CN115200413B - 一种用于视频报靶的图像采集装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于视频报靶的图像采集装置和方法，包括图像采集设备，所述图像采集设备包括图像传感器，所述图像传感器上贴有双通道滤光片；所述图像采集设备，用于通过获取双通道光，生成任何光照条件下靶纸的图像。本发明在实现现有设备昼夜高精度实弹和激光射击报靶的基础上，使用单个图像采集设备在简化设备结构、降低成本功耗的同时，实现了全天候环境下获取满足弹点识别要求的靶纸图像。

Description

一种用于视频报靶的图像采集装置和方法

技术领域

本发明属于轻武器射击报靶设备领域，具体说是一种用于视频报靶的图像采集装置和方法。

背景技术

现有的视频报靶设备，安装有图像采集装置的监视定位设备内部分没有可见光补光和控光设备，无法实现远程控制调整可见光。部分增加了可见光补光设备，是在红外光补光的基础上，增加了一套可见光补光设备，红外光和可见光设备同时工作。

工作在近红外光波段的视频报靶设备，实弹和激光射击报靶均基于红外图像进行处理，所以夜间射击时必须补近红外光才能确保图像采集设备采集到清晰的视频图像，激光发射设备必须使用人眼不可见的红外激光，才能确保激光点在靶面形成可识别的图像信号。

仅补近红外光而没有可见光补光的设备，在夜间射击时靶标照明需要单独布设靶标可见光照明灯，增加了保障难度。使用近红外补光系统用于报靶、同时使用可见光控光模块和led可见光照明灯照明报靶的方案，夜间射击过程中，可见光照明和红外补光设备必须全部工作，耗电大、功耗高、易发热，设备制造复杂、成本高。激光射击时，只能使用人眼不可见的红外激光，虽然通过设备可以报靶，但缺少直接通过可见激光瞄准靶标、人眼直接观察的瞄准训练功能。

发明内容

本发明目的是提供一种用于视频报靶的图像采集装置和方法，可以直接通过自然光或夜间可见光补光获取图像进行报靶，还可通过红外光和可见光激光双光激光器瞄准靶标，其中使用可见光激光时，人眼可直接观察瞄准点，以克服上述缺陷。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于视频报靶的图像采集装置，包括含有图像传感器的图像采集设备，所述图像传感器上贴有双通道滤光片；

所述图像采集设备，用于通过获取双通道光，生成任何光照条件下靶纸的图像。

所述靶纸制图的CMYK值为：C＝70-90％、M＝0％-10％、Y＝70-90％、K＝0％-5％。

打印或印刷后的靶纸进行双面覆膜处理，所述覆膜为亚光膜。

所述图像采集设备，对于选取的靶纸区域的区域图像，根据区域图像调光。

所述图像采集设备外侧设有防雨避光罩；所述防雨遮光罩包括固定座、遮罩、螺母及螺杆，固定座安装于图像采集设备的外侧，所述遮罩通过螺杆与固定座转动连接，并在转动到位后通过螺母锁紧螺杆，实现所述遮罩与固定座保持相对固定。

所述双通道光为绿色光和红外光。

一种用于视频报靶的图像采集方法，包括以下步骤：

获取双通道光，形成包括靶纸在内的全景图像；

选取靶纸区域的区域图像，图像采集设备根据区域图像进行调光；

获取任何光照条件下靶纸的图像。

实弹射击时，所述调光，包括以下步骤：

对于区域图像，获取区域图像的平均亮度值；

将区域图像的平均亮度值与平均亮度阈值进行比较；

若区域图像亮度值大于平均亮度阈值，则降低增益、并减少快门时间，以调低图像亮度；

否则，增加增益、并增加快门时间，以提高图像亮度。

激光射击时，所述调光，具体为：

图像采集设备降低增益、并减少快门时间，使光线照射靶面凸起部位形成的亮点调整为低于背景亮度阈值的点，而靶纸区域图像中的激光点亮度高于激光亮度阈值，形成能够区分激光点的靶纸图像；

