一种影像式射击训练自动计分方法及装置的制作方法

专利名称：一种影像式射击训练自动计分方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种射击训练方法和装置，特别是，本发明利用数字影像摄取装置将影像摄取进计算机主存储器中，再由影像处理和计算机视觉算法观察分析其目标物的改变状况判断该射击者的射击准确度并依标准计算分数。
背景技术：
射击训练的机构、系统或是以射击游戏竞技的场所，一般需要射击训练的各行各业在射击测验均采人工方式勘查结果与计分。目前报靶系统包含振动式、音感式两种。以下分别说明之。
振动式世界各国军方与我国军方单位陆总研制之步枪振动式自动报靶系统，因不具测量弹着位置功能、系统复杂故障率高和环境影响故障率高等缺点不符使用，音感式德国厂商制作音感式自动报靶系统，也因受限环境因素故障率高、系统复杂维护不易、无法精确判定弹着位置与器材特殊价格昂贵等缺点。
为改良上述缺点经研究可采影像式制作报靶系统，加上兼具监视看靶功能、不受天候环境影响、系统简单维护容易与弹着测量精确度高等优点，并附加针对各项射击能力的判断，可加速训练的成效或娱乐的价值。
本发明主要是利用目前现有的光学电子装置与影像处理技术，再搭配资料勘探技术加以整合，再配合市场现有的需求加以研究所发明。以下针对所需利用之光学电子装置、影像处理技术、资料勘探技术加以说明。
一、光学电子装置其中光学电子装置主要是以CCD(Charge-Coupled Device)为其数字影像摄取系统，利用CCD影像感测组件来执行光电转换工作，其原理为利用光线照射物体，接着读取从物体反射回来的光，文件中黑色部分会吸收光，白色部分会比黑色部分反射回来较多的光，再依反射光强弱转换成电气信号的高低，如此就可以将整物体的影像依次转换成电气信号。这种传送扫描及光电转换方式，既简单又快速而且正确。CCD制造技术之发展相当快速，尤其在分辨率、灵敏度及使用寿命等各方面的性能不断提高，增加许多新的使用领域。例如安全监视用CCD摄影机的需求大增，另外电视影像对讲机、多媒体用CCD摄影机、影像电话、车用CCD摄影机等新兴产业亦在快速成长中，其它如数字电子静态照相机、电视会议系统、大众传播用摄影机及工业用机械臂CCD摄影机等亦被看好，使得整体产业用CCD摄影机需求量大幅成长。
CCD摄影机依产品用途分为四大类，如安全用途的闭路监视系统、影像处理系统、多媒体用途摄影机以及其它用途摄影机。每种各有其不同的背景环境、使用需求及发展条件。安全监视摄影机主要包括闭路监视摄影机和电视门铃对讲机二种，主要以安全用途为目的。为了保障本身的财产安全和员工的生命，各单位无不加强各种安全措施和系统设置，因此具有电子眼功能的安全监视摄影机与CCTV系统遂成为最重要也最普遍的安全器材与设施。
CCD-电荷耦合组件是一种硅基固态影像感测组件。该组件是利用半导体的技术累积成二维面形的数组，因其乃一为具高密度像素(pixel)，具有高分辨率及高感度之特性的固态影像感测组件，正逐渐取代传统摄像管，成为市场主流。
介于计算机与数字影像摄取装置的计算机通讯接口有两种USB接口通用序列总线(USB)是由计算机和电信业界所发展的一项新的装置通讯标准。USB在计算机主机和附加的外围设备之间，提供了功能强大、具备「热插」功能、「随插即用」的接口。
这些装置几乎可以是任何装置键盘、鼠标、摇杆、电话、扫瞄器、打印机、安全硬件锁、麦克风、喇叭、软盘机、照相机、调制解调器、CD-ROM光驱等等。
USB也能为众所期待的未来装置提供支持，例如，数字式订购线路(DSL)调制解调器以及电缆式调制解调器(Cable modem)。
1997年IDC的报告指出，至公元2000年前，可望有93％的桌上型计算机CPU及63％的打印机采用USB。
IEEE 1394接口早期苹果计算机原先开发出1394的接口是希望用于储存设备之应用，其接口称之为Fire Wire，1995年电机电子工程协会正式将其接口制订为业界标准，同时发展消费性电子与信息领域之结合共通接口，因此IEEE1394的应用领域涵盖信息家电与计算机周边，由于传输速度快慢一向是影响计算机外设与计算机相连时的讯号传输效率主要的因素，传输接口的速度愈快，就愈能够提供给数据传输量大的外围产品足够频宽。例如扫描仪、数字摄录放影机、数字相机等等，愈是数据传输量大的装置，愈是须高速传输接口才能确保执行效率。IEEE 1394具有自动设定拓扑的连接功能，主要采用树状的结构，每一个网络，都可以直接连接63台设备，在一个系统中最多可同时连结1,023个总线，而且每个节点可以自动取得ID，在构成的网络上，只要有任何一个新的装置加入，该装置即会自动取得一辨认码，如此将可节省寻址的工作。IEEE 1394的点对点(Peer to peer)的传输模式传送资料，使外围与外围之间，不需要透过个人计算机主机，即可进行串接及数据传输。
二、影像处理技术影像处理技术方面主要应用了影像二值化、边缘侦测和噪声消除的算法。
(1)影像二值化影像二值化乃是将影像的像素(pixel)其灰阶值(gray level)减少为黑白两种，以简化处理之复杂度，并且将影像特征突显出来，其主要关键就是找出影像的临界值(threshold)。在这临界值寻找技术中，最基本的就是用单一临界值T来分割影像直方图(histogram)，而分割是由逐个像素扫瞄，并根据像素的灰阶比临界值T大还是小，将该像素标记为物体还是背景像素来完成的，而这些方法的成功与否，都取决于直方图分割的好坏。
