CN103017606A - 一种用于模拟射击训练的瞄准线确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟射击训练的瞄准线确定方法，通过双目视觉定位原理实时、准确地确定参训人员所用武器发射端仿真枪械红外发光点与瞄准点在世界坐标系中的三维信息，连接两点之间的空间直线即为打靶训练射击的瞄准线。双目定位模型采用的是两个结构和电气参数完全相同的红外摄像头，该打靶模拟训练射击瞄准线的确定方法是基于光学原理、计算机视觉原理的一种方法，此方法不受训练基地周围复杂设备、干扰光束、人员流动等环境变化的影响，其稳定性极佳，并且测量精度也能够达到预定的要求，从而提高了射击训练效果。

Description

一种用于模拟射击训练的瞄准线确定方法

技术领域

本发明涉及一种用于模拟射击训练的瞄准线确定方法，其特征是通过双目视觉定位原理实时、准确地确定参训人员所用武器发射端仿真枪械红外发光点与瞄准点在世界坐标系中的三维信息，连接两点之间的空间直线即为射击训练的瞄准线。 

背景技术

目前，我国的军事射击训练多采用实弹打靶射击，不仅浪费弹药资源，而且具有一定的危险性，因此设计一种模拟射击训练系统具有非常深远的意义，而准确、实时地确定射击瞄准线，是射击训练模拟系统方案设计的一个重要技术环节。

近年来，在模拟射击中出现了一些适用性比较好的射击瞄准线的确定方法，但是在稳定性、精确性上都存在很大的缺陷，如利用视频定位技术和信号处理技术确定瞄准线的方法，测量误差较大，射击训练效果较差；还有利用单片机分级控制的大屏幕激光接受点点阵阵列，实现射击点的定位而确定瞄准线的方法，此方法非常容易受周围干扰光束的影响、稳定性差，测量精度低，最终往往达不到预想的打靶射击训练效果。因为训练场地电子设备、电子器械较多，人员流动频繁，导致训练场地的环境异常复杂，所以得到一种稳定性高、不受周围环境影响且精度高的射击瞄准线的确定方法对于设计精确的模拟射击训练系统有着非常重要的意义。 

发明内容

为了克服模拟射击训练系统中，测量精度易受周围环境影响、稳定性差且测量精度较低的缺陷，本发明提供了一种基于双目视觉定位原理的射击瞄准线的确定方法，双目定位模型采用的是两个结构和电气参数完全相同的红外摄像头。此方法是基于光学原理、计算机视觉原理的一种方法，不受训练基地周围复杂设备、干扰光束、人员流动等环境变化的影响，其稳定性极佳，并且测量精度也能够达到预定的要求，从而提高了射击训练效果。 

本发明所采用的技术方案是： 

一种用于模拟射击训练的瞄准线确定方法，其特征在于，利用双目定位原理实时、准确地确定参训人员所用仿真枪械发射端红外发光点和靶位屏幕瞄准点在统一世界坐标系中的三维坐标，两空间点连接形成一条空间直线，然后求解此空间直线在世界坐标系中的方程，此空间直线方程即为模拟射击训练中的瞄准线方程。 

所述的一种用于模拟射击训练的瞄准线确定方法，其特征在于，在参训人员仿真枪械红外武器瞄准镜后，大约在肩膀左右位置，安置红外发光点，此光点与瞄准镜中心的连线与仿真枪械红外 射线重合。射击时，仿真枪械红外武器会向靶位屏幕发射红外激光而在屏幕上形成肉眼非可见的瞄准点。 

