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自动报靶系统的设计

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2020年4月19日
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目录

摘 要 I
关键字 I
Abstract I
Key word I
1引言 1
1.1自动报靶在国内的研究 1
1.2基于图像处理技术自动报靶系统 1
1.3研究的意义 2
2传感器物理特性分析 2
3 交汇测量原理简介 3
4 数据储存 4
4.1 CCD信号的处理和检取 4
4.2 S/H和ADC选择 4
4.3 信息压缩与储存 5
4.4 地址发生器 6
4.5 子弹成像点的确定 7
4.6 交汇角的计算 7
5 数据处理 7
6 总结与展望 8
6.1总结 8
6.2展望 8
参考文献 9
致谢 10

自动报靶系统的设计

摘 要
针对于军事射击的项目特点，起于数字图像的处理、识别技术，给出了自动报靶系统的设计方案和实现的算法。这个系统经过了对图像采集、图像处理、弹孔提取和环值判定，去实现自动报靶、数据管理（包括统计、记录、分析）等功能。

关键字
图像处理；系统设计；图像采集；自动报靶

Design of automatic target scoring system

Abstract
According to the characteristic of the military rifler,a scheme of automatic target-scoring system is presented in this paper,based on digital image processing and recognition technology.This system can realize the function of automatic target-scoring and date management(statistics,record,analysis)etc,by image gathering,image process,and bullet-spot’s recognition and scoring.

Key word
Automatic Target-scoring;Image Process;System Design

1引言
传统的报靶主要依靠是人工实现，存在的精确度不高、安全隐患比较大以及人力资源分配的不足。现在的市场上一些关于自动报靶的产品中应该普遍成本高、系统比较复杂，而且占用场地等一些缺陷。就当前来说，弹丸中靶的坐标测量普遍都采用弹丸穿过实心靶留下弹痕，射击者使用望远镜或借助于闭环电视系统估算出每一弹丸的中靶坐标。这设计的自动报靶系统是一种对着靶位置进行自动测量的系统，采用确定在光学经纬仪上的CCD期间作为探测元件，弹丸经有效靶面才在CCD上面成像，经过视频放大、ADC转换、数据处理等送入微机，经过正交汇的原理可计算得出弹丸着靶的精确位置坐标。这种测量方法效率很低，测量精确度差。
1.1自动报靶在国内的研究
自动报靶是跟随着现在的科学技术的进步发展起来的很新型报靶技术。当前，中国军中的设计训练器材的性能情况还很落后，大多数都是人工报靶，只有少数是自动报靶系统。其中原因有二点：第一是自动报靶系统的科技含量高，成本相对较高；二是少数模拟训练系统，只能去自己模拟训练，不能进行实弹射击，训练的质量还难以保证，因为这个，射击训练器材重心放在真正使用的自动报靶系统的研发上。二是当前国内的自动报靶系统技术还不够成熟，系统环境的适应性差、性能单一，不能满足部队训练需求；为适应科技强军的需求，国内有许多企业对这进行研究，相继开发出多类射击自动报靶系统。这此产品按其功能的实现能够分为：声电定位自动报靶系统、半导体电子靶系统、基于图像处理技术的报靶系统。
1.2基于图像处理技术自动报靶系统
根据图像处理技术的迅速发展壮大和计算机运算速率的不断提升，数字图像处理技术，特别是图像识别技术已经在诸多领域中得到了相当之广泛的应用。例如，汽车自动驾驶系统、人脸识别、指纹识别与匹配系统等都是图像识别技术在现实生活中的典型应用。“基于图像处理技术的自动报靶技术”就是这样一个包括了图像采集、图像识别和数据处理的典型系统。自动报靶都是采取图像处理有关技术来进行实现，这个产品是根据计算机图像的识别的处理为基本。在实弹进行射击过程中，它是经过摄像头对常规标准靶图像进行采集，根据采集来的靶图像的变换和特点，经过计算机图像识别技术来确定出靶图像的真实弹点，然后利用判定弹点再靶中的具体位置来确定弹点的中环位数。对于不同的靶位上的每一次射击都采用完全相同的算法、规则和精确度来进行对比、比人工报靶更客观，更公正，有非常高的可用性。使用这样一种自动报靶系统就好比是使用了一个“电子烟”，它会替代报靶人员的眼睛，在实弹射击的过程当中不间断的对靶面进行精确地测量。
1.3研究的意义
自动报靶系统不只是在提高射击效率、节省人力和避免报靶时的人员安全隐患的同时，而且能自动进行统计而且显示出射击成绩，确保射击成绩的真实性，实现迅速、准确的落点报告。图像处理类在成本上基本只需要摄像头和计算机，而且伴随着图像处理新技术。随着新方法的连续提出，有一种声电定位报靶和半导体电子报靶这两类产品在技术上的不足制约了它们在部队中作为平时训练使用的普遍性，因此研究低成本，精度高和适应能力强的自动报靶系统成为部队所追求的产品，在报靶精度和适应性上也将逐渐满足军队要求，因此研究基于图像处理的军用报靶系统对于部队现代化具有推进作用，在部队的应用中具有极其广阔的前景。
2传感器物理特性分析
报靶系统是由传感器（特制的头靶、胸靶、胸环靶、身靶）进行数据采集、精确检测到击中靶子的信号是成功自动报靶的关键，这个系统的报靶传感器使用一种特制的靶子，它的双面各有一层导电橡胶体或其它导电的软质材料，反面的导电橡胶接连地线，正面的一层橡胶按胸环靶样式用绝缘材料割成不同的环位和方位区域，而且在不同的区域分别引出信号线。当子弹经过靶子的瞬间，靶子双面的导电橡胶层接通，此刻在相应区域的信号线上就能产生接地的脉冲信号，靶的8个环位和8个方位总共16种脉冲信号同时输出。胸靶结构的示意图如图一所示。设靶子的厚度是0.02m，弹速是400m/s，因此输出的接地脉冲宽度低于50us。为了能够精准的检测，就一定要对这些脉冲信号进行整形和展宽前期信号的处理，用CPLD技术对数据采集好而且处理的实现，引出较常规的数据处理相比，引出同时使用简易和减少产品造价，数据采集板还要实现从并行到串行之间的转换。

