一种报靶系统的精确定位方法与流程

本发明属于靶标系统技术领域，涉及一种报靶系统的精确定位方法。

背景技术

目前使用轻武器实弹射击的自动报靶系统，在侦测弹着点位置的核心方法上，使用单一的超声波技术的系统的缺陷是：1、由于超声波的传输速度受气温气压等多种外部因素影响，报靶精度误差无法控制在5mm以下。2、换靶纸的时候，需要靶纸的位置精确贴在靶板的固定位置，或者需要额外的校正方式，否则就会产生报靶误差。使用单一图像识别技术的报靶精度高，但缺陷在于：1、对于非子弹或者跳弹产生的“弹孔”很难与真正子弹形成的弹孔进行区分，所以很容易产生误报。2、实弹射击中往往会出现弹孔轻度重合甚至完全重合的情况，单一的图像识别系统无法侦测到这种差别，也容易产生漏报。3、图像识别报靶系统若要做到实时报靶，算法需要全程实时监测整个靶标范围内的图像变化，对图像识别系统硬件的运算能力要求很高。

技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种报靶系统的精确定位方法，结合超声波与图像识别技术。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种应用于轻武器实弹射击自动报靶系统的超声波与图像识别技术复合精确定位的方法，包括如下进程：

预设超声波系统坐标系、光学系统坐标系与靶板平面坐标系的映射关系fs、fi；

获取子弹穿透靶纸的超声波信号；基于超声波信号获得弹着点的位置信息p以及时间信息t；

获取t之前的与t之后若干帧、以p为中心的一组图像信息i；

对i进行分析，确定弹着点在图像中的位置信息；

对i进行分析，根据靶纸图像特征信息，得到弹着点的报靶信息。

确定超声波系统坐标系、光学系统坐标系与靶板平面坐标系映射fs、fi，根据不同的靶标系统超声波传感器的安放位置，确定超声波传感器、靶板的相对空间位置，通过超声定位算法使超声波系统坐标与靶板所在平面坐标形成映射关系fs。根据不同的靶标系统光学传感器的安放位置，确定光学系统、靶板的相对空间位置，通过光学系统畸变参数进行算法校正，使光学系统坐标与靶板所在平面坐标形成映射关系fi。

优选的：超声波系统与光学系统相对于靶板位置参数固定后，fs、fi作为初始值，储存在系统存储单元中，每次报靶系统工作时，不需要再次进行确定fs、fi的初始化。

优选的：通过超声波传感器，用于获取超声波波形信号和时间信息并传输给信息处理单元，处理单元对信号波形与子弹超声波形特征进行比对，若相符则判定为子弹穿透靶纸的超声信号。其有益效果是：正常击中靶板的子弹所产生的超声波在自然界中几乎不存在，通过对这个信号的判别可以排除漏报和误报。

优选的：通过多个超声波传感器收到的多个的超声波信号，通过信号时间差与超声波信号传感器的位置信息，计算出弹着点在超声波系统中的坐标，对应超声波系统坐标与靶板平面的映射关系fs，计算出弹着点的靶板平面坐标位置p，并记录其中一个感应器的超声波信息的接收时间为t。其有益效果是：只需要指示子弹的大致位置，所以对超声系统的精度要求大幅降低，较传统超声波定位系统，无需使用温度传感器或者靶板超声波空腔等提升定位精度的技术，降低了成本，提高了适用性，从而可以在附加在普通靶标系统上使用。

当信号处理单元获取t之前，图像传感器获取至少一张靶纸的图像，并将图像传输给存储单元。当信号处理单元获取t后，获取t之后至少一张图像，根据光学系统与靶板所在平面坐标形成的映射关系fi，获取以p中心，不小于10mm为半径的t之前与t之后的一组局部靶纸图像i。其有益效果是：图像处理的数据变少，从而提升精度和速度。

对比t之前与t之后i的图像边缘变化，经图像边缘监测算法处理，确定弹着点。其有益效果是：当新弹孔与旧弹孔几乎重叠，图像变化很小也可检测出弹孔位置。

对i通过特征提取算法，找到i中靶纸特征图像，根据弹着点与特征图像的位置关系，计算出报靶信息根据弹孔的变化情况。其有益效果是：报靶精度与靶纸在靶板上位置无关，降低了安放靶纸的精度要求。

优选的：超声波传感器不少于3个。

优选的：超声波传感器处于靶板所在平面，接近靶机的位置。其有益效果是：可以安放在靶机上或靶机内部，提升系统的一体化程度。

优选的：使用高于10帧的摄像系统，获取多张t之前与t之后的图像。其有益效果是：用高帧速摄像系统，可以提升报靶速度；减少t之前和t之后i因非子弹因素如环境光变化、靶板晃动所造成的图像变化，使弹孔分析更准确；用多张照片进行图像对比，可以提升报靶精度。

