CN102175100A - 一种嵌入式无线自动报靶系统及其报靶方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式无线自动报靶系统及其报靶方法，包括靶端图像采集及处理系统，包括可自动安装靶纸及旋转靶面的靶纸机械控制系统和用于采集及处理靶面信息的图像采集及处理系统；图像采集及处理系统与靶纸机械控制系统的输出端相连接；射击端报靶系统，包括可与对应的靶端图像采集及处理系统进行通信的射手端用户交互系统和可与所有的靶端图像采集及处理系统进行通信的裁判端成绩统计系统；靶端图像采集及处理系统通过无线传输系统与射击端报靶系统相通信。本发明在靶端就实现了图像处理过程，降低了系统成本，采用无线传输技术，可以满足大部分射击项目的要求，且具有精度高、识别准确性高和体积小等优点。

Description

一种嵌入式无线自动报靶系统及其报靶方法

技术领域

本发明涉及一种报靶系统及其报靶方法，具体涉及的是一种嵌入式无线自动报靶系统及其报靶方法。

背景技术

目前自动报靶产品按其功能的实现方式可以分以下几种类型：双层电极短路采样系统、声电定位自动报靶系统、光电电子靶系统和基于图像处理技术的自动报靶系统。

双层电极短路采样系统的报靶传感器是一特制的靶子，它的两面各有一层导电橡胶(或其它导电的软材料)，反面导电橡胶接地线，正面的一层按胸环靶样式用绝缘材料分隔成不同的环位和方位区域，并在不同的区域分别引出信号线。当子弹穿越靶子的瞬间，靶子两面的导电橡胶层接通，此时在相应区域的信号线上即可产生接地的脉冲信号，靶的8个环位和8个方位一共16种脉冲信号并行输出。双层电极短路采样法由于硬件电路稳定性限制，导致实报率低，且由于报靶传感器为特制靶纸，成本高，适应性差。因此，现代自动报靶系统已经很少使用这种实现方式了。

激光二极管阵列系统在靶纸钱表面构建一层激光网格，人工对网格中心进行校准，然后在射击时，通过捕捉子弹入射瞬间，被检测阻挡的激光位置并得到其对应的坐标的来判断弹着点。优点是不用靶纸也能报环，但是该种方式局限性很大，且由于激光网络各层面间的干扰，导致精度难以提高，很难满足射击比赛中对数字类报靶系统小数级的精度要求。

声音定位法利用弹丸穿越空气飞行时，由于空气的阻力、摩擦等产生声音，造成弹丸前面气体压缩和后面扩张，产生了弹丸前后压力差。远离弹丸落点的接收记录传感器(麦克风)将迅速增大的压力与随之压力又快速回落之间接受整理为一个高频率信号。如果使用的麦克风多于两个，那么就有几条曲线联系起来共同找到弹着点的位置。实际使用中调和双曲线被变换到笛卡儿平面坐标系，从而判定弹孔位置。这种方法目前使用在如世锦赛、奥运会等高端比赛中，但是由于其成本高，且对靶场环境和靶纸质量要求极严格，难以普及。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种成本低、适应性强、精度高、体积小和识别准确性高的嵌入式无线自动报靶系统及其报靶方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明包括靶端图像采集及处理系统，设置在靶端，包括可自动安装靶纸及旋转靶面的靶纸机械控制系统和用于采集及处理靶面信息得到弹孔坐标信息的图像采集及处理系统；图像采集及处理系统与靶纸机械控制系统的输出端相连接；射击端报靶系统，设置在射击端，用于设置射击规则和显示弹孔坐标信息，包括可与对应的靶端图像采集及处理系统进行通信的射手端用户交互系统和可与所有的靶端图像采集及处理系统进行通信的裁判端成绩统计系统；其中，所述靶端图像采集及处理系统通过无线传输系统与射击端报靶系统相通信。

