一種基于區(qū)域標(biāo)記的彈孔環(huán)值判定方法

張立民，柳華林，王海鵬，李雪騰

(海軍航空大學(xué)， 山東 煙臺(tái) 264001)

近年來，在視頻圖像處理技術(shù)發(fā)展的大背景下，基于計(jì)算機(jī)視覺的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)因快速、精確、安全、低成本等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用研究[1-3]。但大多停留在整體系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和彈孔檢測識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)研究，具體到系統(tǒng)的其他方面，還經(jīng)不起實(shí)際打靶視頻的考驗(yàn)。環(huán)值判定是自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)的最終環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)上靶彈孔環(huán)值的準(zhǔn)確判定，是系統(tǒng)有效性和準(zhǔn)確性的集中體現(xiàn)。因此，對(duì)于自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)的環(huán)值判定部分進(jìn)行研究具有重要應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。

基于計(jì)算機(jī)視覺的自動(dòng)報(bào)靶研究在彈孔環(huán)值判定部分所采用的方法基本建立在靶面幾何校正[4]工作的基礎(chǔ)上，采用歐式距離判定法[5]進(jìn)行彈孔環(huán)值的判定，該方法原理簡單，理想情況下可以精確實(shí)現(xiàn)彈孔的環(huán)值判定。實(shí)際靶場環(huán)境下，無論是成像設(shè)備和靶面的相對(duì)空間位置關(guān)系還是鏡頭的自身原因，采集的靶紙圖像必然存在一定程度的畸變，因此，該方法實(shí)際應(yīng)用過程中需要建立在靶面幾何校正的基礎(chǔ)上，通過將環(huán)線校正為標(biāo)準(zhǔn)的圓形以進(jìn)行圓心和半徑的檢測以及彈孔環(huán)值的判定,因此該方法的時(shí)效性和判靶的準(zhǔn)確性較差，難以應(yīng)用于工程實(shí)際。灰度值躍變法[6]可以省略靶面圖像的畸變校正工作，相比歐式距離判定法，在簡化程序的同時(shí)，提高了彈孔環(huán)值判定的準(zhǔn)確性，但該方法需要獲取準(zhǔn)確的靶面有效區(qū)域，在此基礎(chǔ)上對(duì)無效彈孔進(jìn)行甄別去除，同時(shí)，在彈孔坐標(biāo)位置選擇[5]上該方法具有局限性，僅適用“最內(nèi)測點(diǎn)”方法。在“彈心”方法下，即選取彈孔質(zhì)心[7]作為彈孔位置坐標(biāo)，當(dāng)彈孔與環(huán)線相切或彈孔落在環(huán)區(qū)部分面積較大時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的環(huán)值判定。區(qū)域標(biāo)記法[8]不僅解決了歐式距離判定法中繁瑣的靶面畸變校正工作，更進(jìn)一步克服了灰度值躍變法中彈孔坐標(biāo)位置選擇方面的局限性。但同時(shí)，該方法對(duì)胸環(huán)靶各區(qū)域、環(huán)線的完整性和獨(dú)立性要求較高。在目前的相關(guān)研究中，基本建立在靶面的顏色特性甚至人工參與的基礎(chǔ)上，通過區(qū)域生長等方法實(shí)現(xiàn)區(qū)域的標(biāo)記，在光照存在變化、靶紙存在抖動(dòng)的實(shí)際靶場環(huán)境下，無法保證系統(tǒng)判靶的準(zhǔn)確性以及智能化的實(shí)現(xiàn)。

