一种基于近红外光成像的视觉识别报靶方法
阅读说明：本技术 一种基于近红外光成像的视觉识别报靶方法 (Visual identification target scoring method based on near-infrared light imaging ) 是由 孙立峰 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于近红外光成像的视觉识别报靶方法,包括如下步骤：射击前,通过图像采集装置采集靶板背景图像；射击瞬间,报靶终端向报靶主机发送射击信号,报靶主机控制一字线红外激光器发射出平行于靶板的红外激光,从而在靶板前端形成一面虚拟光屏障,并控制图像采集装置开启长曝光拍照,从而采集虚拟光屏障被子弹击穿时的打靶图像；射击后,报靶主机对靶板背景图像和打靶图像进行运算处理,从而确定中弹位置,并通过报靶终端反馈射击成绩。本发明摆脱了传统视觉分析报靶技术对于靶面弹孔的视觉分析依赖,用于中弹位置识别的图像与实物靶板无相关性,从根本上解决环境光照、靶板重孔和连孔等引起的误报和漏报情况,显著地提高了报靶的准确性和可靠性。(The invention discloses a visual identification target-scoring method based on near-infrared light imaging, which comprises the following steps: before shooting, acquiring a background image of the target plate by an image acquisition device; at the moment of shooting, the target scoring terminal sends a shooting signal to the target scoring host, and the target scoring host controls a word line infrared laser to emit infrared laser parallel to the target plate, so that a virtual light barrier is formed at the front end of the target plate, and controls the image acquisition device to start long exposure shooting, so that a shooting image of the virtual light barrier when being punctured by a bullet is acquired; after shooting, the target scoring host computer carries out operation processing on the background image and the shooting image of the target plate, thereby determining the position of the middle projectile and feeding back the shooting result through the target scoring terminal. The invention gets rid of the dependence of the traditional visual analysis target-scoring technology on the visual analysis of target surface bullet holes, the image for identifying the position of the middle bullet has no correlation with the real target plate, thereby fundamentally solving the false alarm and missing report caused by environmental illumination, heavy holes and connecting holes of the target plate and the like, and obviously improving the accuracy and reliability of target scoring.)
技术领域
本发明涉及射击报靶技术领域，特别涉及一种基于近红外光成像的视觉识别报靶方法。
背景技术
