CN107823883A - 基于图像识别和激光定位的瞄准点屏幕坐标获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于图像识别和激光定位的瞄准点屏幕坐标获取方法，有效解决了现有的屏幕坐标获取中无法计算瞄准误差，采取的信息量大，处理器负载高，容易发生延迟的问题。本发明具有以下优点和积极效果：1、利用图像采集装置和挂载式红外激光发生器完成操作人员的瞄准点屏幕坐标获取，系统安装调试简便，应用更为灵活；2、挂载式红外激光发生器对操作人员的感官影响较少，能最大程度减少系统对操作人员瞄准动作的干扰；3、利用棋盘格预先构建了标准坐标表和误差表，并将其用于误差修正，瞄准点的屏幕坐标跟踪精度大为提高。
Description
技术领域
本发明涉及测量定位和目标识别领域，特别是一种基于图像识别和激光定位的瞄准点屏幕坐标获取方法。
背景技术
在模拟对抗训练过程中，常常需要受训人员使用仿真武器进行瞄准训练，而在瞄准训练中，其是通过一个训练控制主机控制投影仪在投影屏幕或者白墙上投影训练视景，然后受训人员手持便携式仿真武器瞄准屏幕上的某点实施瞄准射击，通过一个目标识别装置识别训练场景中目标和瞄准点，将训练场景中目标和标准点信息传递给训练控制主机进行处理，训练控制主机识别瞄准点在场景中的位置，以判断是否瞄准。目前广泛应用的目标点和瞄准点多数采用电视跟踪器图像识别的方法，存在电视跟踪器摄像头结构复杂、目标识别算法复杂、处理器数据处理信息量大负载高、系统开发成本高、效费比低，长时间运行后在数据处理和传输的过程中容易产生延迟等诸多问题。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提出一种基于图像识别和激光定位的瞄准点屏幕坐标获取方法，有效解决了现有的屏幕坐标获取中无法计算瞄准误差，采取的信息量大，处理器负载高，容易发生延迟的问题。
本发明的方法是包含以下过程：
①视景发生装置在屏幕上生成充满屏幕的棋盘格图像；
②图像采集单元采集包含棋盘格的图像数据；
③对图像采集单元采集的图像进行处理，根据棋盘格在采集到的图像中占据的区域，确定屏幕在图像中的坐标数据；
④利用棋盘格的交叉点的屏幕坐标列表将屏幕划分为若干个区块，并根据划分的区块建立标准坐标表、映射坐标表和误差表如下表所示：
标准坐标表
映射坐标表
| (x0，yj) | … | … | (xi，yj) |
| … | … | … | … |
| (x0，y1) | (x1，y1) | … | … |
| (x0，y0) | (x1，y0) | … | (xi，y0) |
误差表
⑤在图像采集装置上装上可滤掉可见光的滤光装置；
⑥视景发生装置产生训练视景并显示到屏幕上；
⑦操作人员使用挂载有红外激光发生器的瞄准设备对屏幕上的某点实施瞄准射击；
⑧图像采集装置获取实时的屏幕图像，数据处理单元处理该图像并提取出红外光斑的图像坐标(xg，yg)；
⑨根据③中产生的标准坐标表和⑧中得到的瞄准点图像坐标确定当前的瞄准点屏幕坐标及其位于的区块，设该区块的四个顶点的坐标分别为((m，n)x，(m，n)y)，((m，n+1)x，(m，n+1)y)，((m+1，n)x，(m+1，n)y)，((m+1，
n+1)x，(m+1，n+1)y)，通过查表得知四个顶点的误差分别为
进而计算出误差因子为(Φx，Φy)，其中
⑩根据⑨中得到的区块的四个顶点在3中产生的误差表中的误差对瞄准点的概略屏幕坐标进行误差修正，其中某实时点测量坐标包含的误差的数学表达式为
可以得到如下表达式：
(xg，yg)-(Δx，Δy)＝(x，y),其中(xg，yg)(Δx，Δy)均已知，即可得到当前瞄准点的精确屏幕坐标(x，y)，返回⑥。
本发明具有以下优点和积极效果：
1、利用图像采集装置和挂载式红外激光发生器完成操作人员的瞄准点屏幕坐标获取，系统安装调试简便，应用更为灵活；
2、挂载式红外激光发生器对操作人员的感官影响较少，能最大程度减少系统对操作人员瞄准动作的干扰；
3、利用棋盘格预先构建了标准坐标表和误差表，并将其用于误差修正，瞄准点的屏幕坐标跟踪精度大为提高。
附图说明
图1为本发明棋盘格示意图。
图2为本发明图像采集单元采集的包含棋盘格的图像数据。
图3为图图像采集单元采集的图像处理后的图纸。
