基于機器視覺技術的射擊訓練系統

郭 巍,吳 偉

(無錫職業技術學院電子與信息技術學院,江蘇 無錫 214121)

基于機器視覺技術的射擊訓練系統

郭 巍,吳 偉

(無錫職業技術學院電子與信息技術學院,江蘇 無錫 214121)

簡述了機器視覺圖像識別技術在射擊訓練中的應用,并從硬件、軟件組成及工作流程等方面對其進行了系統介紹,系統完成后可降低射擊訓練成本,提高報靶速度、精度。

射擊訓練;機器視覺;圖像識別

目前大學生和新兵的射擊訓練通常采用“瞄靶”和“實彈”訓練相結合的方式。“瞄靶”訓練一般是空膛瞄靶,訓練效果不理想,還需要老兵在一旁用觀瞄鏡檢查糾正,費時費力;而“實彈”訓練的成本高、危險系數較大,人工報靶存在精度不高、安全隱患大及人力資源浪費等不足。

目前機器視覺技術在精密檢測領域發展很快,是光學探測、圖像檢測、計算機處理等技術的綜合應用。在工業生產中被廣泛采用,實現對工件的平面或三維的尺寸測量、表面缺陷分析。

在射擊訓練中采用機器視覺技術可供用戶反復訓練射擊動作,提供快速準確地報靶,同時也可降低射擊訓練成本。

1 系統組成

射擊訓練的主要通過報靶來反映出射手訓練的成績或效果,本系統就是通過攝像的方式采集靶紙圖像,然后利用圖像處理技術分析彈孔或激光光斑的位置,最后把圖像及射擊成績傳送給計算機,轉換后在計算機屏幕上顯示出彈著點及射擊成績。

整個系統由圖像獲取模塊、圖像處理及分析模塊、光纖傳輸模塊、人機界面模塊、觸發模塊等主要模塊組成,其中圖像獲取、圖像預處理及分析、光纖傳輸、人機界面及觸發主要由硬件實現,系統核心部分為圖像處理及分析,此部分主要由軟件實現。

1.1 硬件部分

此部分主要通過相應的硬件實現靶點圖像的獲取、圖像預處理及分析、數據的傳輸、射擊成績顯示,主要包括IEEE1394攝像頭,NICVS-1456嵌入式視覺系統,MOXAI MC-21-2-SC工業光電轉換器,微型計算機,NICVS-1450I/O Terminal Block及AD F7021_0.5W無線模塊等硬件,各硬件功能如下。

(1)IEEE1394攝像頭,該設備由NICVS-1456嵌入式視覺系統啟動,主要用于圖像的采集。

(2)NICVS-1456嵌入式視覺系統,該設備為分布式機器視覺應用提供I/O功能和網絡連接,在本系統中主要用于對采集的圖像進行預處理和分析。

(3)MOXAI MC-21-2-SC工業光電轉換器,該設備提供可靠穩定的工作的環境,提供10/ 100BaseT(X)～100BaseFX光電轉換,在本系統中用于射擊結果的遠程數據傳輸。

(4)微型計算機,該設備主要提供友善的人機界面,直觀顯示射擊結果。

(5)NICVS-1450I/O Terminal Block和AD F7021_0.5W無線模塊,AD F7021_0.5W無線模塊在本系統負責發送和接收射手的射擊信號,此模塊的接收端連接NI CVS-1450I/O Terminal B lock模塊,當NI CVS-1450I/O Terminal Block模塊接收到射擊信號時,啟動NICVS-1456模塊進行圖形的采集、預處理和分析。

1.2 軟件部分

此部分主要包含圖像獲取模塊、圖像處理模塊、圖像分析模塊、人機界面模塊,前三模塊在NICVS-1456嵌入式視覺系統中實現,其開發環境為NILabVIEW 2009,并分別由NIVision 2009 Devlopment Moudule、LabView Real-Time module LabVIEW提供圖像分析與處理的LabVIEWI

MAQV ision庫函數和實時模塊庫函數;人機界面模塊在微型計算機中實現,在本系統中采用C#開發。

(1)圖像獲取模塊

圖像獲取是圖像處理的基礎和前提,其功能是在收到射手的觸發信號后接收攝像機所拍攝下來的圖像信號轉換為單幀的圖片。源代碼及獲取的圖像如下:

圖1 獲取的圖像Fig.1 Obtain the image

(2)圖像處理模塊

圖像模塊部分由圖象預處理、有效區識別兩部分組成。由于原始圖像含有大量的環境、污漬、折痕等噪音數據,所以必須通過圖像預處理功能來增強圖像信號,便于后續的處理分析工作。

