（信号与信息处理专业论文）数字射击训练宽屏采集处理系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼! ! 曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼! ! 曼! ! 曼曼曼曼曼! 曼! 皇曼量i i 曼曼曼曼! 曼曼曼蔓曼鼍 摘要 现代化的射击训练系统正朝着实时性，高精度的方向发展，与传统的荷枪实弹的训 练方法相比，以高速图像信号处理作为依托的训练方式更具有安全性和实用性。而这样 的系统必然以高速的数字处理芯片为核心。 本文在以t i 公司的d m 6 * * 高速处理芯片和o m v i s i o n 公司的o v 木宰幸水图像采集芯 片为基础所搭建起来的图像采集处理平台上，针对9 m4 m 的宽屏射击屏幕和最多同时 满足多人进行射击训练的要求，对原系统做出了修改和重新设计，保证系统的稳定性和 精确度。 本文在设计中使用一个晶振向两个o v ，c 幸宰采集芯片提供时钟，使两个采集芯片的 工作频率相同，并同时配置和启动o v 料，使两个采集器同步工作，保证采集到的图 像是同一时刻的。 为了解决两个系统连接以后所出现的发送弹点坐标的冲突，在系统流程方面做出修 改，通过两个系统之间的控制线确定其弹点发送关系。将等待下一帧采集结束的发送方 式运用到系统流程中。 在基于d s p 的射击平台上，本文设计了红外点信号发射器。该发射器在接收d s p 所发出的红外同步信号和扣动扳机时产生的磁场信号后进行特定的时间延迟并产生射击 信号。该发射器主要由a t 8 2 5 1 构成，在每人每秒射击三次的反应条件下，可以满足多 人同时进行射击。 本文对以前的采集图像处理程序做出了修改，使计算出的弹点坐标更加精确，并对 自动校屏流程做出调整，设计了相关的阈值修改程序。 最后，设计了上位机控制面板和视频监控切换器，并将先前的多板整合到单板，节 省了的空间并最大化的减少了干扰。 经实际测试，该数字射击宽屏采集系统工作稳定，各信号经示波器测试后与设计思 想符合。 关键词同步；发送冲突；信号发射器；阈值修改；多板整合 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h em o d e ms h o o t i n gt r a i n i n gs y s t e mi sd e v e l o p i n gt o w a r d st h eg o a lo fh i g hp r e c i s i o na n d r e a l - t i m ei n s t i n c t c o m p a r e d 谢t ht r a d i t i o n a lm e t h o do fs h o o t i n g ，t h en e wp a r e mb a s e do n l l i g h s p e e di m a g ep r o c e s s i sm o r es a f ea n dp r a c t i c a l s u c hs y s t e md e f i n i t e l yi n v o l v e s l l i g h s p e e dd i g i t a lp r o c e s s o r t h i sc o n t e x ta l t e r sa n dr e d e s i g n st h ef o r m e rp l a t f o r mb a s e do nd m 6 木掌o ft ia n do v 木宰木木 o fo m v i s i o nt om e e tt h ec l i e n t sr e q u i r e m e n to fw i d e - s c r e e no f9 m 4 ma n dm a x i m u mt e n t r a i n e e so p e r a t i n gs i m u l t a n e o u s l y i tm a i n t a i n st h es t a b i l i t ya n dp r e c i s o nw i t l lc o r r e s p o n d i n g m o d i f i c a t i o n s t h ei d e ai nt h i sd e s i g np r o v i d e so n l yo n eo s c i l l a t o rf o rt w oo v 幸宰宰幸c h i p s ，w h i c hm a k e s t h e mw o r ku n d e rt h es a m ef r e q u e n c y t h et w oc h i p sa r es y n c h r o n i z e dt h r o u g hs t a r t - u pa n d c o n f i g u r a t i o n t h i sg u a r a n t e e st h a tt h ei m a g ef r a m e sa r ec a p t u r e da tt h es a m et i m e i no r d e rt os o l v et h ec o n f l i c to fs e n d i n gc o o r