曹希霆，賈敏智

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

實(shí)彈射擊訓(xùn)練對(duì)場(chǎng)地要求苛刻，而且需要消耗大量彈藥，訓(xùn)練效率低且消耗大。因此出現(xiàn)了模擬射擊系統(tǒng)，現(xiàn)有的模擬射擊系統(tǒng)主要有以下幾類[1-4]：1）用激光器和光電傳感器。槍上安裝激光發(fā)射器，在目標(biāo)靶上安裝光電傳感器，通過光電傳感器陣列檢測(cè)激光照射位置得到成績；2）用攝像頭。直接把攝像頭安裝到槍上，通過檢測(cè)圖像中靶子的位置得出成績；3）用激光器和攝像頭。激光器安裝在槍上，光束集中于一點(diǎn)，攝像頭安裝在合適的位置，通過圖像檢測(cè)激光照射位置得到成績。但以上幾類都有一些缺點(diǎn)，例如靶子上有電氣元件或固定攝像頭造成使用不方便，精度不高，攝像頭受其他光線干擾等問題。為了克服這些缺點(diǎn)，在本文在這幾種系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新的模擬射擊系統(tǒng)。

1 原理及結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理是：安裝系統(tǒng)時(shí)在目標(biāo)靶上安裝標(biāo)定點(diǎn)，訓(xùn)練時(shí)用固定在槍上的攝像頭得到目標(biāo)靶圖像，圖像中標(biāo)定點(diǎn)的位置隨著瞄準(zhǔn)位置的變化而變化，根據(jù)圖像中標(biāo)定點(diǎn)位置得到成績。為使標(biāo)定點(diǎn)易于捕捉，標(biāo)定點(diǎn)采用逆反射材料，并在槍上加裝半導(dǎo)體紅外激光器。當(dāng)瞄準(zhǔn)到目標(biāo)靶上時(shí)激光覆蓋到標(biāo)定點(diǎn)，使標(biāo)定點(diǎn)亮度增加。激光器和攝像頭在訓(xùn)練過程中一直處于工作狀態(tài)，槍上處理系統(tǒng)得到瞄準(zhǔn)坐標(biāo)后通過藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)上傳給模擬顯示系統(tǒng)，生成瞄準(zhǔn)軌跡并保存到數(shù)據(jù)庫。在扣動(dòng)扳機(jī)時(shí)槍上系統(tǒng)向模擬顯示系統(tǒng)發(fā)送特殊標(biāo)志，確定射擊環(huán)數(shù)和具體位置。模擬顯示系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、分析等操作。訓(xùn)練槍上的檢測(cè)系統(tǒng)硬件以ARM9處理器S3C2440[5]為核心。

標(biāo)定點(diǎn)所用材料為反光晶格貼片，具有很強(qiáng)的逆反射特性，當(dāng)瞄準(zhǔn)到目標(biāo)靶上時(shí)，激光光斑覆蓋到標(biāo)定點(diǎn)，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的逆反射光線。由于太陽光光譜主要分布在可見光區(qū)域，而激光具有方向性好且波長固定等特性，因此在鏡頭前加裝紅外窄帶帶通濾光片，并降低圖像傳感器的曝光時(shí)間，可以減少太陽光及其他光線的干擾。在圖像上標(biāo)定點(diǎn)與背景的亮度形成明顯差異，使檢測(cè)難度大大降低，可以在S3C2440上完成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 目標(biāo)靶

本系統(tǒng)通過圖像處理系統(tǒng)得到目標(biāo)靶上標(biāo)定點(diǎn)的位置來獲得射擊成績。為了方便高效地獲取標(biāo)定點(diǎn)位置，利用了逆反射現(xiàn)象。逆反射是指反射光線從靠近入射光線的反方向，向光源返回的反射。當(dāng)入射光線的方向在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，仍能保持這種性質(zhì)，如交通標(biāo)志。在目標(biāo)靶上粘貼反光晶格貼片使激光發(fā)生逆反射，這樣槍上的攝像頭可以接收到更多的反射激光。

在目標(biāo)靶上設(shè)置標(biāo)定點(diǎn)，可以用來標(biāo)定目標(biāo)靶位置。但在多人多靶同時(shí)訓(xùn)練時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)瞄錯(cuò)靶的情況，產(chǎn)生錯(cuò)誤成績。為避免這種情況的發(fā)生，在目標(biāo)靶上設(shè)置多個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，對(duì)目標(biāo)靶進(jìn)行編碼。如圖2所示，A，B，F(xiàn)，G為固定點(diǎn)，C，D，E用來編碼。

