CN103599631B - 基于机器视觉的飞碟模拟训练系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉与传感器技术的室内飞碟空枪模拟训练系统及训练方法。该模拟系统包括射击枪、场景模拟装置、机器视觉数据采集装置、姿态参数获取装置、激光发射装置及控制中心。控制中心完成对整个系统工作流程的控制，虚拟现实技术模拟真实的奥运会比赛场景，姿态参数获取装置与机器视觉数据采集装置获取运动员在射击训练过程中所持枪体的运动姿态参数，为运动员及教练员提供丰富、可靠的数据。本发明公开的模拟训练系统具有整体重量轻，便于携带、安装操作简便，训练成本低，可满足多样化射击训练要求，并可实时记录与分析数据等优点。

Description

基于机器视觉的飞碟模拟训练系统及方法

技术领域

本发明属于模拟训练技术领域，具体涉及一种飞碟模拟训练系统及方法。

背景技术

在飞碟射击项目中，为尽快提高运动员的训练成绩，教练员迫切的希望能够全面掌握运动员在整个过程中的技术动作，以便发现问题、解决问题、提高成绩。

目前，我国飞碟项目近几年有了长足的进步，要进一步巩固和提高我国飞碟射击技术和运动成绩，需要对该项运动深入进行一些有关方面的研究工作，掌握其飞行特点和规律，应用到射击运动中，指导训练实践。

在飞碟射击中,合理的射击姿势直接影响着运动员的成绩。对于射击训练者，尤其是初学者来说，为提高射击水平和训练效率，获取射击的运动参数，例如举枪运枪的速度、加速度、击发时间、角度等是十分必要的。运动员还可根据射击结果及时对动作进行改进，以进一步于提高射击水平和训练效率。

在飞碟射击项目中，自然环境，如风力、风向、天气状况等因素也直接影响着训练的成绩。在射击训练时，如能够预先设定各种环境条件，让训练者在各种自然环境下进行训练，对于提高训练效率和水平无疑是至关重要的。通常,射击训练是在实弹射击场进行的。实弹射击也使训练成本提高,安全性降低；训练者通常不能立即得到信息反馈,及时调整动作。为此，设计安全可靠符合实际训练要求的飞碟模拟训练系统是十分必要的。

资料显示，以前科研人员在利用仪器研究飞碟射击技术动作时，数据往往单一、不够全面、不成体系，如对于射击姿态信息的获取、自然环境因素都没有考虑到，系统环境适应性差、性能单一，不能满足射击训练需求。另外少数模拟训练系统，能进行模拟训练，但训练质量难以保证。

本发明力图为研究飞碟射击技术开拓一条路径，设计一种集计算机多媒体、模式识别、人工智能、数据采集处理等技术于一体的高科技模拟仿真飞碟训练系统，该系统具有整体重量轻,便于携带、安装操作简便,可降低训练成本，满足多样化射击训练要求，并可实时记录数据，进行分析处理。为教练员的训练提供科学依据；同时找出造成运动员脱靶的原因，给出射击枪的姿态信息及环境信息，给运动员和教练员最直接的证据，对动作及时加以改进，使其技术水平和运动成绩不断提高，提高训练的科学化程度，以达到节约训练经费，提高射击技能的目的，为完成奥运会任务提供帮助和服务。

发明内容

本发明针对运动员射击训练的需要，为达到科学化训练，提高运动员射击技术水平和运动成绩的目的，提出一种基于机器视觉的飞碟模拟训练系统和方法，该方法基于机器视觉实现飞碟训练模拟，可以提高运动员的训练效率及射击水平。

为了实现上述本发明的目的，本发明的技术方案是：

基于机器视觉的模拟飞碟训练系统，其特征在于：包括射击枪、场景模拟装置、机器视觉数据采集装置、姿态参数获取装置、激光发射装置及控制中心，其中，场景模拟装置包括视频输出模块、视频接收模块、音频输出模块、音频接收模块及场景模拟软件；机器视觉数据采集装置包括数据获取模块、触发模块及数据传输模块，数据获取模块包括A、B两个高速摄像机和一个高速相机；姿态参数获取装置包括传感器模块、A微控制器、存储模块及A无线收发模块；激光发射装置包括B微控制器、同步触发模块、B无线收发模块及激光发射模块；控制中心包括中央控制模块、语音采集模块、数据收发模块、同步信号接收模块及数据处理模块；