本文在彈孔有效識(shí)別分割的基礎(chǔ)上對(duì)其環(huán)值判定方法展開研究。在靶面區(qū)域分割部分提出基于灰度值統(tǒng)計(jì)特性的閾值分割方法，解決靶場實(shí)際環(huán)境下，環(huán)線難以完整提取，靶面難以有效分割的問題。在靶面區(qū)域標(biāo)記部分，提出區(qū)域二次標(biāo)記方法，精確實(shí)現(xiàn)靶面有效區(qū)域的環(huán)值標(biāo)記。在彈孔坐標(biāo)確定部分,提出一種基于彈孔邊界的距離判定方法，快速定位彈孔代表位置。實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于區(qū)域標(biāo)記的彈孔環(huán)值判定方法精確有效，且具有良好的時(shí)效性和魯棒性。

1 靶面區(qū)域分割

靶面區(qū)域分割是區(qū)域有效標(biāo)記的基礎(chǔ)，也是環(huán)值判定準(zhǔn)確性的保障。傳統(tǒng)胸環(huán)靶由靶面有效區(qū)域和無效區(qū)域組成，圖1、圖2均為靶場實(shí)際環(huán)境下的胸環(huán)靶圖，可以看到，靶面有效區(qū)域分為墨綠色環(huán)區(qū)和白色環(huán)線兩部分。其中，本文將環(huán)區(qū)白色數(shù)字劃歸墨綠色環(huán)區(qū)部分，10環(huán)區(qū)域及墨綠色數(shù)字劃歸白色環(huán)線部分。無效區(qū)域?yàn)橛行^(qū)域以外的白色靶面。

胸環(huán)靶的顏色特性較為單一，灰度直方圖基本如圖3、圖4所示，灰度值分布呈現(xiàn)明顯的“雙峰”特性，墨綠色靶紙區(qū)域主要集中在直方圖的低灰度值部分，白色靶紙區(qū)域主要集中在高灰度值部分。理想情況下，不同顏色區(qū)域的灰度值存在明顯的界限，采用全局閾值處理的方式，通過Otsu方法[9]計(jì)算閾值，即可有效分割墨綠色靶面和白色靶面。

圖1 胸環(huán)靶1 圖2 胸環(huán)靶2

圖3 灰度直方圖1

圖4 灰度直方圖2

圖5、圖6分別為圖1、圖2基于Otsu方法的閾值分割結(jié)果，可以看出：圖1的環(huán)區(qū)和環(huán)線區(qū)域可以被有效的分割，圖2的環(huán)線缺失明顯，無法實(shí)現(xiàn)環(huán)區(qū)和環(huán)線區(qū)域的有效分割。因此，在復(fù)雜的靶場環(huán)境下，受光照變化和靶紙抖動(dòng)等因素的影響，胸環(huán)靶圖像不同區(qū)域的顏色特性往往會(huì)發(fā)生微弱變化， 單純的依靠波谷中心位置的閾值選取無法滿足復(fù)雜環(huán)境下的靶面區(qū)域分割。

圖5 閾值分割1 圖6 閾值分割2

本文基于胸環(huán)靶灰度圖統(tǒng)計(jì)特性，改變閾值的確定方法，提出基于灰度值統(tǒng)計(jì)特性的閾值分割方法，選取墨綠色靶面灰度值的代表值作為閾值，最大限度的抑制墨綠色區(qū)域的干擾而突出白色環(huán)線。為實(shí)現(xiàn)閾值的自動(dòng)確定，本文采用墨綠色靶面灰度值統(tǒng)計(jì)分析的方式進(jìn)行閾值準(zhǔn)確獲取，首先通過掩模方式獲取具有代表性的墨綠色靶面部分區(qū)域，將其不同灰度值的像素?cái)?shù)進(jìn)行順序排序，然后以最大像素?cái)?shù)為起始，逆序依次取大于該像素?cái)?shù)的灰度值的像素?cái)?shù)并求和，直至像素?cái)?shù)和占全部像素?cái)?shù)的97%，結(jié)果如圖7所示，將對(duì)應(yīng)的灰度值集范圍的最大值作為二值化閾值T。

f(x,y)為靶紙圖像灰度圖，閾值處理后的二值圖像g(x,y)定義為：

(1)