上述无线传输系统包括靶端无线传输系统和用户端无线传输系统。

上述靶纸机械控制系统包括接收开机信号后自动更换靶纸的靶纸自动更换模块、靶纸旋转控制模块和用于接收靶框震动信号的震动传感器，所述靶纸自动更换模块通过靶纸旋转控制模块与震动传感器相连接。

上述图像采集及处理系统包括用于采集靶面信息并对图像进行预处理的图像采集模块、以先进先出的方式存储预处理图像的图像存储模块和图像处理模块，三者依次连接；图像采集模块与靶纸旋转控制模块的输出端相连接。

上述图像采集模块包括图像采集传感器、先进先出缓存器和微处理器。

上述图像处理模块包括弹孔识别模块、环线及靶心识别模块和环值计算模块。

上述射手端用户交互系统通过带触摸控制的第一显示装置作为人机接口；第一显示装置设有用户设置界面、成绩显示界面和成绩统计界面。

上述第一显示装置还设有语音驱动模块及语音电路。

上述裁判端成绩统计系统通过第二显示装置作为人机接口；第二显示装置设有各靶位成绩显示界面和成绩统计界面。

本发明的报靶方法，包括以下几个步骤：

(a)首先开启射手端用户交互系统和裁判端成绩统计系统，并在射手端用户交互系统和裁判端成绩统计系统上设置射击相关选项，然后裁判端成绩统计系统通过无线传输系统向图像采集及处理系统和靶纸机械控制系统发送开机信号；

靶纸机械控制系统接收开机信号后，自动安装靶纸并旋转靶面，图像采集及处理系统首先采集靶面信息进行图像预处理并进行存储作为原始图像，然后通过无线传输系统向射手端用户交互系统和裁判端成绩统计系统发送初始化完成信号，未完成初始化则不能开始射击；

(b)射手端用户交互系统收到初始化完成信号后，提示射手开始射击，射手开始射击；

(c)子弹击中靶面后，靶纸机械控制系统旋转靶面，图像采集及处理系统首先采集靶面信息进行图像预处理并进行存储作为实时图像，然后对实时图像和原始图像进行图像处理，得到弹孔坐标信息，最后通过无线传输系统发送给裁判端成绩统计系统和对应的射手端用户交互系统；

(d)裁判端成绩统计系统和对应的射手端用户交互系统分别接收弹孔坐标信息，然后显示弹孔坐标信息并记录；

(e)射手端用户交互系统根据设定的射击相关选项，判断比赛是否完成，如果没有完成则转向步骤(b)，如果完成则向图像采集及处理系统和靶纸机械控制系统发送射击结束信号，同时射手端用户交互系统显示射击完成，裁判端成绩统计系统统计最终的成绩，完成比赛。

本发明的有益效果如下：

本发明在靶端就实现了图像处理过程，射击端仅需接收相应靶位弹孔信息即可，降低了报靶系统成本；

本发明识别精度高，可以实现0.20mm以上的测量精度，在实际环值计算中精度可以达到0.1环；

本发明识别速度快，单次识别时间不大于200ms，可以满足速射类竞技项目的需求；

本发明识别准确性高，与其他传统自动报靶系统不同，本发明的图像采集模块采用高分辨率摄像头，不易老化，不易受外界环境因素影响；

本发明传输距离远，采用无线传输技术，摆脱了传统自动识别系统对线缆的依赖，方便在室外条件下搭建系统，且传输距离大于400m，可以满足大部分射击项目的要求；

本发明支持多种比赛类型，支持自行设定比赛规则，同时内置各种标准比赛规则，可在初始化设定中直接选择。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的基本组成框图；

图3为本发明的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1和图2，本发明包括位于靶端的靶端图像采集及处理系统和位于射击端的射击端报靶系统，靶端图像采集及处理系统通过无线传输系统与射击端报靶系统相通信。