d i n a t e si nt h ei n t e g r a t e ds y s t e m s t h e c o r r e s p o n d i n gp r i o r i t yi sc o n f i r m e db yt h ec o n t r o ll i n ea d d e db e t w e e nt h et w op r o c e s s o r s ，a n d t h ew a i t i n g - u n t i l - - t h e - n e x t - f r a m em e t h o di sa p p l i e dt ot h es y s t e mf l o w b a s e do nt h ed s ps h o o t i n gs y s t e m ，t h i sc o n t e x td e s c r i b e sai n f r a r e d d o tg a d g e lw h i c hi s c o n s i d e r e da st h el a u n c h e r ，i tg i v e so u tt h ei n f r a r e d - d o ta f t e rr e c e i v e db o t l lt h es y n cs i g n a l e m i t t e da n dc o n t r o l l e db yt h ed s pa n dt h et r i g g e rs i g n a l ，t h el a u n c h e ri sm a i n l yc o m p o s e d 谢ma t 8 2 51 ，w h i c hi sd e s i g n e dt od e l a yt h et i m es l o tf o re a c ht r a i n e et oe n s u r et e nt r a i n e e s o p e r a t i n ga tt h es a m et i m e t h i sc o n t e s ta l s om o d i f i e st h ef o r m e rc a p t u r e d - i m a g ed i s p o s a lp r o c e d u r e ，w h i c hi m p r o v e s t h ep r e c i s i o no ft h es h o o t i n gr e s u l t a d d i t i o n a l l y , i ts u g g e s t st h ea u t os c r e e n c o r r e c t i o nf l o w a n dd e s i g n sc o r r e s p o n d i n gp r o g r a mf o rr e c a l c u l a t i n gt h et h r e s h o l di ni t a tl a s t , i td e s i g n st h eh o s tc o n t r o lb o a r da n dt h ev i d e oc o n t r o ls w i t c h e r , a n di n t e g r a t e d f o r m e rp r i n t e dc i r c u i tb o a r d si n t oo n ep i e c e ，w h i c hm a k et h eo p e r a t i o nm o r ec o n v e n i e n t t h e i n t e g r a t i o na l s os a v e st h es p a c ef o rt h ep r o d u c ta n dr e d u c e s t h ee m i t h ep r a c t i c a l e x p e r i m e n t s h o w s ：t h i sd i g i t a lw i d e - s c r e e ns h o o t i n gs y s t e mw o r k ss t a b l y a c c o r d i n gt ot h eo s c i l l o s c o p ed i s p l a yo fc o r r e s p o n d i n gs i g n a l s k e yw o r d s ：s y n c ；t r a n s f e rc o n f l i c t ；i n f r a r e d - d o tg a d g e t ；t h r e s h o l dc h a n g e ；i n t e r g r a t i o n ； 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名： 日期：沙沁c 乏p 林弓 ，7 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： l 、在实验室已有的平台上，根据要求对已有的图像采集处理系统进行改进，采用 两个图像采集芯片同步的方式构造宽屏射击打靶系统，在保证采集精确度和实时性的前 提下，满足了9 m * 4 m 的采集范围的要求。 