所述背景亮度阈值小于激光亮度阈值；

所述光线为太阳光、白绿双色照明光中的一种或两种。

采用电脑绘图或制图时，图片模式为CMYK，于白色靶纸底面上绘制目标图案；其中，目标图案的CMYK值分别为C＝70-90％、M＝0％-10％、Y＝70-90％、K＝0％-5％，然后于靶纸上打印或印刷目标图案，打印或印刷时输出图片模式为CMYK；

印刷时，采用蓝、红、黄、黑四色印刷或打印。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明在实现现有设备昼夜高精度实弹和激光射击报靶的基础上，使用单个相机在简化设备结构、降低成本功耗的同时，能够获得满足处理要求的图像。

2.采用CMYK模式制作的靶纸,在识别弹着点或激光点时,实弹弹点与靶纸图像具有更大的灰度值差值,且有利于测算弹着点面积、形状等特征,对于弹孔高度重叠的外沿少量面积扩大、且黑度不显著的情况，更有利于判定测定是否有弹着点重叠情况。

3.靶纸表面覆盖亚光膜，可保持靶纸任何情况下的平整，可更好应对环境影响，实现全环境防侧光引起的靶纸阴影部分中弹无法识别的问题。

4.采用道林纸和双胶纸，纸张吸水性差，靶纸边缘或实弹击穿靶纸的弹孔位置，也不会由于雨淋导致区域吸水透光，而在图像上区域变黑，进而导致子弹命中该区域后，在图像上无法识别。

5.通过全景图拖动后，对靶纸区域进行局部图像采集的方法，降低了图像采集设备对准靶标的精准度要求，实际应用案例中，图像采集设备的图像采集区域长、高均是靶纸区域的3倍左右，操作人员仅需简单对准靶标，既能通过软件操作准确获取靶纸区域的图像，大大简化了视频设备的操作要求，同时也避免了自动识别靶标获取图像受靶标附近绿色植被等颜色环境影响可能误识别的问题。

6.靶标中心调光算法，能够使所获取的靶纸图像平均亮度始终处于算法阈值范围内，避免了因图像采集设备中心不在靶纸、而对视场中的其他中心场景调光后，导致靶纸部分图像局部过亮、过暗等问题。

7.通过在图像采集设备外侧设置防雨避光罩，能够使靶板左侧、上侧、右侧来光均被防雨避光罩遮住，避免侧光、逆光照射图像采集设备。同时能够避免雨滴滴落镜头，导致图像模糊，实现全环境采集到理想图像。

附图说明

图1本发明的系统框架图；

其中，1照明灯，2图像采集设备，3靶纸；

图2本发明的弹着点或激光点图像获取方法流程图。

图3本发明的防雨避光罩的零部件爆炸图；

图4本发明的防雨避光罩的机械结构图；

其中，11为固定座，12为安装板，13为螺母，14为螺杆，15为遮罩。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、图2所示，一种用于视频报靶的图像采集装置和方法，包括：

报靶设备为双光谱通道图像采集和处理设备、红外和绿光双模激光发射器(为现有技术)、按照双光谱响应要求印制的靶纸和靶板、可见光照明灯。

图像采集设备为图像传感器贴有绿色光和红外光双通道滤光片的黑白相机，滤光片波段特征为532nm±10nm光通和780nm以上光通，图像采集设备可获取2个通道的光，并形成图像。

可见光照明灯使用白绿双色灯珠，用于在夜间和无光环境下，进行靶标照明，因图像采集设备有绿光通道的光通性能，可见光照明灯照明靶标后，图像采集设备可以采集满足报靶亮度要求的图像，射手也可直接对靶标射击。

光谱响应要求印刷的靶纸：

1)采用电脑绘图或制图时，绘图或制图软件选择图片模式为CMYK，于白色靶纸底面上绘制所需绿色目标图案，其中绿色目标图案部分的CMYK值分别为C＝80％、M＝0％、Y＝80％、K＝0％，然后于靶纸上打印或印刷所需图案，打印或印刷时软件输出也选择图片模式为CMYK。