圖2 標(biāo)定點(diǎn)示意圖

2.2 訓(xùn)練槍

訓(xùn)練用槍是在普通的槍上加裝激光器、攝像頭模塊、圖像處理系統(tǒng)和藍(lán)牙通信等模塊后實(shí)現(xiàn)的。

1）激光器在本系統(tǒng)中的作用主要是使標(biāo)定點(diǎn)產(chǎn)生逆反射光，增加標(biāo)定點(diǎn)亮度。調(diào)整出射光散射角使激光可以覆蓋到所有標(biāo)定點(diǎn)。為了避免在瞄準(zhǔn)時(shí)標(biāo)定點(diǎn)產(chǎn)生的反射光對(duì)射擊者產(chǎn)生視覺干擾，采用了功率為30 mW、波長為980 nm的紅外激光器。

2）攝像頭模塊用來獲取目標(biāo)靶圖像，訓(xùn)練過程中一直處于工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)獲得目標(biāo)靶圖像，通過圖像處理系統(tǒng)確定標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)，從而得到成績以及整個(gè)瞄準(zhǔn)過程的軌跡，方便分析射擊者的技術(shù)特點(diǎn)，提高訓(xùn)練效率。

攝像頭加裝980 nm窄帶帶通濾光片。性能參數(shù)為：半高寬為20 nm，截止深度OD3-C，中心波長980 nm，峰值透過率T〉90%。截止范圍200～2 000 nm內(nèi)光波的透過率為0.001，970～990 nm范圍波段除外。由于所選激光器波長固定為980 nm，經(jīng)濾光后標(biāo)定點(diǎn)更容易檢測(cè)。

3）圖像處理系統(tǒng)以S3C2440微處理器為核心。S3C2440芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)有多種控制器以方便對(duì)外設(shè)的操作，這里主要用到攝像頭控制器和LCD控制器。攝像頭模塊接相應(yīng)引腳，扳機(jī)經(jīng)改造后接外部中斷EINT4。S3C2440設(shè)計(jì)有3個(gè)串口，在本系統(tǒng)中urat0用于程序調(diào)試，urat1接藍(lán)牙模塊與模擬顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線通信。

4）藍(lán)牙通信模塊，采用的藍(lán)牙模塊為主從一體，可通過AT指令設(shè)置相關(guān)參數(shù)。訓(xùn)練槍的藍(lán)牙模塊設(shè)置為從模式。

2.3 模擬顯示系統(tǒng)

該部分主要由PC機(jī)和藍(lán)牙模塊組成。藍(lán)牙模塊可以進(jìn)行一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多的組網(wǎng)通信。PC機(jī)上的藍(lán)牙模塊設(shè)置為主模式，可以與多個(gè)從模式藍(lán)牙模塊同時(shí)通信。PC機(jī)通過藍(lán)牙模塊得到數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理、顯示、保存等操作。

3 圖像處理

圖像獲取及檢測(cè)都在S3C2440平臺(tái)上完成，成績及瞄準(zhǔn)軌跡等數(shù)據(jù)的顯示、記錄、分析由模擬顯示系統(tǒng)完成。圖像處理程序的開發(fā)環(huán)境為Fedora17，開發(fā)調(diào)試工具有arm-linux-gcc、arm-linux-gdb、JLlink等硬件、軟件工具。模擬顯示系統(tǒng)程序采用VC2008開發(fā)。

圖像的獲取是由攝像頭模塊和S3C2440上的攝像頭控制器來完成。攝像頭控制器的接口輸入為YCbCr 4∶2∶2格式的數(shù)據(jù)，得到圖像數(shù)據(jù)后通過2個(gè)DMA通道將數(shù)據(jù)傳輸至相應(yīng)緩沖區(qū)：通過P通道將轉(zhuǎn)換后得到的RGB值送至RGB幀緩沖區(qū)；通過C通道把Y，Cb，Cr分別送至Y幀緩沖區(qū)、Cb幀緩沖區(qū)、Cr幀緩沖區(qū)。同時(shí)S3C2440還采用了Ping-Pong Memory Hierarchy，使圖像檢測(cè)更為方便，如圖3所示。

