的研究11.2基于圖像處理技術自動報靶系統11.3研究的意義22傳感器物理特性分析23 交匯測量原理簡介34 數據儲存44.1 CCD信號的處理和檢取44.2 S/H和ADC選擇44.3 信息壓縮與儲存54.4 地址發生器64.5 子彈成像點的確定74.6 交匯角的計算75 數據處理76 總結與展望86.1總結86.2展望8參考文獻9致謝10自動報靶系統的設計摘 要針對于軍事射擊的項目特點，起于數字圖像的處理、識別技術，給出了自動報靶系統的設計方案和實現的算法。這個系統通過了對圖像采集、圖像處理、彈孔提取和

2、環值判定，去實現自動報靶、數據管理（包括統計、記錄、分析）等功能。關鍵字圖像處理；系統設計；圖像采集；自動報靶Design of automatic target scoring systemAbstract According to the characteristic of the military rifler,a scheme of automatic target-scoring system is presented in this paper,based on digital image processing and recognition technology.This sys

3、tem can realize the function of automatic target-scoring and date management(statistics,record,analysis)etc,by image gathering,image process,and bullet-spots recognition and scoring.Key word Automatic Target-scoring;Image Process;System Design1引言傳統的報靶主要依靠是人工實現，存在的精確度不高、安全隱患比較大以及人力資源分配的不足?，F在的市場上一些關于自

4、動報靶的產品中應該普遍成本高、系統比較復雜，并且占用場地等一些缺陷。就目前來說，彈丸中靶的坐標測量普遍都采用彈丸穿過實心靶留下彈痕，射擊者使用望遠鏡或借助于閉環電視系統估算出每一彈丸的中靶坐標。這設計的自動報靶系統是一種對著靶位置進行自動測量的系統，采用確定在光學經緯儀上的CCD期間作為探測元件，彈丸經有效靶面才在CCD上面成像，經過視頻放大、ADC轉換、數據處理等送入微機，通過正交匯的原理可計算得出彈丸著靶的精確位置坐標。這種測量方法效率很低，測量精確度差。1.1自動報靶在國內的研究 自動報靶是跟隨著現在的科學技術的進步發展起來的很新型報靶技術。目前，我國軍中的設計訓練器材的性能情況還很落后

5、，大多數都是人工報靶，只有少數是自動報靶系統。其中原因有二點：第一是自動報靶系統的科技含量高，成本相對較高；二是少數模擬訓練系統，只能去自己模擬訓練，不能進行實彈射擊，訓練的質量還難以保證，因為這個，射擊訓練器材重心放在真正使用的自動報靶系統的研發上。二是目前國內的自動報靶系統技術還不夠成熟，系統環境的適應性差、性能單一，不能滿足部隊訓練需求；為適應科技強軍的需求，國內有許多企業對這進行研究，相繼開發出多類射擊自動報靶系統。這此產品按其功能的實現可以分為：聲電定位自動報靶系統、半導體電子靶系統、基于圖像處理技術的報靶系統。1.2基于圖像處理技術自動報靶系統 根據圖像處理技術的迅速發展壯大和計算

6、機運算速率的不斷提升，數字圖像處理技術，尤其是圖像識別技術已經在諸多領域中得到了相當之廣泛的應用。例如，汽車自動駕駛系統、人臉識別、指紋識別與匹配系統等都是圖像識別技術在現實生活中的典型應用?！盎趫D像處理技術的自動報靶技術”就是這樣一個包括了圖像采集、圖像識別和數據處理的典型系統。自動報靶都是采取圖像處理有關技術來進行實現，這個產品是根據計算機圖像的識別的處理為基本。在實彈進行射擊過程中，它是通過攝像頭對常規標準靶圖像進行采集，根據采集來的靶圖像的變換和特點，通過計算機圖像識別技術來確定出靶圖像的真實彈點，然后利用判定彈點再靶中的具體位置來確定彈點的中環位數。對于不同的靶位上的每一次射擊都采

