輕武器電子校瞄系統(tǒng)的算法設計及系統(tǒng)驗證

張 娜，沈小林，劉新生，王麗麗

(1.中北大學 計算機與控制工程學院，太原 030051；2.中北大學 控制科學與工程實驗室，太原 030051)

輕武器電子校瞄系統(tǒng)的算法設計及系統(tǒng)驗證

張 娜1,2，沈小林1,2，劉新生1,2，王麗麗1,2

(1.中北大學 計算機與控制工程學院，太原 030051；2.中北大學 控制科學與工程實驗室，太原 030051)

輕武器驗收的重要指標之一是其擊打目標的準確度[1]，瞄準系統(tǒng)的精度直接影響武器性能的發(fā)揮，而傳統(tǒng)的校準設備只能完成武器的粗校準，為此設計了一種新型的輕武器電子校瞄系統(tǒng)；其設計核心是槍口輪廓在圖中精準識別算法的構建；在算法構建中，通過引入正六邊形搜索窗口和梯度方向信息判據對隨機Hough變換算法進行改進，彌補了已有的Hough變換方法計算復雜程度高，占用內存大的不足[2]；在MATLAB中充分驗證改進算法的優(yōu)良效果后，將該算法移植到基于嵌入式軟件環(huán)境的電子校瞄系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過測試表面電子校瞄系統(tǒng)對槍口的中心位置，槍膛中心點和十字光標相對位置，展現(xiàn)出優(yōu)良的校準性能，初步實現(xiàn)了槍支瞄準系統(tǒng)的精細校準；在整個校準過程中，不直接與輕武器接觸，可以避免傳統(tǒng)校瞄系統(tǒng)重復安裝對槍管造成的磨損，為傳統(tǒng)的校準方式提供了一種新方法。

Hough變換；改進算法；MATLAB；嵌入式

0 引言

瞄準裝備是輕武器的重要組成部分，被譽為“輕武器之眼”，它的優(yōu)劣直接影響到武器性能的發(fā)揮[3]。因此，輕武器在出廠或者使用一段時間后，都要對其瞄準裝置進行校準，來保證它的射擊精度。但是目前國內對瞄準裝置的校準只有槍管瞄準鏡裝置，在使用時將瞄鏡插入槍膛中，完成輕武器的瞄準鏡粗校準，而且這種校靶驗收使用時對光軸、機械插桿軸和槍管軸線的一致性不好把握，操作不方便，無法進行精確地判讀[4]，特設計一種新型的輕武器校瞄系統(tǒng)，其對于槍膛中心軸線位置及準星基座相對于0°基準線的偏移角的獲取是依靠采集槍口及準星基座輪廓的圖像交由數據處理分系統(tǒng)經算法得到的。

1 輕武器電子校瞄系統(tǒng)的算法設計

1.1 圖像預處理算法

在進行槍口中心位置坐標識別時，通過攝像頭采集到槍口圖片后，首先要對圖像進行預處理。預處理的目的是提取有用的信息，處理過程主要包括圖像灰度處理及濾波。圖像的灰度化處理可以縮小圖片所需要的存儲空間，便于圖像的處理；圖像的濾波處理則屬于圖像增強，主要目的是消除噪聲，使模糊的細節(jié)得到顯現(xiàn)使圖像更適合于人的觀察或機器的識別系統(tǒng)[5]。本系統(tǒng)中采用的增強技術是空間域的中值濾波法。它對于具有脈沖干擾及椒鹽噪聲的圖片具有很好的濾波效果，特別是對于一些孤立噪點的消除，十分有力，不僅使隨機噪聲減小了很多，而且也使圖像邊緣突出的部分得到了較好的保護，在噪點比較密集的圖像中，使用替代像素灰度值產生的影響也減小了很多。

預處理完成之后，為了便于后續(xù)特征的提取，需要得到提取的目標對象，一般采用圖像分割技術對圖片進行處理[6]。圖像分割的目的是劃分開圖像中具有特殊意義的不同區(qū)域。本系統(tǒng)中采用的是邊緣檢測的方法,通過邊緣檢測，可以將不相關的信息剔除，圖像結構的重要屬性得到保留，數據量大幅度減少,邊緣檢測的基本步驟如圖1所示。

圖1 邊緣檢測步驟

首先要通過平滑濾波去除噪聲，然后需要進行銳化濾波，檢測圖像的邊界，經過銳化操作，使灰度局部變化的位置的像素點得到了加強。經過銳化之后，就可以進行邊緣判定。邊緣判定需要選擇和去除一些沒有意義的點，通常采用的方法為二值化和過零檢測。最后將間斷的邊緣連接起來，并將假的邊緣去除，這樣就完成了邊緣檢測，圖2是我們采用幾種邊緣檢測算子對圖片進行邊緣檢測后的結果。

圖2 邊緣檢測

由圖2的檢測結果可以看出，canny算子邊緣檢測的效果明顯優(yōu)于其他幾種，因此本系統(tǒng)選擇canny算子作為邊緣檢測算子，接下來就要利用圖像處理算法對圖片進行處理，獲得槍口軸線的中心位置坐標。