所述的姿态参数获取装置和激光发射装置均安装在射击枪上；场景模拟装置中的视频输出模块和视频接收模块放置在运动员的正前方；场景模拟装置中的音频接收模块分别放置于视频接收模块左右两侧；控制中心放置于运动员的右侧；机器视觉数据采集装置中的高速相机置于运动员的左侧，A高速摄像机置于运动员的正前方，B高速摄像机放置于控制中心的右侧；

所述的场景模拟装置以三维动画结合音频的方式模拟射击比赛场景，运动员手持射击枪发出“开始”命令后扣动扳机，由激光发射装置发射激光对模拟射击比赛场景中的飞碟进行射击，姿态参数获取装置采集运动员所持射机枪在射击过程中的相关运动参数，并将其发送到控制中心；两个高速摄像机分别采集运动员手臂等部位运动轨迹的辅助数据，并将其发送到控制中心；控制中心对接收到的图像数据进行预处理，判定是否击中目标，并将最终结果在视频输出模块上显示。

姿态参数获取装置采集运动员射击姿态参数数据的持续时间为：运动员扣动扳机后的50ms，之后停止数据采集。

根据权利要求1所述的基于机器视觉的模拟飞碟训练系统的训练方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）系统初始化

开启系统后，系统各组成部分上电并进行初始化，测试是否存在异常，若无异常则进入等待状态；若发现异常则重启系统；

2）检测有效开始信号

系统初始化结束进入等待状态，控制中心的语音采集模块实时检测运动员发出的“开始”语音信号，并将该语音信号发送给场景模拟装置和姿态参数获取装置；

3）机器视觉与姿态参数的数据采集

场景模拟装置的音频接收模块和姿态参数获取装置接收到控制中心发送的“开始”语音信号后，由场景模拟软件弹出碟靶，运动员向碟靶射击；同时，姿态参数获取装置开始采集运动员射击的姿态参数数据，并将其发送给控制中心；运动员扣动扳机的同时启动激光发射装置和机器视觉数据采集装置，激光发射装置发射激光，同时，机器视觉数据采集装置采集飞碟与激光射击的视频数据，并将其发送给控制中心；

4）数据处理

控制中心接收到机器视觉数据采集装置与姿态参数获取装置传回的数据后，对机器视觉数据采集装置采集的视频数据进行图像预处理；

5）结果判定

控制中心对预处理后的图像进行分析，判定激光是否击中飞碟，并在屏幕上显示射击结果；同时，根据姿态参数获取装置发送的姿态参数数据绘制运动员在本次射击过程中运动姿态的三维数据图、三维角速度数据图和三维加速度数据图，并将其显示在投影仪幕布上。

基于机器视觉的飞碟模拟训练系统可模拟射击训练环境，并给出射击结果，同时，其获取的姿态参数等数据可以为运动员提供分析依据，提高训练效率和射击水平。

附图说明

图1是本发明系统组成框图；

图2是本发明较佳实施方式示意图；

图3是本发明系统工作流程图；

图4是本发明碟靶受力分析图；

图5是本发明碟靶周围空气流线图；

图6是本发明碟靶飞行过程中侧压力图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施方式对本发明做进一步描述：

如图1-2所示，本发明基于机器视觉的飞碟模拟训练系统包括射击枪、场景模拟装置10、机器视觉数据采集装置20、姿态参数获取装置30、激光发射装置40及控制中心50。

场景模拟装置包括视频输出模块、视频接收模块、音频输出模块、音频接收模块、场景模拟软件及投影仪幕布。场景模拟软件用于改变所述比赛场景中环境参数并将所述比赛场景以三维动画的方式由所述视频输出模块输出；视频接收模块用于接收并呈现来自所述视频输出模块输出的三维动画的比赛场景，音频输出模块用于输出来自所述场景模拟软件的音频信号并将其输出至音频接收模块，音频接收模块用于呈现所述接收的音频信号。本实施方式中，所述视频输出模块为可输出高清视频的电脑，所述视频接收模块为投影仪幕布，所述音频输出模块为可输出音频信号的电脑、音频接收模块为音响。场景模拟装置中的视频输出模块和视频接收模块放置在运动员的正前方；场景模拟装置中的音频接收模块分别放置于视频接收模块左右两侧。

机器视觉数据采集装置包括数据获取模块、触发模块及数据传输模块，用于记录飞碟训练过程中的碟靶运行的数据并输出。所述触发模块根据接收到的开启信号控制所述数据获取模块开始采集数据，并通过数据传输模块输出。本实施方式中，所述数据获取模块包括一个高速相机和两个高速摄像机。高速相机置于运动员的左侧，A高速摄像机置于运动员的正前方，B高速摄像机放置于控制中心的右侧。

