1、.分类号 密级 编号 本科毕业论文(设计) 题目 基于图像识别的激光打靶系统设计系 别 物理与电子信息学院 专 业 名 称 应用物理学 年 级 2009 级 学 生 姓 名 王志强 学 号 0950730008 指 导 教 师 王筠 二一三年四月.论文原创性说明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，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。对本论文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期: 年 月 日.文献综述1.概述所谓数字
2、图像处理就是利用计算机对图像信息进行加工以满足人的视觉心理或者应用需求的行为。实质上数字图像是一段能够被计算机还原显示和输出为一幅图像的数字码 1。21 世纪是一个充满信息的时代，图像作为人类感知世界的视觉基础，是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段。数字图像处理，即用计算机对图像进行处理，其发展历史并不长。数字图像处理技术源于 20 世纪 20 年代，当时通过海底电缆从英国伦敦到美国纽约传输了一幅照片，它采用了数字压缩技术。首先数字图像处理技术可以帮助人们更客观、准确地认识世界，人的视觉系统可以帮助人类从外界获取 3/4 以上的信息，而图像、图形又是所有视觉信息的载体，尽管人眼的鉴别力
3、很高，可以识别上千种颜色，但很多情况下，图像对于人眼来说是模糊的甚至是不可见的，通过图象增强技术，可以使模糊甚至不可见的图像变得清晰明亮。另一方面，通过数字图像处理中的模式识别技术，可以将人眼无法识别的图像进行分类处理。通过计算机模式识别技术可以快速准确的检索、匹配和识别出各种东西 2。数字图像处理技术已经广泛深入地应用于国计民生休戚相关的各个领域。比如“米勒斯 ”(MILES)是多元一体化激光交战系统，由美军在 70 年代研制而成，其原理是利用装在一些武器平台上（如步枪、坦克、直升机）的激光来模拟子弹、炮弹的发射，接收端则利用传感器接收激光信号并进行处理，不仅安全可靠，且模拟效果精确、逼真。
4、到了 80 年代末期，MILES 系列又升级到了MILES,将 MILES系列与 SAWE(模拟区域武器效应)系统一起使用时，间接开火和直接开火相结合可进增大模拟的范围。MILES/SAWE 还可以通过GPS(全球定位系统) 把所有参与训练的士兵、车辆和武器联系在一起，达到模拟区域武器效应的效果，如模拟大炮、化学制品和地雷等。MILES/SAWE 已在美军的训练中心中使用：如加州 Fort Irwin 的国家训练中心，Lousiana 州 Fort Polk 的联合备战训练中心。随着技术的不断进步，MILES 又推出了其强化型系列-MILES 2000，除了具.有很强的适用性外，还具有战场程序
5、工作的能力，功能更强，模拟范围更广。俄罗斯也推出了一种名为 9838的新型激光模拟射击训练器，它是俄罗斯仪表制造业的最新研究成果，主要供排级部队使用。同时还推出了 RPG 系列便携式火箭筒(HC8、9)、卡拉什尼科夫系列冲锋枪和机枪(HCI) 型、CBD 狙击步枪(HC5 型)、 “混血儿” 反坦克导弹系统(HC10 型)等武器装备激光射击模拟器。新型激光射击模拟器在各种军事演习中的广泛应用，能够帮助部队在较短时间内解决高质量、高效率的战术培训和射击训练任务，保障战斗训练效率的不断提高，并且在最大程度上创造接近于实战的训练环境。随着我国经济的崛起和飞速发展，军事训练已经初步实现基地化，并在模拟
6、训练与仿真技术的领域中积累了丰富的经验和技术。计算机网络及虚拟现实技术的发展，使得训练人员在在虚拟的数字空间里便可模拟体验各种类型的训练环境和训练方式，完成训练和考核的任务。近年来，我国许多单位都在积极研制开发模拟训练器及仿真技术，如已研制成功的迫击炮射击训练系统，它集教学、训练、考核多种应用于一体，功能齐全，能够为炮兵分队提供完善的射击训练平台。其采用的虚拟现实技术能够对训练场景和射击效果进行仿真，其内容包括三维立体地形、目标、炸点、气候、音效等多个方面。场景类型丰富、技术先进、效果逼真。而在我国的一些军事院校中，学员们在毕业前夕必须完成的作业之一便是参加一场网上的联合战役演习。从装甲车的驾