7、用完全相同的算法、規則和精確度來進行對比、比人工報靶更客觀，更公正，有非常高的可用性。使用這樣一種自動報靶系統就好比是使用了一個“電子煙”，它會替代報靶人員的眼睛，在實彈射擊的過程當中不間斷的對靶面進行精確地測量。1.3研究的意義 自動報靶系統不只是在提高射擊效率、節省人力和避免報靶時的人員安全隱患的同時，并且能自動進行統計并且顯示出射擊成績，確保射擊成績的真實性，實現迅速、準確的落點報告。圖像處理類在成本上基本只需要攝像頭和計算機，而且伴隨著圖像處理新技術。隨著新方法的連續提出，有一種聲電定位報靶和半導體電子報靶這兩類產品在技術上的不足制約了它們在部隊中作為平時訓練使用的普遍性，所以研究低成

8、本，精度高和適應能力強的自動報靶系統成為部隊所追求的產品，在報靶精度和適應性上也將逐漸滿足軍隊要求，所以研究基于圖像處理的軍用報靶系統對于部隊現代化具有推進作用，在部隊的應用中具有極其廣闊的前景。2傳感器物理特性分析 報靶系統是由傳感器（特制的頭靶、胸靶、胸環靶、身靶）進行數據采集、精確檢測到擊中靶子的信號是成功自動報靶的關鍵，這個系統的報靶傳感器使用一種特制的靶子，它的雙面各有一層導電橡膠體或其他導電的軟質材料，反面的導電橡膠接連地線，正面的一層橡膠按胸環靶樣式用絕緣材料割成不同的環位和方位區域，而且在不同的區域分別引出信號線。當子彈通過靶子的瞬間，靶子雙面的導電橡膠層接通，此刻在相應區域的

9、信號線上就能產生接地的脈沖信號，靶的8個環位和8個方位總共16種脈沖信號同時輸出。胸靶結構的示意圖如圖一所示。設靶子的厚度是0.02m，彈速是400m/s，所以輸出的接地脈沖寬度低于50us。為了能夠精準的檢測，就一定要對這些脈沖信號進行整形和展寬前期信號的處理，用CPLD技術對數據采集好并且處理的實現，引出較常規的數據處理相比，引出同時使用簡易和減少產品造價，數據采集板還要實現從并行到串行之間的轉換。3 交匯測量原理簡介 交匯測量原理如圖1所示，有CCD攝像機和經緯儀成角測量系統，測量飛行彈丸空間角的位置;圖1中CDEF位有效靶面，P位彈著靶面，以靶心O為原點,AB=L位基線，有y1=PG-

10、OO1,x1=AG-AO1，令Y=PG,X=AG,則y1=Y-OO1，x1=X-AO1，三角函數變換知X1=1 (1)Y1=1 (2)其中，由光電經緯儀測出4 數據儲存 系統框圖如圖2所示，CCD視頻信號放大濾波、S/H、二值化、A/D及DMA等一系列的措施存入單片機的系統內存，同時實行數據處理，單片機系統同時設置了對應的功能鍵，控制數據的顯示與采集。4.1 CCD信號的處理和檢取 因為目標最小的過靶時間為70us，CCD器件的主頻最多在10MHz。考慮到目標通過系統后在CCD器件上能呈現兩個像元數，系統采用了日本松下公司的2592位線陣CCD MN8061A.其像元間距14us；當主頻位10

11、MHz時行積分時間為262.8us；在目標對象最小過靶的時間為70us時，呈像積分時間（占空比）是0.3，CCD驅動電路運用公司為MN8061A配套配置的MN8061A驅動板。 CCD模擬信號在單個目標越過靶位時信號基頻為3.8kHz，通過對模擬信號幅度真實有效的5次以內諧波的考慮，視頻通道帶寬為20kHz。多個目標時，最多在一行之中有3個目標，但頻率跌和，帶寬約需30kHz。高于這個數值的大多呈顯背影信號，電路中可以濾除。4.2 S/H和ADC選擇 依據以上的參數，視頻放大選用AD521，低濾波選取TC36376.從主頻10MHz和逐像元采樣開拔，ADC轉換的速度超過10MHz。本系統試量目