圖3中C-port Y1，C-port Y2，C-port Y3，C-port Y4為4個(gè)Y值幀緩沖區(qū)，可存儲(chǔ)連續(xù)4幀的像素點(diǎn)亮度值，4個(gè)緩沖區(qū)地址可以相同也可以不同。本系統(tǒng)中只用C通道的Y值，設(shè)置4個(gè)緩沖區(qū)為不同地址，并且關(guān)閉P通道節(jié)省總線資源。

圖3 Ping-Pong Memory Hierarchy示意圖

對(duì)上述4個(gè)Y緩沖區(qū)進(jìn)行掃描檢測(cè)得到各標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為瞄準(zhǔn)坐標(biāo)后通過藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)傳送給模擬顯示系統(tǒng)。程序檢測(cè)最新的一幀數(shù)據(jù)，通過讀取寄存器CICOSTATUS的[27:26]位可以得到攝像頭控制器當(dāng)前正在操作的緩沖區(qū)的序號(hào)。例如：如果控制器正在向C通道Y2傳數(shù)據(jù)，則程序?qū)通道Y1進(jìn)行掃描檢測(cè)；如果控制器正在向C通道Y1傳數(shù)據(jù)，則程序?qū)通道Y4進(jìn)行掃描檢測(cè)。

然后進(jìn)行圖像傳感器內(nèi)部寄存器的設(shè)置。OV7670的內(nèi)部寄存器要通過SCCB總線來設(shè)置，其中關(guān)鍵的幾個(gè)寄存器的代碼如下：

Wr7670（0x12,0x10）；//設(shè)置為 QVGA 模式，并使其輸出格式與S3C2440相匹配；

Wr7670（0x9f,0x01）；Wr7670（0xa0,0x07）；//調(diào)整 AEC/AGC（自動(dòng)增益和曝光時(shí)間），縮短曝光時(shí)間使周圍物體亮度減小，突出標(biāo)定點(diǎn)。

扣動(dòng)扳機(jī)時(shí)，進(jìn)入中斷后向模擬顯示系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)標(biāo)志，通知模擬顯示系統(tǒng)該坐標(biāo)為著彈點(diǎn)位置。

4 模擬顯示系統(tǒng)程序

本系統(tǒng)采用藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信。藍(lán)牙通信系統(tǒng)采用一種很靈活的無基站組網(wǎng)方式，每個(gè)主設(shè)備可以與最多7個(gè)從設(shè)備同時(shí)通信。PC機(jī)使用USB藍(lán)牙模塊，并安裝藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)千月（BlueSoleil），該軟件可創(chuàng)建多個(gè)虛擬藍(lán)牙串口，虛擬藍(lán)牙串口的使用方式和普通串口相同。PC機(jī)主程序采用MFC開發(fā)，使用多線程技術(shù)通過虛擬藍(lán)牙串口與其他設(shè)備同時(shí)進(jìn)行通信。系統(tǒng)安裝時(shí)需要對(duì)槍上的攝像頭和激光器進(jìn)行校正。為了滿足用戶對(duì)訓(xùn)練人員信息管理和訓(xùn)練相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示、保存、分析，用戶程序可以根據(jù)使用者的具體要求進(jìn)行定制。

5 總結(jié)

在了解多種模擬射擊系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式后，查閱相關(guān)資料，筆者提出這種新的實(shí)現(xiàn)方式。系統(tǒng)使用方便，安全可靠，可在多種場(chǎng)所使用；可以多人多靶同時(shí)訓(xùn)練，也可以應(yīng)用到移動(dòng)靶和起倒靶的射擊訓(xùn)練中；不僅可以得到射擊者的成績，還可以記錄瞄準(zhǔn)軌跡，對(duì)射擊者的技術(shù)分析更加詳細(xì)，使訓(xùn)練效果更好。同時(shí)，在測(cè)試中也暴露出了一些不足，由于攝像頭的分辨率和鏡頭質(zhì)量的問題，造成圖像不夠清晰，影響成績的精度；由于幀率偏低，在目標(biāo)靶距離較遠(yuǎn)且訓(xùn)練槍晃動(dòng)比較嚴(yán)重時(shí)，連續(xù)兩幀圖像中的目標(biāo)靶位移偏大，造成成績不夠準(zhǔn)確?？梢酝ㄟ^使用更高分辨率和幀率的圖像傳感器，使用更好的鏡頭，或者優(yōu)化算法來克服這些不足。

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