如圖8所示，胸環(huán)靶的環(huán)線實(shí)現(xiàn)全部有效的提取，完全能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜靶場環(huán)境下環(huán)區(qū)和環(huán)線的有效分割。

圖7 灰度值曲線圖

圖8 本文閾值分割結(jié)果

2 靶面區(qū)域標(biāo)記

靶面區(qū)域標(biāo)記在靶面區(qū)域分割的基礎(chǔ)上，對(duì)靶面有效區(qū)域進(jìn)行連通區(qū)域標(biāo)記[10]，包括環(huán)區(qū)標(biāo)記和環(huán)線標(biāo)記兩部分。本文基于對(duì)靶面區(qū)域特性的分析，提出區(qū)域二次標(biāo)記方法，準(zhǔn)確對(duì)靶面區(qū)域進(jìn)行環(huán)值標(biāo)記。

2.1 靶面環(huán)區(qū)標(biāo)記

環(huán)區(qū)部分包括黑色靶環(huán)區(qū)域和白色數(shù)字區(qū)域(見圖5)，其中白色數(shù)字部分的面積或像素?cái)?shù)與黑色靶環(huán)區(qū)域存在明顯的差異，因此，本文在二值圖像領(lǐng)域以連通區(qū)域面積大小為參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)黑色環(huán)區(qū)中的白色數(shù)字進(jìn)行有效去除，獲得胸環(huán)靶環(huán)區(qū)如圖9所示。在環(huán)區(qū)圖中，每一個(gè)連通區(qū)域都是一個(gè)環(huán)區(qū)，代表著各自的含義，因此本文首先將連通區(qū)域進(jìn)行初次標(biāo)記，從而更好的獲取其面積、輪廓、質(zhì)心等幾何信息，標(biāo)記結(jié)果如圖10所示，其中顏色不同表示標(biāo)記值不同。

實(shí)際靶場環(huán)境下，圖像采集設(shè)備獲取的靶面圖像存在一定程度的畸變，但各環(huán)值區(qū)域的相對(duì)位置關(guān)系和面積大小基本保持穩(wěn)定。因此，本文從靶面各環(huán)區(qū)面積差異的角度出發(fā)，采用具有仿射不變性特征的區(qū)域像素?cái)?shù)作為環(huán)區(qū)識(shí)別、標(biāo)記的標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)像素?cái)?shù)的數(shù)量對(duì)各個(gè)環(huán)區(qū)進(jìn)行對(duì)應(yīng)環(huán)值的二次標(biāo)記，結(jié)果如圖11所示，其中，不同的顏色代表不同的環(huán)區(qū)標(biāo)記值，且標(biāo)記值從5開始遞增并和靶面區(qū)域代表的環(huán)值相匹配。

圖9 環(huán)區(qū)二值圖 圖10 環(huán)區(qū)初標(biāo)記

圖11 環(huán)區(qū)二次標(biāo)記

2.2 靶面環(huán)線標(biāo)記

靶面環(huán)線區(qū)域的獲取相對(duì)復(fù)雜，如圖5所示，6環(huán)、7環(huán)的環(huán)線區(qū)域和胸環(huán)靶無效區(qū)域相連通，無法直接獲取其環(huán)線的準(zhǔn)確閉合區(qū)域。本文采用形態(tài)學(xué)處理[11]中的腐蝕運(yùn)算獲取靶面有效區(qū)域和環(huán)線邊界，并以此為基礎(chǔ)準(zhǔn)確獲取胸環(huán)靶環(huán)線區(qū)域。

本文在環(huán)區(qū)二值圖的基礎(chǔ)上，通過取反、腐蝕、十環(huán)區(qū)域去除、再取反、再腐蝕的對(duì)稱操作，將靶面有效區(qū)域邊緣收縮到原來位置，同時(shí)準(zhǔn)確獲得靶面有效區(qū)域，如圖12所示。然后與取反的環(huán)區(qū)二值圖進(jìn)行圖像代數(shù)運(yùn)算，精確獲得胸環(huán)靶環(huán)線二值圖，如圖13所示。在此基礎(chǔ)上，以仿射不變性的區(qū)域像素?cái)?shù)為標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用區(qū)域二次標(biāo)記方法進(jìn)行環(huán)線的初次標(biāo)記和二次標(biāo)記，生成結(jié)果如圖14、圖15所示，有效獲得標(biāo)記有環(huán)值的環(huán)線區(qū)域。