2 、针对上位机串口接收数据的特点，设计并实现了等待下一帧图像的弹点发送方 式，解决了两个图像采集芯片同时采集到弹点时的发送数据的冲突。 3 、利用单片机设计并实现了红外点信号发射器( 即相当于射击时的枪) ，通过接收 系统发出的同步信号对射击发射时间进行延时，该设计可以满足多人同时射击的需求。 4 、修改了弹点扫描程序，使弹点坐标误差减小。并对自动校屏的流程作出了修改， 考虑实际的物理光线条件设计了自动校屏时的阈值修改程序。 5 、重新设计了p c b 板，使整合后的p c b 板避免了多板工作时的干扰。参与了上位 机的控制台和视频监控切换器的设计。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全 了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：硌本马 日期：p l o 6 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及发展现状 1 1 1 基于数字信号处理技术的射击系统的概念 随着科技的进步，数字信号处理技术越来越融入到人们的生活中。医学上广泛采用 数字图像处理技术分析人体各个部位的健康状况，电子工业中使用它来检测电路板中存 在的各种缺陷，生活中可以通过图像对各种信息进行识别，例如车牌识别、虹膜识别等。 在实时性的要求下，以高速的数字信号处理芯片为基础的图像处理技术得到了越来越多 的应用和发展，在军事、科技中扮演着重要的角刨。 射击打靶系统是为了培养学员的实战能力而研制出来的训练系统【2 34567 8 91 01 1 1 ，是 提高学员实战能力的一个重要标准，因此在军事训练中是不可或缺的项目。传统的射击 打靶系统如声电打靶系统和实弹打靶系统【1 2 1 3 1 卅对系统的物理条件要求很高，在使用过 程中的磨损也很严重，对这样的系统进行普及需要相当大的成本。并且荷枪实弹的训练 方式对场地有着严格的要求，存在安全方面的隐患。而且这种对系统物理性能要求极高 的设备缺乏灵活性，往往只有单一的训练打靶模式，无法达到多方面提高学员射击能力 的要求。 由幸木幸木木公司提出的基于高速数字处理芯片d m 6 * * 的打靶系统【1 5 1 61 71 8 1 9 2 0 2 l 】解决了 上述传统打靶系统的不足，该数字打靶系统主要由投影仪，采集处理器，上位机组成。 每次射击的结果由采集处理器进行分析处理。射击的成绩可以通过坐标还原直接显示在 投影屏幕上，并可通过语音控制功能直接报靶。这样的设计控制了成本和消耗，对使用 场地几乎没有要求，更不存在安全问题。由于靶面是由投影仪投射到屏幕上的。这样就 可以通过上位机选择不同的训练模式，例如固定靶、移动靶、实战模拟场景等等，以提 高学员的综合素质。 西南交通大学信号处理实验室作为该项目的研发单位主要对采集处理器进行设计 和实现，对采集到的数字图像进行处理，计算弹点坐标并将其上传到上位机，上位机根 据接收到的数据对弹点进行坐标还原。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 实验室已有的采集平台 针对上一节所提出的基于d s p 的数字射击训练系统的概念，西南交通大学信号与信 息处理处理实验室对整个射击训练系统的框架和采集处理器的硬件构造及软件流程进行 了初步的设计【2 22 引，基本满足实时图像采集和处理的要求，该数字射击训练系统结构框 图如下： 图1 1 数字射击训练系统结构图 如图1 1 所示：整个射击训练系统主要由投影屏幕、采集处理器、投影仪和上位机 组成。投影屏幕是在一块钢架上打造的白色幕布，上位机是整个射击训练系统中的控制 设备，通过它可以选择不同种类的打靶模式，并且依靠它与采集处理器之间的通信来进 行校屏和恢复弹点坐标。投影屏幕、投影仪和采集处理器在安装时通过上位机的视频监 控固定，保证采集处理器能完全采集到投影仪所投出的靶面图像，该过程只需在首次安 装时进行。投影仪将上位机所传输的靶面信号投影到投影屏幕上以后，学员就可以对投 影屏幕上的靶面进行射击，射击的子弹由红外激光点代替，采集处理器就是通过采集整 个投影屏幕上的图像并计算采集到的图像中的激光点的坐标来判断学员的射击成绩的。 在这个系统中，采集处理器扮演着关键的角色，在系统初始化时，程序会设定一个 灰度值阈值，该灰度值阈值将判断是否在采集范围内存在射击动作：由于采集处理器所 采集的图像的灰度值是由单字节表示的，取值范围为o 到2 5 5 t 2 4 1 。因而要想判定射击动 作，该阈值必须大于上位机所投影的图像的灰度值范围，并且小于射击时发出的红外激 光点的灰度值。采集处理器将采集到的图像信号进行处理以后把红外激光点( 弹点) 的 坐标传送给上位机四】，上位机通过这个坐标对弹点进行还原( 显示所击中的位置) 。 实验室已有的采集处理器的硬件基本框图如下田2 3 】： 要雪耋望查耋至圭至耋兰茎堡兰三矍! 至 ( )目镕z m0 h o v t i 瀚。7 1 0 。5 。ii + 嚣激。 图l 采集处理器框图 如图1 - 2 所示：采集处理器主要由图像采集芯片o v + ( 分辨率：6 4 04 8 0 ，图像 传输频率：3 0 帧，秒) ，高速数字信号处理芯片d m 6 * * ( 工作主频率6 0 0 m ) ，程序存储器 f l a s h ，数据存储器s d r a m ，视频信号编码芯片s a a 7 1 0 5 和串口传输芯片t a 5 5 0 c 组 成。 