基于STM32的摄像头自动报靶装置的设计
基于STM32的摄像头自动报靶装置的设计[20200211151521]
摘 要
传统的演练射击采用的是人工报靶，具有效率低、安全性差等缺点。而自动报靶系统具有快速、高效、精确的优点，相比人工报靶优势明显。
本系统设计了基于图像处理技术的自动报靶装置。系统采用STM32单片机为控制核心，以红色激光点模拟实际弹着点，通过单片机控制FIFO进行图像采集，并对采集的图像进行预处理，得到了清晰的激光点，靶心，靶环。通过利用创建的环值区域，识别激光点所在区域实现环值判定。
经过大量的研究和测试，对显示结果进行分析与比较，明确了合适的算法，并获得了较好的实验效果。
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关键字:报靶装置STM32单片机图像处理FIFO图像采集
目 录
1.绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2 课题研究的主要内容及目标 1
1.3论文章节安排 2
2.报靶系统硬件设计 3
2.1 系统总体结构设计 3
2.2 单片机最小系统的设计 3
2.2.1时钟电路设计 3
2.2.2复位电路设计 4
2.3 电源电路设计 5
2.4 摄像头采集模块设计 6
2.5 液晶显示电路设计 8
3.报靶系统软件设计 9
3.1系统软件设计概述 9
3.2底层软件初始化 9
3.2.1摄像头初始化 9
3.2.2 TFT初始化 10
3.3 图像采集与显示 11
3.3.1 图像采集 11
3.3.2 图像显示 13
3.4 图像预处理 15
3.4.1 图像灰度化 15
3.4.2 滤波处理 16
3.4.3 图像锐化处理 19
3.5图像处理 20
4.系统调试 25
4.1系统硬件调试 25
4.1.1电源电压调试 25
4.1.2液晶调试 25
4.2系统软件调试 26
4.2.1 TFT调试 26
4.2.2 图像灰度化调试 26
4.2.3图像的滤波调试 27
4.2.4报靶调试 27
5.总结与展望 28
参考文献 29
附录 30
附录一 实物图 30
附录二 系统硬件电路图 31
附录三 图像处理部分代码 32
致谢 34
1.绪论
1.1研究背景和意义
在运动比赛中，射击项目是主要的竞技项目之一。在射击过程中，最终得到的靶环数能够衡量一个选手的对枪控制的熟练程度。国际上通用的计量方法是给靶心目标量化的几何中心的靶心的中心的不同半径的同心圆，目标将最终完成划分为不同的区域环以靶心为圆心作出不同半径的同心圆，将一块靶子划分出各种不同的区域，子弹落于不同的区域得到不同的环数，最终相加得到总的成绩。
传统的射击采用的是人工报靶，存在很多弊端：1、工作量大，人工报靶主要根据报靶人员的经验，借助一定的测量工具来确定靶数。2、效率低，据相关统计，射击训练中，射击所需时间仅仅为人工报靶时间的十分之一，而且当靶板上弹孔较多时，报靶员很难识别新旧弹孔，报靶误差极大，直接会影响到训练效果。3、安全性较差，在报靶的过程中，报靶人员通常是隐蔽在靶下方进行观察，在射击未结束时，射击人员如果有疏忽，容易枪支走火，造成人员伤亡，安全隐患差。而且，还容易出现不公平的现象。自动报靶装置可以克服这些缺点，其快速性和稳定性，安全性都是非常可靠。这样通过自动报靶装置的功能实现，可以使军事射击训练效率大大提高，也可以增加运动会上的射击项目比赛观赏性，扩大这项运在人们心中的地位，其意义是可想而知的。
目前有几种基于不同原理的报靶系统，包括：基于图像处理的报靶系统，光电坐标自动报靶系统，声电定位自动报靶系统等等。本系统采用基于图像处理的自动报靶系统，将实弹射击自动报靶简化，用激光点来代替弹着点，靶环也是均匀分布的同心圆。激光点和靶环的特征明显，所以利用图像处理技术进行特征提取较为容易。通过对激光点和靶环的识别来判断相应的靶环数，这样就能实现自动报靶功能。
1.2 课题研究的主要内容及目标
本课题研究基于STM32控制器，包括系统图像数据采集及控制器硬件电路设计，系统供电电路设计。利用控制器通过SCCB通信接口实现对OV7670彩色摄像头的参数设定并通过FIFO芯片进行图像数据采集，对采集的数据进行处理。
本课题研究主要内容：
（1） STM32微控制器的介绍以及系统整体的硬件电路设计。STM32是一款32位的高性能、低成本的微控制器，拥有丰富的内设资源，硬件电路包括STM32的最小系统、稳压电路、摄像头工作电路以TFT工作电路。
（2） 图像的采集与显示。通过30W像素的彩色摄像头OV7670作为图像采集设备，将采集的图像缓存在具有FIFO功能的存储芯片AL422B中，再通过控制器按照规定的时序依次读取AL422B中的数据，并依次将数据写入TFT彩屏的GRAM中，实现图像的实时显示；