靶端图像采集及处理系统包括靶纸机械控制系统和靶纸机械控制系统输出端相连接的图像采集及处理系统。

靶纸机械控制系统包括接收开机信号后自动更换靶纸的靶纸自动更换模块、靶纸旋转控制模块和安装在靶框上用于接收靶框震动信号的震动传感器，靶纸自动更换模块通过靶纸旋转控制模块与震动传感器相连接，靶纸旋转控制模块在接收自动更换靶纸信号及震动传感器信号后旋转靶纸。

靶纸自动更换模块由转动角可控的转筒自动更换靶纸。

靶纸旋转控制模块包括动力及传动机构。本实施例的动力及传动机构为外槽轮式旋转机构，外槽轮式旋转机构包括具有圆柱销的主动拨盘和具有直槽的从动槽轮，主动拨盘和从动槽轮固定连接。其具体执行过程：将主动拨盘与舵机固定连接，将从动槽轮与靶杆固定连接，舵机带动主动拨盘转动，继而通过从动槽轮带动靶杆转动。这套机构，结构简单，加工容易，工作可靠，机械效率高，能准确控制转角，且有自锁保持，可在一定范围之内弥补舵机转向误差。

图像采集及处理系统包括图像采集模块、图像存储模块和图像处理模块，三者依次连接；图像采集模块采集靶面信息并对图像进行预处理，图像存储模块接收预处理图像并以先进先出的方式存储，图像处理模块处理前后两次的预处理图像，得到弹孔坐标信息；图像采集模块与靶纸旋转控制模块的输出端相连接。

图像采集模块在硬件上包括高精度CMOS数字摄像头构成的图像采集传感器和先进先出缓存器；在软件上包括图像滤波、图像矫正、图像二值化过程。当系统接收到开始采集图像信号，摄像头开始采集图像信息，所得图像信息为30K字节大小的一个数组，先将采集到的数据存入先进先出缓存器中缓冲，再由微处理器从先进先出缓存器中读取图像数组信息，进行图像预处理。微处理器首先对所得图像进行滤波处理，由于靶纸图像的特殊性，本发明采用基于小波变换的边缘保留图像滤波法。

该算法的步骤如下：

①对采集到的图像进行小波变换，其分解层数为K；

②在各尺度k(k＝K-1)上，提取低频系数Ak、高频系数

③在各尺度k(k＝K-1)上，对高频系数矩阵首先利用锐化掩模矩阵T进行锐化，得到锐化后的高频系数矩阵

如对(2M+1)×(2N+1)窗口锐化可表示为

式中E⁽⁰⁾(m′，n′)为平滑前的原始系数矩阵数据，E^(j+1)(m′，n′)为第j+1次迭代锐化后滤波器的输出值，

为窗口内权系数的和。

④在各尺度k(k＝K-1)上，对低频系数A进行增强，即A_k＝p×A_k，对锐化后的高频系数矩阵

选定一个窗口，该窗口在高频系数矩阵上从左到右、从上到下移动，在这个窗口里做如下处理：

如果

那么

其中θ为阈值。

⑤在各尺度k(k＝K-1)上，锐化前的高频系数

与处理后的高频系数

相减，即

$E_k^i=E_k^i-(q_k\×{\mathrm{Ee}}_k^i)$

⑥利用处理过的系数进行二维小波重构。

其中：K：对图像进行小波变换时的分解层数

k：各个尺度

Ak：各尺度的低频系数

：各尺度的高频系数矩阵

T：锐化掩膜矩阵

：锐化后的高频系数矩阵

E⁽⁰⁾(m′，n′)：平滑前的原始系数矩阵数据

E^(j+1)(m′，n′)：第j+1次迭代锐化后滤波器的输出值

i，j：普通变量

p：低频系数的增强系数

θ：阈值

通过以上算法完成图像滤波，完成后，进行图像的几何校正。在此步骤中采用坐标变化的方法进行校正。在靶纸上沿两条对角线进行搜索，搜索到与对角线相交的最外环环线的四个交点坐标，将其与预先存入系统的该四个点的理想标定坐标对比找出坐标变换参数，通过得出的参数将整幅图像矫正还原。

