自動報靶系統(tǒng)的設(shè)計分解(20210305235251)

1、目錄 摘要關(guān)鍵字 Abstract Key word 1引言 1. 1自動報靶在國內(nèi)的研究 12基于圖像處理技術(shù)自動報靶 系統(tǒng) 1.3研究的意義 2傳感器物理特性分析 3交匯測量原理簡介 4數(shù)據(jù)儲存 4. 1 CCD信號的處理和檢取 4. 2 S/H 和 ADC 選擇 4. 3信息壓縮與儲存 4.4地址發(fā)生器 4. 5子彈成像點的確定 4.6交匯角的計算 5數(shù)據(jù)處理 6總結(jié)與展望 6. 1總結(jié) 6.2展望 參考文獻 致謝 自動報靶系統(tǒng)的設(shè)計 摘要 針對于軍事射擊的項目特點，起于數(shù)字圖像的處理、識別技術(shù)，給出了自動報靶系 統(tǒng)的設(shè)計方案和實現(xiàn)的算法。這個系統(tǒng)通過了對圖像采集、圖像處理、彈孔提取和環(huán)

2、值判定，去實 現(xiàn)自動報靶、數(shù)據(jù)管理(包括統(tǒng)計、記錄、分析)等功能。 關(guān)鍵字 圖像處理；系統(tǒng)設(shè)計；圖像采集；自動報靶 Design of automatic target scoring system Abstract 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. Thi

3、s system can realize the function of automatic target-scoring and date management(statistics, record, analysis)etc, by image gathering, image process, and buliet-spots recognition and scoring. Key word Automatic Target-scoring;Image Process:System Design i 1引言 傳統(tǒng)的報靶主要依靠是人工實現(xiàn)，存在的精確度不高、安全隱患比較大以及人力資 源分

4、配的不足?，F(xiàn)在的市場上一些關(guān)于自動報靶的產(chǎn)品中應該普遍成本高、系統(tǒng)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(huán)電視系統(tǒng)估算出每一彈丸的中靶坐標。這設(shè)計的自動報靶系統(tǒng)是一種對 著靶位置進行自動測量的系統(tǒng)，采用確定在光學經(jīng) 緯儀上的CCD期間作為探測元件，彈丸經(jīng)有效靶 面才在CCD面成像，經(jīng)過視頻放大、ADC轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)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(nèi)的研究 自動報靶是跟隨著現(xiàn)在的科學技術(shù)的進步發(fā)展起來的很新型報靶技

5、術(shù)。目前，我國軍中 的設(shè)計訓練器材的性能情況還很落后，大多數(shù)都是人工報靶，只有少數(shù)是自動 報靶系統(tǒng)。其中原因 有二點：第一是自動報靶系統(tǒng)的科技含量高，成本相對較高；二是少數(shù)模擬訓練系統(tǒng)，只能去自 己模擬訓練，不能進行實彈射擊，訓練的質(zhì)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(tǒng)的研發(fā)上。二是目前國內(nèi)的自動報靶系統(tǒng)技術(shù)還不夠成熟，系統(tǒng)環(huán)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(nèi)有許多企業(yè)對這進行研 究，相繼開發(fā)出多類射擊自動報靶系統(tǒng)。這此產(chǎn)品按其功能的實現(xiàn)可以分為：聲電定位自動報靶系 統(tǒng)、半導體電子靶系統(tǒng)、基于圖像處理技術(shù)的報靶系統(tǒng)。 1

6、. 2基于圖像處理技術(shù)自動報靶系統(tǒng) 根據(jù)圖像處理技術(shù)的迅速發(fā)展壯大和計算機運算速率的不斷提升，數(shù)字圖像處 理技術(shù)，尤其是圖像識別技術(shù)己經(jīng)在諸多領(lǐng)域中得到了相當之廣泛的應用。例如，汽車自動駕駛系 統(tǒng)、人臉識別、指紋識別與匹配系統(tǒng)等都是圖像識別技術(shù)在現(xiàn)實生活中的典型應用?！盎趫D像處 理技術(shù)的自動報靶技術(shù)”就是這樣一個包括了圖像采集、圖像識別和數(shù)據(jù)處理的典型系統(tǒng)。自動報 靶都是采取圖像處理有關(guān)技術(shù)來進行實現(xiàn)，這個產(chǎn)品 是根據(jù)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(guī)標準靶圖像進行采集，根據(jù)采集來的靶圖像的變換和特點，通過計算機圖像識別技術(shù) 8 來確定出靶圖像的真實彈

7、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(huán)位數(shù)。對于不 同的靶位上的每一次射擊都采用完全相同的算法、規(guī)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。使用這樣一種門動報靶系統(tǒng)就好比是使用了一個 “電子煙”，它會替代報靶人員的眼晴，在實彈射擊的過程當中不間斷的對 靶面進行精確地測量。 13研究的意義 自動報靶系統(tǒng)不只是在提高射擊效率、節(jié)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(tǒng)計并且顯示出射擊成績，確保射擊成績的真實性，實現(xiàn)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(shù)。隨著新方法的 連續(xù)提出，有一種聲電