所述的一种用于模拟射击训练的瞄准线确定方法，其特征在于，利用平行放置的两个结构和电气参数完全相同的红外摄像头组成双目定位硬件系统，放置于参训人员后上方的适当位置，两个红外摄像头的参数选择和位置摆放，要满足以下条件：首先，整个靶位屏幕和仿真枪械上的红外光点全部落在两个红外摄像头的公共视场区域内；其次，要保证靶位屏幕上瞄准点在摄像头所拍摄图像上的成像点与红外发光点在图像上的成像点分别位于图像上半部分和图像下半部分，以便区分两个成像点，图像上的两个成像点的分界线是靶位屏幕下沿边线在图像上的虚拟成像；另外参训人员在图像上的全部成像也要位于分界线以下，以免遮挡屏幕上瞄准点。 

所述的一种用于模拟射击训练的瞄准线确定方法，其特征在于，运用双目定位模型实时、准确提取仿真枪械红外发光点和屏幕瞄准点的二维图像，并通过相应图像处理技术实时、准确提取仿真枪械红外发光点和屏幕瞄准点在图像中的二维像素坐标，然后利用红外摄像头相关参数将仿真枪械红外发光点和屏幕瞄准点在图像中的二维像素坐标转化为红外摄像头成像平面上的物理坐标，最后利用双目定位原理恢复仿真枪械红外发光点、靶标屏幕瞄准点在世界坐标系中的三维信息，连接仿真枪械红外发光点和屏幕瞄准点之间的空间直线，求解此空间直线在世界坐标系中的方程，从而得到了模拟射击训练所需的射击瞄准线。 

本发明的有益效果是：采用双目视觉定位原理确定模拟射击训练中瞄准线的方法，仿真枪械红外武器在靶位屏幕上形成的是肉眼非可见的瞄准点，而红外摄像头可以识别，这样就避免了周围环境如干扰光束对于射击训练效果的影响，从而使该瞄准线的确定方法稳定性极高，不受周围复杂环境的影响，并且其精度也能达到预定的要求，从而提高了射击训练效果。 

附图说明

图1是基于双目定位原理的射击模拟训练系统示意图； 

图2是平行放置的双目定位系统示意图； 

图3是双目定位模型XZ面投影图； 

图4是双目定位模型YZ面投影图； 

图5是图像像素坐标系向成像平面物理坐标系转化示意图； 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的作进一步的描述。 

如图1所示，此射击模拟训练模型中射击靶位的基本构造为：矩形ABB₁A₁，BCC₁B₁，CDD₁C₁，EDD₁E₁为四块完全相等的矩形屏幕，用来显示动态显示射击目标。每个矩形屏幕的长都为4米，宽 都为2.3米，即AA₁=4米，AB=2.3米。矩形A₁B₁B₂A₂，B₁C₁C₂B₂，C₁D₁D₂C₂，D₁E₁E₂D₂为四块完全相等的屏幕支架，高度A₁A₂=1.4米。连接A₂E₂，参训人员站在A₂E₂的中点处，其M为参训人员仿真枪械红外仿真枪械红外发光点，其O₁M高度大约在1.7米左右，O₁M高度受不同人的身高影响在一个小的范围内变化，M₁为靶位屏幕的任意瞄准点，连接MM₁即为射击瞄准线。参训人员离靶位屏幕边界的距离相等，距离为3米，即O₁A₂=O₁B₂=O₁C₂=O₁D₂=O₁E₂=3米。 

双目视觉定位模块中，O_L为左摄像头光心处，其光线沿Y_L方向；O_R为右摄像头光心处，其光线沿Y_R方向。两摄像头光心离地高度相等，且光线相互平行，即O_LY_L平行于O_RY_R。两个红外摄像头相关参数完全相同，包括焦距、感光芯片尺寸、分辨率等参数。在此模块中共包括三个坐标系，O_LY_LZ_L构成左摄像头坐标系，O_RY_RZ_R构成右摄像头坐标系，OXY构成模拟射击训练系统坐标系。三个坐标系相应坐标轴的关系为：O_LY_L平行于O_RY_R平行于OY，O_LO_R和X_LX_R重合且平行于OX。 