7、驶到战机、战舰的操作，从战术模拟到战役模拟，越来越多的训练模拟系统被用于全军各个层次、各种专业、各种兵种的训练。2.综述正文图像识别总的来说主要包括目标图像特征提取和分类两个方面。但是一般情况下，图像受各种因素影响，与真实物体有较大的差别，这样，就需要经过预处理、图像分割、特征提取、分析、匹配识别等一系列过程才能完成整个识别过程目前，最主流的图像识别研究思路是：基于局部特征匹配的方法 3 ；基于局部特征匹配的方法 理论上要求识别系统具有通用性、稳健性且学习简单。传统的图像描述方法采用的是全局特征，旨在将目标作为一个整体，从大量包含目标的图片集中学习并抽取全局特征，如面积、周长、不变矩等，并.采
8、用统计分类技术进行目标分类。这种识别方法有以下缺陷：（1）对于结构复杂的图像，识别效果受到图像分割精度的制约；（2）需要学习大量的数据以及较长的训练时间；（3）由于没有捕捉到图像中的局部信息，当目标的形状发生较大变化时，比如目标被局部挡住，就会导致全局特征的突然变化，对于目标识别是非常不利的。最近，基于局部区域特征匹配的算法 5，在物体识别领域里取得了相当好的效果。局部特征目前还没有一个统一的定义，它的提出主要是相对全局特征而言，用局部特征对图像进行描述时可以得到图像中物体的局部信息。在复杂背景下，噪声干扰较大、局部遮挡、目标姿态发生变化的情况下，利用局部信息进行目标识别是非常有效的。如同基于
9、视图的方法，该方法从物体的图像中学习并构造物体的模型，同时提取局部图像块的特征用于匹配。而基于图像识别的打靶系统研究在于很多方面都有深远意义，在本方案中，采用了模块化设计思想，顶层模块利用 STM32 微处理器作为主处理器，其主要完成对数字摄像头采集的图像进行处理，对低层无线传输模块数据进行整合处理。顶层模块通过串口通信方式和底层模块进行通信，从而形成数据交换。3.总结基于图像识别的激光打靶系统是一个集电学、光学、图像处理技术和计算机技术于一体的无线光电通讯系统。它用激光束代替真实的子弹发射过程来模拟实弹射击训练，靶面接收端利用摄像头摄取带有激光光斑的靶面图像，并经过图像处理技术进行处理，最终
10、获取激光模拟打靶的成绩。.参考文献1曹健.基于局部特征的目标识别方法学位论文 博士 2009 2陶曼.深度图像的分割与压缩学位论文 硕士 20003 H.M.Deitel, P.J.Deitel, J.Listfield, T.R.Nieto, C.Yaeger, M.Zlatkina 著葛昊晗，汤涌涛，李强等译#大学教程：第 16 章 图形和多媒体北京：清华大学出版社，2003 年 11 月4 曹慧娟主编植物学北京：中国林业出版社，1992 年 4 月5 王士同主编人工智能教程北京：电子工业出版社，2001 年 10 月.6 林福宗主编图像文件格式大全北京：清华大学出版社，1998 年7 霍
11、宏涛主编数字图像处理北京：北京理工大学出版社，2002 年 9月8 边肇祺，张学工等编著. 模式识别(第二版）. 北京：清华大学出版社，20009 张宏林，蔡锐编著Visual C+数字图像模式识别技术及工程实践人民邮电出版社发行，2003 年 1 月.10 陈辉编著二值图并序交互细化方法山东工业大学学报，1997 年 7月.摘要:射击训练是日常军事训练中的重要训练项目之一，而目前的射击打靶训练，基本仍以实弹为主，报靶方式也多采用人工报靶，不仅费用开支大，可靠性、公正性以及高效性等都不能得到保障。由于激光具有单色性、高方向性、高亮度、相干性等特点，用激光子弹代替传统的实弹进行射击训练已经成为当
12、前各国部队进行装备改进的一个发展趋势。本课题设计了一套可用于实际模拟训练中的基于图像处理技术的激光模拟打靶训练系统，该系统利用摄像头拍摄靶面图像，通过 STM32 将采集的图像进行预处理和图像识别靶后得到射击成绩，即:打靶环数。本文的主要工作是对视频图像采集系统及图像识别判靶算法进行研究。文中详细介绍了视频图像采集系统的硬件组成和工作原理，它用摄像头采集靶面图像，并通过物联网传送至单片机机进行实时处理及显示；着重研究了图像的识别判靶方法，包括靶环中心点的确定，环间距的计算，光斑中心点位置的判定以及打靶环值判定。通过实验对设计的报靶系统算法进行了验证，成功地实现了自动报靶。本系统克服了人工报靶效