12、標的CCD模擬信號的電壓變化梯度很大，所以在ADC之前設S/H。4.3 信息壓縮與儲存 實現CCD數字信號的快速儲存是這個系統的關鍵技術。CCD輸出視頻信號的位處理時間僅需100ns，如果想到位處理時間大于S/H時間、RAM時間和ADC時間之和的關系，儲存時間應該低于20ns。 采取對CCD視頻信號進行二值化和ADC雙重處理方法（DMA技術）。原理如圖3所示。 DMA由8只8D暫存器和相對應的8組RAM以及地址發生器3部分組成，RAM的容量可跟據需要抉擇。圖示這種情況下，RAM位8 k b*8，可儲存24行CCD數字信號，8D暫存器可運用74HC系列74HC373，其數字設立時間為20ns。

13、DMA工作的歷程：8D暫存器的食醋胡控制端接R/W信號，R/W信號還通過8個8線三狀態暫存器管制DMA和計算機數據總線路道，兩個8拍分配器輸出的時序一樣，地址發生器位16位，高13位輸入RAM，低3位輸出8拍分配器，所以每8個時鐘脈沖8組RAM地址同時升一位。 對于順序輸入的CCD視頻數值信號每一位，只允許由被8拍分配器置”+”的一組8D暫存器轉存，轉存的時間是20ns。轉存的數字信號，包含轉存時的穩定過程，由于8D暫存器的輸出端處于允許輸出的狀態，并且會一并顯現在輸出線上，但此時與之前8D暫存器，相對應的RAM處于抉擇之外（CS=1)，RAM處于拒存的狀態，當且僅當下一個時鐘輸入之后，才會處

14、于寫入狀態。 所以，對于每一次輸入到CCD的數值信號僅用20ns存入暫存器，同時入手對RAM寫入，對RAM的寫入時間長達700ns，實現了數據的高速傳輸。4.4 地址發生器 地址發生器是由4片8位雙移位暫存器74HC198組成，其中的兩片輸出緩存置于導通狀態，是用于產生16位地址，另兩片是用來地址記憶，原理如圖4. 如果現在CCD輸入行中出現了二值信號，D觸發器置1，在當前行結束，也將下一個同步脈沖到來時，IC1和IC2強行在下一行起始的地址輸入記憶，同時在行同步脈沖有效期間又轉存IC1和IC2，因為兩者無差別，該轉存的過程沒有意義，地址在同步脈沖之后繼續運行。如果下一行沒有二值化信號，IC1

15、和IC2寫入該行末尾的地址。IC1和IC2在同步脈沖作用期間向IC1和IC2并行輸入依舊是該行的起始地址，因此DMA對沒有二值化信號的CCD行重復在原地址進行依次刷新，直到下一個有二值化信號的CCD行儲存之后才轉入下一地址。采取這種技巧的優點是可以壓縮大量無效數據，節省內存，減少處理時間，更加要緊的是可以防止由于內存不足出現漏彈情況；在白晝測量時，全部都能省略預置彈種，還有彈速的計算步驟，從而應時啟動CCD的復雜流程；夜晚需適時開啟照明系統。上述的計算步驟是必要的，只要在照明期間有子彈通過就不會產生漏彈現象。4.5 子彈成像點的確定 由以上硬件電路保證接連不斷的對線陣CCD視頻信號進行存儲和采

16、樣，電路設計上可存儲2行的數據。A/D變換的過程中，閥值判定電路擔負子彈像點的判斷工作，當A/D變換數據呈現突跳，則意味著子彈像點的形成；計算機對本行以及前一行和后一行的采樣數據進行逐點加計算，溢出時按照最大值進行處理。加法運算的進行過程就是數字濾波的過程，三行加和的數據”暗點“當值低于某個閥值時，即當做是子彈成像點。這樣就能濾除因為外界光電干擾所引起的某行數據突跳的假象點。 每個CCD掃描行都有2592個數據，以圖5說明濾波的過程。4.6 交匯角的計算 測量系統都有線陣攝像機A和攝像機B（見圖1），各自安裝在兩部經緯儀上。通過攝像機A位例說明交匯角的計算。 圖6為交匯角運算的示意圖，由圖5閥