(2)边缘侦测边缘侦测乃是将影像信息简化，以降低其复杂程度，同时保留重要信息，即其外型边缘轮廓资料。边缘的分界线是在两个黑白区域之间所形成的，这里所要用的方法是模板匹配边缘侦测法(template matching edgedetector)，首先利用3*3屏蔽(mask)将所选的区域，转换为物体或背景颜色，然后利用局部性的分割来找出这些边缘点。此边缘侦测法首先要详细地分析每个影像点，然后经由边缘型式的比较，找出多方位的边缘点。
(3)噪声消除所谓噪声消除，就是将影像利用统计的方法以过滤(filtering)的技巧，把邻近像素相差较大的做处理。本研究采用噪声消除的方法有(a)Standard neighbors(STD)这是最简单最直接的分类方法，用到了屏蔽内所有像素的邻域来计算，虽然有最平滑的效果，但是会造成输出影像模糊化。
(b)K-nearest neighbors(KNN)只有在屏蔽内的K个值且其灰阶值最接近相关像素的才会用到，对n*n屏蔽而言，K值一般采用n*(n/2)+(n-1)。
(c)Symmetric nearest neighbors(SNN)选择像素灰阶值在中心点时在上述方法中尚细分为STD-MEA，STD-MED，STD-LEE，KNN-MEA，KNN-MED，KNN-LEE，SNN-MEA，SNN-MED，SNN-LEE。
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三、资料勘探(Data Mining)技术一般而言，资料勘探功能可包含下列五项功能分类(classification)·推估(estimation)·预测(prediction)·关联分组(affinity grouping)·同质分组(clustering)兹将这些功能的意义及可能使用的技巧简述如下分类按照分析对象的属性分门别类加以定义，建立类组(class)。例如，将信用申请者的风险属性，区分为高度风险申请者，中度风险申请者及低度风险申请者。使用的技巧有决策树(decision tree)，记忆基础推理(memory-based reasoning)等。推理根据既有连续性数值的相关属性资料，以获致某一属性未知的值。例如按照信用申请者的教育程度、行为别来推估其信用卡消费量。使用的技巧包括统计方法上的相关分析、回归分析及类神经网络方法。
预测根据对象属性的过去观察值来推估该属性未来的值。例如由顾客过去之刷卡消费量预测其未来的刷卡消费量。使用的技巧包括回归分析、时间数列分析及类神经网络方法。
关联分组从所有对象决定那些相关对象应该放在一起。例如超市中相关之盥洗用品(牙刷、牙膏、牙线)，放在同一间货架上。在客户行销系统上，此种功能系用来确认交叉销售(cross selling)的机会以设计出吸引人的产品群组。
同质分组将异质母体中区隔为较具同构型的群组(clusters)。同质分组相当于行销术语中的区隔化(segmentation)，但是，假定事先未对于区隔加以定义，而资料中自然产生区隔。使用的技巧包括k-means法及agglomeration法。
资料勘探技术大部分应用在顾客关系管理上，无人将其应用于教育训练上。
参考资料1.M.J.A.Berry & G.LinoffData Mining Techniques，John Wiley& Sons，Inc.19972.Piatetsky-Shapiro，G.，et al.，Knowledge Discovery inDatabases，AAAI Press/The MIT Press，1991。
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5.Fayyad，U.M.，et al，Advances in Knowledge Discovery and DataMining，AAAI Press/The MIT Press，1996。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种影像式射击训练自动计分方法及装置，利用该方法和装置可以减少观察射击结果的危险性及节省计分时所花费的时间，也增加人工纪录的效率与公正性。
一种影像式射击训练自动计分系统至少包含数字影像摄取装置，对准于射击目标物用以摄取上述射击目标物；传输连接线耦合于上述数字影像摄取装置；计算机通讯接口，其中将上述所摄取之影像传输到一计算机通讯接口；及主存储器，上述计算机通讯接口将所摄取的影像储存于该主存储器中；中央处理器，利用该中央处理器的计算能力对上述主存储器进行判断分析，将目标物射击前与射击后的影像摄取进入计算机，利用计算机程序加以分析判断计算成绩。
其中包含利用影像处理技术将目标物影像处理，包含步骤对第一影像作模糊化的动作产生第二影像，以去除影像噪声；对第二影像中靶环颜色做二值化的动作产生第三影像，二值化的动作是将靶环的颜色变成第一颜色，其余部分变成第二颜色；产生第三影像后找出一特定的定位点；及边缘侦测找出靶原有形状和射击后改变的状况。
本发明的技术方案，可应用于需要射击训练的机构或是以射击游戏竞技的场所，用于解决以往需要射击训练的各行各业在射击测验均采人工方式勘查结果与计分，不仅浪费时间、人力且易造成危安的问题。