3 交汇测量原理简介
交汇测量原理如图1所示，有CCD摄像机和经纬仪成角测量系统，测量飞行弹丸空间角的位置;图1中CDEF位有效靶面，P位弹着靶面，以靶心O为原点,AB=L位基线，有y1=PG-OO1,x1=AG-AO1，令Y=PG,X=AG,则y1=Y-OO1，x1=X-AO1，三角函数变换知

X1=1 (1)

Y1=1 (2)
其中α，β由光电经纬仪测出

4 数据储存
系统框图如图2所示，CCD视频信号放大滤波、S/H、二值化、A/D及DMA等一系列的措施存入单片机的系统内存，同时实行数据处理，单片机系统同时设置了对应的功能键，控制数据的显示与采集。

4.1 CCD信号的处理和检取
因为目标最小的过靶时间为70us，CCD器件的主频最多在10MHz。考虑到目标经过系统后在CCD器件上能呈现两个像元数，系统采用了日本松下公司的2592位线阵CCD MN8061A.其像元间距14us；当主频位10MHz时行积分时间为262.8us；在目标对象最小过靶的时间为70us时，呈像积分时间（占空比）是0.3，CCD驱动电路运用公司为MN8061A配套配置的MN8061A驱动板。
CCD模拟信号在单个目标越过靶位时信号基频为3.8kHz，经过对模拟信号幅度真实有效的5次以内谐波的考虑，视频通道带宽为20kHz。多个目标时，最多在一行之中有3个目标，但频率跌和，带宽约需30kHz。高于这个数值的大多呈显背影信号，电路中能够滤除。
4.2 S/H和ADC选择
依据以上的参数，视频放大选用AD521，低滤波选取TC36376.从主频10MHz和逐像元采样开拔，ADC转换的速度超过10MHz。本系统试量目标的CCD模拟信号的电压变化梯度很大，因此在ADC之前设S/H。
4.3 信息压缩与储存
实现CCD数字信号的快速储存是这个系统的关键技术。CCD输出视频信号的位处理时间仅需100ns，如果想到位处理时间大于S/H时间、RAM时间和ADC时间之和的关系，储存时间应该低于20ns。
采取对CCD视频信号进行二值化和ADC双重处理方法（DMA技术）。原理如图3所示。
DMA由8只8D暂存器和相对应的8组RAM以及地址发生器3部分组成，RAM的容量可跟据需要抉择。图示这种情况下，RAM位8 k b*8，可储存24行CCD数字信号，8D暂存器可运用74HC系列74HC373，其数字设立时间为20ns。
DMA工作的历程：8D暂存器的食醋胡控制端接R/W信号，R/W信号还经过8个8线三状态暂存器管制DMA和计算机数据总线路道，两个8拍分配器输出的时序一样，地址发生器位16位，高13位输入RAM，低3位输出8拍分配器，因此每8个时钟脉冲8组RAM地址同时升一位。
对于顺序输入的CCD视频数值信号每一位，只允许由被8拍分配器置”+”的一组8D暂存器转存，转存的时间是20ns。转存的数字信号，包含转存时的稳定过程，由于8D暂存器的输出端处于允许输出的状态，而且会一并显现在输出线上，但此时与之前8D暂存器，相对应的RAM处于抉择之外（CS=1)，RAM处于拒存的状态，当且仅当下一个时钟输入之后，才会处于写入状态。
