射箭自动报靶系统中图像校正技术研究

崔亚琳

(中北大学信息探测与处理技术研究所，山西 太原 030051)

射箭已成为一项重要的全球性运动。报靶是射箭项目的重要部分。传统的人工报靶存在安全隐患，效率低下，工作量大等弊端。随着科技进步和训练技术水平的提高，射箭运动的场地器材也在不断地更新，并向自动化的方向发展。

基于计算机视觉的图像处理技术的自动报靶系统由于可以直接处理现场摄像机采集的图像得到结果，其成本低、效率高、实时性高，因此被越来越多的人所关注。

然而基于计算机视觉的自动报靶技术主要处理现场摄像机采集的图像，而不同的场地摄像机位置不同，箭靶在整幅图像中的位置随机，所以就对图像处理造成了一些困难。而且箭靶与地面存在一个75°的夹角同时摄像机与箭靶也有一定夹角会使图像产生随机的畸变，就导致检测精度不高。为了更好地识别效果所以我们需要选取控制点对图像进行几何校正预处理。

1 几何校正

观察箭靶图像后可发现图像失真主要为几何失真，主要是由于摄像头与箭靶的夹角导致，而摄像头本身的失真很小可以忽略。由于摄像时的视角不同，在图像生成的过程中，都会使产生的图像产生桶形、枕行、梯形等几何失真。为了提高检测的准确性、可靠性，需要对失真图像进行几何校正。为了提高校正的速度，结合靶纸图像特征，即靶纸为边长为50 cm×50 cm 的正方形，采用控制点法来进行几何校正。

1.1 几何校正原理

几何校正主要包括两部分:一是图像坐标的空间变换，它定义了图像平面上像素位置的重新安排。二是灰度插值，它是给变换后的图像重新赋灰度值［1］。校正的主要思路如下［2］:

1)从采集图像中提取箭靶图像的四条边，由四边的交点确定箭靶图像的四个顶点;

2)结合靶纸的边长生成一个正方形区域并将四个顶点坐标当做基准点;

3)依据生成的正方形四个顶点坐标和图像检测得到的顶点，求解空间变换方程中的变换系数;

4)利用求得的变换系数进行坐标转换;

5)利用双线性插值法进行灰度插值，得到校正图像。

图1 控制点的空间映射

如图1 所示四边形顶点直接映射到相应的正方形顶点上，而输入四边形内部的点则被映射到对应矩形内部的点上。假设(u，v)是输出图像的坐标点，(x，y)是输入图像的坐标，根据四点的映射可以解得公式(1)中的系数从而得到空间变换方程。

在完成空间变换后，还需要一个用于灰度级插值的算法，用来产生一个能保持连续性和连通性的灰度光滑映射。插值方法有最近邻插值、双线性插值、立方卷积插值算法。其中最近邻插值方法，简单直观，但图像质量不高，容易出现锯齿边缘。立方卷积的插值方法又计算量过大所以采用双线性插值的方法。双线性插值的运算表达式:

变换后的图像中点的灰度值要对应空间变换前点相邻的四个像素灰度值共同决定。

1.2 Hough 变换获取控制点

在几何校正中控制点的获取直接关系到校正方程的确定。在几何校正应用较多的遥感领域一般都采用人为选取交叉点作为控制点的方法。而在箭靶图像处理中，由于靶纸为四边形，所以采用顶点作为控制点。为了获取顶点坐标我们需要进行直线检测来得到交点。

直线检测是计算机视觉领域基础而重要的问题。Hough变换是解决该问题的主要方法之一。因为它依据的是图像的统计特性所以具有鲁棒性、抗噪性和对部分遮盖的不敏感等特性。

Hough 变换直线检测，直角坐标中的线转变为极坐标中的点，关系式［4］:

图2 霍夫变换

其中r 为原点到直线的法线距离，θ 为该法线与X 轴正向所成夹角。这样，如图2 所示图像空间中的任意一点(x，y)将对应参数空间中的一条正弦曲线。图像空间中位于同一条直线上的点确定了参数空间的多条正弦曲线，且这些正弦曲线交于同一点，此交点的坐标确定了原图像空间中直线的参数。

2 图像处理结果

本文使用几何校正对图像进行校正，校正过程使用hough 检测直线，如图3 中(c)图中加粗的直线即为检测到的直线，直线的交点即为控制点。(d)图即为校正效果。可以发现校正后图像基本恢复正常，对比(a)可以发现图像的倾斜角基本已经校正为垂直的。此处确定了校正方程后后面的直线点的位置以及圆心、半径可以直接带入方程来确定校正后的位置与大小。

图3 几何校正

3 结束语

本文利用几何校正与hough 直线检测相结合的方法来对射箭箭靶图像进行预处理。首先将多用于遥感图像的几何校正方法使用在视频图像校正上很好的解决了箭靶与摄像机之间存在夹角导致的图像空间上的畸变。其次使用双线性插值法使校正后的图像效果较好，处理速度比较快，最后使用hough 直线检测很好的解决了控制点选取的问题。本文通过实验表明使用图像预处理处理获得了良好的效果，很好的提高了识别精度避免了判别错误为后期的处理奠定了良好的基础。

［1］Rafael C，Gonzalez，Richard E.Woods.数字图像处理［M］.第2 版.阮秋琦，阮宇智，译.北京:电子工业出版社，2007:215－219.

［2］甘重斗.基于图像处理技术的自动报靶系统的设计与实现［D］.兰州:兰州大学，2007:28－29.

［3］陈海峰.基于图像处理技术的自动报靶系统研究［D］.南京:南京航空航天大学，2005:56－60.

［4］程鹏，朱美琳，耿华.一种基于梯度Hough 变换和SVM的圆检测算法［J］.计算机与现代化，2013，2:22－26.