圈1 4 采集器实物玛 o v 对投影仪所投影的屏幕范围进行采集图像的采集频率为3 0 帧，秒，图像 分辨率为6 4 0 4 8 0 ( v g a ) ，每采集完一帧图像后的数据通过d m 6 * * 的v p 端口“2 7 ” 驯传入s d r a m 3 0 ，d m 6 * * ”3 8 对存放在s d r a m 里的数字图像信号进行处理，扫 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 曼皇曼鼍曼曼曼曼i i 曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼量曼曼曼曼鼍曼曼曼曼皇曼蔓曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼! ! ! ! ! 曼曼! 曼曼皇曼量曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼苎! 曼曼 描图像中的亮点( 激光弹点) ，并将该亮点的坐标写入t a 5 5 0 c 3 63 7 1 ，t a 5 5 0 c 把该弹点 串行传输至上位机。同时数字图像信号通过s a a 7 1 0 5 3 8 】编码为v g a 信号并在上位机内 作监控使用。这里选择t a 5 5 0 c 这样的专用串口传输芯片与d m 6 * * 进行连接而没有直接 使用d m 6 * * 的m c b s p 口是为了减少d m 6 * * 芯片的处理负担，将弹点坐标数据一次写 入到t a 5 5 0 c 后，由t a 5 5 0 c 来负责数据的发送，而不用使d m 6 * * 处于等待状态。 为了方便验证和调试，采集处理器在设计时分为了四个模块：o v 幸c 宰板，电源板【3 9 l ， d s p 处理板和传输显示板，如图1 3 所示。 图1 3 中所示的芯片组成了一个微处理系统，d m 6 * * 相当于这个系统的c p u ，对整 个系统的流程进行控制，f l a s h 主要用于存放程序 4 0 4 1 1 ，当d m 6 * * 启动时，将程序从 f l a s h 所在的c e 空间搬至d s p 空间。图像数据缓存到s d r a m 。s a a 7 1 0 5 和0 v 木木木木 都与d m 6 * * 的视频功能模块连接，o v 毒掌番木使用v p 2 端v 1 ，s a a 7 1 0 5 使用v p l 端口。 s d r a m ，f l a s h 和t a 5 5 0 c 通过e m i f t 4 2 】与d m 6 * * 的c e 空间连接。 1 1 3 多人射击的概念 因为所选择的o v 幸事幸宰的图像传输速率是3 0 帧秒1 2 4 ，即每帧的传输时间为3 3 4 m s 。 而3 3 4 m s 对人的主观影响很小，因此只要能通过延时调整每位训练者的射击发射器的 发射时间( 将在第四章中详细介绍) ，就可以使每支发射器所发出的激光点落在相对应的 3 3 4 m s 的区间，这样就保证了在一帧图像中最多只有一个激光点，在多人打靶时也能区 分各自的射击成绩。 1 2 本文的主要工作与组织结构 本文对以d m 6 * * 作为核心器件的射击打靶平台进行修改和新的设计，通过系统问的 并行同步运行，使新的系统在保证清晰度的要求下能够采集到9 m 4 m 的射击屏幕，并 利用单片机设计了红外点信号发射器，该发射器配合d s p 平台，能够满足多人同时打靶 的要求。 本文共分五章，各章主要内容安排如下： 绪论，介绍了以高速数字处理芯片和图像处理算法设计现代射击打靶系统的可行 性，对实验室已有的采集处理平台进行了介绍，并通过实物照片分析了整个系统的工作 流程。 第二章，将射击屏幕的尺寸扩展为9 mx4 m 和最多满足多人同时打靶的要求，分析 了现有平台的不足，设计了系统间并行的工作方式，保证采集图像的分辨率，并使系统 同步运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第三章，针对系统并行工作后出现的发送弹点坐标冲突的问题，修改了系统的工作 流程，使弹点坐标的发送时间固定在下一帧采集完成之后，并设定了系统间的优先级， 确保上位机对数据的接受不会出现紊乱。 第四章，为了配合该打靶射击平台，并且达到可多人同时射击的要求。设计了红外 点信号发射器，该发射器主要由单片机控制时延，使每位学员的射击动作处于分配的时 隙中。 第五章，修改了原有的一些处理流程，如弹点坐标处理流程，自动校屏流程，设计 了阈值修改程序，最后根据上位机的操作设计的控制台和视频切换控制器，并将p c b 板 进行了整合，保证系统运行的稳定性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 u 第2 章系统之间的同步 2 1 宽屏射击系统的问题分析 实验室已有的采集处理平台能够基本满足图像采集，处理，显示的功能。由于精确 度的限制，可以满足5 人同时射击。 在此基础上，将采集屏幕的尺寸大小由原来的4 m 3 m 变为9 m 4 m ，且可以满足 多人同时打靶。 多人同时射击时的投影屏幕由两个4 ：3 比例的投影仪的投影拼接而成。在实际的 射击环境中，两个投影仪、采集器和屏幕的位置在第一次安装时通过某种技术修正对齐 并且固定，在以后的使用中无需再对齐。 