13、率低、可靠性差，存在安全隐患等许多弊端，大大提高了报靶效率，且成本较低，具有很好的发展及应用前景。关键词:激光打靶，模拟训练，摄像头，图像处理，物联网.Abstract：Shooting training is one of the most important training program in daily training. Nowadays, the shooting target practice is still based on real ammunition. And the indications of shots are usually in artificial way
14、,which not only costs a lot, but also threaten the reliability, fairness and efficiency. Since the laser has characteristics of high monochromaticity, directionality, and high intensity, coherence, using laser instead of traditional bullets for shotting training has become the current national trend
15、 to develop army equipment.In this paper, we designed a set of image-processing-tech-based laser simulated shooting training system which can be used in the actual simulated training.The main work in this paper focus on the research of video image acquisition system and image recognition algorithm o
16、f target. Video image acquisition system is introduced in detail especially for the hardware composition and working principle. It used a digital camera image acquisition target surface, and send to single chip machine through the Zigbee in real-time processing and display. Target method and image r
17、ecognition are studied in this paper, including the determination of research center of the target loop ring spacing calculation, spot center location decision and targeting ring value decision. The designed system of indication of shots algorithm is verified through this experiment and the automati
18、c indication of shots is achieved successfully.This kind of system eliminates low efficiency, poor reliability, potential hazard and many other shortcomings, which greatly improve the efficiency of the indication of shots. So the system, with low cost, has a very prosperous development and applicati
19、on prospects.Key words: laser shooting, training simulation, camera, image processing, Zigbee.目录1.绪论 .11.1 课题研究的目的和意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 本课题的主要研究内容 .32.基于图像识别打靶的方案 .52.1 系统工作原理 .52.2 图像处理的算法 .52.3 硬件设计方案 .72.4 软件设计方案 .83.硬件系统设计 .93.1 靶面设计 .93.2 主控模块设计 .103.3 显示模块 .123.3.1 诺基亚 5110LCD 屏 .123.3.2 TFT