姿态参数获取装置包括传感器模块、A微控制器、存储模块及A无线收发模块，用于获取运动员在飞碟训练过程中射击枪枪体的运动参数。所述A微控制器用于控制所述的传感器模块、A无线收发模块及存储模块；所述的存储模块用于暂存传感器模块采集到的数据，A无线收发模块用于将所述的存储模块中的数据发送出去。姿态参数获取装置安装在射击枪上。

激光发射装置包括B微控制器、同步触发模块、B无线收发模块及激光发射模块，用于检测射击枪的扳机扣动动作、发射激光以及产生同步触发信号。B微控制器用于控制所述的同步触发模块、无线收发模块及激光发射模块，所述的同步触发模块用于检测发射枪的扳机是否扣动并发送同步信号，所述的无线收发模块用于接收和发送同步信号，所述激光发射模块用于发射激光到运动员正前方的投影仪幕布上作为标识点。激光发射装置安装在射击枪上。

控制中心包括中央控制模块、语音采集模块、数据收发模块、同步信号接收模块及数据处理模块，中心控制模块是整个系统的核心，用于控制场景模拟装置播放虚拟的比赛场景、接收来自所述激光发射装置的同步信号、语音采集装置的开始信号、控制机器视觉数据采集装置及姿态参数获取装置的工作，其语音采集模块检测运动员发出的开始信号并传给中心控制模块进行识别；数据收发模块接收所述机器视觉数据采集装置及姿态参数获取装置发送来的数据并发送给数据处理模块，同步信号接收模块接收所述的激光发射装置发送来的同步信号并控制机器视觉数据采集装置开始采集数据，数据处理模块处理所述的数据收发模块接收回来的数据并将处理好的结果输出给所述场景模拟装置加以显示。控制中心放置于运动员的右侧。

如图3所示，运动员站在本系统的中心位置，可根据需要设定虚拟比赛场景的环境条件，如风速、风向、天气状况等，场景模拟装置将设定好参数的虚拟的比赛场景以三维动画的方式呈现在所述运动员面前的屏幕上，机器视觉数据采集装置中的高速相机装在运动员的左侧，A高速摄像机正对运动员，用于记录运动员在射击过程中的各种姿势；音响播放所述场景模拟装置所虚拟的音频信号，然后进入待机模式等待运动员发出开始信号；当运动员发出“开始”语音信号，控制中心的语音采集模块采集到有效的“开始信号”后控制所述场景模拟装置开始播放虚拟比赛场景（弹出碟靶等），同时，姿态参数获取装置开始采集姿态信息并发送到控制中心，运动员根据自己的意愿随时扣动扳机进行射击，射击枪即向运动员前方的屏幕上发射一束激光，当运动员扣动扳机的同时，同步触发模块产生同步信号，并发送给控制中心，控制中心接到同步信号后控制机器视觉数据采集装置采集图像数据并发送至控制中心，控制中心接收到数据后进行图像处理，判别使用者是否击中碟靶并绘制姿态曲线，然后显示在大屏幕上，当检测到“继续”命令后，刷新界面重新开始。

本发明是针对奥运会飞碟空枪模拟训练项目专门设计发明的，其场景模拟包括：(1)在多向飞碟项目中，碟靶在一定范围内向不同方向(包括不同角度和高度)飞行。靶壕内装有多台抛靶机，碟靶的飞行高度可调。(2)在双多向飞碟项目中，抛靶机同时向两个不同方向和角度抛出双靶。(3)在双向飞碟比赛中，碟靶来自两个不同半圆的靶壕。

如图4所示，本发明中碟靶飞行轨迹的算法如下：

设碟靶是质量为m，半径为r的刚性圆盘，碟靶在飞行过程中所受重力为mg,升力为F,水平侧向压力为F′和水平粘滞阻力为f。

a）升力的计算：

因碟靶飞行时的速度远小于音速，碟靶周围空气密度变化不大，可视空气为不可压缩流体，又因空气的粘滞系数η很小，故可将空气看作理想流体，这样，可由伯努利方程求出碟靶在空气中稳定飞行时所受的升力。根据相对性原理，碟靶相对空气的运动和空气相对碟靶的运动所产生的升力是相同的，假设碟靶不动，空气以速度v相对碟靶流过，则碟靶周围空气的流线如图5所示。

由于碟靶上表面凸起，流线对PQ线不对称,对流线a′b′对称。现对流线aa′和bb′分别应用伯努利方程,得

$p{a}^{\′}+\frac{1}{2}{v}^2{a}^{\′}+\mathrm{\ρgh}{a}^{\′}=\mathrm{pa}+\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}^{2}a+\mathrm{\ρgha}---\left(1\right)$