图1为本发明系统架构。
图2为本发明各步骤处理的影像图形图3为标靶图。
图4为本发明决策树。
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明的较佳实施例
在图1、2、3和图4中，详细说明本发明的影像式射击训练自动计分系统及制造方法的一实施例。
如图1所示，本发明的系统包含数字影像摄取装置52，通常固定于一固定点，方向对准于射击目标物，数字影像摄取装置52通常包含但不限定为CCD、DV、数字相机等等。数字影像摄取装置52主要目的在于摄取所射击的目标物，并借助一计算机传输连接线将所摄取的影像传输到一计算机通讯接口112，该通计算机通讯接口通常为USB接口、IEEE 1394适配卡或是自行设计及特定的影像摄取卡。
计算机通讯接口112将所摄取的影像储存于主存储器123中，即可利用中央处理器121的计算能力对主存储器123中进行判断分析，假设摄取进来的影像为图2中的影形12，对影形12作模糊化的动作产生影形14，因为可以去除影形12中的噪声，影形14中靶环颜色做二值化的动作产生影形16，二值化的动作是将靶环的颜色变成白色，其余颜色变成黑色的一个动作，产生影形16后对其影像找出一特定的定位点，此例是以靶环的中心为定位点，找到定位点之后再对影形14以弹孔颜色做二值化的动作产生影形18，找出弹孔的位置和定位点后计算每一个弹孔位置与定位点的关系，之后即可计算射击者的射击成效。本系统更包含中央处理器124、总线控制芯片125、只读存储器126、时脉电路127以及储存装置128。
首先将所有靶定义出一个定位点，再把靶所有位置和该定位点的关系定义出来，并定位出靶上所有位置的分数，如图3的图形32与图形34定位头顶为其定位点，再定义靶上每一个点和定位点的相对位置，如图3的图形32中的命中点，相对坐标定义为0，100分数定义为-10，如图3的图形34中的命中点，相对坐标定义为0，100但分数定义为10，把各种不同靶的每一个相对位置与分数分别储存于数据库中以供查询。
例如持刀靶相对位置数据库如下

例如持枪靶相对位置数据库如下


假设已知射击图3中图形32持刀人型靶，而射击射击后则如图3中图形32程序即可找到图形32中所有的弹孔，每一个弹孔位置和定位点比较相对位置，范例如下

总分8分又以图3中图形34持枪人型靶为例


总分28分射击者射击至相同的地方但因为靶目标物不同，所以计算机系统会依目标物的不同搜寻不同的数据库，相同位置的弹孔会产生不同的分数，不需要因为目标物的改变而重新撰写系统与程序，可增加系统的可移植性。
首先我们先建立一个数据库表格如下