20、 彩屏 .133.4 ZigBee 无线传输模块 143.5 摄像头模块 .153.5.1 两种采集图像思路的对比 153.5.2 图像识别系统 .163.5.3 图像识别与图像处理的关系 173.6 通信模块 .184.软件系统设计 .194.1 STM32 主控制器程序模块 194.2 人机交互程序模块 .204.3 ZigBee 无线传输模块 204.4 系统软件保护模块 .205.模块整合与调试 .21.6.总结与展望 .22致谢 25.1.绪论1.1 课题研究的目的和意义当前，保障国家安全和领土完整的首要任务是加强军队建设，科学技术的突飞猛进，使得军队建设也在不断向科技化和信息化方向
21、发展，而军队的建设以军人素质的不断提高为基础。因此，在日常的军事训练中，如何提高训练效率以及军人在训练过程中的安全性，是当前军事科技研究中的重中之重。射击训练是部队日常训练中的必要项目，而目前的射击训练，基本仍是以实弹训练为主，不仅危险系数高，费用开支大，且报靶方式也多采用传统的人工报靶，即由报靶员根据经验确定靶数，由于个人主观因素的存在，打靶成绩的可靠性及公正性都不能得到保障，整个训练过程中的效率也较低。随着激光的诞生以及激光技术的不断进步和发展，将激光应用在模拟训练中成为一种最常用的方法，相比较于实弹激光有其独特的优点，例如它可以减少武器装备的费用开支，提高报靶精度，而由于装备的特殊性还可
22、以使得训练更加简练 1。军训对于学生而言具有重要意义，它是学生在校期间接受国防教育的重要形式之一,与其它教育形式一起,潜移默化地影响着学校对党的教育方针的全面落实,逐步提高学生整体素质。军训不仅能够增强学生的集体观念和国防意识，为学生树立正确的人生观和价值观产生良好的积极影响，且随着高等教育的普及和发展，高等院校将是主要的优质兵源基地，大学生将是高素质兵员的重要来源，这也间接促进了军队的建设。但在当前的学生军事训练中，存在的问题也很多，如缺乏相应的训练基地，枪支的安全管理不到位，射击训练采用实弹射击，训练机构不健全等 2。综合部队日常军事训练以及学生军训中射击训练存在的问题，设计一种成本较低，
23、安全高效的模拟射击训练系统具有重要的意义。而用激光打靶训练器材模拟实弹射击训练，在节省了弹药和费用的同时又能提高训练的安全性和训练效率并可获得和实弹射击同样的效果。而且，可以解决阴雨天难以展开实弹射击，射击场地保障困难，以及射击结果的实时显示等问题。另外，利用含有激光技术、微电子技术、单片机技术以及图像处理技术的模拟射击训练器，装备到最基层的连队，可以让军人在日常的军事训练中不断接触各种高科技技术，增长知识，提高技能。模拟激光打靶训练器的设计实现以及应用，对军事训练.智能化，国防建设现代化，提高部队整体素质以及节约国防开支都具有重要意义。而将激光模拟训练器用于学生军训中，不仅节约了开支，提高了
24、射击训练的安全性，也能大大提高学生射击训练的水平，是一种有效可行的方法。1.2 国内外研究现状目前，高科技的迅速发展使得世界各国的军事系统建设都在从机械化向信息化转变。各种高新技术在军事领域的应用，在增加部队军事训练紧迫性的同时，也给其提供了大批非常先进的训练方式。从而大大激发了军人在日常训练中的创造性和主动性，提高了训练的质量和军队整体的训练素质。激光技术是一门高新技术，从 20 世纪 60 年代初发展至今，经过了 40 多年的发展历程，使得其机理原理、实验手段和制造工艺都趋于成熟，在普遍应用于民用工业的同时，在军事领域中也受到各国的重视。在许多军事强国，激光技术在军事领域中已经得到了广泛的
25、应用，比如用在军事指挥系统，军事作战系统等。激光具有方向性好，相干性好，亮度高等特点。激光技术的这些优点使得激光在部队训练器材的改进方面发挥着越来越重要的作用，同时也变革了部队的训练方式。许多的军界人士认为，将激光模拟训练器材应用在部队上，是和平时代部队进行军事训练的有效手段之一，是部队训练样式的一次重大革命。因此，一些发达国家，如英国、德国、美国、俄罗斯、瑞士等都在进行激光模拟射击训练器材的研制，并开发出一系列功能强大的产品，首当其冲的是美国的“米勒斯 ”系列，不仅逼真、精确，性能稳定，还可模拟 36 种武器，大大提高了部队的军事射击训练水平，推进了模拟训练器材的研制和发展。 “米勒斯”(M