$p{b}^{\′}+\frac{1}{2}{v}^2{b}^{\′}+\mathrm{\ρgh}{b}^{\′}=\mathrm{pb}+\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}^{2}b+\mathrm{\ρghb}---\left(2\right)$

考虑到a，b两点在碟靶前方较远的地方相距很近，碟靶的厚度又很薄，有关量可作近似处理，将pa≈pb，va≈vb，ha≈hb，代入（1），（2）式得

$p{a}^{\′}-p{b}^{\′}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}^2{b}^{\′}-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}^2{a}^{\′}---\left(3\right)$

由式（3）可见，碟面上下的压力差是由碟面上下空气的流速不同而产生的。碟靶上表面凸出部位流线密，空气流速大，下表面处流线疏，空气流速小，故有vb'>va'。

设vb'=γva'，γ是一个和速度有关的大于1的函数，为简单起见，取为大于1的常数。va′看成是碟靶相对空气的平动速度v的大小,将vb'=γva'代入式（3），求出碟靶上下表面的压力差Δp=ρv²(γ²-1)/2，则碟靶的升力

$F=\frac{1}{2}\mathrm{\ρs}{v}^2({\mathrm{\γ}}^2-1)---\left(4\right)$

式中s为碟靶上表面(或下表面)的面积。

b）侧压力的计算：

对厚度为Δh的碟靶,由于参与平动和转动，碟靶左右两侧空气流速不同而产生了压力差，对顺时针方向转动的碟靶将受到一个沿y轴方向的压力F′（图6），其大小为F'=k'ρrwvΔh，由于侧压力F′很小，为了计算方便令F′为常数。

c）阻力的计算：

一般讲物体在流体中运动时要受到两种阻力:粘滞阻力和压差阻力，粘滞阻力是流体作用于物体表面的摩擦力，是产生阻力的主要因素，不仅与物体的表面积及形状有关，而且还与流体的性质有关。压差阻力是流体作用于物体各部分压力的合力形成的阻力，在物体高速运动时尤为明显。此处忽略碟靶所受的压差阻力，且设碟靶所受的粘滞阻力与速度v和表面积s成正比，则碟靶飞行过程中所受阻力f=-ksv，k为比例常数。

建立图4所示的直角坐标系，则飞碟飞行过程中的动力学方程为

$-\mathrm{ksv}=m\frac{d^{2}x}{d{t}^2}---\left(5\right)$

$F^{\′}=-m\frac{d^{2}y}{d{t}^2}---\left(6\right)$

$\frac{1}{2}\mathrm{\ρs}{v}^2({\mathrm{\γ}}^2-1)-\mathrm{mg}=\frac{d^{2}z}{d{t}^2}---\left(7\right)$

对动力学方程求积分,得到碟靶质心运动轨迹的参量方程为

$x=\frac{m{v}_0}{B}(1-e^{-\mathrm{Bt}/m})---\left(8\right)$

$y=\frac{F^{\′}}{2m}{t}^2---\left(9\right)$

$z=z_0+\frac{A{v}_0}{2B}[t-\frac{m}{2B}(1-e^{2\mathrm{Bt}/m})]-\frac{1}{2}g{t}^2---\left(10\right)$

式中，A=ρs(γ²-1)/2；B=ks；v₀为初始平抛速度。

本发明模拟飞碟训练方法采用以下工作流程：

1）系统初始化

开启系统后，系统各组成部分上电并进行初始化，测试是否存在异常，若无异常则进入等待状态；若发现异常则重启系统；

2）检测有效开始信号

系统初始化结束进入等待状态，控制中心的语音采集模块实时检测运动员发出的“开始”语音信号，并将该语音信号发送给场景模拟装置和姿态参数获取装置；

3）机器视觉与姿态参数的数据采集

场景模拟装置的音频接收模块和姿态参数获取装置接收到控制中心发送的“开始”语音信号后，由场景模拟软件弹出碟靶，运动员向碟靶射击；同时，姿态参数获取装置开始采集运动员射击的姿态参数数据，并将其发送给控制中心；运动员扣动扳机的同时启动激光发射装置和机器视觉数据采集装置，激光发射装置发射激光，同时，机器视觉数据采集装置采集飞碟与激光射击的视频数据，并将其发送给控制中心；