在图像的几何校正完成后，对图像进行二值化处理，将图像的灰度值与设定阈值比较，根据灰度值与阈值的大小关系，将所有点区分为黑点和白点，完成图像的二值化。

图像存储模块在硬件上包括随机存储器以及存储芯片。在图像采集模块获取到未打靶时的原始图像并且完成预处理后，将该图像存储至存储芯片。当图像采集模块获取到第一次打靶后图像且完成预处理时，将预先存入存储芯片的未打靶时图像调用至随机存储器，将两幅图像进行图像处理，在图像处理完成后，将后获得的图像存入至存储芯片，以供下一轮处理时使用。

图像处理模块包括弹孔识别模块、环线及靶心识别模块和环值计算模块三部分。

弹孔识别模块采用减影技术，即利用打靶前后的两张靶面的灰度差来确定弹孔位置。弹孔识别模块从图像存储模块中读取原始图像及实时图像，横向扫描图像并对比，记录差异点坐标。采用减影技术尤其适用于-张靶纸打多枪的情况，每次将上一次打靶后的图像暂存，与新的打靶图像减影操作，干扰小，出错率低。确定差异点坐标后，按照平面图形质心的计算方法确定弹孔中心。

环线及靶心识别模块在对环线进行轮廓跟踪和特征分析并拟合靶心位置。轮廓跟踪利用标签化算法来实现。标签化是指将图像连通邻域点赋予相同标签值，实际上是一个搜索邻域连通的过程，考虑到一般的连通邻域搜索算法是以递归算法来实现的，虽然递归算法代码短小，但是递归深度不可控和资源占用不可以预测，递归深度过多将占用大量内存资源，因此在嵌入式系统中不宜采用递归，本发明利用双重循环加标识的方法来实现。搜索算法的基本思想是：

(1)顺序沿行列扫描，当扫描到一个新点时判断其是否已标签化，若已标签化就继续扫描下一点；

(2)若没有标签化就判断其领域是否存在标签化了的点，若存在就将该点标签设置为与其已标签化邻域点相同的标签值，继续搜索该点的其余连通点直到无连通点存在；

(3)若一个点领域都无标签化，就赋予该点一个新标签值，然后重复上述搜索与它连通的点并且给予标签化；

(4)最后给所有连通邻域标签化，这样所有各自的连通邻域有各自相同的标签值，根据标签值来提取图像特征并确定圆心位置。

确定圆心位置的方法通常可以根据圆周上三点来确定该圆圆心，但是这三点需要准确在圆周上，而图像数据的非理想性使得确定这样的点很困难；另外一种方法是选取连通邻域的一段来模拟一段圆弧作为圆的弦，这种算法在选取圆弧及其范围较难以确定。本发明采用了一种实用简单算法的同时又具有一定的统计特点和可靠性：通过多个方向多种平均方式预先确定一个圆心位置参考，然后利用另外方向上圆周的点来动态逼近真实圆心位置。

(1)获取圆心位置的初步参考：通过上下左右四个方向进行相同的搜索圆周，四个方向取平均后将均值作为圆心参考位置。由于图像数据的非理想性，该参考位置是一个逼近真实圆心的位置，当然也可能就是要求得的真实圆心位置。

(2)圆心位置动态定位：沿着参考点向左上、左下、右上、右下四个方向外搜索圆周。因为圆心位置最终可以分解为垂直和水平方向移动的合成。根据条件判据向目标位置动态逼近，移动判据为参考点和四个方向的距离关系作为四个判据，考虑图像的非理想性，四个判据里只要有三个判据成立就向目标水平和垂直方向移动一个最小单位，然后设置这个新的圆心位置为参考继续重新判断，直到逼近最终位置满足条件退出。

环值计算模块利用了一种分段式的环值计算方法，主要过程如下：

(1)根据着弹孔中心坐标和靶心坐标确定着弹孔半径，与环线识别得到的环线半径比较，判断着弹孔位于哪两个同心圆内，由此确定靶数的整数部分。由于该部分是根据图像的物理意义确定的，因此不会存在偏差。