（3）系统软件设计主要包括三个部分：图像采集、图像预处理、图像处理。在图像预处理过程中主要涉及图像灰度化、图像降噪、图像锐化这三部分，这三部分也是最后能否进行精确识别的前提。图像处理主要涉及到激光点和靶环的特征提取。这套自动报靶系统最终就是能够实现通过对激光点和靶环的识别，根据每一环半径与最外环半径的比例关系，最终得出环数，达到自动报靶的功能。
1.3论文章节安排
本文的每一个章节采用总分的结构，对系统的总体结构各部分进行了介绍，整个系统能否顺利运行在于硬件和软件的统一。
第一章 绪论：介绍报靶系统的研究的背景及意义，阐述课题的研究内容及目标。
第二章 系统的硬件设计，介绍单片机最小系统，电源电路设计，摄像头电路设计，液晶显示电路的设计。
第三章 系统的软件介绍，重点阐述图像采集，图像的预处理，图像处理这三个部分。
第四章 系统的调试，硬件调试介绍液晶和电源电压的调试，软件调试阐述图像灰度化和去噪的调试。
第五章 总结与展望，总结一下该报靶系统的优缺点及阐述该摄像头报靶系统的前景及趋势。
2.报靶系统硬件设计
2.1 系统总体结构设计
本系统的硬件电路设计的目标是简洁，稳定，高效。稳定是本系统设计的前提，在电源供电方面要做好接地，滤波等工作。简洁就是在满足稳定要求后，要使电路设计尽量简化，在尽量减少元器件情况下依然正常稳定工作。
本系统以STM32为主要的硬件平台，系统硬件主要包括：电源、STM32单片机、TFT液晶屏、摄像头工作电路。自动报靶系统结构框架如图2-1所示：
图2-1 自动报靶系统结构框架图
2.2 单片机最小系统的设计
STM32系列单片机按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。基本型的单片机的时钟频率为36MHz，增强型系列单片机的时钟频率达到72MHz；两个系列都内置的闪存为32K到128K，不同的是静态RAM的外设接口和最大容量的组合。时钟频率72MHz时，是32位市场上功耗最低的产品。
本设计采用的是意法半导体公司推出的32位单片机STM32F103VET6为控制器，单片机最小系统电路模块包括电源电路，复位电路和时钟电路。
2.2.1时钟电路设计
在STM32系统中，共有五个时钟源，分别为HSE、HSI、LSE、LSI、PLL.
HSI和LSI为片内RC振荡器，HSI为8MHz而LSI为32KHz；HSE和LSE为外部时钟源；PLL则需要HSE和HSI来提供时钟.
摘 要
传统的演练射击采用的是人工报靶，具有效率低、安全性差等缺点。而自动报靶系统具有快速、高效、精确的优点，相比人工报靶优势明显。
本系统设计了基于图像处理技术的自动报靶装置。系统采用STM32单片机为控制核心，以红色激光点模拟实际弹着点，通过单片机控制FIFO进行图像采集，并对采集的图像进行预处理，得到了清晰的激光点，靶心，靶环。通过利用创建的环值区域，识别激光点所在区域实现环值判定。
经过大量的研究和测试，对显示结果进行分析与比较，明确了合适的算法，并获得了较好的实验效果。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:报靶装置STM32单片机图像处理FIFO图像采集
目 录
1.绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2 课题研究的主要内容及目标 1
1.3论文章节安排 2
2.报靶系统硬件设计 3
2.1 系统总体结构设计 3
2.2 单片机最小系统的设计 3
2.2.1时钟电路设计 3
2.2.2复位电路设计 4
2.3 电源电路设计 5
2.4 摄像头采集模块设计 6
2.5 液晶显示电路设计 8
3.报靶系统软件设计 9
3.1系统软件设计概述 9
3.2底层软件初始化 9
3.2.1摄像头初始化 9
3.2.2 TFT初始化 10
3.3 图像采集与显示 11
3.3.1 图像采集 11
3.3.2 图像显示 13
3.4 图像预处理 15
3.4.1 图像灰度化 15
3.4.2 滤波处理 16
3.4.3 图像锐化处理 19
3.5图像处理 20
4.系统调试 25
4.1系统硬件调试 25
4.1.1电源电压调试 25
4.1.2液晶调试 25
4.2系统软件调试 26
4.2.1 TFT调试 26
4.2.2 图像灰度化调试 26
4.2.3图像的滤波调试 27
4.2.4报靶调试 27
5.总结与展望 28
参考文献 29
附录 30
附录一 实物图 30
附录二 系统硬件电路图 31
附录三 图像处理部分代码 32
致谢 34
1.绪论
1.1研究背景和意义