8、定位報靶和半導體電子報靶這兩類產(chǎn)品在技術(shù)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，所以研究低成本，精度高和適應能力強的自動報靶系統(tǒng)成為部隊所追 求的產(chǎn)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(tǒng)對于部隊現(xiàn)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(tǒng)是由傳感器（特制的頭靶、胸靶、胸環(huán)靶、身靶）進行數(shù)據(jù)采集、精確檢測到 擊中靶子的信號是成功自動報靶的關(guān)鍵，這個系統(tǒng)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(zhì)材料，反面的導電橡膠接連地線，正面的一層橡膠按胸環(huán)靶樣 式用絕緣材料割

9、成不同的環(huán)位和方位區(qū)域，而且在不同的區(qū)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 審舞4 a叫打 ra 1 nie緒N示*圖 相應區(qū)域的信號線上就能產(chǎn)生接地的脈沖信號，靶的8個環(huán)位和8個方位總共16種脈 沖信號同時輸出。胸靶結(jié)構(gòu)的示意圖如圖一所示。設(shè)靶子的厚度是0. 02m,彈速是4OOm/s,所以輸 出的接地脈沖寬度低于50uso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(shù)對數(shù)據(jù)采集好并且處理的實現(xiàn)，引出較常 規(guī)的數(shù)據(jù)處理相比，引出同 時使用簡易和減少產(chǎn)品造價，數(shù)據(jù)采集板還要實現(xiàn)從并行到串行之間的轉(zhuǎn)換。 3交匯測量

10、原理簡介 交匯測量原理如圖1所示，有CCD攝像機和經(jīng)緯儀成角測量系統(tǒng)，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0為原點,AB二L位基線，有yi=PG-00 x i=AG-AO,令 Y=PG, X=AG 則 yi=Y-00, Xi=X-AO,三角函數(shù)變換知 Xi= LCQSUS inP AO1 sin ( a + P) (1) Y1=s： 其中a, p由光電經(jīng)緯儀測出 交匯測原理 4數(shù)據(jù)儲存 系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)存，同時實行數(shù)據(jù)處理，單片機系統(tǒng)同時設(shè)置了對應的功能鍵，控制數(shù)據(jù)

11、的顯示 與采集。 放大 ft S/HI 盤 CCD同步It號 0 2 號存fi|與址理S統(tǒng) 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(tǒng)后在CCD器件上能呈現(xiàn)兩個像元數(shù)，系統(tǒng)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1OMHZ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(qū)動電路運用公司為MN8061A配套配置的 MN8061A區(qū)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

12、號幅度真實有效的5次 以內(nèi)諧波的考慮，視頻通道帶寬為20kHzo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30kHzo高于這個數(shù)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(jù)以上的參數(shù)，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(zhuǎn)換的速度超過10MHz本系統(tǒng)試量目標的CCD模擬信號的電壓變化 梯度很大， 所以在ADC之前設(shè)S/H。 4. 3信息壓縮與儲存 實現(xiàn)CCD數(shù)字信號的快速儲存是這個系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。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

13、間之和的 關(guān)系，儲存時間應該低 于 20nso 采取對CCD視頻信號進行二值化和所ADC雙重處理方法（DMA技術(shù)）。原理如圖3 Zj O DMA由8只8D暫存器和相對應的的8組RAM以及地址發(fā)生器3部分組成，RAM 容量可跟據(jù)需要抉擇。圖示這種情況下，RAM位8 k b*8,可儲存24行CCD數(shù)字信 號，8D暫存器可運用74HC系列74HC373,其 數(shù)字設(shè)立時間為20nso 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(tài)暫存器管制DMA和計算機數(shù)據(jù)總線路道，兩個8拍分配器輸出的時序一樣，地址發(fā)生器位 16位，高13位輸入RAM ,低3位輸岀8拍分配器

14、，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(shù)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(zhuǎn)存， 轉(zhuǎn)存的時間是20ns轉(zhuǎn)存的數(shù)字信號，包含轉(zhuǎn)存時的穩(wěn)定過程，由于8D 暫存器的輸出端處于允許輸出的狀態(tài)，并且會一并顯現(xiàn)在輸出線上，但此時與之前暫存器，8D 相對應的RAM處于抉擇之外（CS二1） , RAM處于拒存的狀態(tài)，當且僅當下一個時鐘輸入 之后，才會處于寫入狀態(tài)。 所以，對于每一次輸入到CCD的數(shù)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(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸。 4. 4地址發(fā)生器 地址發(fā)生器是由4片8位雙

15、移位暫存器74HC198組成，其中的兩片輸出緩存置于導 通狀態(tài), 是用于產(chǎn)生16位地址，另兩片是用來地址記憶，原理如圖4. Hm 存嚴h t 1 1 8柏分c 1 ltAM2 時f*沖 二值比W號 圖 3 DMA 15 理 S 如果現(xiàn)在CCD輸入行中出現(xiàn)了二值信號，D觸發(fā)器置1,在當前行結(jié)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(zhuǎn)存IC1 和IC2,因為兩者無差別，該轉(zhuǎn)存的過程沒有意義，地址在同步脈沖之后繼續(xù)運行。如果下一行沒 有二值化信號，IC1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