射击靶面从左至右按一号到十号的顺序排列，每位学员在为各自划分的射击靶面中 进行训练。每次的射击动作可能出现三种情况：上靶，脱靶，无反应。 如果要满足这个9 m 4 m 的屏幕尺寸的要求，已有平台在采集精度和采集范围上具 有一定的缺陷： 图2 - 1 采集器采集范围 如图2 1 所示：单个图像采集芯片所采集的图像比例为4 ：3 t 2 4 1 ，如图中实线所示。 如果沿用这种方式来采集图中的虚线所示的比例为9 ：4 的图像部分，将会导致采集到 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 的图像在上下部分出现大面积的浪费。由于图像采集芯片o v 宰幸宰串的采集清晰度为6 4 0 4 8 0 t 2 4 1 ，这种增大图像采集芯片和投影图像之间的距离的方法将会大大的降低采集到的 图像精度。 为了解决这个问题，在设计过程中分析了以下两个方案： 方案一：选择高分辨率的图像采集芯片对9 m 4 m 的屏幕进行采集。 方案二：使用两个现有采集芯片对屏幕进行平行采集，每个采集芯片大约采集5 m 4 m 的屏幕范围。 方案一可选择采集分辨率为1 2 8 0 4 8 0 ，或者1 2 8 0 9 6 0 的高分辨率采集芯片。这 样，通过调整图像采集芯片和投影屏幕的距离便能够在保证所采集的图像清晰度的前提 下满足9 m 4 m 的采集范围的要求。如图2 2 所示，在屏幕范围增大以后，由于采集分 辨率也增加了，所以当把采集器从位置一移到位置二时，采集的范围会大大增加，图像 的清晰度不会受到太大的影响。 但是，由于采集芯片采集精度的增加，采集到的图像的数据量也将大大增加，图像 采集芯片传输数据的时间也将明显增加，这样就会降低系统处理的实时性，并且增加 d m 6 * * 处理每帧图像的时间。通过下一节对整个系统图像数据处理流程的描述，可以发 现该方案的不合理性。 图2 - 2 采集器位置 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2d m 6 * * 图像数据处理流程 数字射击系统对实时性的要求很高，每位学员的每次射击成绩都必须立刻通过上位 机进行弹点位置还原。所以理论上系统处理图像的时间越短越好。如果按照传统的串行 数据处理步骤，即先捕获一帧图像数据，然后再处理弹点坐标，最后在上位机中显示结 果，以此循环，每个时刻c p u 只做一件事情，系统流程的处理效率将大大变低，无法满 足实时性的要求。从哈佛总线结构的特点可知：通过流水线处理的方式可以大大提高系 统的工作效率。d m 6 * * 具有e d m a l 4 3 l ( e n h a n c e dd i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 功能模块，它 可以不需要c p u 的干预而直接传输数据，这个功能恰好能够被用作图像数据的传输1 2 2 1 ， 在d s p 对图像处理的过程中，使系统对数据的采集和显示都不再占用c p u 的资源。 如图2 3 所示，“仿哈佛 处理方式可以让采集，处理，显示三个步骤并行执行，即 当采集第n 帧数据的时候，由于使用e d m a 而不需要c p u 的干预，这个时间段就完全 可以用来处理第n 1 帧已经捕获好的图像，同时也可以将n 2 帧的图像进行显示m 】。在 这个流程中数据的传输时间( 采集时间) 是由o v 宰宰幸宰的硬件所决定的【2 4 1 。所以该系统 以一帧图像的传输时间作为系统实时性的尺度标准。 处理凹期 厂 厂 厂 传统处理方式 采集处理显示 n n + in + 2 采集p _ _ ，h 叶 n n + ln + 2 “仿哈佛”处理方式处理_ 1 卜 ；n ln n + i 显示l p 叶 n 2n 1n 图2 3 “仿哈佛”处理流程图 由于采集芯片o v 宰宰幸的图像采集频率是3 0 帧秒。如图2 - 4 ，那么o v 宰奉 幸传输每 帧图像到d m 6 * * 的v p 口的时间也是3 3 m s 。因此，系统处理图像流程的所有时间( 弹 点处理，数据搬移，坐标点发送) 只要不超过3 3 m s ，就能使整个流程不出现阻塞，确 保系统稳定的执行。现有激光点( 弹点) 处理的最长时间是1 2 8 9 4 m s t z z l ，加上其他的数 据搬移时间和坐标点发送时间，整个流程所需时间约为2 5 m s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 l 一 。嘴 i r 1，广1 t 嘲。上1 1l 吲3 1 t 。一 t 6 4 1 wr 6 4 0 l 瞻f ，w 己门 y 嗍二j 迈甄冱= = 孤丑旺珏孤 匠丑：旺峦匕嚣置蕊正= r o w 0r o w1r o w 2l a s tr o w 图2 - 4 帧频翠图 因此，如果换用分辨率较大的图像采集芯片，图像采集芯片采集到的每帧图像的数 据量将会大幅增加，d m 6 * * 处理数据的时问也会大大延长，由上面的分析可知：如果系 统处理流程的各个部分的时间之和超出3 3 m s 的极限，整个系统的流水线就会被打乱， 致使下一帧图像采集结束时，系统仍然在处理前一帧图像，从而造成缓冲区内积累的帧 越来越多，最后造成系统的崩溃。 2 3 两个采集器并联的工作方式 既然更换高精度的图像采集芯片不能解决原有平台的问题，如何才能在保证系统精 确度、稳定性和实时性的前提下，满足新的需要呢? 