近年來，隨著圖像采集和處理技術(shù)的逐漸成熟，基于圖像快速識(shí)別技術(shù)的實(shí)用系統(tǒng)開始得到越來越多的關(guān)注。例如使用攝像頭進(jìn)行圖像采集的自動(dòng)保安報(bào)警系統(tǒng)、車載智能路面檢測系統(tǒng)、利用視頻采集" title="視頻采集">視頻采集和異常檢測技術(shù)檢查玻璃制品質(zhì)量的自動(dòng)化生產(chǎn)線等，其中一些系統(tǒng)的性能已經(jīng)達(dá)到實(shí)際商業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。但是，上述系統(tǒng)只是對視頻采集和圖像處理技術(shù)的簡單應(yīng)用，一般使用快速的圖像異常檢測方法就可以滿足要求。隨著硬件性能的不斷提高和視頻采集/處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，從攝像頭采集到的圖像質(zhì)量也越來越好，一些更高級的應(yīng)用進(jìn)入人們的視野，本文介紹的射箭計(jì)分控制系統(tǒng)就是基于對圖像的更深層次的分析設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。
　　傳統(tǒng)的射箭計(jì)分系統(tǒng)一般采用在箭靶后安裝傳感器的方法確定著靶點(diǎn)位置。但由于射箭時(shí)力量很大，傳感器非常容易損壞，需要經(jīng)常更換，而傳感器本身價(jià)格比較昂貴，因此整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本非常高，很難真正投入使用。隨著視頻處理技術(shù)的發(fā)展，利用攝像頭監(jiān)視射箭動(dòng)作并自動(dòng)計(jì)算靶環(huán)得分成為可能。由于攝像頭的價(jià)格低廉，不易損壞，與傳統(tǒng)的計(jì)分系統(tǒng)相比造價(jià)很低，因此具有很高的性價(jià)比，有很強(qiáng)的實(shí)際價(jià)值和良好的應(yīng)用前景。
　　在軟件設(shè)計(jì)上，本系統(tǒng)使用高清高速攝像頭采集箭靶圖像后，通過直方圖分析確定箭支上靶檢測的靈敏度，利用快速Hough變換的原理在圖像中提取直線，進(jìn)行去噪、排重和端點(diǎn)標(biāo)定后得到圖中的箭支線段位置，達(dá)到了較好的識(shí)別準(zhǔn)確率；在硬件設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)采用振動(dòng)檢測器和紅外裝置幫助監(jiān)視射箭動(dòng)作，另外利用串口通訊實(shí)現(xiàn)了靶車的自動(dòng)定位。該系統(tǒng)在實(shí)際中取得了良好的應(yīng)用效果。
1 射箭計(jì)分控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)
1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)
　　射箭計(jì)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是自動(dòng)引導(dǎo)用戶完成射箭、計(jì)分、拔箭的循環(huán)過程。圖1給出了系統(tǒng)的運(yùn)行示意圖。在整個(gè)過程中，為滿足商業(yè)和專業(yè)應(yīng)用的需要，必須達(dá)到以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：
　　·實(shí)時(shí)檢測所有上靶箭支，并對脫靶箭支提出警告，有一定的抗干擾能力；
　　·快速定位著靶點(diǎn)，計(jì)算靶環(huán)的準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上；
　　·在靶紙位置發(fā)生輕微偏移的情況下可以自動(dòng)校準(zhǔn)；
　　·著靶箭支超過一定數(shù)量后自動(dòng)回靶。

1.2 硬件設(shè)計(jì)
　　射箭計(jì)分系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和提供輔助功能的外圍設(shè)備" title="外圍設(shè)備">外圍設(shè)備組成，如圖2所示。外圍設(shè)備包括靶車、箭道滑軌以及射箭必備的弓箭等。在靶車上安裝有箭靶和攝像頭，箭道滑軌上裝有用于定位靶車的電機(jī)和控制電路以及各種信號(hào)傳輸線，在弓上安裝有小巧的振動(dòng)傳感器和紅外發(fā)送裝置。下面介紹各外圍設(shè)備的工作原理。
　　弓身上的振動(dòng)傳感器可以探測到箭射出時(shí)的強(qiáng)烈振動(dòng)，發(fā)出紅外信號(hào)，紅外接收器接收到該信號(hào)，產(chǎn)生中斷通知系統(tǒng)有箭射出。攝像頭以及配套的視頻采集卡用于采集視頻圖像。系統(tǒng)通過串口發(fā)送電平信號(hào)給電機(jī)控制電路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿箭道滑軌前后移動(dòng)靶車，以將靶車定位到合適位置。