优选的：光学系统采用短焦距镜头。其有益效果是：镜头可放置在靶机中，提升系统的一体化程度。

有益效果：本发明提供的报靶系统的精确定位方法及报靶系统，利用超声波方法判别子弹准确度高，图像识别方法报靶精度高的优势，将两种方法的优势结合起来，实现了一种无漏报、误报、准确度高、报靶速度快，而且容易更换靶纸的报靶方法，该方案一体化程度高，对靶板、靶机也没有特殊要求，可以加装在现有靶标系统以实现自动报靶，所以系统可靠，易用、适应性广。本发明中，由于子弹穿透靶纸所产生的超声波在自然界中几乎不存在，所以较于传统单一图像识别报靶方法，基于超声信息可以有效的排除其它非子弹穿透靶纸时所产生的误报；系统根据超声系统的时间信息和位置信息，减少了图像识别所需的照片数量以及图像大小，可以大大降低图像分析的难度和所需时间，并提升报靶精度，也避免了因为靶纸图像信息变化过小甚至无变化产生的漏报；另外由于本系统图像识别作为最后靶标信息的精确输出，而超声系统仅作为图像分析系统的指示信号，所以相较于单一的超声报靶系统，可以在降低超声定位精度的要求上，得到极为精确的靶标信息。

附图说明

图1为本发明公开的一个实施例的方法流程图；

图2为本发明公开的一个实施例的系统示意图；

图3为实施例的靶板示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种报靶系统的精确定位方法，包括：

预设有超声波系统坐标系与靶板所在平面坐标系映射关系fs、光学系统坐标系与靶板所在平面坐标系映射关系fi；

获取子弹穿透靶纸的超声波信号；基于超声波信号获得弹着点的位置信息p以及时间信息t；

获取t之前的与t之后若干帧、以p为中心的一组图像信息i；

对i进行分析，确定弹着点在图像中的位置信息；

对i进行分析，根据靶纸图像特征信息，得到弹着点的报靶信息。

该实施例中：所述超声波系统坐标系与靶板平面坐标系映射关系fs，具体是指：

根据不同的靶标系统超声波传感器的安放位置，确定超声波传感器、靶板的相对空间位置，通过超声定位算法，完成预设超声波系统坐标系与靶板所在平面坐标系映射关系fs。

所述光学系统坐标系与靶板平面坐标系映射关系fi，具体是指：

根据不同的靶标系统光学传感器的安放位置，确定光学系统、靶板的相对空间位置，通过光学系统畸变参数进行算法校正，完成预设光学系统坐标系与靶板所在平面坐标系映射关系fi。

所述获取子弹穿透靶纸的超声波信号，具体是指：

通过超声波传感器，获取超声波波形信号和时间信息并传输给处理单元，处理单元对信号波形与子弹超声波形特征进行比对，若相符则判定为子弹穿透靶纸的超声信号。

进一步的，所述获得弹着点的位置信息p以及时间信息t，具体是指：

通过多个超声波传感器获取到的多个的超声波信号，通过信号时间差与超声波信号传感器的位置信息，计算出弹着点在超声波系统中的坐标，根据预设的超声波系统坐标系与靶板所在平面坐标系映射关系fs，计算出弹着点的靶板平面坐标位置p，并记录其中一个超声波传感器的超声波信息的接收时间为时间信息t。

进一步的，所述获取t之前的与t之后若干帧、以p为中心的一组图像信息i，具体是指：

当信号处理单元获取t之前，通过图像传感器获取至少一张靶纸的图像，并将图像传输给存储单元；当信号处理单元获取t后，获取t之后至少一张图像，根据预设的光学系统坐标系与靶板所在平面坐标系映射关系fi，获取以弹着点的位置信息p中心，不小于10mm为半径的范围，t之前与t之后的一组局部靶纸图像i。

进一步的，对图像信息i进行分析，确定弹着点，具体是指：对比t之前与t之后i的图像边缘变化，经图像边缘监测算法处理，确定弹着点。

进一步的，根据弹着点以及图像i的靶纸特征信息，得到报靶信息，具体是指：对i通过特征提取算法，找到i中靶纸特征图像，根据弹着点与特征图像的位置关系，计算出报靶信息。

如图2所示，超声波传感器放置于靶板平面下方，靠近靶机的位置、通过超声定位算法使超声波系统坐标与靶板所在平面坐标形成映射关系fs。如图2所示：光学系统采用短焦镜头，放置于靶机上、通过光学系统畸变参数进行算法校正，使光学系统坐标与靶板所在平面坐标形成映射关系fi。

