基于圖像處理的智能射擊訓練系統

曹希霆，賈敏智

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024）

實彈射擊訓練對場地要求苛刻，而且需要消耗大量彈藥，訓練效率低且消耗大。因此出現了模擬射擊系統，現有的模擬射擊系統主要有以下幾類[1-4]：1）用激光器和光電傳感器。槍上安裝激光發射器，在目標靶上安裝光電傳感器，通過光電傳感器陣列檢測激光照射位置得到成績；2）用攝像頭。直接把攝像頭安裝到槍上，通過檢測圖像中靶子的位置得出成績；3）用激光器和攝像頭。激光器安裝在槍上，光束集中于一點，攝像頭安裝在合適的位置，通過圖像檢測激光照射位置得到成績。但以上幾類都有一些缺點，例如靶子上有電氣元件或固定攝像頭造成使用不方便，精度不高，攝像頭受其他光線干擾等問題。為了克服這些缺點，在本文在這幾種系統的基礎上設計實現了一種新的模擬射擊系統。

1 原理及結構

本系統的實現原理是：安裝系統時在目標靶上安裝標定點，訓練時用固定在槍上的攝像頭得到目標靶圖像，圖像中標定點的位置隨著瞄準位置的變化而變化，根據圖像中標定點位置得到成績。為使標定點易于捕捉，標定點采用逆反射材料，并在槍上加裝半導體紅外激光器。當瞄準到目標靶上時激光覆蓋到標定點，使標定點亮度增加。激光器和攝像頭在訓練過程中一直處于工作狀態，槍上處理系統得到瞄準坐標后通過藍牙模塊實時上傳給模擬顯示系統，生成瞄準軌跡并保存到數據庫。在扣動扳機時槍上系統向模擬顯示系統發送特殊標志，確定射擊環數和具體位置。模擬顯示系統對相關數據進行顯示、存儲、分析等操作。訓練槍上的檢測系統硬件以ARM9處理器S3C2440[5]為核心。

標定點所用材料為反光晶格貼片，具有很強的逆反射特性，當瞄準到目標靶上時，激光光斑覆蓋到標定點，可以產生很強的逆反射光線。由于太陽光光譜主要分布在可見光區域，而激光具有方向性好且波長固定等特性，因此在鏡頭前加裝紅外窄帶帶通濾光片，并降低圖像傳感器的曝光時間，可以減少太陽光及其他光線的干擾。在圖像上標定點與背景的亮度形成明顯差異，使檢測難度大大降低，可以在S3C2440上完成，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

2 硬件實現

2.1 目標靶

本系統通過圖像處理系統得到目標靶上標定點的位置來獲得射擊成績。為了方便高效地獲取標定點位置，利用了逆反射現象。逆反射是指反射光線從靠近入射光線的反方向，向光源返回的反射。當入射光線的方向在較大范圍內變化時，仍能保持這種性質，如交通標志。在目標靶上粘貼反光晶格貼片使激光發生逆反射，這樣槍上的攝像頭可以接收到更多的反射激光。

在目標靶上設置標定點，可以用來標定目標靶位置。但在多人多靶同時訓練時可能會出現瞄錯靶的情況，產生錯誤成績。為避免這種情況的發生，在目標靶上設置多個標定點，對目標靶進行編碼。如圖2所示，A，B，F，G為固定點，C，D，E用來編碼。

圖2 標定點示意圖

2.2 訓練槍

訓練用槍是在普通的槍上加裝激光器、攝像頭模塊、圖像處理系統和藍牙通信等模塊后實現的。

1）激光器在本系統中的作用主要是使標定點產生逆反射光，增加標定點亮度。調整出射光散射角使激光可以覆蓋到所有標定點。為了避免在瞄準時標定點產生的反射光對射擊者產生視覺干擾，采用了功率為30 mW、波長為980 nm的紅外激光器。

2）攝像頭模塊用來獲取目標靶圖像，訓練過程中一直處于工作狀態，實時獲得目標靶圖像，通過圖像處理系統確定標定點坐標，從而得到成績以及整個瞄準過程的軌跡，方便分析射擊者的技術特點，提高訓練效率。

攝像頭加裝980 nm窄帶帶通濾光片。性能參數為：半高寬為20 nm，截止深度OD3-C，中心波長980 nm，峰值透過率T〉90%。截止范圍200～2 000 nm內光波的透過率為0.001，970～990 nm范圍波段除外。由于所選激光器波長固定為980 nm，經濾光后標定點更容易檢測。

3）圖像處理系統以S3C2440微處理器為核心。S3C2440芯片內部設計有多種控制器以方便對外設的操作，這里主要用到攝像頭控制器和LCD控制器。攝像頭模塊接相應引腳，扳機經改造后接外部中斷EINT4。S3C2440設計有3個串口，在本系統中urat0用于程序調試，urat1接藍牙模塊與模擬顯示系統實現無線通信。