1.2 槍口中心位置識別算法

1.2.1 Hough變換

Hough變換經常用來進行直線的檢測和定位，以及對曲線進行解析等，并且效果非常顯著[7]。它可以用參數空間中的點，來描述原始圖像中給定形狀的曲線或直線，即原始圖像中在一條給定形狀的曲線或直線上的所有點在參數空間中所對應的曲線，都會相交到一個點上，這些點依次累加，在參數空間形成峰值。通過找到參數空間中的峰值點，就能得到原始圖像中給定形狀的曲線或直線的參數，便可以利用檢測問題的局部特性的來代替整體特性(給定曲線的點集)檢測，標準Hough變換算法雖然成熟，使用得較普遍，但是存在著計算量大[8]，占用內存空間大等不容忽視的缺點，無法滿足實時的檢測需求，輕武器電子校瞄系統(tǒng)在使用時，獲取的槍口輪廓為一個圓，對于槍膛中心軸線位置的獲取，相當于檢測圓心所在位置。而對于準星基座輪廓的獲取可以看成是進行直線檢測，直線檢測的方法比較簡單，眾所周知，圓有3個自由參數，采用Hough變換時就需要在3維空間中進行累積，這樣以來就會有很大的計算量和內存需求。隨機Hough變換法采用了隨機采樣和多對一映射，時間和空間開銷都大大減少了，但是由于該算法對邊緣隨機采樣，造成了參數單元的無效累積。而對于槍械校正系統(tǒng)而言，由于槍口有一定的厚度，采集到的槍口經邊緣檢測后為兩個同心的圓，對其進行檢測類似于多圓檢測，不可避免地會帶來無效累計的問題，這將大大降低系統(tǒng)的運算速度，影響系統(tǒng)的整體性能。

因此，針對輕武器校準系統(tǒng)的功能需求，在隨機Hough變換的基礎上，提出了一種改進的Hough變換作為槍口中心軸線位置坐標的檢測方法。該算法采用梯度方向的信息決定3個采樣點是否被累積，同時利用正六邊形的窗口去縮小參數點的選取范圍來提高計算速度，很好地解決了多圓檢測中無效采樣點的累積的問題。

1.2.2 輕武器電子校瞄系統(tǒng)改進算法原理

輕武器電子校瞄系統(tǒng)通過攝像頭獲取槍口的圖片，并對圖片進行中值濾波處理，改善圖像的視覺效果，增強圖像的有用信息，再經過邊緣檢測算子實現(xiàn)邊緣的提取，接下來就要采用改進的Hough變換來獲取槍口中心軸線位置坐標。改進算法原理如下所述。

首先，確定正六邊形的大小。由于在采集槍口圖片時，不可避免地會采集到其他的元素，選用正六邊形的目的是將候選圓的范圍確定在一定的區(qū)域內，來降低計算量。正六邊形要選用候選圓的中心作為其中心點，候選圓的半徑的1.2～1.4倍作為其邊長(若是選用的邊長太短，候選圓將位于正六邊形之外，選用的邊長太長，會使區(qū)域變大，引入無效的像素點)。根據選取的邊緣點判斷其是否在正六邊形的內部，如果在，估算出邊緣點到候選圓中心的距離，如果不在，放棄該點，找尋下一個點來進行判斷。這種方法可以大大地縮短尋找范圍，從而減少運算量來加快檢測速度。

其次，獲取梯度信息。圓的極坐標方程為：

x=a+rcosθ

(1)

圓的參數可表示如下：

a=x-rcosθ

(2)

(3)

(4)

由式(4)可以得出，如果法線方向與梯度的方向的差值在允許的范圍內，則可以作為一個約束條件來簡化隨機Hough變換。給出一個預設的誤差范圍θ，約束條件可以表示如下：

(5)

當滿足式(5)時，三點將被認為是在同一個圓上，圓的參數是可以累積的。所以這種方法可以有效地提高算法速度，降低搜索范圍，降低內存的占用。

1.2.3 改進算法描述

該算法采用梯度方向作為約束條件來改進隨機Hough變換，詳細步驟如下：

1)構造邊緣點集D，初始化圓的參數單元集，令P=NULL，記錄這些點的梯度方向。

2)從點集中隨機地選取3個點，計算圓的參數(a,b,r)。

3)計算3個點的梯度方向G1,G2,G3，法線方向n1,n2,n3，并判斷其差值是否在容許的誤差范圍內，若是轉4)，否則轉2)。

4)PC為候選圓的特征參數，在參數單元集中找到PC。PC應該滿足||P-PC||<δ，式中δ為界值[10]，如果找到轉6，否則轉5).