在选择两个红外摄像头相关参数及位置摆放时，要满足以下条件： 

在图1中，整个靶位屏幕ABCDE-A₁B₁C₁D₁E₁和仿真枪械红外发光点M全部落在两个摄像头的公共视场区域内；在此基础上还要保证靶位屏幕上瞄准点M₁在图像上的成像点与发光点M在图像上的成像点分别位于图像上半部分和图像下半部分，以此区分两点，图像上两成像点的分界线是靶位屏幕下沿边线A₁B₁C₁D₁E₁在图像上的虚拟成像；另外连接O_LC₁，保证O_LC₁连线在参训人员头顶处的上方，也就是参训人员在图像上的全部成像也要位于分界线以下。这样就可保证靶位屏幕上瞄准点在图像上的成像点与发光点在图像上的成像点分别位于图像上半部分和图像下半部分，且图像上半部分只含有靶位屏幕的成像部分，图像下半部分则是仿真枪械红外发光点的成像部分，分界线为靶位屏幕下沿边线A₁B₁C₁D₁E₁在图像上的虚拟成像。 

射击模拟训练模型中，平行放置的双目定位模型对靶位屏幕瞄准点和仿真枪械红外发光点的三维坐标求解原理如下： 

双目视觉定位，就是对物体上一个特征点，用两部固定于不同位置的相机或其它拍照设备摄得物体的像，分别获得该点在两个拍照设备像平面上的二维坐标。只要知道两个拍照设备精确的相对位置，就可用空间解析几何的理论和方法得到该特征点在固定一个拍照设备的坐标系中的坐标，即确定了特征点的位置。 

如图2所示为平行放置的双目视觉定位模型，在图中共建立四个坐标系，分别为两个红外摄像头坐标系，两个图像坐标系。O_L、O_R分别为左右两个红外摄像头坐标系的原点，也是红外摄像头的光心。Z_L、Z_R分别为两个红外摄像头的光轴，光轴与左右两个红外摄像头成像平面交点为O_l、O_r，并且O_l、O_r也分别是左右两个红外摄像头成像平面的中心，即坐标原点。O_L、O_R的连线称为基线，长度记为b。红外摄像头光心到成像平面的距离称为焦距。由于两个红外摄像头参数完全相同，则焦距都为f，并且两个红外摄像头的光轴相互平行，则X_L、X_R轴在一条直线上，Y_R、Y_L轴相互平行，U_L、U_R轴分别平行于X_L、X_R轴，V_R、V_L分别平行于Y_R、Y_L轴。 

以左红外摄像头的坐标系作为世界坐标系，设特征点P（X，Y，Z）在左右两个红外摄像头 成像平面的坐标分别为P₁（U₁，V），P（U₂，V₂）。为了求特征点P在世界坐标系中的坐标，我们将图2模型向XZ平面做投影，如图3所示。特征点P在XZ平面上的投影坐标为P′，像点P₁、P₂在XZ平面上的坐标分别为P₁′，P₂′。 

如图3所示，根据三角形几何关系得：U₁=f(X/Z)，U₂=f[(X-B)/Z]两式相减得：U₁-U₂=fb/Z。 

由于两个红外摄像头结构和电气参数相同，即成像平面中心距离光心距离相等，从而得到V₁=V₂，那么我们只需将图1模型中P₁和特征点P向世界坐标系YZ面做投影，特征点P在YZ平面上的投影为P″，P₁在YZ平面上的投影为P₁″，如图4所示。同样根据三角形几何关系得到：V₁=V₂=f(X/Z)。 