现在来讨论方案二的可执行性： 假如将两个采集器平行放置，每个采集器采集约5 m x4 m 的屏幕范围，采集到的图 像信号由各自的d m 6 * * 处理，那么每个系统都能正常运行。 图2 - 5 并联工作图 3 c 日 托 ： 瞄 y 哪 刚 艨 v 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 曼曼曼曼! 曼皇曼曼曼曼曼量曼鼍曼曼曼曼舅曼曼皇i i i i i ! ! 曼曼! 曼蔓鼍曼曼曼! ! 曼皇曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼皇皇笪曼曼曼曼曼! 曼! 皇曼! 曼曼寰曼 如图2 5 所示：左边的一号图像采集芯片采集粗虚线所示的范围，右边的二号图像 采集芯片采集细虚线所示的范围，为了保证不出现漏采的情况，可以通过上位机的视频 监控调整两个采集处理器的位置，使两个采集区域有小范围的重合。这样就保证了整个 屏幕都在采集范围之内，由于每个采集器大约采集二分之一的屏幕范围，即相对于原来 采集到的图像的清晰度只有较小的变化。这两套系统就可以沿用已有平台的采集处理流 程。 按照这样的并行采集方式采集图像必须要保证两个图像采集芯片所采集的同一帧 图像是同一时刻的，这样才能将学员每一帧的射击动作严格区分，否则将会造成结果的 混乱。 为此，需要同时对两个o v 幸幸宰进行配置和启动，使其运行时所采集的图像是同步 的。 o v 幸木木木的工作频率是由外部晶振所提供的，频率为2 4 m h z t 2 4 i ，输出的像素时钟为 1 2 m h z 。如果将两个0 v 宰幸幸宰与同一个晶振连接，就可以使两个o v 料村芯片具有相同 的数据传输频率。 r p ：o l 八j 图2 6 行j 司步 图2 - 6 为o v 幸宰幸幸中数据传输与时钟之间的关系【2 2 】：p c l k 是像素时钟，由o v 幸宰幸 的第十一脚输出，频率为1 2 m ，该信号与d m 6 * * 的时钟控制信号相连，作为像素点计 数使用。h r e f 为行同步信号，在高电平时代表一行数据正在传输。y 【7 ：0 】是数据传输信 号。 为了使两个o v 幸 获得相同的工作频率。在硬件设计上作出修改，将晶振只焊接 在一号采集处理器的图像采集芯片中，由于只有提供频率部分的功能不同，所以两个图 像采集芯片所在的o v 幸宰宰板的设计是一样的，只是在使用时元器件的焊接不同，这样 可以减少印制板的制作成本。 塑里耋塑查兰至圭至圣兰耋堡篓圣矍：! 至 图2 7 0 v p c b 板 如图2 7 所示为新设计的图像采集p c b 板实物图，o s c i 为外部晶振，r l 为频率匹 配电阻，在实际的应用中，一号采集器将按原图进行焊接，二号采集器由于使用一号p c b 板上的晶振频率信号，不需再焊接晶振，该频率信号从一号采集p c b 板上的大焊盘引出 并通过射频信号线连接到二号上的大焊盘上。这样就使一号和二号采集器在同一个频率 上工作，为采集芯片的同步工作做好了硬件准备。 两个o v 啪工作频率( 数据传输数率) 相同后还需要使其同时启动，这样才 能满足采集到的图像同步的要求。 0 v + 十在上电以后，需要d m 6 * * 通过1 2 c 总线州1 对其进行相关配置才能正常启 动，为了达到同时启动的目的，两个d m 6 * * 对其各自o ”的配置动作必须保持步调 一致。为此，设计两个d m 6 * * 通过g p i o 忡弓l 脚进行通信。 图2 - 8 g p i o 通信 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 如图2 8 ，选择d m 6 * * 的g p l 0 1 2 ，g p i o l 4 脚作为通信端口，通信方式仿照二次握 手协议：一号采集处理器启动后会直接通过g p i o l 4 引脚向二号采集处理器发送启动提 示信号，发送完毕后通过g p l 0 1 2 引脚等待二号采集处理器的回复信号，只有等待到二 号采集处理器的回复信号以后才能开始配置其o v * + 。而二号采集处理器启动后，其 g p i o l 4 引脚将会一直等待一号采集处理器的启动提示信号，接收到该启动提示信号后 二号采集处理器通过g p i o l 2 引脚也向一号采集处理器发送启动信号，并等待一个延迟 再开始配置它的o ”，这样就使一号和二号采集处理器的d s p 同时对o v 进行 配置。 d m 6 * * 上电后对一系列的芯片进行配置，当配置o v 时，一号采集处理器首先 将g p l 0 1 4 引脚置高，该信号将传输n - - - 号采集处理器的g p i o l 4 引脚上，随后一号采 集处理器等待二号采集处理器的回复信号，当检测到g p i o l 2 引脚上的信号变高时，认 为二号做出答复，则开始启动。在这个过程中，为了避免电平干扰所带来的问题，在g p i o 上用电容进行滤波，并且在程序上等待5 0 0 0 个d m 6 * * 执行周期后再检测，保证该信号 的有效性。 二号将在上电以后一直等待一号的g p i o l 4 脚信号，并同一号一样进行等待检测， 当确定收到了改信号以后，再将g p i o l 2 脚置高，使一号能接受到该信号。最后，由于 等待延迟，二号需要再延迟5 0 0 0 个执行周期。此时二号才能启动。 