17、值處理和數字濾波后顯現了子彈圖像的二值化數據，當把行同步脈沖設為92us時，就“淹沒”了CCD的前92和像素，整行就是2500個采樣數據點，像點脈沖的寬度為12個像素。以像點脈沖的起始點作為子彈的像點坐標，不可能影響計算精度。計算行同步將要達到像點脈沖的字節數對應像點在線陣CCD上的位置。圖6中，ZZ1長度已知，由ZP1的字節數乘以14um即為ZP1的長度，則直角三角形Z1ZP1可解。解三角形Z1AA1，1為經緯儀給出的角度。Z1A已知，可得AA1及即為圖1中，而式（1），（2）中的L需由AB減去AA1和對應的BB1。5 數據處理 經過以上的數據采集通過計算機的數據是與CCD像元相對應的離散采

18、樣值。鑒于本系統中信號占有的像元數少數是兩個、多數情況會是3個像元，因此采用線性插值方法，組建一個連續逼近函數，在這個原始之上利用求重心法求與實際目標比較接近的更精確位置。6 總結與展望6.1總結 在實彈射擊的比賽和練習中，現在主要是依靠人工報靶，人工報靶不緊精度低、效率低、精確度差，并且還存在安全隱患。本文是以此為突破點，針對自動報靶進行研究，研制了一套基于圖像處理技術的軍用自動報靶系統，來攻克這一問題。 跟隨研究的日益發展，對于自動報靶系統已經研究出很多有成效的辦法。但因為成本和技術的原因很多方法并不能得到廣泛使用。其中，因為圖像處理技術的快速發展和計算機運算速率的不停提升，圖像梳理技術應

19、用和研究的領域正在快速的發展，基于此技術的自動報靶系統能夠迅速發展。但之前的系統太多是面向運動類圓形靶設計，并沒有針對胸環靶做異樣的研究，現在已經研制出來的一些軍事練習用自動報靶在識別算法上也沒有考慮靶場環境和軍事射擊的需要，算法太過簡單，所以識別率不高。本文正是以此為標桿，將數字圖像處理技術運用于軍事練習自動報靶的進程中，探索了對此有針對性的圖像書別算法解決了上述問題并且進行了相對應的仿真，其識別結果基本上達到了人類的視覺基本水平。相比于大部分圖像應用來說，自動識別依舊是將來才能進行的，圖像的識別在現實上依舊是一項非常困難的工作。這就要求我們要不停的努力，勇于向以有的理論框架提出疑問并且改進

20、它，才能勇于創新，形成新的理論思想和方法，開發出能夠滿足大部分領域要求的更完好的圖像應用系統。6.2展望 現在可以預見，數字圖像處理技術上無論是在理論上還是在實踐上都存在著巨大的潛力。圖像處理技術將向著高速、高分辨率。立體化、多媒體化、智能化和標準化的方向發展。由于時間有限，利研條件的局限和作者知識、經驗上的欠缺，論文還有待進一步的提高和完善： （1）考慮新理論與算法的研究和應用。近年來，在圖像處理領域引入了一批新的理論并提出了一些新的算法。 （2）加大訓練時間力度，進一步檢驗該報靶方案的可靠性。參考文獻1 張偉，高航.基于圖像處理技術的自動報靶系統設計好和實現J.南京航空航天大學學報，2000，,32（6）:691-6952 戰延謀，王卓柱，孫吉紅，等.一種自動報靶系統的設計與實現J.電子測量技術，2008,31（5）:1-33 魏志華，信思金.一種自動報靶系統的設計J.武漢理工大學學報:信息與管理工程版，2005,27（2）:178-1794 楊子寧.光電自動報靶系統的設計與實現J.現在電子技術，2007,30（7）:38-395 張曉錕，林嘉宇.一種基于圖像處理技術的自動報靶系統設計J.微處理機.2010,31（3）:101-104.6 周勇，馮小芳.基于嵌入式平臺的自動報靶系統設計J.Information Technology