LabVIEWI MAQVision中的Filters濾波器函數,用于實現虛像平滑、去除噪聲、高光或強化圖像中的邊沿,增強了圖像中的有效信息。

由于預處理后的圖像還含有槍靶背景數據,而彈著點必須落在有效區才能計算射擊成績,我們需要定義關注區,把有效區域從背景中分離出來

LabVIEWI MAQVision中的Processing函數可以將灰度圖像轉換成二值圖像。用Particle Analysis函數檢測圖像中的各種形態的顆粒,用Morphology函數對圖像做膨脹和腐蝕,進行微粒補孔、去除邊框顆粒、去除小顆粒等操作,進一步改進二值圖像的質量,最后用Fill Holes函數填充關注區,形成RO I模版。最后導入該模版,用Select Region of Interest函數生成僅含有有效區的圖像數據,處理后的圖像如下圖所示。

圖2 處理后的圖像Fig.2 The image processed

(3)圖像分析模塊

生成僅含有關注數據的圖像后,就可以對圖像進行分析,對彈著點、靶心、靶環等元素的特征值進行定位和測量。

圖像分析過程主要調用LabVIEWI MAQVi2 sion庫函數,首先用Coordinate System函數對圖像建立坐標系統,以便于定位圖像中特征物體,從而進行測量;然后用L ocate Edges函數查找物體邊沿,最后用Caliper函數測量圓心坐標,環線距靶心的距離,彈著點距靶心的距離等參數,從而確定射擊的成績。

(4)人機界面模塊

人機界面模塊主要用于在微型計算機上顯示射擊結果及射擊記錄進行統計分析,給射手提供有益的射擊指導,開發工具采用C#+Sql Server 2005,該組合適合于小型系統的快速開發,同時也便于系統的維護,方便用戶使用。

2 工作流程

系統工作流程圖如下所示,射手扣動扳機時,槍身上的激光發射器會射出的光束,在槍靶上形成模擬彈著點的光斑。同時扳機激活ADF7021無線傳輸模塊,給槍靶前方的CVS-1456圖像處理模塊發送觸發信號,啟動攝像頭捕獲一幀帶有光斑的槍靶圖像。圖像處理模塊首先對這一幀圖像進行預處理,通過濾波、降噪來增強圖像質量。在獲得一幅質量較好的圖像后,立即尋找靶紙上的光斑,如果沒有找到光斑就說明這一槍脫靶了。如果發現光斑就記錄下光斑的坐標,然后我們還要判斷該彈著點是否在有效區域。由于槍靶屬于簡單紋理,可以采用二值化進一步處理圖像,就是通過對采集圖像中小于某一灰度閾值的像素設為0,大于該灰度閾值的像素設為1,把有效區域和背景分離開來。這時如果背景上有光斑說明這一槍脫靶了,背景上沒有發現光斑說明彈著點落在了有效區域,就需要進一步判斷射手的成績了。把增強質量后的圖像的每一行、每一列數據在X和Y軸上投影,就能很容易的找出每一環環線的特征值,從而確定靶心的坐標和每一環到圓心的距離。最后計算出光斑到圓心的距離,就能確定該射手這次的射擊成績了。

圖3 系統工作流程圖Fig.3 System work flow chart

3 系統特點

(1)報靶精度高。人工報靶誤差較大,而且僅能報整數環數的射擊成績;機器視覺報靶的尺寸能夠控制誤差在±1mm以內。

(2)報靶速度快。人工報靶的時間約為5s;采用機器視覺系統后報靶時間在500m s以內。

(3)報靶穩定。人工報靶受報靶員情緒,疲勞度影響,難以長時間準確的報靶;機器視覺報靶效果穩定,報靶的準確率為100%,且可以長期在惡劣的環境下工作。

(4)抗干擾能力強。機器視覺系統可以過濾絕大部分的干擾。

(5)成本低。采用普通槍靶,可以重復使用。

[1] 張廣軍.機器視覺[M].北京:科學出版社,2005.

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[3] 韓子鵬.彈箭外彈道學[M].北京:北京理工大學,2008.

[4] 徐曉東.LabVIEW8.5常用功能與編程實例精講[M].北京:電子工業出版社,2009.

[5] NIVision Concepts Manual[S].National Instruments Corporation,2009.

Based on Machine Vision Technology Shooting Training System

GUO Wei,WU Wei
(School of Electronic and Information Technology,Wuxi Institute of Technology,Wuxi 214121,China)

The paper describes the machine vision image recognition technology in the application of shooting training,and introduces hardware,software and the working process of the system comprehensively,the system can reduce the costs of shooting training, improve the indication of shooting speed and accuracy after it was finished.

shooting training;machine vision;im age recognition

TP317

A

1671-7880(2010)03-0085-03

2010-04-15

郭 巍(1973— ),男,江蘇南京人。