(2)根据着弹孔在两同心圆间的相对位置，计算出靶数的小数部分，以减小图像畸变对测量精度的影响。

射击端报靶系统包括可与对应的靶端图像采集及处理系统进行通信的射手端用户交互系统和可与所有的靶端图像采集及处理系统进行通信的裁判端成绩统计系统。

射手端用户交互系统通过带触摸控制的第一显示装置作为人机接口，第一显示装置设有用户设置界面、成绩显示界面、成绩统计界面和语音驱动模块及语音电路。

本实施例的第一显示装置为液晶显示屏。

用户设置界面由用户通过触摸屏进行操作，设置射击相关选项，包括比赛类型(练习、初赛、决赛)、靶纸类型(竞赛类圆环靶、人形靶、胸环靶)、比赛种类(10米气步枪、25米气步枪、10米手枪)、射击规则(射击轮数、每轮射击枪数、射击时间限制)和用户名及ID号等。

在成绩显示界面中包含虚拟靶面、当前成绩显示表、相关比赛信息等元素；射手端用户交互系统接收到弹孔坐标后可以在虚拟靶面上显示着弹孔位置；当前成绩统计表根据用户设置的射击规则生成，显示射击枪数及对应成绩，在接收着弹孔及环值信息后在当前成绩显示表中显示；相关比赛信息显示用户设置的其他项内容。

成绩统计界面由用户设置的射击规则生成，可以显示用户本次比赛的全部成绩信息。

语音驱动模块及语音电路由处理器外接语音电路根据接收到的弹孔环值，实现语音报靶功能。

裁判端成绩统计系统通过第二显示装置作为人机接口，包括各靶位成绩显示界面和成绩统计界面。

本实施例的第二显示装置为液晶显示器。

在成绩显示界面上显示各靶位的成绩信息。

成绩统计界面根据相应的规则统计各靶位的成绩，并排定名次，得出比赛总成绩信息，包括排名等。

参见图3，嵌入式无线自动报靶系统的报靶方法如下：

(a)首先开启射手端用户交互系统和裁判端成绩统计系统，并在射手端用户交互系统和裁判端成绩统计系统上设置射击相关选项，然后裁判端成绩统计系统通过无线传输系统向图像采集及处理系统和靶纸机械控制系统发送开机信号；

靶纸自动更换模块接收开机信号后自动安装靶纸，靶纸旋转控制模块接收自动安装靶纸信号后旋转靶面，图像采集模块接收到靶面旋转信号后采集靶面信息进行图像预处理，图像存储模块将预处理图像进行存储作为原始图像，然后通过无线传输系统向射手端用户交互系统和裁判端成绩统计系统发送初始化完成信号，未完成初始化则不能开始射击；

(b)射手端用户交互系统收到初始化完成信号后，提示射手开始射击，射手开始射击；

(c)子弹击中靶面后，震动传感器接收震动信号后传递到靶纸旋转控制模块，靶纸旋转控制模块使靶面旋转，图像采集模块接收靶面旋转信号后采集靶面信息进行图像预处理，图像存储模块对预处理图像进行存储作为实时图像，图像处理模块对实时图像和原始图像进行图像处理，得到弹孔坐标信息，最后通过无线传输系统发送给射手端用户交互系统和裁判端成绩统计系统；

(d)裁判端成绩统计系统和对应的射手端用户交互系统分别接收弹孔坐标信息，然后显示弹孔坐标信息并记录；

(e)射手端用户交互系统根据设定的射击相关选项，判断比赛是否完成，如果没有完成则转向步骤(b)，如果完成则向图像采集及处理系统和靶纸机械控制系统发送射击结束信号，同时射手端用户交互系统显示射击完成，裁判端成绩统计系统统计最终的成绩，完成比赛。

本实施例的，无线传输系统包括靶端无线传输系统和用户端无线传输系统。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种嵌入式无线自动报靶系统，其特征在于，包括