本系统超声波系统与光学系统的位置固定后，fs、fi作为初始值，储存在系统存储单元中，每次报靶系统工作时，不需要再次进行确定fs、fi的。

通过超声波传感器，用于获取超声波波形信号和时间信息并传输给信息处理单元，信息处理单元对信号波形与子弹超声波形特征进行比对，若相符则判定为子弹穿透靶纸的超声信号。

该实施例中：识别超声波特征波形为现有技术，可参照：

[1]《传感器世界》2006年04期《一种快速模板匹配的波形识别算法》倪永州田跃

[2]《北京生物医学工程》2015年03期《一种基于几何特征的ecg波形识别算法》李锋陈美丽

通过3个超声波传感器收到的3个的超声波信号的时间信息，超声波信号传感器的位置信息，以及超声波的在空气中的传输速度，计算出弹着点在超声波系统中的坐标，对应超声波系统坐标与靶板平面的映射关系fs，计算出弹着点的靶板平面坐标位置p，并记录第一个感应器的超声波信息的接收时间为t。该实施例中，没有靶板超声波腔体和温度传感器，上述弹着点在超声波系统中的坐标信息的精度误差不大于30mm。

该实施例中：弹着点坐标的算法可参考申请号为200410014100的专利中第7页第8页的算法。

本实施例中：系统使用60帧的摄像系统。当信号处理单元获取t之前，获取6张t之前的图像，并将图像传输给存储单元。当信号处理单元获取t后，获取t之后6张图像。根据光学系统与靶板所在平面坐标形成的映射关系fi，获取以p中心，以80mm为半径的t之前与t之后的一组局部靶纸图像i。

信息处理系统分别对i图像前6张与后6张图片通过锐化算法，得到更为清晰的子弹击中靶纸前后的2张图像，对这2张图像做减影处理，经图像边缘算法处理，确定弹着点。

该实施例中：图片的锐化算法可参照：

[3]《计算机与应用》2006年6月《一种基于小波变换的图像边缘增强算法》山东大学信息科学与工程学院张权张晶王欣

该实施例中：图像边缘算法可以参照：

[4]《基于多弹孔模式识别算法的智能报靶系统和方法》申请号为201611208474.0

[5]《基于各向异性高斯方向导数滤波器提取图像粗边缘的方法》专利申请号为201410686745.8

[6]《计算机与应用》2008年6月《图像边缘检测算法的对比分析》第二炮兵工程学院信息科学与工程学院四系邹福辉,李忠科

[7]《软件导刊》2013年06期《一种彩色图像的边缘检测算法》李雪林彭斯俊

对i通过特征提取算法，找到i中靶纸特征图像，如图3所示，靶纸的环线的圆弧为特征图像，根据弹着点与特征图像的位置关系，计算出报靶信息。

该实施例中：靶纸的同心圆靶线在i中的圆弧则为特征值，特征提取算法为现有技术，可参照：

[8]《基于角点的图像特征提取与匹配算法研究》薛金龙，2014.

[9]《基于局部特征的图像匹配与识别》宫明明，2014.

[10]《基于视觉信息的图像特征提取算法研究》戴金波，2014.

[11]《图像局部不变性特征与描述》王永明，王贵锦编著。

实施例二

如图2、图3所示，为一种报靶系统，包括靶板1、超声波系统、光学系统和靶机2；

所述靶机2中集成有处理单元和存储单元，存储单元用于存储指令，所述指令用于控制所述处理单元进行操作以执行上述的报靶系统的精确定位方法；

所述超声波系统包括至少三个超声波传感器3，光学系统包括至少一个图像传感器4；

本实施例中，所述图像传感器为不低于10帧的摄像机。更为优选的，摄像机采用短焦距镜头。如图2所示，超声波传感器3放置于靶板1平面下方，靠近靶机2的位置、通过超声定位算法使超声波系统坐标与靶板所在平面坐标形成映射关系fs；光学系统采用短焦镜头，放置于靶机上、通过光学系统畸变参数进行算法校正，使光学系统坐标与靶板所在平面坐标形成映射关系fi。

进一步的，所述报靶系统还包括报靶显示系统，用于对报靶信息（环数、位置、时间）进行显示。该实施例中：系统可在0.2秒之内得到包含环数、位置、时间等的报靶信息传输给报靶显示系统，及时让射手知道当前射击的情况。

该实施例中：本发明提供的报靶系统的精确定位方法及报靶系统，利用超声波方法判别子弹准确度高，图像识别方法报靶精度高的优势，将两种方法的优势结合起来，实现了一种无漏报、误报、准确度高、报靶速度快，而且容易更换靶纸的报靶方法，该方案一体化程度高，对靶板、靶机也没有特殊要求，可以加装在现有靶标系统以实现自动报靶，所以系统可靠，易用、适应性广。本发明中，由于子弹穿透靶纸所产生的超声波在自然界中几乎不存在，所以较于传统单一图像识别报靶方法，基于超声信息可以有效的排除其它非子弹穿透靶纸时所产生的误报；系统根据超声系统的时间信息和位置信息，减少了图像识别所需的照片数量以及图像大小，可以大大降低图像分析的难度和所需时间，并提升报靶精度，也避免了因为靶纸图像信息变化过小甚至无变化产生的漏报；另外由于本系统图像识别作为最后靶标信息的精确输出，而超声系统仅作为图像分析系统的指示信号，所以相较于单一的超声报靶系统，可以在降低超声定位精度的要求上，得到极为精确的靶标信息。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。