3 彈孔坐標(biāo)確定及環(huán)值判定

彈孔坐標(biāo)位置的選擇方法[5]通常有兩種：一種取決于彈孔在所屬靶面環(huán)值區(qū)域的面積大小，通常取彈孔的中心坐標(biāo)代表彈孔進(jìn)行環(huán)值的判定；另一種則是傳統(tǒng)意義上的“沾邊就算”方式，通常取彈孔的“最內(nèi)測點(diǎn)”代表彈孔進(jìn)行環(huán)值判定。當(dāng)子彈上靶形成的彈孔完全位于環(huán)區(qū)或環(huán)線部分時(shí)，兩種判定方法都能得到正確的環(huán)值。當(dāng)彈孔的部分區(qū)域位于環(huán)區(qū)或環(huán)線時(shí)，尤其是彈孔落在標(biāo)記值大的環(huán)值區(qū)域的面積較小時(shí)，取彈孔中心點(diǎn)的判靶方式會(huì)導(dǎo)致彈孔環(huán)數(shù)判定值偏小，無法真實(shí)的反映射擊者的射擊水平。因此，本文選取彈孔坐標(biāo)位置為“沾邊就算”方式下的坐標(biāo)位置，既符合對(duì)傳統(tǒng)報(bào)靶方式的認(rèn)知，同時(shí)也真實(shí)地反映了射擊者的訓(xùn)練成果和射擊水平。

圖12 靶面有效區(qū)域 圖13 環(huán)線二值圖

圖14 環(huán)線初標(biāo)記 圖15 環(huán)線二次標(biāo)記

在不進(jìn)行靶面校正的前提下，傳統(tǒng)的Hough圓檢測[12]等有關(guān)圓理論的靶心確定方式不再適用，本文在環(huán)線區(qū)域已知的前提下，采用質(zhì)心法確定靶心坐標(biāo)。選取10環(huán)區(qū)域、9環(huán)環(huán)線和8環(huán)環(huán)線三個(gè)連通區(qū)域，如圖13所示。然后，計(jì)算三個(gè)連通區(qū)域的質(zhì)心位置坐標(biāo)，最后求取三個(gè)質(zhì)心位置坐標(biāo)的平均值作為靶心位置坐標(biāo)。

基于“沾邊就算”方式的彈孔坐標(biāo)確定方法，使用彈孔區(qū)域中距離靶心最近的像素點(diǎn)代替彈孔進(jìn)行環(huán)值判定，在數(shù)學(xué)幾何層面上，做連接靶心和彈孔中心的線段，求其與彈孔區(qū)域邊界的交點(diǎn)，即為該判靶方式下的彈孔坐標(biāo)位置點(diǎn)。深入分析可知，該方法不僅要求靶心和彈心的坐標(biāo)值，而且需建立方程進(jìn)一步約束，導(dǎo)致彈孔判靶工作耗時(shí)嚴(yán)重。本文在此基礎(chǔ)上，去除彈心坐標(biāo)求取步驟，簡化“最內(nèi)測點(diǎn)”求取方式，提出一種基于彈孔邊界的距離判定方式，有效定位彈孔位置坐標(biāo)。

該方法首先獲取彈孔的輪廓或邊界信息，然后計(jì)算彈孔邊界點(diǎn)和靶心坐標(biāo)的歐氏距離，選取距離最小值對(duì)應(yīng)的彈孔邊界點(diǎn)作為彈孔位置的坐標(biāo)點(diǎn)。設(shè)靶心坐標(biāo)為(Xb,Yb)，彈孔邊界點(diǎn)的坐標(biāo)為(Xd,Yd)，之間的歐式距離d可以表示為：

