بخشی از مقاله
چکیده - تیراندازی جزء ورزشهای اصلی مسابقات المپیک است و تیراندازان برای کسب نتایج خوب در این ورزش، نیاز به انجام تمرینات با استفاده از تجهیزات دقیق ، با کیفیت و ارزان دارند. از این رو سامانهای ساختهایم که می تواند با استفاده از اشعه نامرئی به جای گلوله، کلیه جزئیات مربوط به نحوه حرکت اسلحه و مختصات هدف گیری شده - از لحظه شروع تا اتمام تیراندازی - را شناسایی کرده و بر روی کامپیوتر شبیه سازی نماید.
بزرگترین وجه تمایز این سیبل الکترونیکیا بسیستم های موجود، افزایش دقت و بُرد تیراندازی - فاصله تیرانداز تا سیبل - ، افزایش واقعیت مجازی و کاهش هزینه ساخت، به دلیل حذف لیزر از روی اسلحه است. در این سامانه میزان خطا کمتر از %1 می باشد. مبنای کار این سیستم استفاده از اشعه مادون قرمز برای شناسایی موقعیت و مختصات سیبل، در تصویر دریافتی از دوربین نصب شده بر روی اسلحه است. بر روی لنز این دوربین، از یک فیلتر سخت افزاری مادون قرمز استفاده شده است تا از ورود نویز های اضافی به تصویر تا حد ممکن جلوگیری کند و بدین شکل مراحل پیش پردازش تصویر را کاهش دهد.
-1 مقدمه
میدان تیر مولفه ای مهم برای آموزش عملیات تیراندازی است که در آن تیراندازی به وسیله اسلحه گرم به هدفی از جنس کاغذ یا پلاستیک انجام می شود. این تجهیزات نیازمند هزینه های گزاف جهت نصب و نگهداری می باشند، همچنین قوانین امنیتی باید به دقت مد نظر قرار گیرند تا از رویداد ها و صدمات ناشی از سلاح گرم جلوگیری شود. به علاوه ، زباله های بدست آماده از سلاح ها، روشهای دفع و تدابیر خاصی می طلبند. تمامی این موارد اهمیت ساخت سامانهای الکترونیکی و مکانیزه را، جهت افزایش کیفیت و کاهش خطرات و هزینه ها در این ورزش بالا برده است.
در مورد سیبل های الکترونیکی که تاکنون ساخته شدهاند میتوان سیستمهایی را نام برد که کارهایی از قبیل تعویض اتوماتیک برگه هدف یا جابجایی آن به سمت تیرانداز و یا محاسبه محل برخورد گلوله را - به وسیله پردازش تصویر یا امواج صوتی - انجام میدهند؛ چالش اصلی این سیستمها وجود گلوله در چرخهتیراندازی است! در همین راستا سیستم-هایی ساخته شدند که در آنها از لیزر - با نور مرئی - به جای گلوله استفاده شده است که علاوه بر کاهش خطرات و هزینهها، این امکان را میدهد که تمامی حرکات تیرانداز را از ابتدا تا انتها رصد نموده و بر روی کامپیوتر به نمایش در آوریم. در اکثر این سیستم ها از یک لیزر مرئی بر روی اسلحه و یک دوربین یا صفحه حساس به نور، در قسمت سیبل استفاده شده است.
این روند مشکلاتی از قبیبل کاهش برد تیراندازی - به علت گسست و انحراف نور - و کاهش واقعیت مجازی - به علت وجود لیزر مرئی - را به همراه داشته است. در این مقاله جهت رفع این مشکلات دو ایده مطرح شده و در نهایت ترکیبی از این دو ایده جهت ساخت این سامانه استفاده گردیده است. ایده اول استفاده از دوربین بر روی اسلحه و لیزر بر روی سیبل است و ایده دوم تغییر لیزر مرئی به نوع نامرئی - مادون قرمز - می باشد. بدین ترتیب علاوه بر افزایش برد تیراندازی - رفع مسئله گسست و انحراف نور - ، حس واقعی شلیک گلوله در تیرانداز به بیشترین حد خود می-رسد - افزایش واقعیت مجازی - . بر این اساس در بخشهای بعدی به بیان موضوعات اصلی و روش ساخت این سامانه میپردازیم و در انتها نتیجه گیری خواهیم کرد.