4）藍牙通信模塊，采用的藍牙模塊為主從一體，可通過AT指令設置相關參數。訓練槍的藍牙模塊設置為從模式。

2.3 模擬顯示系統

該部分主要由PC機和藍牙模塊組成。藍牙模塊可以進行一對一、一對多、多對多的組網通信。PC機上的藍牙模塊設置為主模式，可以與多個從模式藍牙模塊同時通信。PC機通過藍牙模塊得到數據后進行處理、顯示、保存等操作。

3 圖像處理

圖像獲取及檢測都在S3C2440平臺上完成，成績及瞄準軌跡等數據的顯示、記錄、分析由模擬顯示系統完成。圖像處理程序的開發環境為Fedora17，開發調試工具有arm-linux-gcc、arm-linux-gdb、JLlink等硬件、軟件工具。模擬顯示系統程序采用VC2008開發。

圖像的獲取是由攝像頭模塊和S3C2440上的攝像頭控制器來完成。攝像頭控制器的接口輸入為YCbCr 4∶2∶2格式的數據，得到圖像數據后通過2個DMA通道將數據傳輸至相應緩沖區：通過P通道將轉換后得到的RGB值送至RGB幀緩沖區；通過C通道把Y，Cb，Cr分別送至Y幀緩沖區、Cb幀緩沖區、Cr幀緩沖區。同時S3C2440還采用了Ping-Pong Memory Hierarchy，使圖像檢測更為方便，如圖3所示。

圖3中C-port Y1，C-port Y2，C-port Y3，C-port Y4為4個Y值幀緩沖區，可存儲連續4幀的像素點亮度值，4個緩沖區地址可以相同也可以不同。本系統中只用C通道的Y值，設置4個緩沖區為不同地址，并且關閉P通道節省總線資源。

圖3 Ping-Pong Memory Hierarchy示意圖

對上述4個Y緩沖區進行掃描檢測得到各標定點坐標，轉換為瞄準坐標后通過藍牙模塊實時傳送給模擬顯示系統。程序檢測最新的一幀數據，通過讀取寄存器CICOSTATUS的[27:26]位可以得到攝像頭控制器當前正在操作的緩沖區的序號。例如：如果控制器正在向C通道Y2傳數據，則程序對C通道Y1進行掃描檢測；如果控制器正在向C通道Y1傳數據，則程序對C通道Y4進行掃描檢測。

然后進行圖像傳感器內部寄存器的設置。OV7670的內部寄存器要通過SCCB總線來設置，其中關鍵的幾個寄存器的代碼如下：

Wr7670（0x12,0x10）；//設置為 QVGA 模式，并使其輸出格式與S3C2440相匹配；

Wr7670（0x9f,0x01）；Wr7670（0xa0,0x07）；//調整 AEC/AGC（自動增益和曝光時間），縮短曝光時間使周圍物體亮度減小，突出標定點。

扣動扳機時，進入中斷后向模擬顯示系統發送相應數據標志，通知模擬顯示系統該坐標為著彈點位置。

4 模擬顯示系統程序

本系統采用藍牙模塊進行通信。藍牙通信系統采用一種很靈活的無基站組網方式，每個主設備可以與最多7個從設備同時通信。PC機使用USB藍牙模塊，并安裝藍牙驅動千月（BlueSoleil），該軟件可創建多個虛擬藍牙串口，虛擬藍牙串口的使用方式和普通串口相同。PC機主程序采用MFC開發，使用多線程技術通過虛擬藍牙串口與其他設備同時進行通信。系統安裝時需要對槍上的攝像頭和激光器進行校正。為了滿足用戶對訓練人員信息管理和訓練相關數據的顯示、保存、分析，用戶程序可以根據使用者的具體要求進行定制。

5 總結

在了解多種模擬射擊系統的實現方式后，查閱相關資料，筆者提出這種新的實現方式。系統使用方便，安全可靠，可在多種場所使用；可以多人多靶同時訓練，也可以應用到移動靶和起倒靶的射擊訓練中；不僅可以得到射擊者的成績，還可以記錄瞄準軌跡，對射擊者的技術分析更加詳細，使訓練效果更好。同時，在測試中也暴露出了一些不足，由于攝像頭的分辨率和鏡頭質量的問題，造成圖像不夠清晰，影響成績的精度；由于幀率偏低，在目標靶距離較遠且訓練槍晃動比較嚴重時，連續兩幀圖像中的目標靶位移偏大，造成成績不夠準確。可以通過使用更高分辨率和幀率的圖像傳感器，使用更好的鏡頭，或者優化算法來克服這些不足。

[1] 趙苗.激光模擬打靶訓練系統的研究[D].南昌：南昌大學，2008.

[2] 王輝，姜大鵬，曾光宇.學生軍訓激光模擬打靶系統設計[J].應用科技，2009（12）：45-47.

[3] 劉建，秦會斌，黃博志，等.激光打靶系統的設計[J].傳感技術學報，2003（4）：513-515.

[4] 姚竹亭，王憲朝.實用激光打靶機設計與應用[J].電子技術，1998（2）：35-36.

[5] 唐浩，代少升.Qt/Embedded在S3C2440平臺上的移植與開發[J].電視技術，2010，34（10）：32-35.