2)印刷时，采用标准蓝、红、黄、黑四色印刷或打印。

3)打印或印刷后的靶纸进行覆膜处理，覆膜为亚光膜、厚度0.17微米、双面覆膜。

红外和绿光双模激光发射器用于发射激光，图像采集处理设备获取有激光点的靶纸图像并处理后，进行激光射击报靶。红外激光波长长、散射少，传输距离远，能够满足室外强光下100米以上远距离激光射击要求。绿光激光明亮、传输距离近，但照射靶标后，在设备可正常报靶的基础上，操作人员可直接肉眼观察激光点在靶纸上的位置，快捷纠正瞄准动作，更适合于室内近距离等比例缩小靶激光瞄靶、以及夜间射击瞄靶指示的需要。

使用光谱响应要求印制的靶纸，在实弹射击时，设备获取的白色部分的灰度值(黑度)与靶纸图像中绿色部分(如人形、圆形等)的灰度值均值差值小于15，绿色部分和白色部分的灰度值与实弹弹孔的灰度值均值差大于35，可以通过弹点平均灰度值设定阈值范围，并通过弹点面积的变化、圆形或部分圆形特征(重叠弹孔)，确定新增弹点并进行报靶。

其他普通印刷的靶纸，在不安装上述滤光片的黑白相机所成图像中，绿色部分在黑白图像中为黑色，白色部分与绿色部分的的灰度值均值差值大于40，绿色部分在图像上灰度值与弹孔平均灰度值均值差值≤15，在靶面亮度不均匀以及阴影、靶纸褶皱等情况下，弹孔识别比较困难，导致室外使用图像处理进行报靶性能不稳定。

激光射击时，靶纸表面的亚光膜将太阳光照射靶纸的光线通过漫反射后，图像采集设备获取的图像中靶纸表面的最大亮度灰度值与靶面图像平均灰度值的差值≤20，而高聚束的激光能量集中，激光命中靶纸后，激光点在图像中的中心灰度值与靶面平均亮度的灰度值差值≥40，通过灰度值的大小以及亮点的面积，可以判断激光点并报靶，同时可以有效避免阳光照射靶面对激光判定的影响，实现全天候激光模拟射击报靶。

光谱响应的关系：

通过使用近红外和可见光光谱仪测量：按照光谱响应要求印刷的靶纸的绿色部分吸收红光、反射绿光和红外光明显，靶纸的白色部分反射可见光和红外光均比较明显，绿色和白色部分反射绿光和红外光的光子数差值≤8％，在黑白相机上所形成的图像中，靶纸的绿色和白色部分在图像上灰度值均值差值小于15，而绿色部分的灰度值与弹孔在图像上的灰度值均值差值大于35，分辨明显；黑色靶板外露于靶纸外的部分吸收可见光和红外光，靶纸白色或绿色部分的灰度值与靶板在图像上的灰度值均值差值大于150，便于识别靶纸边界。

但当有绿光以外的可见光，特别是红光照射靶纸上并反射到图像传感器上时，靶纸的白色与绿色部分反射光量差别很大，在图像传感器形成图像时会导致吸收红光等可见光明显的靶纸绿色部分在图像上明显呈现黑色，使弹孔的识别非常困难，所以选择安装绿光和红外双通道滤光片的图像传感器

道林纸和双胶纸，吸水性差，对覆膜后的靶纸边缘位置以及实弹射击击穿后的弹孔位置，雨淋后不会形成因靶纸吸水而导致吸水区域反光性差，光透过靶纸照到黑色靶板上被吸收，而在图像上形成黑色区域，可能引起设备误报靶。

在室外阴天、自然光光强有变化的环境下，分别使用双带通滤光片和不使用滤光片连续进行测试的某组数据如下：

滤光：532nm±10nm和光通780nm以上双通道滤光片，也就是滤掉可见光波段除了532nm±10nm以外的所有光，透过的是532nm±10nm波段的绿光和780nm以上的红外光。

本发明的实现包括以下步骤：

图像传感器判断当前的环境亮度,在昼间自然光照或光线较亮的室内环境下，图像采集设备获取靶纸图像。在夜间或者光照强度低于设定要求的环境下,自动控制白绿双色灯珠的照明灯,对靶纸进行照明,以提高靶纸区域亮度。