-2 شرح موضوعات زمیینهای
2؛1؛ سیبلهای تماسی و غیر تماسی و روشهای طراحی آن بر اساس شیوه پرتاب گلوله سیبل ها بر اساس شیوه پرتاب گلوله به دو نوع کلی تقسیم می شوند. در این مقاله به طور قراردادی آنها را تماسی و غیر تماسی می نامیم. در نوع تماسی اثر برخورد گلوله بر روی هدف خواهد ماند و به عبارتی گلوله هدف را به صورت فیزیکی لمس خواهد کرد - برگه هدف را سوراخ میکند - اما در نوع غیر تماسی تنها محل هدف گیری قابل مشاهده خواهد بود و گلوله ای به سمت هدف پرتاب نخواهد شد و آنرا لمس نخواهد کرد، بر این مبنا میتوان سه روش عمده زیر برای طراحی سیبل در نظر گرفت:
· استفاده از امواج صوتی جهت شناسایی محل برخورد گلوله - صرفا در سیبل های تماسی - .این سیستم ها میتوانند محل برخورد گلوله را بدست آورده - شکل - 1 و بر روی صفحه نمایشگر نشان دهد و در صورت نیاز، اقدام به تعویض برگه هدف قبلی با برگه جدید نماید. چالش اساسی این سیستم، پرتاب گلوله به سمت هدف است. گرچه این روند باعث طبیعی بودن نحوه تیراندازی می شود اما خطرات و هزینه های این نوع آموزش در تیراندازی بسیار بیشتر از سود آن است.[1]
· استفاده از صفحه ای پوشیده شده با حسگرهایی حساس به نور یا ضربه - شکل - 2 که به صورت ماتریسی یا لانه زنبوری بر روی سطح هدف قرار گرفته اند - در سیبلهای تماسی و غیر تماسی - . از معایب این سیستم می توان دقت کم و هزینه بالای ساخت و نگهداری نسبت به تکنولوژی پایین را نام برد، چرا که نگهداری از تعداد زیادی حسگر کار ساده ای نیست .[3]-[2]
· استفاده از دوربین، در پشت یا جلو صفحه هدف که به صورت لحظه ای یا دائم ، از صفحه هدف تصویر برداری می کند - شکل - 3 و اطلاعات دریافتی را جهت بررسی به کامپیوتر مرکزی ارسال می نماید - در سیبلهای تماسی و غیر تماسی - با توجه به مباحث مطرح شده تا به این لحظه، در ادامه بر روی روش ساخت سیبل های مبتنی بر پردازش تصویر با استفاده از دوربین و لیزر خواهیم پرداخت.
2؛2؛ ادوات مورد استفاده در سیبلهای الکترونیکی مبتنی بر پردازش تصویر
فارغ از بحث تماسی یا غیر تماسی بودن، برای ساخت یک سیبل الکترونیکی مبتنی بر پردازش تصویر، به تجهیزاتی مانند دوربین ، لیزر، حسگر شناسایی لحظه شلیک و ماژول هایی جهت برقراری ارتباط با کامپیوتر و ارسال اطلاعات نیاز داریم. در ادامه به توضیح هر یک از این ادوات می پردازیم.
-1-2-2 دوربینهای CCD
دوربینهای CCD به علت قیمت مناسبی که در مقابل کیفیت که ارائه می دهند بهترین گزینه برای استفاده در این پروژه میباشند.حسگرهای CCD بصورت ردیفها و ستونهایی از سنسورهای نقطه ای نور هستند که هر چه تعداد این نقاط بیشتر و فشرده تر باشد، تصویر دارای دقت بالاتری است [4] و این یعنی افزایش حداقل فاصله تیرانداز تا سیبل.
-2-2-2 لیزر
لیزر جای گلوله را می گیرد و از تماس تیر با هدف جلوگیری می کند. این مزیتی بسیار بزرگ است و ما را قادر می سازد که حرکت دست تیرانداز را لحظه به لحظه رصد کنیم. نکته مهم قطر و شدت اشعه پرتاب شده توسط لیزر است که هرچه قطر کمتر و شدت بیشتر باشد محاسبات نهایی دقیقتر و راحتتر خواهد بود و باعث افزایش کیفیت نهایی می گردد.