(2)

彈孔及彈孔邊界放大圖如圖16、圖17所示，在此基礎(chǔ)上通過式(2)計(jì)算彈孔邊界像素點(diǎn)和靶心之間的歐式距離，其最小值對(duì)應(yīng)的彈孔像素坐標(biāo)即為彈孔的位置坐標(biāo)。

圖16 彈孔放大圖 圖17 彈孔邊界放大圖

靶面區(qū)域標(biāo)記的結(jié)果為環(huán)區(qū)標(biāo)記圖和環(huán)線標(biāo)記圖，各圖除有效區(qū)域標(biāo)記有確定環(huán)值外，其余為零，在已知彈孔位置坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，分別判定該坐標(biāo)位置在環(huán)區(qū)標(biāo)記圖和環(huán)線標(biāo)記圖對(duì)應(yīng)位置的標(biāo)記值并取兩者的最大值作為彈孔的精確環(huán)值。

4 驗(yàn)證與分析

本文靶面區(qū)域分割部分通過對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文算法能夠一定程度解決實(shí)際靶場環(huán)境下所獲取的靶環(huán)不連續(xù)的缺陷，實(shí)現(xiàn)光照變化和靶紙抖動(dòng)環(huán)境下的區(qū)域分割和環(huán)區(qū)與環(huán)線區(qū)域的分離，具有一定的魯棒性。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法的有效性和時(shí)效性，本文從胸環(huán)靶圖像(畸變)標(biāo)記、彈孔坐標(biāo)確定方法對(duì)照，以及理想靶面(無需進(jìn)行幾何校正)情況下與傳統(tǒng)歐式距離法的時(shí)效對(duì)比三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析。

4.1 胸環(huán)靶(畸變)圖像標(biāo)記

實(shí)際靶場環(huán)境下，存在胸環(huán)靶因各種外力因素，使得采集設(shè)備獲取的靶面圖像畸變嚴(yán)重。該部分實(shí)驗(yàn)采用本文提出的區(qū)域二次標(biāo)記方法進(jìn)行靶面有效區(qū)域的環(huán)值標(biāo)記，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖18、圖19所示?？梢郧逦目闯?，在復(fù)雜的實(shí)際靶場環(huán)境下，本文提出的區(qū)域二次標(biāo)記方法具有很好的準(zhǔn)確性，可以有效地實(shí)現(xiàn)胸環(huán)靶靶面有效區(qū)域的環(huán)值標(biāo)記。

圖18 環(huán)區(qū)標(biāo)記圖 圖19 環(huán)線標(biāo)記圖

4.2 彈孔坐標(biāo)確定方法對(duì)照

實(shí)際打靶過程中，子彈擊穿靶紙產(chǎn)生的彈孔其形狀具有差異性，因此，彈心坐標(biāo)的確定常規(guī)采用質(zhì)心法，本文以實(shí)際打靶過程中提取的彈孔為例(見圖16)，該彈孔的質(zhì)心坐標(biāo)為(325.74，649.18)，已知靶心坐標(biāo)為(482.17，600)，由兩點(diǎn)確定的直線方程大致可描述為：

Y=-0.314X+751.88

(3)

由于彈孔的形狀不規(guī)則，建立邊界方程非常復(fù)雜，采用像素遍歷的方式，自變量X自靶心橫坐標(biāo)值(482)開始依次遞減1個(gè)單位，并由方程獲得Y值，獲取直線方程上像素點(diǎn)位置，然后分別將這些位置值與已知彈孔區(qū)域像素的位置值進(jìn)行比對(duì)，記錄第一個(gè)既在直線上也在彈孔區(qū)域中的像素的位置值即為彈孔的位置坐標(biāo)。