26、ILES)是多元一体化激光交战系统，由美军在 70 年代研制而成，其原理是利用装在一些武器平台上（如步枪、坦克、直升机）的激光来模拟子弹、炮弹的发射，接收端则利用传感器接收激光信号并进行处理，不仅安全可靠，且模拟效果精确、逼真。到了 80 年代末期，MILES 系列又升级到了 MILES,将MILES系列与 SAWE(模拟区域武器效应)系统一起使用时，间接开火和直接开火相结合可进增大模拟的范围。MILES/SAWE 还可以通过 GPS(全球定位系统)把所有参与训练的士兵、车辆和武器联系在一起，达到模拟区域武器效应的效果，如模拟大炮、化学制品和地雷等。MILES/SAWE 已在美军的训练中.心中
27、使用：如加州 Fort Irwin 的国家训练中心，Lousiana 州 Fort Polk 的联合备战训练中心 3。随着技术的不断进步，MILES 又推出了其强化型系列-MILES 2000，除了具有很强的适用性外，还具有战场程序工作的能力，功能更强，模拟范围更广。俄罗斯也推出了一种名为 9838的新型激光模拟射击训练器，它是俄罗斯仪表制造业的最新研究成果，主要供排级部队使用。同时还推出了 RPG 系列便携式火箭筒(HC9)、卡拉什尼科夫系列冲锋枪和机枪(HCI)型、CBD 狙击步枪(HC5型)、 “混血儿” 反坦克导弹系统 (HC10 型)等武器装备激光射击模拟器。新型激光射击模拟器在各种
28、军事演习中的广泛应用，能够帮助部队在较短时间内解决高质量、高效率的战术培训和射击训练任务，保障战斗训练效率的不断提高，并且在最大程度上创造接近于实战的训练环境。随着我国经济的崛起和飞速发展，军事训练已经初步实现基地化，并在模拟训练与仿真技术的领域中积累了丰富的经验和技术。计算机网络及虚拟现实技术的发展，使得训练人员在在虚拟的数字空间里便可模拟体验各种类型的训练环境和训练方式，完成训练和考核的任务。近年来，我国许多单位都在积极研制开发模拟训练器及仿真技术，如已研制成功的迫击炮射击训练系统，它集教学、训练、考核多种应用于一体，功能齐全，能够为炮兵分队提供完善的射击训练平台。其采用的虚拟现实技术能够
29、对训练场景和射击效果进行仿真，其内容包括三维立体地形、目标、炸点、气候、音效等多个方面。场景类型丰富、技术先进、效果逼真。而在我国的一些军事院校中，学员们在毕业前夕必须完成的作业之一便是参加一场网上的联合战役演习。从装甲车的驾驶到战机、战舰的操作，从战术模拟到战役模拟，越来越多的训练模拟系统被用于全军各个层次、各种专业、各种兵种的训练。仿真模拟器材正逐步走向系列化，已成为提高军人军事素质的重要手段。1.3 本课题的主要研究内容本文主要研究内容包括：(1)STM32 微处理器的应用软硬件平台的搭建，利用 RVMDK V4.2 以及STM32 固件库完成 STM32 的软件开发；(2)通信协议的选
30、取与实现：对系统中各个模块之间的通信协议以及实现方.法进行详细的介绍和研究；(3)摄像头的使用介绍：两种采集图像方法的对比；(4)图像处理与图像识别的各种方法介绍；(5)ZigBee 的组网；(5)编制图像采集处理程序和报靶程序；(6)实验验证、总结。.2 基于图像识别打靶的方案2.1 系统工作原理激光模拟打靶系统是一个集电学、光学、图像处理技术和计算机技术于一体的无线光电通讯系统。它用激光束代替真实的子弹发射过程来模拟实弹射击训练，靶面接收端利用数字摄像头摄取带有激光光斑的靶面图像，并经过图像处理技术进行处理，最终获取激光模拟打靶的成绩。整个系统在逻辑上主要分为发射部分和图像采集处理部分。发
31、射部分是在7.62mm 口径的冲锋枪上安装激光器（这里由于时间与经费有限，暂时用激光笔代替） ，利用激光笔发射的激光束模拟实弹射击。图像采集处理部分则是利用单片机（MCU）从数字摄像头显示的动态视频靶面图像中捕获一幅静态图像，当激光笔打在靶面上，摄像头捕捉到一个光斑，通过对图像的预处理及处理（包括图像的灰度化、去噪处理、二值化、中心判定等）等工作，最终能够获得我们想要的打靶成绩，并实时显示出来，起到自动报靶的功能。由此，射击者可以清楚知道自己的成绩，从而为下一次进行调整 4。2.2 图像处理的算法.图 2-1 靶面坐标示意图由于实物靶面是一组间距相同的同心圆，数字摄像头摄取到的靶面图像是以一定