联立方程即可得到特征点P在世界坐标系的三维坐标为：X=(bU₁)/(U₁-U₂)，Y=(bV₁)/(U₁-U₂)，Z=(bf)/(U₁-U₂)。

运用图像处理技术提取瞄准点和仿真枪械红外发光点的在左右摄像头平面中的坐标是像素坐标，采用的坐标系如图5中O_NX_NY_N所示，设某一特征点在图像坐标系中的像素坐标为P_N(u,v)，u，v分别表示特征点在图像的像点距离O_N的横向和纵向像素数，因为特征点在图片中的像素坐标等于特征点在感光芯片中的像素坐标，因此P_N(u₁,v₁)也是特征点在感光芯片中的像素坐标。先将P_N(u,v)转化为以感光芯片中心为原点的坐标系O_MX_MY_M中的像素坐标P_M(u₂,v₂)，设感光芯片尺寸为c*d，每个像素的物理尺寸为d_x*d_y，c，d分别为感光芯片横向和纵向的物理长度，d_x，d_y分别为感光芯片上每个像素的横向和纵向的物理长度，则特征点在我们所需的感光芯片坐标系中的物理坐标就可以表示为：(U，V)=(d_x*u-c/2,d_y*v-d/2)。 

这样只要采取适当的图像处理技术实时、准确提取靶位瞄准点M₁和仿真枪械红外发光点M分别在左右摄像头成像平面中的像素坐标，然后将其转化到红外摄像头成像平面相应坐标系中的物理坐标，就可以计算算出靶位瞄准点和仿真枪械红外发光点在世界坐标系中的三维坐标(X₁,Y₁，Z₁)，(X₂,Y₂,Z₂)。连接两点之间的空间直线，此空间直线在世界坐标系中的方程为：  ${\stackrel{\→}{\mathrm{MM}}}^{\′}=(X-X_1)/(X_2-X_1)=(Y-Y_1)/(Y_2-Y_1)=(Z-Z_1)/(Z_2-Z_1),$ 从而确定了我们模拟射击训练所需要的射击瞄准线。 

Claims (4)

1.一种用于模拟射击训练的瞄准线确定方法，其特征在于，利用双目定位原理实时、准确地确定参训人员所用仿真枪械发射端红外发光点和靶位屏幕瞄准点在统一世界坐标系中的三维坐标，两空间点连接形成一条空间直线，然后求解此空间直线在世界坐标系中的方程，此空间直线方程即为模拟射击训练中的瞄准线方程。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟射击训练的瞄准线确定方法，其特征在于，在参训人员仿真枪械红外武器瞄准镜后，大约在肩膀左右位置，安置红外发光点，此光点与瞄准镜中心的连线与仿真枪械红外射线重合。射击时，仿真枪械红外武器会向靶位屏幕发射红外激光而在屏幕上形成肉眼非可见的瞄准点。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟射击训练的瞄准线确定方法，其特征在于，利用平行放置的两个结构和电气参数完全相同的红外摄像头组成双目定位硬件系统，放置于参训人员后上方的适当位置，两个红外摄像头的参数选择和位置摆放，要满足以下条件：首先，整个靶位屏幕和仿真枪械上的红外光点全部落在两个红外摄像头的公共视场区域内；其次，要保证靶位屏幕上瞄准点在摄像头所拍摄图像上的成像点与红外发光点在图像上的成像点分别位于图像上半部分和图像下半部分，以便区分两个成像点，图像上的两个成像点的分界线是靶位屏幕下沿边线在图像上的虚拟成像；另外参训人员在图像上的全部成像也要位于分界线以下，以免遮挡屏幕上瞄准点。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟射击训练的瞄准线确定方法，其特征在于，运用双目定位模型实时、准确提取仿真枪械红外发光点和屏幕瞄准点的二维图像，并通过相应图像处理技术实时、准确提取仿真枪械红外发光点和屏幕瞄准点在图像中的二维像素坐标，然后利用红外摄像头相关参数将仿真枪械红外发光点和屏幕瞄准点在图像中的二维像素坐标转化为红外摄像头成像平面上的物理坐标，最后利用双目定位原理恢复仿真枪械红外发光点、靶标屏幕瞄准点在世界坐标系中的三维信息，连接仿真枪械红外发光点和屏幕瞄准点之间的空间直线，求解此空间直线在世界坐标系中的方程，从而得到了模拟射击训练所需的射击瞄准线。 

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