图4为图像采集装置获取实时的屏幕图像，数据处理单元处理该图像并提取出红外光斑的图像坐标(xg，yg)的图纸。
图5为得到的瞄准点图像坐标确定的当前的概略屏幕坐标及其位于的区块。
图6为本发明硬件设备布置在投影屏幕前的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明；
由图1至图6给出，本发明的技术方案是，本发明的方法是包含以下过程：
①视景发生装置在屏幕上生成充满屏幕的棋盘格图像，如图1所示；
②图像采集单元采集包含棋盘格的图像数据；目标视频信息的获取采用高速CCD摄像机获取目标场景视频然后在Unity3d中采用WebCamTexture实现。如图2所示；
③对图像采集单元采集的图像进行处理，根据棋盘格在采集到的图像中占据的区域，确定屏幕在图像中的坐标数据；通过Mat webCamTextureMat＝webCamTextureToMatHelper.GetMat()；获取Mat类型的视频数据，然后使用Calib3d.findChessboardCorners获取棋盘格交叉点的屏幕坐标列表。如图3所示；
④利用棋盘格的交叉点的屏幕坐标列表将屏幕划分为若干个区块，并根据划分的区块建立标准坐标表、映射坐标表和误差表：
标准坐标表
| (0，j) | … | … | (i，j) |
| … | … | … | … |
| (0，1/j) | (1/i，1/j) | … | … |
| (0，0) | (1/i，0) | … | (i，0) |
映射坐标表
| (x0，yj) | … | … | (xi，yj) |
| … | … | … | … |
| (x0，y1) | (x1，y1) | … | … |
| (x0，y0) | (x1，y0) | … | (xi，y0) |
误差表
⑤.在图像采集装置上装上可滤掉可见光的滤光装置；
⑥.视景发生装置产生训练视景并显示到屏幕上；
⑦.操作人员使用挂载有红外激光发生器的瞄准设备对屏幕上的某点实施瞄准射击；
⑧.图像采集装置获取实时的屏幕图像，数据处理单元处理该图像并提取出红外光斑的图像坐标(xg，yg)；通过webCamTextureToMatHelper.GetMat()获取Mat类型的视频数据，然后使用Imgproc.threshold()对数据进行二值化，再使用FeatureDetector对数据进行光斑检测，确定白色激光点的测量屏幕坐标(xg，yg)。如图4所示。
⑨.根据③中产生的标准坐标表和⑧中得到的瞄准点图像坐标确定当前的瞄准点屏幕坐标及其位于的区块，设该区块的四个顶点的坐标分别为((m，n)x，(m，n)y)，((m，n+1)x，(m，n+1)y)，((m+1，n)x，(m+1，n)y)，((m+1，n+1)x，(m+1，n+1)y)，通过查表得知四个顶点的误差分别为
进而计算出误差因子为(Φx，Φy)，其中
如图5所示。
⑩.根据⑨中得到的区块的四个顶点在3中产生的误差表中的误差对瞄准点的概略屏幕坐标进行误差修正，其中某实时点测量坐标包含的误差的数学表达式为
可以得到如下表达式：
(xg，yg)-(Δx，Δy)＝(x，y),其中(xg，yg)(Δx，Δy)均已知，即可得到当前瞄准点的精确屏幕坐标(x，y)，返回⑥。
视景发生装置在屏幕上生成充满屏幕的棋盘格图像；然后经过固定到一定位置的图像采集单元采集包含棋盘格的图像数据；采集完之后棋盘格图像即变为后台图像，当屏幕上显示训练视景象时，其棋盘格不可见。
如图6所示，本发明的硬件设备包括挂载有红外激光发生器的便携式仿真武器1、投影仪2、投影屏幕3、目标识别装置4、滤光装置和训练控制主机5，所述投影仪2正投在投影屏幕3或者白色墙壁上，所述目标识别装置4安装于投影屏幕3前端用于采集视频图像，所述目标识别装置4前端装有滤光装置，所述目标识别装置4和投影仪2连接在训练控制主机5上。
所述目标识别装置为高清CCD摄像头，所述高清CCD摄像头前端装有滤光装置。其滤光装置为滤光片，滤光片为红外滤光片，其可以过滤掉可见光，只用提取红外激光发生器发射的红色光点，此时高清CCD摄像头摄取的是一个黑屏，黑屏内有一个红色光点，然后将此图像传递给主机进行计算得到瞄准点的精确屏幕坐标。由于计算的图像过滤掉了大量的可见光，因此大大降低了训练控制主机的运算压力，使得运算速度更快。