因此，对于每一次输入到CCD的数值信号仅用20ns存入暂存器，同时入手对RAM写入，对RAM的写入时间长达700ns，实现了数据的高速传输。

4.4 地址发生器
地址发生器是由4片8位双移位暂存器74HC198组成，其中的两片输出缓存置于导通状态，是用于产生16位地址，另两片是用来地址记忆，原理如图4.
如果现在CCD输入行中出现了二值信号，D触发器置1，在当前行结束，也将下一个同步脉冲到来时，IC1和IC2强行在下一行起始的地址输入记忆，同时在行同步脉冲有效期间又转存IC1和IC2，因为两者无差别，该转存的过程没有意义，地址在同步脉冲之后继续运行。如果下一行没有二值化信号，IC1和IC2写入该行末尾的地址。IC1和IC2在同步脉冲作用期间向IC1和IC2并行输入依旧是该行的起始地址，因此DMA对没有二值化信号的CCD行重复在原地址进行依次刷新，直到下一个有二值化信号的CCD行储存之后才转入下一地址。采取这种技巧的优点是能够压缩大量无效数据，节省内存，减少处理时间，更加要紧的是能够防止由于内存不足出现漏弹情况；在白昼测量时，全部都能省略预置弹种，还有弹速的计算步骤，从而应时启动CCD的复杂流程；夜晚需适时开启照明系统。上述的计算步骤是必要的，只要在照明期间有子弹经过就不会产生漏弹现象。
4.5 子弹成像点的确定
由以上硬件电路保证接连不断的对线阵CCD视频信号进行存储和采样，电路设计上可存储2行的数据。A/D变换的过程中，阀值判定电路担负子弹像点的判断工作，当A/D变换数据呈现突跳，则意味着子弹像点的形成；计算机对本行以及前一行和后一行的采样数据进行逐点加计算，溢出时按照最大值进行处理。加法运算的进行过程就是数字滤波的过程，三行加和的数据”暗点“当值低于某个阀值时，即当做是子弹成像点。这样就能滤除因为外界光电干扰所引起的某行数据突跳的假象点。
每个CCD扫描行都有2592个数据，以图5说明滤波的过程。
4.6 交汇角的计算
测量系统都有线阵摄像机A和摄像机B（见图1），各自安装在两部经纬仪上。经过摄像机A位例说明交汇角的计算。
图6为交汇角运算的示意图，由图5阀值处理和数字滤波后显现了子弹图像的二值化数据，当把行同步脉冲设为92us时，就“淹没”了CCD的前92和像素，整行就是2500个采样数据点，像点脉冲的宽度为1~2个像素。以像点脉冲的起始点作为子弹的像点坐标，不可能影响计算精度。计算行同步将要达到像点脉冲的字节数对应像点在线阵CCD上的位置。图6中，ZZ1长度已知，由ZP1的字节数乘以14um即为ZP1的长度，则直角三角形Z1ZP1可解。解三角形Z1AA1，α1为经纬仪给出的角度。Z1A已知，可得AA1及即为图1中α，而式（1），（2）中的L需由AB减去AA1和对应的BB1。