目前实弹射击比赛和训练中常用的自动报靶方式有：导电靶板式报靶、激波式报靶、光幕式报靶（对射式）和视觉识别式报靶这几类。其中，导电靶板式由于靶板属于耗材，射击训练中需要更换，成本较高。光幕式报靶技术由于报靶核心机构与射击靶板合并方式，使用中容易受弹损坏，使用和维护成本均较高。激波报靶技术是通过子弹飞行与空气摩擦产品的弹丸激波结合声学定位技术实现报靶，但是由于声波传输容易受空气温度、湿度和风力影响，因此实际在室外场景下的报靶精度和稳定性并不理想，不适于户外比赛或训练。视觉识别报靶技术利用摄像机结合机器视觉识别算法，对靶面弹孔进行识别，优点是电路结构简单、靶面校准简便、对温度和声音干扰抵抗性好，但是对环境光照敏感外，弹孔识别完全依赖于子弹穿透靶面所遗留的弹痕，射击过程中出现连孔、重孔、靶面污痕、异物干扰时容易产生误报、漏报。
为此，我们提供一种基于近红外光成像的视觉识别报靶方法。
发明内容
本发明提供一种基于近红外光成像的视觉识别报靶方法，其主要目的在于解决现有技术存在的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种基于近红外光成像的视觉识别报靶方法，包括靶板和报靶主机，还包括与所述报靶主机相连接的图像采集装置、一字线红外激光器和报靶终端，所述视觉识别报靶方法包括如下步骤：
（1）射击前，通过图像采集装置采集靶板背景图像；
（2）射击瞬间，报靶终端向报靶主机发送射击信号，报靶主机利用信号传输与子弹飞行的速度差，控制一字线红外激光器发射出平行于靶板的红外激光，从而在靶板前端形成一面虚拟光屏障；与此同时，报靶主机控制所述图像采集装置开启长曝光拍照，从而采集虚拟光屏障被子弹击穿时的打靶图像；
（3）射击后，报靶主机对靶板背景图像和打靶图像进行运算处理，从而确定中弹位置，并通过报靶终端反馈射击成绩。
进一步，所述一字线红外激光器的透镜采用鲍威尔透镜、波浪透镜或圆柱透镜。
进一步，所述一字线红外激光器的激光光源的波长为780-2526nm。
更进一步，所述图像采集装置为设有红外滤镜的工业相机，该红外滤镜采用与所述一字线红外激光器的激光光源同频段的带通红外滤光镜。
更进一步，在步骤（2）中，图像采集装置的曝光时间根据所使用枪型、射击距离和一字线红外激光器的功率进行调整。
再进一步，在步骤（1）中，应先通过红外补光灯对靶板进行照明补光，再进行靶板背景图像采集。
进一步，所述报靶终端绑定于射手手腕或枪托位置，在步骤（2）中，报靶终端同时采集枪支产生的声压和后坐力加速度信息，当声压及后坐力加速度均大于设定阈值时，则向报靶主机发送射击信号
更进一步，在步骤（3）中，报靶主机向报靶终端发送射击成绩，报靶终端通过图像显示或语音播报方式反馈射击成绩。
进一步，在步骤（3）中，报靶主机对靶板背景图像进行处理时，首先进行梯形图像矫正，然后通过模板匹配位置进行靶面边界识别和靶心坐标识别，从而标定当前靶面区域坐标和靶心坐标，由此采集背景减除图像。
更进一步，在步骤（3）中，报靶主机对打靶图像的处理包括：结合所述背景减除图像进行背景减除处理，并进行梯形图像矫正，由此获取靶面对应区域图像，接着对靶面对应区域图像进行二值化处理和图像滤波处理，然后进行边缘识别和光斑识别，由光斑形状判断中弹位置、相对靶心方位和距离，最后输出中弹方位及中弹环数。
和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于：
1、本发明采用一字线红外激光器在靶板前形成一面虚拟光屏障，用于中弹位置识别，摆脱了传统视觉分析报靶技术对于靶面弹孔的视觉分析依赖，用于中弹位置识别的图像与实物靶板无相关性，从根本上解决环境光照、靶板重孔和连孔等引起的误报和漏报情况，显著地提高了报靶的准确性和可靠性。
2、本发明的工业相机设有与激光光源同频的红外滤镜，利用红外光的高指向性特性，采用工业相机的长曝光模式保证子弹穿越瞬间被工业相机捕捉到，从根本上解决了对于高帧速率相机的依赖问题。而且用于中弹位置识别的图像采集不依赖可见光，可以适应强光、低光、无光、夜间训练照明指示下等各类光照环境下的报靶。
3、本发明中报靶终端采用的加速度与声压双重触发原理，解决多组人员同时训练时的误触发问题，同时实现了射击中的脱靶状态报靶。
4、本发明以红外补光灯方式提供了靶面全局照明，无需切换红外滤光镜，即可实现对于靶面类型的识别、位置矫正和中心点识别。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中靶板与一字线红外激光器的结构示意图。
图3为本发明中虚拟光屏障被子弹击穿时的打靶图像。
图4为本发明中经减影运算后的图像。
图5为本发明中弹孔识别时的图像。
具体实施方式
下面说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。
参照图1和图2，一种基于近红外光成像的视觉识别报靶系统，包括靶板1和报靶主机2，还包括设置于靶板1前方，并与报靶主机2相连接的图像采集装置3和一字线红外激光器4。其中，一字线红外激光器4设置于靶板1与图像采集装置3之间，用于在射击时发射出平行于靶板1的红外激光，从而在靶板1前端形成一面虚拟光屏障41；图像采集装置3用于采集射击前的靶板背景图像和射击时虚拟光屏障被子弹击穿时的打靶图像（如图3所示）；报靶主机2用于控制图像采集装置3和一字线红外激光器4的相关操作，并对靶板背景图像和打靶图像进行运算处理，从而确定射击位置，并反馈射击成绩。