在运动比赛中，射击项目是主要的竞技项目之一。在射击过程中，最终得到的靶环数能够衡量一个选手的对枪控制的熟练程度。国际上通用的计量方法是给靶心目标量化的几何中心的靶心的中心的不同半径的同心圆，目标将最终完成划分为不同的区域环以靶心为圆心作出不同半径的同心圆，将一块靶子划分出各种不同的区域，子弹落于不同的区域得到不同的环数，最终相加得到总的成绩。
传统的射击采用的是人工报靶，存在很多弊端：1、工作量大，人工报靶主要根据报靶人员的经验，借助一定的测量工具来确定靶数。2、效率低，据相关统计，射击训练中，射击所需时间仅仅为人工报靶时间的十分之一，而且当靶板上弹孔较多时，报靶员很难识别新旧弹孔，报靶误差极大，直接会影响到训练效果。3、安全性较差，在报靶的过程中，报靶人员通常是隐蔽在靶下方进行观察，在射击未结束时，射击人员如果有疏忽，容易枪支走火，造成人员伤亡，安全隐患差。而且，还容易出现不公平的现象。自动报靶装置可以克服这些缺点，其快速性和稳定性，安全性都是非常可靠。这样通过自动报靶装置的功能实现，可以使军事射击训练效率大大提高，也可以增加运动会上的射击项目比赛观赏性，扩大这项运在人们心中的地位，其意义是可想而知的。
目前有几种基于不同原理的报靶系统，包括：基于图像处理的报靶系统，光电坐标自动报靶系统，声电定位自动报靶系统等等。本系统采用基于图像处理的自动报靶系统，将实弹射击自动报靶简化，用激光点来代替弹着点，靶环也是均匀分布的同心圆。激光点和靶环的特征明显，所以利用图像处理技术进行特征提取较为容易。通过对激光点和靶环的识别来判断相应的靶环数，这样就能实现自动报靶功能。
1.2 课题研究的主要内容及目标
本课题研究基于STM32控制器，包括系统图像数据采集及控制器硬件电路设计，系统供电电路设计。利用控制器通过SCCB通信接口实现对OV7670彩色摄像头的参数设定并通过FIFO芯片进行图像数据采集，对采集的数据进行处理。
本课题研究主要内容：
（1） STM32微控制器的介绍以及系统整体的硬件电路设计。STM32是一款32位的高性能、低成本的微控制器，拥有丰富的内设资源，硬件电路包括STM32的最小系统、稳压电路、摄像头工作电路以TFT工作电路。
（2） 图像的采集与显示。通过30W像素的彩色摄像头OV7670作为图像采集设备，将采集的图像缓存在具有FIFO功能的存储芯片AL422B中，再通过控制器按照规定的时序依次读取AL422B中的数据，并依次将数据写入TFT彩屏的GRAM中，实现图像的实时显示；
（3）系统软件设计主要包括三个部分：图像采集、图像预处理、图像处理。在图像预处理过程中主要涉及图像灰度化、图像降噪、图像锐化这三部分，这三部分也是最后能否进行精确识别的前提。图像处理主要涉及到激光点和靶环的特征提取。这套自动报靶系统最终就是能够实现通过对激光点和靶环的识别，根据每一环半径与最外环半径的比例关系，最终得出环数，达到自动报靶的功能。
1.3论文章节安排
本文的每一个章节采用总分的结构，对系统的总体结构各部分进行了介绍，整个系统能否顺利运行在于硬件和软件的统一。
第一章 绪论：介绍报靶系统的研究的背景及意义，阐述课题的研究内容及目标。
第二章 系统的硬件设计，介绍单片机最小系统，电源电路设计，摄像头电路设计，液晶显示电路的设计。
第三章 系统的软件介绍，重点阐述图像采集，图像的预处理，图像处理这三个部分。
第四章 系统的调试，硬件调试介绍液晶和电源电压的调试，软件调试阐述图像灰度化和去噪的调试。
第五章 总结与展望，总结一下该报靶系统的优缺点及阐述该摄像头报靶系统的前景及趋势。
2.报靶系统硬件设计
2.1 系统总体结构设计
本系统的硬件电路设计的目标是简洁，稳定，高效。稳定是本系统设计的前提，在电源供电方面要做好接地，滤波等工作。简洁就是在满足稳定要求后，要使电路设计尽量简化，在尽量减少元器件情况下依然正常稳定工作。
本系统以STM32为主要的硬件平台，系统硬件主要包括：电源、STM32单片机、TFT液晶屏、摄像头工作电路。自动报靶系统结构框架如图2-1所示：
图2-1 自动报靶系统结构框架图
2.2 单片机最小系统的设计
STM32系列单片机按性能分成两个不同的系列：STM32F103
本设计采用的是意法半导体公司推出的32位单片机STM32F103VET6为控制器，单片机最小系统电路模块包括电源电路，复位电路和时钟电路。
2.2.1时钟电路设计
在STM32系统中，共有五个时钟源，分别为HSE、HSI、LSE、LSI、PLL.
HSI和LSI为片内RC振荡器，HSI为8MHz而LSI为32KHz；HSE和LSE为外部时钟源；PLL则需要HSE和HSI来提供时钟.
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