5 数据处理
经过以上的数据采集经过计算机的数据是与CCD像元相对应的离散采样值。鉴于本系统中信号占有的像元数少数是两个、多数情况会是3个像元，因此采用线性插值方法，组建一个连续逼近函数，在这个原始之上利用求重心法求与实际目标比较接近的更精确位置。
6 总结与展望
6.1总结
在实弹射击的比赛和练习中，现在主要是依靠人工报靶，人工报靶不紧精度低、效率低、精确度差，而且还存在安全隐患。本文是以此为突破点，针对自动报靶进行研究，研制了一套基于图像处理技术的军用自动报靶系统，来攻克这一问题。
跟随研究的日益发展，对于自动报靶系统已经研究出很多有成效的办法。但因为成本和技术的原因很多方法并不能得到广泛使用。其中，因为图像处理技术的快速发展和计算机运算速率的不停提升，图像梳理技术应用和研究的领域正在快速的发展，基于此技术的自动报靶系统能够迅速发展。但之前的系统太多是面向运动类圆形靶设计，并没有针对胸环靶做异样的研究，现在已经研制出来的一些军事练习用自动报靶在识别算法上也没有考虑靶场环境和军事射击的需要，算法太过简单，因此识别率不高。本文正是以此为标杆，将数字图像处理技术运用于军事练习自动报靶的进程中，探索了对此有针对性的图像书别算法解决了上述问题而且进行了相对应的仿真，其识别结果基本上达到了人类的视觉基本水平。相比于大部分图像应用来说，自动识别依旧是将来才能进行的，图像的识别在现实上依旧是一项非常困难的工作。这就要求我们要不停的努力，勇于向以有的理论框架提出疑问而且改进它，才能勇于创新，形成新的理论思想和方法，开发出能够满足大部分领域要求的更完好的图像应用系统。
6.2展望
现在能够预见，数字图像处理技术上无论是在理论上还是在实践上都存在着巨大的潜力。图像处理技术将向着高速、高分辨率。立体化、多媒体化、智能化和标准化的方向发展。由于时间有限，利研条件的局限和作者知识、经验上的欠缺，论文还有待进一步的提高和完善：
（1）考虑新理论与算法的研究和应用。近年来，在图像处理领域引入了一批新的理论并提出了一些新的算法。
（2）加大训练时间力度，进一步检验该报靶方案的可靠性。

参考文献
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致谢
时光飞逝，四年的大学生活即将结束，在此论文完成之际，由衷的感谢那些给予过我帮助、鼓励。支持和关心的老师。同学。朋友以及家人。
虽然这次毕业设计的制作时间很紧，在西校区查资料也不是很方便，但经过这次毕业设计的制作，我感觉学到了很多东西，掌握了很多知识。在这里我首先感谢王旭导师在毕业设计过程中对我悉心的知道和帮助，她经常抽出宝贵的时间来询问毕业设计的情况。在这次毕业设计中她还指导了很多学生，任务非常繁重，可是她对每一项工作还是那么负责，对我耐心指导。从她负责指导我的毕业设计开始，就对我设计中的每一个环节都不遗余力的给于我帮助。在毕业设计的这段时间，她深厚的学术修养，严禁的治学态度，强烈的责任心和对学生的无私关怀，将令我收益终身。
在王旭导师的帮助下使我的毕业设计柳暗花明。也感谢其它导师对我毕业设计的指点和建议。同时，我还要感谢信息系的所有老师们，她们在大学生活的几年中给我的无私帮助，我将终生难忘。在平时的学习生活中，各位老师不辞辛劳的工作，使我在许多方面都达到了一个较高的层次。给我以后的工作与生活都有着非常有益的帮助！
最后说声：“老师们，你们辛苦了，谢谢你们在这四年中对我的谆谆教诲，是你们的帮助与教导奠定了我完成此项目的基础，我再次地感谢你们！”