該方法在像素位置進(jìn)行比對(duì)之前，需將直線方程確定的位置坐標(biāo)取整，該過程容易產(chǎn)生誤差，且經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的基于彈孔邊界的距離判定方式在環(huán)值判定方面更加準(zhǔn)確，且相較于該傳統(tǒng)意義彈孔位置確定的方式時(shí)間節(jié)省近10%。

4.3 彈孔環(huán)值判定方法時(shí)效對(duì)比

歐式距離判定法在理想狀態(tài)下由于其原理簡單，無復(fù)雜運(yùn)算，其時(shí)耗可以達(dá)到理論的最低值。該部分實(shí)驗(yàn)在圖像質(zhì)量較好、無需進(jìn)行靶面校正的胸環(huán)靶圖像基礎(chǔ)上展開，獲取其整個(gè)環(huán)值判定過程的時(shí)間消耗，并以此為參照，驗(yàn)證本文算法時(shí)效性。

基于歐式距離判定法的彈孔環(huán)值判定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

1) 預(yù)處理。刪除小區(qū)域干擾，獲得包含有清晰環(huán)線的二值圖。

2) 區(qū)域標(biāo)記。標(biāo)記步驟1的二值圖，求取各標(biāo)記區(qū)域橫縱坐標(biāo)的最值，并相應(yīng)做差，獲得候選直徑。

3) 完整環(huán)線區(qū)域確定。完整的環(huán)線區(qū)域中，橫縱坐標(biāo)最值確定的兩個(gè)直徑的長度大致相同，通過閾值設(shè)置，篩選出完整的環(huán)線區(qū)域。

4) 靶心和靶環(huán)間距確定。取多個(gè)環(huán)線區(qū)域確定的靶心和靶環(huán)間距的均值作為胸環(huán)靶的靶心和靶環(huán)間距。

5) 彈孔坐標(biāo)位置確定。采用本文基于彈孔邊界的距離判定方式獲取彈孔的準(zhǔn)確位置。

6) 采用文獻(xiàn)[5]的環(huán)值判定公式進(jìn)行判靶。

本文在Intel(R) Core(TM) i5-6200U CPU @ 2.30GHz 2.40 GHz處理器和8.00GB內(nèi)存的筆記本設(shè)備上展開實(shí)驗(yàn)，分別采用該歐式距離判定法和本文提出的基于區(qū)域標(biāo)記的彈孔環(huán)值判定方法，對(duì)10個(gè)彈孔的環(huán)值進(jìn)行判定，耗時(shí)情況如表1所示。

表1 彈孔環(huán)值判定時(shí)耗 s

由表1可以清晰的看出，本文提出的基于區(qū)域標(biāo)記的彈孔環(huán)值判定方法在時(shí)耗方面已經(jīng)逼近理想狀態(tài)下的歐式距離判定法，即彈孔環(huán)值判定的理論最低值，因此，本文算法具有優(yōu)越的時(shí)效性。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)現(xiàn)有環(huán)值判定方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和總結(jié)，提出一種基于區(qū)域標(biāo)記的彈孔環(huán)值判定方法。該方法分別在靶面區(qū)域分割、靶面區(qū)域標(biāo)記和彈孔坐標(biāo)確定3個(gè)方面提出基于灰度值統(tǒng)計(jì)特性的閾值分割方法、區(qū)域二次標(biāo)記方法和基于彈孔邊界的距離判定方法，有效解決靶場實(shí)際環(huán)境下完整環(huán)線獲取困難、靶面區(qū)域難以有效分割的實(shí)際問題，并通過“沾邊就算”的彈孔坐標(biāo)獲取方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)射擊者訓(xùn)練成果和射擊水平的真實(shí)反映。試驗(yàn)表明，本文提出的彈孔環(huán)值判定方法在不需要進(jìn)行靶面校正工作前提下能夠?qū)崿F(xiàn)彈孔環(huán)值的準(zhǔn)確判定，且具有魯棒性好、時(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。