图2 - 9 同步引脚 图2 - 9 中白色接插件的第五、七根引脚分别为为g p l 0 1 4 和g p l 0 1 2 。 整个同步的框图如下： 至里三翌奎兰至圭至至兰茎堡堡三呈! ：噩 圈2 - 1 0 系统同步 图2 一1 0 为两个系统同步的最后框图，这样就为后面的多人同时打靶的要求做好了硬 件铺垫。 两台采集处理器连接以后的工作状态如图所示： 辩 图2 - 1 l 像素时钟同步 图二1 2 行信号同步 习曩圈羞浔习涠鼍漶期誓鼍穗一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 如图2 1 l 和2 1 2 所示为一号和二号采集器的像素时钟和行同步的示波器对比图， 可以看出其工作频率稳定，并且行同步信号稳定，说明帧图像是同步的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼皇曼m , n nn nm nm n n 曼曼曼皇曼曼曼! 舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇舅曼鼍曼! 曼! 曼曼! 曼皇曼曼璺皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼 第3 章弹点坐标的发送方式 3 1 两个采集器的工作情况分析 将系统修改为两个采集器同步的工作方式后，能够在保证原有架构不变的情况下， 采集9 m 4 m 的屏幕范围，并且满足清晰度和实时性的要求，所采集到的图像频率由示 波器检测是同步的。 根据系统采集一帧图像需要3 3 m s 的硬件特性可知，只要分别延迟每位学员的射击 发射时间( 在第四章中介绍) ，就能保证每帧图像中最多只有一个激光点( 弹点) ，下面 分析一下这种工作模式下可能产生的四种情况： 1 当激光点( 弹点) 只在一号采集器的采集范围时： 图3 一l 弹点位置图( 一) 如图3 1 所示，图中的小黑点代表射击时所发出的激光点，当激光点只在一号采集 器的采集范围( 粗虚线范围) 时，一号采集处理器对采集得到的图像进行分析处理，扫 描得知该帧图像中存在大于灰度值阈值的像素点，在得到其坐标( 激光弹点坐标) 后， 并将弹点坐标通过串口芯片t a 5 5 0 c 传至上位机。二号采集器采集范围内( 细虚线范围) 没有激光点，因此没有弹点坐标，仍按流程进行工作。 2 当激光点( 弹点) 只在二号采集器的采集范围时： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 量曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼皇曼曼曼量曼曼曼曼皇鼍曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼! 鼍i 曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 图3 - 2 弹点位置图( 二) 如图3 2 ，当激光点只在二号采集器的采集范围时，二号采集处理器对采集到的图 像进行处理，并将弹点坐标传至上位机。一号采集器没有采集到激光点，仍按流程进行 工作。 3 激光点没有在采集范围时： 图3 - 3 弹点位置图( - - ) 如图3 3 ，此时，激光点不在采集范围中，被视为脱靶，没有弹点坐标，此时两个 采集器也按照流程运行。 4 激光点在重合采集范围： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 曼! 曼曼曼曼! ! ! 皇! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼! 曼曼皇曼曼曼曼! 曼! ! ! 曼曼曼! 曼! ! ! 曼曼! 曼! 鼍ii 曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼 图3 - 4 弹点位置图( 四) 如图3 4 所示：当激光点出现在两个采集器的公共采集范围时，一号机和二号机都 能采集到激光点，根据系统处理流程【2 2 1 ，两个系统计算激光点坐标的时间几乎相同，在 系统流程设计中，当d m 6 * * 检测到弹点后会立刻将弹点坐标发送到上位机。那么此时两 个坐标几乎会同时通过串口上传给上位机，由于上位机只有一个串口接收弹点坐标，所 以这样的情况会使坐标传输出现冲突。 因此，必须解决该系统同时传送坐标数据的冲突，使上位机能够接收到有效的数据。 3 2 坐标数据传送流程分析 如图3 5 为原平台的图像处理流程瞄】，每当一帧图像采集完毕以后，d s p 对图像数 据进行分析，判定是否存在弹点，具体方式为：以从上到下的方式对图像进行隔行扫描， 每一行从左到右进行逐点扫描，通过对实际射击到屏幕上的弹点进行分析，发现一个激 光点( 弹点) 所覆盖的面积至少超过三个像素点，即至少有连续三个像素的灰度值在所 设阈值之上。因此这种扫描方式不会漏掉弹点。当发现某个像素点的亮度大于所设的阈 值时( 此处设为2 0 0 ) ，对该点进行记录，然后继续往右进行逐点扫描，如果下一个点的 亮度达不到2 0 0 ，我们就认为这是一个坏点，放弃对该点的记录，继续向下扫描，直到 满足有两个连续亮点存在。而当系统认为一个点已经被找到后，立刻停止对图像剩余部 分的扫描。