靶端图像采集及处理系统，设置在靶端，包括可自动安装靶纸及旋转靶面的靶纸机械控制系统和用于采集及处理靶面信息得到弹孔坐标信息的图像采集及处理系统；所述图像采集及处理系统与靶纸机械控制系统的输出端相连接；

射击端报靶系统，设置在射击端，用于设置射击规则和显示弹孔坐标信息，包括可与对应的靶端图像采集及处理系统进行通信的射手端用户交互系统和可与所有的靶端图像采集及处理系统进行通信的裁判端成绩统计系统；

其中，所述靶端图像采集及处理系统通过无线传输系统与射击端报靶系统相通信。

2.根据权利要求1所述的嵌入式无线自动报靶系统，其特征在于，所述无线传输系统包括靶端无线传输系统和用户端无线传输系统。

3.根据权利要求1所述的嵌入式无线自动报靶系统，其特征在于，所述靶纸机械控制系统包括接收开机信号后自动更换靶纸的靶纸自动更换模块、靶纸旋转控制模块和用于接收靶框震动信号的震动传感器，所述靶纸自动更换模块通过靶纸旋转控制模块与震动传感器相连接。

4.根据权利要求3所述的嵌入式无线自动报靶系统，其特征在于，所述图像采集及处理系统包括用于采集靶面信息并对图像进行预处理的图像采集模块、以先进先出的方式存储预处理图像的图像存储模块和图像处理模块，三者依次连接；所述图像采集模块与靶纸旋转控制模块的输出端相连接。

5.根据权利要求4所述的嵌入式无线自动报靶系统，其特征在于，所述图像采集模块包括图像采集传感器、先进先出缓存器和微处理器。

6.根据权利要求4所述的嵌入式无线自动报靶系统，其特征在于，所述图像处理模块包括弹孔识别模块、环线及靶心识别模块和环值计算模块。

7.根据权利要求1所述的嵌入式无线自动报靶系统，其特征在于，所述射手端用户交互系统通过带触摸控制的第一显示装置作为人机接口；所述第一显示装置设有用户设置界面、成绩显示界面和成绩统计界面。

8.根据权利要求7所述的嵌入式无线自动报靶系统，其特征在于，所述第一显示装置还设有语音驱动模块及语音电路。

9.根据权利要求1所述的嵌入式无线自动报靶系统，其特征在于，所述裁判端成绩统计系统通过第二显示装置作为人机接口；所述第二显示装置设有各靶位成绩显示界面和成绩统计界面。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的嵌入式无线自动报靶系统的报靶方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

(a)首先开启射手端用户交互系统和裁判端成绩统计系统，并设置射击相关选项，然后裁判端成绩统计系统通过无线传输系统向图像采集及处理系统和靶纸机械控制系统发送开机信号；

靶纸机械控制系统接收开机信号后，自动安装靶纸并旋转靶面，图像采集及处理系统首先采集靶面信息进行图像预处理并进行存储作为原始图像，然后通过无线传输系统向射手端用户交互系统和裁判端成绩统计系统发送初始化完成信号，未完成初始化则不能开始射击；

(b)射手端用户交互系统收到初始化完成信号后，提示射手开始射击，射手开始射击；

(c)子弹击中靶面后，靶纸机械控制系统旋转靶面，图像采集及处理系统首先采集靶面信息进行图像预处理并进行存储作为实时图像，然后对实时图像和原始图像进行图像处理，得到弹孔坐标信息，最后通过无线传输系统发送给裁判端成绩统计系统和对应的射手端用户交互系统；

(d)裁判端成绩统计系统和对应的射手端用户交互系统分别接收弹孔坐标信息，然后显示弹孔坐标信息并记录；

(e)射手端用户交互系统根据设定的射击相关选项，判断比赛是否完成，如果没有完成则转向步骤(b)，如果完成则向图像采集及处理系统和靶纸机械控制系统发送射击结束信号，同时射手端用户交互系统显示射击完成，裁判端成绩统计系统统计最终的成绩，完成比赛。

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