2؛3؛ زاویه و شیوه قرارگیری دوربین در سیبلهای غیر تماسی
از آنجا که در این روش گلوله ای به هدف برخورد نمی کند تفاوت هایی در زاویه و شیوه قرارگیری دوربین ایجاد می شود. در اینجا به توضیح هر شیوه به طور جداگانه می پردازیم.
· دوربین در پشت هدف
در این حالت دوربین در پشت هدف قرار خواهد گرفت. در این روش نیاز به یک جعبه جهت جانمایی هدف و دوربین به طور ثابت و در یک راستا داریم. مزیت این روش این است که اولا دوربین از گزند گرد و غبار و ... حفظ خواهد شد و ثانیا اینکه تنها یک بار نیاز به همگامسازی دوربین است .[5]
· دوربین در زاویه جانبی هدف
در این حالت دوربین در زاویه ای قرار می گیرد که علاوه بر ارائه تصویری مناسب و واضح، در مسیر هدف گیری تیرانداز قرار نگیرد. مزیت این روش در این است که دیگر نیاز به طراحی جعبه و اشغال فضای اضافی در پشت هدف نیست، اما در عوض در زمانهایی نیاز به همگامسازی دوربین می باشد .[7]-[6]
· دوربین بر روی اسلحه
در این حالت دوربین بر روی نوک اسلحه نصب می گردد و مزیت اصلی و بزرگ آن این است که دیگر نیازی به همگام سازی اولیه نمی باشد چرا که دوربین همواره همان جایی را تصویر برداری می کند که اسلحه نشانه رفته است. اما محدودیت هایی مانند "فاصله تا هدف" و "لرزش احتمالی در لحظه شلیک" وجود دارد که برای حل آن تنها می توان به کیفیت بالای دوربین استفاده شده و ترفند های نرم افزاری و برنامه نویسی دل بست .[10]-[9]-[8]
2؛4؛ نوع و جنس مواد تشکیل دهنده صفحه هدف
بسته به نوع نور لیزر - مرئی یا نامرئی - و اینکه دوربین در کدام زاویه از هدف قرار میگیرد، جنس مناسب برای هدف انتخاب می گردد. اگر دوربین در پشت هدف قرار داشته باشد نیاز بر این است که بازتاب نور لیزر از هدف عبور کرده و به دوربین برسد، در نتیجه صفحه هدف در این حالت باید نه آنقدر مات باشد که جلو عبور نور را بگیرد و نه آنقدر شفاف باشد که ضوح طرحِ روی هدف از بین برود.جنس تشکیل دهنده این نوع اهداف می تواند موادی مانند پلاستیک یا کاغذهای سفید معمول بازار و موادی مشابه آن باشد. نکته مهم آن است که استفاده از صفحات درخشان به علت شکست نا مناسب نور بر روی سطح صفحه به هیچ وجه گزینه خوبی نیست .[11] اگر دوربین در جلو هدف باشد بهترین گزینه استفاده از صفحه ای مات و روشن است تا بتواند بیشتر نور لیزر را جذب کند و وضوح نقطه برخورد را در تصویر بیشتر نماید .[8]
2؛5؛ الگوریتم پردازش تصویر در یک سیبل غیر تماسی با اهداف متفاوت
در شکل 4 تصویر اولیه دریافتی از سیبل را مشاهده می کنید که پس از عبور از فیلتر های میانی جهت یکسان سازی تصویر، وارد حالت Gray شده و در این مرحله با استفاده از توابع لبه یابی مانند soble و cany در متلب، مختصات کلی سیبل از تصویر استخراج شده است. نکته اینجاست که نور و عوامل محیطی تاثیر مستقیم در کیفیت خروجی سیستم دارد .[11]
2؛6؛ شناسایی نقطه برخورد لیزر
در عموم سیبل ها با استفاده از روش آستانه گیری - فرمول - 1 می توان نقطه برخورد لیزر را محاسبه کرد. به عنوان مثال در شکل 5 ابتدا پیکس هایی که شامل این وضعیت می-شوند را علامت گذاری می کنیم و سپس مرکز ثقل این خوشه از پیکس ها را به عنوان نقطه برخورد لیزر درنظر می گیریم.