靶纸区域亮度符合要求后，取得全景图像，选择靶纸中心区域图像，基于该区域靶纸的图像条件，通过靶标中心调光算法调整图像采集设备的快门、增益等参数得到满足算法要求的图像。

其中，靶标中心调光算法包括以下步骤：

对于区域图像，获取区域图像的平均亮度值；

将区域图像的平均亮度值与阈值进行比较；若区域图像亮度值大于阈值，则降低增益、减少快门时间，调低图像亮度；否则，增加增益、增加快门时间，提高图像亮度。分别对于昼间和夜间，根据设定的增益与图像亮度值之间的线性关系、以及设定的快门时间与图像亮度值之间的线性关系，进行线性调节。本实施例中，对于昼间，降低或增加的后的增益值为1-4；对于夜间，降低或增加的后的增益值为12-16。

实弹射击或者激光器照射靶纸后，利用已经调整好状态的相机拍摄靶纸图像，其中图像采集设备图像传感器上贴有绿光和红外双通道滤光片，在获取经过处理的靶纸图像后，对于靶纸的白色和绿色部分，能够限制灰度值差值，弹孔和弹着点部分的灰度值差值也更加明显。

激光射击至靶纸时，通过降低增益、减少快门时间，将靶纸的图像全域亮度调低，将太阳光照射靶面褶皱等凸起部位形成的亮点调整为低于背景亮度阈值范围的点，而因激光功率高、激光点亮度大，靶纸图像中的激光点亮度高于激光亮度阈值，形成能够区分激光点的靶纸图像。所述背景亮度阈值为靶面中凸起点形成的亮点的亮度高于靶面平均亮度的最高值；所述激光亮度阈值为激光点灰度值高于靶面平均亮度的最低值。

本实施例中，激光射击至靶纸时，在不干预图像传感器的情况下，在太阳光照射靶面时，靶面图像灰度值高、亮度大，靶纸凸起的位置在阳光照射下在图像形成亮点。通过测量，调整增益、快门，使靶纸图像平均灰度值≤30时，靶纸凸起部分形成的图像亮点灰度值≤50，激光点的中心图像灰度值≥70，可以准确区分和识别。所以当设置激光点亮度高于靶纸平均亮度的激光亮度阈值为30时，可以准确区分和识别激光点。

夜间无太阳光照射时，通过白绿双色灯珠的照明灯对靶纸进行照明，图像采集设备通过中心调光算法，获取理想的靶纸图像。

靶纸粘贴在黑色靶板上，靶纸上含有实弹弹着点时，靶纸部分因存在黑色靶板为衬板，并不会直接观测到因后侧有光照而导致贯穿性弹孔形成的亮点，黑色衬板在图像上表现为黑色，弹孔外延存在弹药药灰，并与纸张摩擦，在图像上呈现为灰黑色。对于激光点图像取得，由于采用红外和绿光双模激光发射器，激光点在靶纸上亮度大，也可通过灰度值差值识别。

在得到了靶纸图像后，根据靶纸上的灰度值差值，确定弹孔或激光点位置。

因图像传感器在成像过程中，使用了中心区域调光算法，所成图像会根据CMOS图像传感器获取图像的中心区域的平均亮度对相机的增益、快门等进行调整，所以不同的滤光条件和不同的靶纸会因绿色区域的光强度不同，而导致相同光照条件下白色区域输出的图像灰度有差别。

1.使用双带通滤光片：当C＝80％、M＝0％、Y＝80％、K＝0％，靶纸白色部分(无图案的留白部分，下同)灰度值72-81、靶纸绿色部分(图案部分，下同)灰度值67-76、弹孔部分(子弹贯穿靶纸后的通孔部分，下同)灰度值26-33

靶纸弹点：包括弹孔和子弹与靶纸摩擦产生的灰黑部分。靶纸以黑色靶板作为衬板；子弹贯穿靶纸后形成的孔为弹孔，因有衬板所以不会造成靶纸弹孔透光而在图像上形成亮点。弹孔的中心因纸张被贯穿后，黑色衬板吸光导致在图像上呈黑色，弹孔的外沿，是因带有火药灰的弹头与纸张摩擦，而使弹孔在图像上呈灰黑色。