参照图1和图2，图像采集装置3为设有红外滤镜的工业相机，其中，工业相机选用支持带外部触发、大靶面、全局快门的工业面阵相机，采用低畸变镜头，镜头焦距根据工业相机的放置角度、距离、位置和相机传感器参数等共同确定；红外滤镜采用与一字线红外激光器的激光光源同频段的带通红外滤光镜，其半带宽≤40nm，峰值透光率80%以上，截止深度OD3及以上。此外，还包括设置于工业相机旁边的红外补光灯6。在开机或者更换靶板1时，应先通过红外补光灯6对靶板1进行照明补光，再进行靶板背景图像采集。红外补光灯6采用与一字线红外激光器4同频的光源，红外补光灯6的目的在于让工业相机可以拍摄到实物靶板图像，然后对图像进行分析，以确定当前所使用的靶板类型、靶板安装的位置（即靶板中心点）、以便在后续射击中对采集到光斑所对应的靶板位置（对应中弹位置）进行计算。
参照图1和图2，一字线红外激光器4的激光光源的波长为780-2526nm，其透镜采用鲍威尔透镜、波浪透镜或圆柱透镜，虚拟光屏障41的厚度控制在0.5-2mm左右。由于红外激光平行于靶板1照射，因此虚拟光屏障41在靶板1前方人眼是不可见的，并且没有物体穿越虚拟光屏障41时设有红外滤镜的工业相机所拍摄的图像也没有任何内容。而当子弹穿越虚拟光屏障时，由于子弹与红外激光相互干涉，从而产生光反射，此时通过工业相机可捕捉到光反射形成的光斑，该光斑的位置即为子弹穿过靶板1的中弹位置。参照图3至图5可知，由于本实施例中一字线红外激光器4是从靶板1底部往上照射的，所以折射出的光斑的实质上是子弹的弹头下边缘外围的反射光，因此实际的中弹位置是在光斑上方的中心点位置。除平行照射外，一字线红外激光器4的出光角度还可以根据与靶板1的距离而定，但应保证红外光完全覆盖靶面，靠近但不与靶面产生交联。
参照图1和图2，为了便于进行图像运算处理，报靶主机2内置计算机模块，采用支持千兆网口和低功耗的CPU，操作系统WINDOWS或Linux。
参照图1和图2，该视觉识别报靶系统还包括连接于报靶主机2的报靶终端5，报靶终端5绑定于射手手腕或枪托位置，用于在射击时向报靶主机2发送射击信号，并播报报靶主机1反馈的射击成绩。报靶终端5设有声压传感器和加速度传感器，射击时，报靶终端5同时采集枪支产生的声压和后坐力加速度信息，当声压及后坐力加速度均大于设定阈值时，则向报靶主机发送射击信号。报靶主机2和报靶终端5采用无线通信连接，通常情况下，无线传播速度约等于光速，即300000000m/s，95步枪子弹射速为950m/s，92式手枪子弹射速450m/s，由此可知，无线电波传播速度与子弹飞行速度之间的存在一定差值，报靶主机2在接收到射击信号时，利用该时间差启动图像采集装置3和一字线红外激光器4执行相关操作，从而控制在子弹到达靶板1前工业相机开启长曝光拍照，保证曝光时间内子弹越过虚拟光屏障41，此时所抓拍的图像上将呈现出一个半圆形光斑（如图3所示），而后对图像进行滤波、校准、光斑中心点识别，即可识别到本次射击的准确位置。
参照图1和图5，一种基于近红外光成像的视觉识别报靶方法，包括如下步骤：
（1）射击前，通过带红外滤镜的工业相机采集靶板背景图像。具体地，在开机或者更换靶板1时，应先通过红外补光灯6对靶板1进行照明补光，再进行靶板背景图像采集，红外补光灯6采用与一字线红外激光器4同频的光源。
（2）射击瞬间，报靶终端5同时采集枪支产生的声压和后坐力加速度信息，当声压及后坐力加速度均大于设定阈值时，则向报靶主机2发送射击信号。当报靶主机2接收到射击信号则控制一字线红外激光器4发射出平行于靶板1的红外激光，从而在靶板1前端形成一面虚拟光屏障41，同时报靶主机2控制工业相机开启长曝光拍照，从而采集虚拟光屏障被子弹击穿时的打靶图像。图3为采集到的打靶图像。
（3）射击后，报靶主机2对靶板背景图像和打靶图像进行运算处理，从而确定射击位置，并反馈射击成绩，报靶终端5播放报靶主机2反馈的射击成绩。而后各设备进入待机状态，等待下一次报靶触发指令。
参照图1和图5，报靶主机2对靶板背景图像进行处理时，首先进行梯形图像矫正，然后通过模板匹配位置进行靶面边界识别和靶心坐标识别，从而标定当前靶面区域坐标和靶心坐标，由此采集背景减除图像。如图4和图5所示，报靶主机2对打靶图像的处理包括：首先结合背景减除图像进行背景减除处理，并进行梯形图像矫正，由此获取靶面对应区域图像，接着对靶面对应区域图像进行二值化处理和图像滤波处理；然后进行边缘识别和光斑识别，由光斑形状判断中弹位置、相对靶心方位和距离，最后输出中弹方位及中弹环数。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
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