16、入依舊是該行的起始地址，因此DMA寸 沒有二值化信號的CCD亍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(zhuǎn)入下一地址。采取這種技巧的優(yōu)點是可以壓縮大量無效數(shù)據(jù)，節(jié)省內(nèi)存， 減少處理時間，更加要緊的是可以防止由于內(nèi)存不足出現(xiàn)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勺復雜流程；夜晩需適 時開啟照明系統(tǒng)。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(chǎn)生漏 彈現(xiàn)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樣，電路設(shè)計上可存儲2 行的數(shù)據(jù)。A/D變換的過程中，閥值判定電

17、路擔負子彈像點的判斷工作，當 A/D變換數(shù)據(jù)呈現(xiàn)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釆樣數(shù)據(jù) 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(shù) 字濾波的過程，三行加 和的數(shù)據(jù)”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(shù)據(jù)突跳的假象點。 每個CCD掃描行都有2592個數(shù)據(jù)，以圖5說明濾波的過程。 4. 6交匯角的計算 測量系統(tǒng)都有線陣攝像機A和攝像機B (見圖1),各自安裝在兩部經(jīng)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閥值處理和數(shù)字濾波后顯現(xiàn)了子彈圖像的二值化數(shù)據(jù)

18、，當 把行同步脈沖設(shè)為92us時，就“淹沒” 了 CCD勺前92和像素，整行就是2500個采樣數(shù)據(jù)點， 像點脈沖的寬度為2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(jié)數(shù)對應像點在線陣上的位置。圖6中，ZZi長度己知，由ZPi 的字節(jié)數(shù)乘以14um即為ZP的長度，則直角三角形乙ZP可解。解三角形ZiAAl,a】為經(jīng)緯CCD 儀給出的角度。ZiA己知，可得曲及 NP AA2O N PAA2即為圖1中a,而式(1) ,(2)中的L需由AB減去AA和對應的班。 5數(shù)據(jù)處理 經(jīng)過以上的數(shù)據(jù)采集通過計算機的數(shù)據(jù)是與CCDt元相對應的離散采樣值。鑒于本

19、 11 ft ip. Vt. Vt. 9tn I I 5 系統(tǒng)中信號占有的像元數(shù)少數(shù)是兩個、多數(shù)情況會是3個像元，因此采用線性 插值方法，組建一個連續(xù)逼近函數(shù)，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。 X 4 d I I 9j 嚴M 步立4 I *2 打III T IT (V I? 無戍徹點A沖 6總結(jié)與展望 6. 1總結(jié) 在實彈射擊的比賽和練習中，現(xiàn)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(shù)的軍用自動報靶系統(tǒng)，來攻克這一問題。 跟隨研究的日益發(fā)展，對于自動報靶

20、系統(tǒng)己經(jīng)研究出很多有成效的辦法。但因為成 本和技術(shù) 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(shù)的快速發(fā)展和計算機運算速率的不 停提升，圖像梳理技術(shù)應用和研究的領(lǐng)域正在快速的發(fā)展，基于此 技術(shù)的自動報靶系統(tǒng)能夠迅速發(fā) 展。但之前的系統(tǒng)太多是面向運動類圓形靶設(shè)計，并沒 有針對胸環(huán)靶做異樣的研究，現(xiàn)在己經(jīng)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(huán)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(shù)字圖像處理技術(shù)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(jié) 果基本上達到了人

21、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(xiàn)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它，才能勇于創(chuàng)新，形成新的理論思想和方法，開發(fā)出能夠滿足大 部分領(lǐng)域要求的更完好的圖像應用系統(tǒng)。 6.2展望 現(xiàn)在可以預見，數(shù)字圖像處理技術(shù)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(shù)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(fā)展。由 于時間有限，利研條件的局限和作者知識、經(jīng)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(lǐng)域引

22、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。 10 參考文獻 1 張偉，高航基于圖像處理技術(shù)的自動報靶系統(tǒng)設(shè)計好和實現(xiàn)J.南京航空航天大學學 報， 2000, ,32 ( 6) :691- 695 2 戰(zhàn)延謀，王卓柱，孫吉紅，等一種自動報靶系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)J電子測量技術(shù)，200&31 5):1- 3 3 魏志華，信思金一種自動報靶系統(tǒng)的設(shè)計J1.武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2005, 27 2):178- 179 4楊子寧光電自動報靶系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)J.現(xiàn)在電子技術(shù)，2007, 30 (7) 張曉牢昆，林嘉宇一-種基于圖像處理技術(shù)的自動報靶系統(tǒng)設(shè)計J :38- 39 微處理 機.2010,31 3):101- 104. 周勇，馮小芳基于嵌入式平臺的自動報靶系統(tǒng) 計 J. Informat