32、比例缩小的实物图像，它也是一组间距相同的同心圆，将靶面图像中各环的间距设为 。那么只要知道摄像头摄取到的靶面图像的直径，则各环之间R的间距就知道了，即为直径比上环数。那么相应的各圆的半径也就确定了，即以各环间距的倍数递增。首先来计算摄像头采集到的靶面图像的宽度，即直径，设为 。2d实物标准环靶的直径 是已知的摄像头的焦距 h 也是已知的，摄像机到靶面的1d距离 可以实际测量出来，那么摄像头摄取到的靶面图像的直径可用如下比例x式求出：（2-hdx/211） 变换可得出： （2-/22）在计算出摄取到的靶面图像的宽度 后，据比例便可计算出各环的间距d.值，设环数为 ，本系统中我们采用的是五环靶，则
33、 的值为 5， 值的计算rn nr如下式：（2-ndr/23）在计算得出 的值之后，相应的靶面图像的每个圆的半径，即每个圆环到中r心点 的距离也就确定了，从 6 环至 9 环其半径依次为 。0 r2,345光斑打在靶面（这个靶面是摄像头采集图像的靶面并非实际靶面）如图 2-1所示。其中中心点坐标为 ，光斑坐标为 ，斜率为 。),(yx),(1yxk由图 2-1 可以得到光斑到靶心的距离为：（2-221)()(R4）靶心与光斑连线所成的斜率：(2-5) )/(tan11xyk由图 2-1 可知 （1）0 R, 打靶成绩为 10 环;r（2） 2 , 打靶成绩为 9 环;（3）2 3 , 打靶成绩
34、为 8 环;（4）3 r 4 , 打靶成绩为 7 环;（5）4 R5 , 打靶成绩为 6 环;对于方位：若 时1x(1) 方位为上1,ky(2) 方位为下1(3) 方位为右,kx(4) 方位为左11若 时x.（1） 方位为上y1（2） 方位为下2.3 硬件设计方案图 2-2 打靶系统的原理框图如图 2-2 所示，本系统采用模块化的思想，将系统划分为：主控器 STM32模块、显示模块、ZigBee 模块、摄像头模块。摄像头采集数据传递给 STM32 微处理器，STM32 对图像进行处理后，将数据以串口传递到 ZigBee 并发送到终端，终端将打靶成绩在屏上显示出来。2.4 软件设计方案软件部分也
35、采用模块化设计方法，先在各个硬件模块上完成相应功能的程序模块的设计，之后再添加通信模块，并将各子模块挂在 STM32 上进行联调。STM32 对于摄像头采集的图像进行处理，编程较为复杂，但是 STM32 微处理器的生产商意法半导体公司提供了友好的固件库， ；里面封装了很多好用的 API函数，降低了顶层模块的编程难度。这也是为什么选择 STM32 这款微处理器的一个原因 5。.3 硬件系统设计3.1 靶面设计该系统由激光枪及瞄准机构、胸环靶、弹着点检测电路组成，其结构示意见图 3-1作弹着点检测电路，通过摄像头识别激光枪投射在胸环靶上的弹着点光斑，并显示弹着点的环数与方位信息。其中环数包括：10
36、、9、8、7、6、5、脱靶；方位信息是指弹着点与 10 环区域的相对位置，包括：中心、正上、正下、左、右。详见图 3-2 图 3-1 系统结构图.图 3-2 胸环靶示意图3.2 主控模块设计主控模块采用意法半导体的 STM32F103ZET6 芯片搭建的一个硬件平台。STM32F103ZET6 是一款 ARM 32 位的 Cortex-M3 内核的微处理器，512K 字节的闪存程序存储器，高达 64K 字节的 SRAM，最高时钟频率为 72MHz，三个12 为模数转换器，多达 21 通道，支持 12 通道的 DMA ，多达 13 个通信接口其中有 5 个 USART,多达 112 各通用 IO
37、 口。由于本系统涉及到了一些数字信号处理，使用专用的 DSP 芯片成本会很高，而且开发难度也很大。所以采用了一种折中的芯片选型方案，选择了一款高性价比的嵌入式微处理器做主控板。从 STM32F103ZET6 的指令的吞吐量和存储空间上看，此款芯片很适合做为本系统的主控芯片。它有很丰富的外部设备，如 ADC 为陀螺仪的输出模拟信号的 AD 转换提供了方便，5 个 USART 为各模块和主控电路之间的通信提供了方便的接口 6。.图 3-3 STM32 主控板原理图（部分）图 3-4 为 STM32F103ZET6 的是时钟电路，OS1 为高速时钟，为STM32F103ZET6 内核和外部设备提供工