无滤光片：靶纸白色部分灰度值88-97、靶纸绿色部分灰度值38-45、弹孔灰度值24-30

2.使用双带通滤光片：当C＝80％、M＝10％、Y＝80％、K＝0％，靶纸白色部分灰度值74-83、靶纸绿色部分灰度值62-71、弹孔灰度值24-31

无滤光片：靶纸白色部分灰度值84-93、靶纸绿色部分灰度值36-43、弹孔灰度值23-30

3.使用双带通滤光片：当C＝80％、M＝0％、Y＝80％、K＝5％，靶纸白色部分灰度值70-79、靶纸绿色部分灰度值59-69、弹孔灰度值21-31

无滤光片：靶纸白色部分灰度值85-94、靶纸绿色部分灰度值39-47、弹孔灰度值19-28

4.使用双带通滤光片：当C＝80％、M＝10％、Y＝80％、K＝5％，靶纸白色部分灰度值72-83、靶纸绿色部分灰度值57-69弹孔灰度值21-30

无滤光片：靶纸白色部分灰度值80-90、靶纸绿色部分灰度值30-38、弹孔灰度值20-29

当，C值在70-90％和Y值在70-90％内时，靶纸上图案为绿色，且反射光光子强度曲线波峰在532nm±10nm,与激光器波长532nm匹配。靶纸中绿色印刷部分反射光强，则该部分在cmos图像传感器上所形成的的图像亮度高，可与真实弹孔图像形成反差，利于图像识别的稳定和可靠。

当C值和Y值不在上述范围内时，所印刷的靶纸反射光光子强度曲线波峰不在532nm±10nm范围内，在使用光通在532nm±10nm和光通780nm以上双通道滤光片时，对成像也会产生影响，会导致印刷部分在图像上变暗。

5.使用双带通滤光片：当C＝80％、M＝16％、Y＝80％、K＝0％，靶纸白色部分灰度值73-82、靶纸绿色部分灰度值55-64弹孔灰度值22-35

无滤光片：靶纸白色部分灰度值88-97、靶纸绿色部分灰度值34-41、弹孔灰度值19-28

6.使用双带通滤光片：当C＝80％、M＝22％、Y＝80％、K＝0％，靶纸白色部分灰度值70-80、靶纸绿色部分灰度值45-56弹孔灰度值20-28

无滤光片：靶纸白色部分灰度值90-98、靶纸绿色部分灰度值33-41、弹孔灰度值18-26

7.使用双带通滤光片：当C＝80％、M＝0％、Y＝80％、K＝8％，靶纸白色部分灰度值68-77、靶纸绿色部分灰度值50-58弹孔灰度值20-31

无滤光片：靶纸白色部分灰度值83-94、靶纸绿色部分灰度值31-39、弹孔灰度值19-28

8.使用双带通滤光片：当C＝80％、M＝0％、Y＝80％、K＝12％，靶纸白色部分灰度值69-76、靶纸绿色部分灰度值42-52弹孔灰度值19-27

无滤光片：靶纸白色部分灰度值82-91、靶纸绿色部分灰度值29-38、弹孔灰度值18-25

当靶纸中绿色部分的最小灰度值(绿色部分的最黑点)和弹点的最大灰度值(弹点外沿部分)差≤20时，弹孔的黑度特征不显著，特别是命中原来弹孔附近导致与原弹孔部分重叠后，弹点扩大部分外沿黑度低且面积小，与绿色部分及图像噪声难以区分，在靶标晃动、局部阴影等情况下，导致弹孔识别率低。