实验表明，o v 宰宰宰幸出现连续采集坏点的几率几乎为零，所以基本能保证一帧 图像中所出现的最亮点就是激光点( 弹点) 。 要壹三垩盔耋堡圭至窒圭茎堡堡三星! ：蛋 f 配置芯片制始化l 声刮 l 裳送升点坐杯l 5 由 图3 - 5 弹点坐标处理流程 凹3 - 6 红外滤镜 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼! 蔓曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼蔓皇曼! 曼曼曼i i o 鼍皇 为了避免场地的光线对系统的干扰，在原理上使一帧图像中最多只能有一个亮点， 在设计上为0 v 幸幸宰 增加一个滤镜，减弱其它光源对采集图像采集的干扰，图3 - 6 。当扫 描完整个图像后都没有两个连续的像素点的灰度值超过2 0 0 时，便认为这一帧图像没有 亮点( 激光点不在采集器采集范围内) 。 这样的采集处理流程，最大化的节约了处理数据的时间( 没有点时全图扫描，不发 送数据，有点时不全图扫描，发送数据。) ，这样就能平衡系统在不同处理模式下的时间。 使所有流程的时间之和都控制在3 3 m s 之内。 但是系统通过这样的方式扫描弹点坐标所花费的时间是不固定的，以下对弹点在不 同的位置时，系统的扫描时间进行分析： 1 弹点可能在屏幕的左上角，图3 7 ( 系统处理的时间最短) 图3 7 弹点极限位置( ) 2 弹点可能在屏幕的右下角，图3 8 ( 系统处理的时间最长) 。 图3 - 8 弹点极限位置( 二) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 上面的两种弹点位置中，按照原有平台处理流程的时间消耗图如下： 图3 - 9 系统流程时间图 如图3 - 9 所示，每当一帧图像采集完成以后，系统都会提供3 3 m s 的时间段作为整 个流程处理的消耗，这个时间是由o v 木宰宰木的硬件特性所决定的，在系统处理流程进行 时，系统通过e d m a 对下一帧进行采集。处理流程中主要包括的工作有数据搬移，弹点 扫描处理和弹点坐标发送，其他的工作过程由于在系统中占用的时间较少，在此就不全 部列举了。如果所有的流程处理结束后花费的时间仍未达到3 3 m s ，系统就会进入空闲 时段，直到3 3 m s 的时间耗尽后再处理下一帧数据。而如果所有的流程处理结束后花费 的时间超过3 3 m s ，系统就会出现紊乱，最后造成系统的崩溃。整个系统流程中搬移时 段和发送时段所占用的时间是一定的，而处理时段所耗费的时间是不确定的，根据系统 采用的从上到下，从左到右的扫描方式，当激光点出现在右下角时处理时间最长，而当 激光点出现在左上角时处理时间最短。正是由于该处理时段的不确定性，使发送时段在 整个流程中的起始时间也是不确定的。 3 3 对数据发送方式的修改 为了避免弹点坐标数据在传输过程出现3 1 节中的第四种情况，必须解决当两个采 集器都采集到弹点信号时发送坐标的冲突，图3 1 0 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 图3 1 0 弹点发送 两种方案分析： 1 在不改变d s p 弹点坐标的发送方式的情况下，采用单片机作为两个弹点坐标发 送到上位机之间的“缓存器”，如图3 1 1 ，即将单片机的两个8 位输入输出端口分别 与一号和二号采集处理器的串口芯片相连接，这样通过d m 6 * * 对单片机的时序控制，单 片机就可以将读入的数据存储到其内部存储单元，再由单片机编程后按一定的顺序从串 口发送到上位机。 图3 - 1 1 单片机接口 这样的方式原理上可以缓解两个d m 6 * * 的串口传输冲突问题，但选用单片机充当这 个“缓存器”时，由于单片机和d s p 的工作频率相差很大，d s p 对单片机的时序控制将 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 会出现很大的差异，例如数据传输信号需要用单片机的g p i o 口模拟中断信号传输给单 片机，另外由于每个弹点坐标是由五个字节的数据组成的f 2 2 】，当单片机开始接收数据时， 还必须在内部调整输入输出口读写的时序，这样的方式比较麻烦，而且容易出错。 2 修改d m 6 * * 处理流程，修改软件流程，增加硬件设置。从上面的系统的坐标发送 流程可知：造成坐标发送时间不一致的原因是因为弹点的处理时间是不确定的。 采集一帧图像的时间是3 3 m s ，人对如此短的时间延迟是很难觉察的。如果每帧图 像的处理结果在该帧处理结束后不发送，而是等到下一帧图像采集完成之后再发送，那 发送的时间点就可以确认了。 图3 一1 2 改进的系统流程时间图 如图3 1 2 所示：系统将处理上一帧图像得到的弹点坐标保存下来而并不立刻发送， 当下一帧图像采集结束时，系统并也并不立即进行搬移，处理流程，而是首先发送上一 帧的弹点坐标。通过这个改变就可以确定数据发送的起始时间。而这样的改变对学员来 说是透明的。 假如一号和二号采集器在上一帧中都采集到了激光点( 第四种情况) ，则两个系统 都会得到该激光点的坐标，如果按照以前的流程，两个系统会会立刻发送该坐标。这样 会造成上位机接收的紊乱，而现在得到两个激光点的坐标后，并不立刻发送，而是首先 进行保存，并等待这一帧空闲时段的结束，当下一帧采集结束后，再进行处理和发送。 为了明确两个系统发送弹点坐标的优先级，避免出现竞