38、作时钟。 OS2 为一个低频晶振，为STM32F103ZET6 提供实时时钟。图 3-5 为 STM32F103ZET6 的复位电路，采用积分型复位电路积，复位为低电平有效，此电路具有上电复位和按键复位的功能 8。.图 5-6 STM32 主控板时钟电路 图 3-4 STM32 主控板时钟电路 图 3-5 STM32 复位电路图 3-6 STM32 JTAG 仿真接口电路图 3-6 为 STM32 的 JTAG 仿真接口电路，在一个复杂系统中，软件调试往往很花费时间，如果系统上留有 JTAG 接口，可以通过 JTAG 对系统进行在线调试，可以让程序单步执行，从而可以查看程序的运行路径，很容易定
39、位软件中的逻辑错误，提高开发效率。3.3 显示模块本系统用到二个液晶屏：TFT 彩屏、诺基亚 5110LCD 屏。3.3.1 诺基亚 5110LCD 屏该模块具有以下特点： （1） 的点阵 LCD，可以显示 4 行汉字， 48（2）采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括VCC 和 GND 在内的信号线仅有 9 条。支持多种串行通信协议（如 AVR 单片机的I、MCS51 的串口模式等） ，传输速率高达 4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。 （3）可通过导电胶连接模块与印制版，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可.将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换。 （4
40、）LCD 控制器驱动器芯片已绑定到 LCD 晶片上，模块的体积很小。 （5）采用低电压供电，正常显示时的工作电流在 200A 以下，且具有掉电模式。其模块原理图如 3-7图 3-7 诺基亚 5110 液晶屏原理图3.3.2 TFT 彩屏模块的 2.4 英寸 TFT-LCD 显示面板上，共分布着 240320 个像素点，而模块内部的 TFT-LCD 驱动控制芯片内置有与这些像素点对应的显示数据RAM（简称显存） 。模块中每个像素点需要 16 位的数据（即 2 字节长度）来表示该点的 RGB 颜色信息，所以模块内置的显存共有 24032016bit 的空间，通常我们以字节（byte）来描述其大小。
41、 模块的显示操作非常简便，需要改变某一个像素点的颜色时，只需要对该点所对应的 2 个字节的显存进行操作即可。而为了便于索引操作，模块将所有的显存地址分为 X 轴地址（X Address）和 Y 轴地址（ Y Address） ，分别可以寻址的范围为 X Address=0-239，Y Address = 0-19，X Address 和 Y Address 交叉对应着一个显存单元（2byte） ；这样只要索引到了某一个 X、Y 轴地址时，并对该地址的寄存器进行操作，便可对 TFT-LCD 显示器上对应的像素点进行操作.了。其原理图如图 3-8：图 3-8 TFT 原理图3.4 ZigBee 无
42、线传输模块ZigBee 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。它是一种介于无线标识技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称为“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间互相协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以连接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们之间的通信效率非常高 7.其原理图如图 3-9。.图 3-9 ZigBee 原理图之所以用 ZigBee 进行无线通信而不用其它的比如 24L01 或者 905 通信，是因为 ZigBee 相比其它无线更加稳定，不易受到外界环境干扰，它
43、最大的好处是可以组成一个局域网络，因为在真实的打靶环境中不可能只有一个靶，可能会有很多个，这样通过 ZigBee 组成一个网络，可以将所有射击者的打靶信息全部反馈到主机上，既方便又高效。3.5 摄像头模块本系统用的摄像头是最普通的摄像头，成本低廉，安装方便。3.5.1 两种采集图像思路的对比由于用的是普通摄像头，图像采集的方法就尤为重要，下面是两种采集思路：方案一：使用 for 循环延时采集 1. 需要采集图像时，开场中断2. 场中断来了就开启行中断，关闭场中断.3. 行中断里用 for 循环延时采集像素，可以在行中断里添加标志位，部分行不采集，即可跨行采集4. 行中断次数等于图像行数时即可关