当M值大于20或K值大于10时，靶纸颜色变深，且随着M和K值增加，绿色变得更深，会导致靶纸图像的灰度值更小、图像更黑。

亚光膜，可以采用PET塑料或BOPP预涂膜哑光膜(在本发明中采用的为BOPP预涂膜哑光膜)，义乌市康顺包装材料有限公司，型号1205预涂哑膜。

如图3、图4所示，为了实现全环境防逆光，本发明采用防雨避光罩，图像采集设备具有外壳，用于将图像采集设备安装于外壳内，外壳上开设有与图像采集设备镜头对应的通孔；防雨避光罩安装在外壳上，并位于通孔的一侧；防雨避光罩包括固定座11、螺母13、螺杆14及遮罩15，本实施例的遮罩15为金属结构、喷涂亚光漆，遮罩15的内壁贴有防反光黑色eva材料，可以通过外形结构物理挡光，防止光线反射照到图像采集设备的镜头。遮罩15通过螺杆14固定在固定座11上。遮罩15安装位置，根据测算，在图像采集设备与靶标处于固定距离和定焦镜头配合情况下，遮罩的左右两侧挡板刚好将靶标左右两侧的光线完全遮住，可避免靶标左右两侧光线照射图像采集设备引起的逆光。对于靶板上侧，通过旋转下压遮罩15，可以确保靶板以上位置全部遮光。不使用时，折转置于镜头上侧；本实施例的固定座11呈倒置的“U”形，“U”形开口的两侧边均设有安装板12，“U”形开口的两侧边上以及遮罩15的两侧均开设有连接孔，所述螺杆14的一端由一侧“U”形开口侧边上的连接孔以及遮罩15上的连接孔插入，螺杆14的另一端位于固定座11的外部，使遮罩15通过螺母13及螺杆14，固定在固定座11上。防雨避光罩还可以防止雨滴滴落、溅落在图像采集设备的镜头上。

Claims (7)

1.一种用于视频报靶的图像采集装置，包括含有图像传感器的图像采集设备，其特征在于，所述图像传感器上贴有双通道滤光片；

所述图像采集设备，用于通过获取双通道光，生成任何光照条件下靶纸的图像；

所述靶纸制图的CMYK值为：C=70-90%、M=0%-10%、Y=70-90%、K=0%-5%；

打印或印刷后的靶纸进行双面覆膜处理，所述覆膜为亚光膜。

2.根据权利要求1所述的一种用于视频报靶的图像采集装置，其特征在于，所述图像采集设备，对于选取的靶纸区域的区域图像，根据区域图像进行调光。

3.根据权利要求1所述的一种用于视频报靶的图像采集装置，其特征在于，所述图像采集设备外侧设有防雨避光罩；所述防雨避光罩包括固定座（11）、遮罩（15）、螺母（13）及螺杆（14），固定座（11）安装于图像采集设备的外侧，所述遮罩（15）通过螺杆（14）与固定座（11）转动连接，并在转动到位后通过螺母（13）锁紧螺杆（14），实现所述遮罩（15）与固定座（11）保持相对固定。

4.根据权利要求1所述的一种用于视频报靶的图像采集装置，其特征在于，所述双通道光为绿色光和红外光。

5.一种用于视频报靶的图像采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取双通道光，形成包括靶纸在内的全景图像；

选取靶纸区域的区域图像，图像采集设备根据区域图像进行调光；

获取任何光照条件下靶纸的图像；

采用电脑绘图或制图时，图片模式为CMYK，于白色靶纸底面上绘制目标图案；其中，目标图案的CMYK值分别为C=70-90%、M=0%-10%、Y=70-90%、K=0%-5%，然后于靶纸上打印或印刷目标图案，打印或印刷时输出图片模式为CMYK；

印刷时，采用蓝、红、黄、黑四色印刷或打印。

6.根据权利要求5所述的一种用于视频报靶的图像采集方法，其特征在于，实弹射击时，所述调光，包括以下步骤：

对于区域图像，获取区域图像的平均亮度值；

将区域图像的平均亮度值与平均亮度阈值进行比较；

若区域图像亮度值大于平均亮度阈值，则降低增益、并减少快门时间，以调低图像亮度；

否则，增加增益、并增加快门时间，以提高图像亮度。

7.根据权利要求5所述的一种用于视频报靶的图像采集方法，其特征在于，激光射击时，所述调光，具体为：

图像采集设备降低增益、并减少快门时间，使光线照射靶面凸起部位形成的亮点调整为低于背景亮度阈值的点，而靶纸区域图像中的激光点亮度高于激光亮度阈值，形成能够区分激光点的靶纸图像；

所述背景亮度阈值小于激光亮度阈值；

所述光线为太阳光、白绿双色照明光中的一种或两种。