4）数据处理

控制中心接收到机器视觉数据采集装置与姿态参数获取装置传回的数据后，对机器视觉数据采集装置采集的视频数据进行图像预处理；

5）结果判定

控制中心对预处理后的图像进行分析，判定激光是否击中飞碟，并在屏幕上显示射击结果；同时，根据姿态参数获取装置发送的姿态参数数据绘制运动员在本次射击过程中运动姿态的三维数据图和加速度数据图，并将其显示在投影仪幕布上。延时60秒后返回等待状态重复步骤2)至5）。数据存储及处理的工作流程如下：

1）建立数据库

当系统开始时，首先建立一个可编辑的用于存储使用者信息的数据库，并于所述的控制中心中建立对应与每个使用者的独立的存储路径。

2）确认存储路径

每次使用时使用者须进行登录验证，与数据库中的信息进行匹配，若第一次使用要进行添加使用者的操作，登录成功后确定存储路径，若存储路径不存在则新建一个对应于当前使用者的唯一的存储路径。

3）数据存储

使用者每进行一次训练，所获得的数据均按照数据类型分类存储并按照建立时间进行排列。

4）数据处理及回查

若要对使用者某一类数据进行处理或回查，首先以要查看的使用者的身份登录系统，然后查询到对应路径，然后对所要处理的数据进行相应操作。

Claims (3)

1.基于机器视觉的模拟飞碟训练系统，其特征在于：包括射击枪、场景模拟装置、机器视觉数据采集装置、姿态参数获取装置、激光发射装置及控制中心，其中，场景模拟装置包括视频输出模块、视频接收模块、音频输出模块、音频接收模块及场景模拟软件；机器视觉数据采集装置包括数据获取模块、触发模块及数据传输模块，数据获取模块包括A、B两个高速摄像机和一个高速相机；姿态参数获取装置包括传感器模块、A微控制器、存储模块及A无线收发模块；激光发射装置包括B微控制器、同步触发模块、B无线收发模块及激光发射模块；控制中心包括中央控制模块、语音采集模块、数据收发模块、同步信号接收模块及数据处理模块；

所述的姿态参数获取装置和激光发射装置均安装在射击枪上；场景模拟装置中的视频输出模块和视频接收模块放置在运动员的正前方；场景模拟装置中的音频接收模块分别放置于视频接收模块左右两侧；控制中心放置于运动员的右侧；机器视觉数据采集装置中的高速相机置于运动员的左侧，A高速摄像机置于运动员的正前方，B高速摄像机放置于控制中心的右侧；

所述的场景模拟装置以三维动画结合音频的方式模拟射击比赛场景，运动员手持射击枪发出“开始”命令后扣动扳机，由激光发射装置发射激光对模拟射击比赛场景中的飞碟进行射击，姿态参数获取装置采集运动员所持射击枪在射击过程中的相关运动参数，并将其发送到控制中心；两个高速摄像机分别采集运动员手臂部位运动轨迹的辅助数据，并将其发送到控制中心；控制中心对接收到的图像数据进行预处理，判定是否击中目标，并将最终结果在视频输出模块上显示。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的模拟飞碟训练系统，其特征在于：姿态参数获取装置采集运动员射击姿态参数数据的持续时间为：运动员扣动扳机后的50ms，之后停止数据采集。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的模拟飞碟训练系统的训练方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)系统初始化

开启系统后，系统各组成部分上电并进行初始化，测试是否存在异常，若无异常则进入等待状态；若发现异常则重启系统；

2)检测有效开始信号

系统初始化结束进入等待状态，控制中心的语音采集模块实时检测运动员发出的“开始”语音信号，并将该语音信号发送给场景模拟装置和姿态参数获取装置；

3)机器视觉与姿态参数的数据采集

场景模拟装置的音频接收模块和姿态参数获取装置接收到控制中心发送的“开始”语音信号后，由场景模拟软件弹出碟靶，运动员向碟靶射击；同时，姿态参数获取装置开始采集运动员射击的姿态参数数据，并将其发送给控制中心；运动员扣动扳机的同时启动激光发射装置和机器视觉数据采集装置，激光发射装置发射激光，同时，机器视觉数据采集装置采集飞碟与激光射击的视频数据，并将其发送给控制中心；

4)数据处理

控制中心接收到机器视觉数据采集装置与姿态参数获取装置传回的数据后，对机器视觉数据采集装置采集的视频数据进行图像预处理；

5)结果判定

控制中心对预处理后的图像进行分析，判定激光是否击中飞碟，并在屏幕上显示射击结果；同时，根据姿态参数获取装置发送的姿态参数数据绘制运动员在本次射击过程中运动姿态的三维数据图、三维角速度数据图和三维加速度数据图，并将其显示在投影仪幕布上。