44、闭行中断，标志图像采集完毕这种方法是最简单，最多人用，但也是采集图像最不稳定的方法，经常出现消隐区全为无效数据的问题。方案二：使用场中断和行中断，结合 for 循环延时采集1. 需要采集图像时，开场中断。2. 场中断来了，开行中断。3. 行中断来了就结合 for 循环延时采集，如果先过滤部分行不采集，则设置一个静态变量，每次行中断来了都自加 1，根据值来选择采集或不采集某些行。4. 每个奇偶场标志触发后，就把摄像头输出的值读取到内存数组里。当触发n 次（n= 图像列数目）后就停止采集。5. 行中断次数等于一幅图像的行数，或者等待下一个场中断来临就结束图像采集，关闭行中断和场中断。这种方法不需要
45、使用 PCLK，使用简单方便，不过延时值需要设置合适，不然要不就采集到消隐区,要不就只采集图像的左边部分。通过对以上两种方案的理论分析和实验对比，最终确定用方案二来实现摄像头图像采集。方案确定后，接下来说明怎样做图像处理与图像识别。3.5.2图像识别系统图像识别，简单地说，就是要把一种研究对象，根据其某些特征进行识别并分类。可以认为，对数字图像进行区别分类其实质就是对图像进行模式识别。这种识别早已存在人们的生活实践中。然而，随着实践活动的扩大、深入和社会化的需要，人们不仅需要识别分类数很多的事物，而且被识别的对象内容也越来越复杂。特别是由于科学技术水平的提高 13，使得各种不同的研究对象.“图
46、像化”或“数字化” ，可采用某种技术把考察的对象转换成图片、波形图以及若干数据，这些数据就可以代表所研究的对象。但是对于模式识别来说，无论是数据、信号还是平面图像或立体景物都是除掉它们的物理内容而找出它们的共性，把具有同一共性的归为一类，而具有另一种共性者归为另一类。图像模式识别的目的就是研制采用某种仪器或设备，自动处理某些信息，代替人完成分类和辨识的任务，并且能够快速而准确地进行图形识别 8。一般来说，一个图像识别系统由以下几个部分组成，其框图如图3-10所示。图3-10 图像识别系统框图第一部分是图像信息的获取。它相当于对被研究对象的调查和了解，从中得到数据和材料，对图像识别来说就是把图片
47、、底片和文字图形等用光电扫描设备转换为电信号以备后续处理。第二部分是图像的预处理。这个处理过程的工作包括采用数字图像处理的各种方法来消除原始图像的噪声和畸变，消减无关特征而加强图像的系统感兴趣的特征，如果图像包含多个目标的，还要对图像进行分割，将其分为多个每个只包含一个目标的区域。第三部分特征提取。通常能描述对象的元素很多，为了节约资源，节省计算机存储空间、机时、特征提取费用，在满足分类识别正确率要求的条件下，按某种准则尽量选用对正确分类识别作用大得特征 14，使得用较少的特征就能完成分类识别任务。这项工作的表现为减少特征矢量的维数、符号、串字符数或简化图的结构。第四部分是判决或分类。即依据所
48、提取的特征，将前一部分的特征向量空间映射到类型空间，把相应原图归属已知的一类模式，相当于人们从感性认识升到理性认识而做出结论的过程。第四部分与特征提取的方式密切相关，它的复杂程度也依赖于特征提取的方式，例如，类似度、相关性、最小距离等等。其中前三部分是属于图像处理范畴，第四部分为模式识别范畴。我们也把预处理和特征提取部分称为低级处理，而判决和分类部分称为高级处理 15。其中，原始图像 预处理 特征提取 模式分类 识别结果.每一阶段都会对识别结果产生严重影响，所以每一阶段都应争取尽可能完美的结果。3.5.3 图像识别与图像处理的关系在研究图像时，首先要对获得的图像信息进行预处理（前处理）以滤去干扰、噪声，作几何、彩色校正等，以提供一个满足要求的图像。图像处理包括图像编码，图像增强、图像压缩、图像复原、图像分割等。对于图像处理来说，输入是图像，输出（即经过处理后的结果）也是图像。图像处理主要用来解决两个问题：一是判断图像中有无需要的信息；二是确定这些信息是什么。图像识别是指对上述处理后的图像进行分类，确定类别名称，它可以在分割的基础上选择需要提取的特征，并对某些参数进行测量，再提取这些特征，然后根据测量结果做出分类。为了更好地识别图像，还要对整个图像做结构上的分析，对图像进行描述，以便对图像的主要信息做一个好的解释 16，并通过许多对象相互间的结构关系对图像加深理解，以便更好