5)將(a,b,r)插入P中，令Value為1。

6)遍歷正六邊形內的所有點，當滿足(a-r)

7)如果圓的邊緣點與參數NPC>Nmin一致，則轉向8)。否則，將是一個錯的圓，從單元集P中移除該參數。

8)如果真實的圓檢測到了，判斷檢測圓的個數是否超過真實圓的個數，如果是，則根據累積值計算圓的參數，得到圓心坐標。否則，從邊緣點集D中刪除真實圓的邊緣點集，重置P=NULL。轉向2)。

1.2.4 槍膛中心點和十字光標(靶心位置)相對位置修正

圖3 LCD輸出校正信息示意圖

2 輕武器電子校瞄系統(tǒng)驗證

由于MATLAB中具有許多現(xiàn)成的圖像處理函數可以供我們在編程時直接調用，所以，我們對圖像處理算法的設計和驗證是在以計算機為平臺的MATLAB環(huán)境中進行的，但是在實際使用時，我們需要將程序移植到本系統(tǒng)設計的硬件平臺上來運行。因此，需要完成程序由MATLAB平臺到CCS平臺中的移植。所謂算法的移植，就是對程序中相應的部分做出修改，使其能夠在不同的程序平臺上運行。移植原理如圖4所示。

圖4 算法移植原理

首先，要對MATLAB應用程序中與算法相關的代碼進行分析并提取，并結合CCS的軟件環(huán)境，對驗證算法的程序框架和測試環(huán)境重新建立和配置，對不符合該運行平臺的部分進行修改。其次，要注意編譯器和工作平臺的基本數據類型的差別。再次，注意編譯器和工作平臺相關序的問題，DM642硬件平臺的序是由DM642芯片復位時管腳TOUT1/LENDIAN的電平決定的；但是CCS在工程編譯之前，需要對工程的編譯設置進行手工設置來確定輸出的模式。最后，合理配置存儲系統(tǒng)，在CCS中，是通過后綴為.cmd的配置文件進行存儲空間的分配的。程序在編譯后如果訪問了不存在的存儲空間，就會造成程序跑飛。因此，在存儲空間分配前，了解芯片整個可用的內外存儲空間大小是十分有必要的[12]。

圖5所示為在MATLAB中對所改進的算法進行的驗證，圖(a)，(b)為使用隨機Hough檢測出的結果，(a)為切片圖，(b)中對檢測到的圓形邊緣進行高亮顯示，由圖中可見，產生了大量的無效累積值。(c)，(d)為使用算法檢測的結果，由于引入了正六邊形，縮小了檢測的范圍，由圖可見，檢測結果的精準度明顯上升。

圖5 MATLAB中程序驗證

由于輕武器特殊的使用性，在進行算法移植之后，由于實驗條件的限制，無法進行現(xiàn)場的調試運行，所以對移植后的算法采用了軟件的仿真器工作模式進行驗證，即在PC上模擬DSP的指令集和工作機制，進行了算法的實現(xiàn)和調試，通過調試，該算法能夠實現(xiàn)在MATLAB中進行驗證的結果，如圖6所示，(a)為灰度圖，(b)為Hough檢測結果。

圖6 CCS程序驗證結果

3 結論

通過對輕武器電子校瞄系統(tǒng)中所涉及到的算法進行設計，主要包括圖像預處理算法和槍口中心位置的識別算法，重點對Hough變換算法進行了研究分析，并設計了基于隨機Hough變換的改進算法，同時對也槍膛中心點和十字光標(靶心位置)相對位置進行了修正。算法由基于PC的MATLAB環(huán)境

向基于嵌入式系統(tǒng)的軟件環(huán)境CCS的移植，通過驗證，該系統(tǒng)切實可行，能實現(xiàn)預設功能，完成槍支校準。

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Algorithm Design and System Verification of Electronic Pointing System of Light Weapon

Zhang Na1,2，Shen Xiaolin1,2, Liu Xinsheng1,2, Wang Lili1,2

(1.College of computer and control engineering, North Central University, Taiyuan 030051，China; 2. Laboratory of control science and engineering, North Central University,Taiyuan 030051，China)

Light weapons acceptance is one of the most important factors, that hit targets on the accuracy, the aiming system accuracy has a direct impact on performance of weapons to play, and the traditional calibration device can only be accomplished with weapons of coarse alignment. So design a new light weapons electronic aiming system. The core of the design is the construction of the accurate recognition algorithm in the figure. In constructing algorithm, through the introduction of regular hexagon search window and gradient direction information criterion to improve the randomized Hough transform algorithm, to make up for the existing Hough transform method for computing complex degree is high, occupies large memory. Fully validated in Matlab excellent effect of improved algorithm, the algorithm was transplanted to the embedded software environment of electronic aiming system, by testing the surface electronic aiming system on the muzzle of the center position and bore center point and cross cursor relative position, showing excellent performance calibration, the initial realization of fine calibration of gun system. In the calibration process, not directly in contact with light weapons can avoid the traditional aiming system repeats the installation on the barrel caused by wear, provides a new method for traditional methods of calibration.

Hough transform; improved algorithm; Matlab; embedded

2016-06-04；

2016-08-31。

張 娜(1990-),女，河北張家口人，在讀研究生， 主要從事控制理論與控制工程方向的研究。

1671-4598(2017)01-0217-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.060

TP216

B