利用资料勘探算法可产生图4的决策树假设有一学员射击结果如下

利用图4所定义的决策树即可推论该学员成长性为高。首先，判断前半平均减后半平均之绝对值是否大于一数值，例如10，若否，则定义其位阶为中等。若是，则判断后半平均是否大于前半平均，若是，后半平均减前半平均是否大于一第二数值，例如40，则依据不同判定，定义等级为极高或高。若上述后半平均小于前半平均则接续判断前半平均减后半平均是否大于第二数值。依据是与否分别定义为极低与低等级。
本发明除了成长性之外，尚可定义稳定性、准确性、判断力、适应力与耐久力等。本发明不需采人工方式勘查结果与计分，可节省时间、人力且易较安全。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，其旨在涵盖本发明申请专利范围的精神及范畴所含的不同与类似改良；本发明申请专利范围应以广义解释以涵盖上述所有及改良类似结构，因此在本发明的较佳实施例说明的同时，可以认知的是其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成之等效改变或修饰，均应包含在本发明专利要求保护的范围内。
权利要求
1.一种影像式射击训练自动计分方法，其特征在于利用数字影像摄取装置对准于射击目标物，摄取所述射击目标物的影像；利用传输装置与所述数字影像摄取装置连接；将摄取的所述射击目标物影像传输到一计算机通讯接口，将通过所述计算机通讯接口传输的摄取影像储存于计算机存储器中；利用中央处理器对所述存储器中所述目标物影像进行处理、判断分析；将目标物射击前与射击后的影像摄取后存入所述计算机，利用计算机程序加以分析判断、比对并自动计算射击成绩。
2.根据权利要求1所述的影像式射击训练自动计分方法，其特征在于对所述目标物影像进行影像处理，包含如下步骤对第一影像作模糊化处理产生第二影像，以去除影像中干扰图像信号；对第二影像中靶环颜色做二值化处理产生第三影像，所述二值化处理是将靶环的颜色变成第一颜色，其余部分变成第二颜色；产生第三影像后找出一特定的定位点；及利用边缘检测方法找出靶原有形状和射击后改变的状况。
3.根据权利要求2所述的影像式射击训练自动计分方法，其特征在于还包含如下步骤在找出弹孔的位置和定位点后，计算每一个弹孔位置与定位点的关系，并从所述计算机的数据库中寻找相关信息，所述数据库中可存贮有不同目标物的信息。
4.根据权利要求3所述的影像式射击训练自动计分方法，其特征在于将影像分析成射击结果储存于所述数据库的步骤是由计算机程序自动执行的，并可通过计算机存贮器中的所述数据库进行查询。
5.根据权利要求4所述的影像式射击训练自动计分方法，其特征在于还包含评价学员成长性步骤，其步骤如下判断前半平均减后半平均的绝对值是否大于第一数值，若否，则定义其水平等级为中等，若是，则判断后半平均是否大于前半平均，若是，则判断后半平均减前半平均是否大于一第二数值，则依据是与否判定定义等级为极高或高；若上述后半平均小于前半平均则接续判断前半平均减后半平均是否大于第二数值，依据是与否分别定义为极低与低等级。
6.根据权利要求1所述的影像式射击训练自动计分方法，其特在于连接所述影像摄取装置的计算机通讯接口包含但不限定于USB接口、IEEE1394接口或自行设计的影像摄取接口其中一种。
7.一种采用权利要求1所述方法的影像式射击训练自动计分装置，其特征在于包括至少一个对准射击目标物的数字影像摄取装置、用于传输摄取影像数据的传输装置、计算机及其通讯接口、存储器和中央处理器；所述数字影像摄取装置通过所述传输装置连接到所述计算机通讯接口，目标物射击前与射击后的影像及其处理程序存贮于所述计算机存储器并可通过所述中央处理器对所述影像进行处理、判断、对比分析并输出结果。
8.根据权利要求7所述的影像式射击训练自动计分装置，其特征在于所述计算机通讯接口为USB接口、IEEE 1394接口或自行设计的影像摄取接口。
9.根据权利要求7所述的影像式射击训练自动计分装置，其特征在于所述数字影像摄取装置为CCD、DV、静态或动态数字相机。
10.根据权利要求7所述的影像式射击训练自动计分装置，其特征在于所述存储器中存在有存贮所述影像的数据库和对所述影像进行处理、判断、对比分析并自动计算输出射击结果的计算机程序。
全文摘要
本发明公开了一种影像式射击训练自动计分方法及装置,首先射击者使用一射击器将射击物射向一目标物,接着利用数字影像摄取装置将影像摄取进计算机主存储器中,再由影像处理和计算机视觉算法观察分析其目标物的改变状况判断该射击者的射击准确度并依标准计算分数,在依射击者的表现对其射击的各项能力作出评估报告。本发明针对所有射击场所需要从一定的距离观察靶位的环境下使用,其目的在于减少观察射击结果的危险性及节省计分时所花费的时间,也增加人工纪录的效率与公正性。
文档编号G06T5/40GK1347040SQ0113645
公开日2002年5月1日 申请日期2001年10月18日 优先权日2001年10月18日
发明者林建志 申请人:英威廉科技股份有限公司