1.3 軟件設(shè)計(jì)
　　射箭計(jì)分系統(tǒng)的軟件組成如圖3所示，以策略控制模塊" title="控制模塊">控制模塊為核心，控制視頻采集模塊、靶環(huán)偏移矯正模塊、射箭動(dòng)作檢測模塊和著靶點(diǎn)得分計(jì)算模塊等功能模塊。圖中著重標(biāo)出的模塊計(jì)算任務(wù)繁重，為保證整個(gè)系統(tǒng)平滑穩(wěn)定地運(yùn)行，這些模塊采用多線程后臺(tái)處理，其他模塊和策略控制模塊一同在UI主線程中工作。圖中的實(shí)線箭頭表示模塊間控制信號(hào)的傳遞，虛線箭頭表示主要數(shù)據(jù)流向。

1.4 關(guān)鍵算法
1.4.1 Hough變換
　　射箭計(jì)分系統(tǒng)中的關(guān)鍵工作就是比較箭中靶前后的兩幅圖像，找到著靶點(diǎn)在靶面上的相對位置。如圖2中所示，攝像頭與靶面成一定的角度(約45°)，在拍攝到的圖像中，箭以線段的形式出現(xiàn)。因此尋找著靶點(diǎn)的問題可形式化為在圖像中尋找線段并確定其端點(diǎn)的線段檢測問題，這可以通過Hough變換的方法解決。Hough變換^[1]是用于圖像中檢測直線、圓等可參數(shù)化模式的一個(gè)有力工具，它可以看作是將圖像空間的每一個(gè)像素映射到參數(shù)空間中，然后對所有可能經(jīng)過該像素的模式進(jìn)行投票的過程。該變換對噪音具有魯棒性" title="魯棒性">魯棒性，對于不連續(xù)的模式也能有較好的識(shí)別效果。在射箭系統(tǒng)中，箭的圖像是一段有寬度的線段，而不是理想的單線，另外，圖像中存在噪聲，因此還可能存在干擾線段。本系統(tǒng)采用的是參考文獻(xiàn)2中提出的寬線段Hough變換算法，相對于傳統(tǒng)方法，它更適于識(shí)別有特定寬度的線段。
1.4.2 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)
　　在實(shí)際系統(tǒng)中，靶車會(huì)經(jīng)常在滑軌上移動(dòng)，靶紙也需要經(jīng)常更換，這些都會(huì)造成攝像頭和箭靶之間的相對位置發(fā)生輕微擾動(dòng)。這樣，即使確定了正確的線段端點(diǎn)的坐標(biāo)，但由于靶心和靶環(huán)位置錯(cuò)誤，最終得分也是錯(cuò)誤的。因此，采取動(dòng)態(tài)模版匹配的方法對靶心和靶環(huán)位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。根據(jù)攝像頭和靶面之間的角度、距離以及攝像頭參數(shù)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)生成靶心以及10環(huán)和9環(huán)的近似橢圓圖像，并以其為模版，對圖像中心位置附近進(jìn)行搜索以確定新的靶心。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，除攝像頭嚴(yán)重偏離位置的情況外，該抗擾動(dòng)算法均可以迅速地重新確定靶心位置，在實(shí)際商業(yè)應(yīng)用中也未出現(xiàn)靶心位置計(jì)算錯(cuò)誤的情況，有很強(qiáng)的魯棒性。
2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
　　實(shí)驗(yàn)用系統(tǒng)硬件設(shè)備以適合商業(yè)應(yīng)用為標(biāo)準(zhǔn)，采用Intel賽揚(yáng)1.1GHz處理器，128MB內(nèi)存，攝像頭參數(shù)為640×480×24bit。為貼近真實(shí)情況，在不同光照、靶紙以及箭身材料條件下進(jìn)行了3600次實(shí)驗(yàn)。將箭射出前后的兩幅圖相減得到差圖，經(jīng)預(yù)處理后應(yīng)用寬線段Hough變換和傳統(tǒng)Hough變換分別進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。表1列出了對比結(jié)果。
　　從表1中可以看出，寬線段Hough變換和傳統(tǒng)Hough變換相比，總錯(cuò)誤率下降了91%，從而大大提高了識(shí)別的準(zhǔn)確率。最終基于改進(jìn)的Hough變換所達(dá)到的檢測正確率為98.6%，能夠良好地應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，對于不能正確識(shí)別的箭支，大多是因?yàn)榘l(fā)生了箭支間嚴(yán)重遮擋的偶然情況，如果需要進(jìn)一步提高檢測正確率，可通過增加攝像頭從不同角度拍攝箭靶照片的方法解決這一問題。