所述目标识别装置连接有无线传输装置，所述无线传输装置，所述训练控制主机上连接有无线接收装置。此时高清CCD摄像头的图像经过无线传输装置传递给无线接收装置，经过无线接收装置传递给训练控制主机。
为了确保视觉效果，增强沉浸感，屏幕越大沉浸感越强，效果越好，因此原则上使用时不少于两个投影仪，通过数据融合技术实现多个投影仪屏幕间的无缝拼接。
便携式仿真武器采用和真实武器完全一致的尺寸重量外观和操作特性，实现接近真实的操作训练体验，最大限度地提高射击训练的沉浸感和逼真度。
目标识别装置由高清CCD摄像头、可调支架和无线传输装置组成。主要实现投影屏幕的瞄准点识别定位，判断射手是否瞄准目标。
训练控制主机主要由高性能、加固、多任务、多屏输出、无线数据传输功能于一体的工作站组成，用于实现导调控制、兵力生成、机动对抗、环境模拟、目标引导、射击训练、考核评估等功能。用于实现基础数据管理，演练数据准备，仿真过程控制，作战力量与行动干预，战场环境参数调整。训练监控实现对指挥作业过程与结果进行监控，对导调命令、指挥命令进行监控，对作战态势进行监控，对战果战损进行监控。数据采集及训练评估实现全程各类数据的采集；对各要素进行评估；对战损战果进行统计；支持定性采集、定量统计的评估方式。训练管理实现对训练模式进行管理；能够监控训练系统各单元的工作情况；对仿真模型进行统一管理。战场环境仿真实现对影响作战行动的地形环境、气象环境等进行仿真，可预先设置，或临时设置，无人干预模式。蓝军对抗兵力仿真实现对蓝军主要武器装备行动和效能的仿真，粒度为单件武器装备。包括武装直升机、固定翼飞机、无人机、巡航导弹典型攻击战法和兵力运用仿真，并能够实施战术规避和干扰条件下的对抗作战仿真。
无线数传装置实现目标识别装置和训练控制主机之间视频信号的无线传输，减少系统内部电缆连接，使系统更为简洁更加贴近实际训练，由无线传输装置和无线接收装置两部分构成。
投影系统，包括了两到三部高清投影仪、投影仪支架和HDMI连接线。融合拼接后的投影画面用来显示战场训练环境和目标，为射手提供真实的陌生地域训练环境。
音响系统，包括多声道功放，多声道音响和音频电缆。高保真全域音响可以模拟战场的导弹发、目标飞行和爆炸等一系列音效，为射手提供逼真的战场模拟视听环境。
本发明利用目标识别装置和挂载有红外激光发生器的瞄准设备完成操作人员的瞄准点屏幕坐标获取，系统安装调试简便，应用更为灵活；挂载式红外激光发生器对操作人员的感官影响较小，能最大程度减少系统对操作人员瞄准动作的干扰；本装置可以利用棋盘格预先构建标准表和误差表，并将其用于误差修正，瞄准点的屏幕坐标跟踪精度大大提高；使用红外滤光片，过滤掉不需要的可见光，只提取需要的红外激光点，大大的降低了训练控制主机的处理压力，同时提高了运算效率，也保证了中间数据传输的顺畅性。
Claims (1)
1.基于图像识别和激光定位的瞄准点屏幕坐标获取方法，其特征在于，包含以下过程：
①视景发生装置在屏幕上生成充满屏幕的棋盘格图像；
②图像采集单元采集包含棋盘格的图像数据；目标视频信息的获取采用高速CCD摄像机获取目标场景视频然后在Unity3d中采用WebCamTexture实现；
③对图像采集单元采集的图像进行处理，根据棋盘格在采集到的图像中占据的区域，确定屏幕在图像中的坐标数据，通过Mat webCamTextureMat＝webCamTextureToMatHelper.GetMat()，获取Mat类型的视频数据，然后使用Calib3d.findChessboardCorners获取棋盘格交叉点的屏幕坐标列表；
④利用棋盘格的交叉点的屏幕坐标列表将屏幕划分为若干个区块，并根据划分的区块建立标准坐标表、映射坐标表和误差表：
标准坐标表
映射坐标表
误差表
⑤.在图像采集装置上装上可滤掉可见光的滤光装置；
⑥.视景发生装置产生训练视景并显示到屏幕上；
⑦.操作人员使用挂载有红外激光发生器的瞄准设备对屏幕上的某点实施瞄准射击；
⑧.图像采集装置获取实时的屏幕图像，数据处理单元处理该图像并提取出红外光斑的图像坐标(xg，yg)；通过webCamTextureToMatHelper.GetMat()获取Mat类型的视频数据，然后使用Imgproc.threshold()对数据进行二值化，再使用FeatureDetector对数据进行光斑检测，确定白色激光点的测量屏幕坐标(xg，yg)；
⑨.根据③中产生的标准坐标表和⑧中得到的瞄准点图像坐标确定当前的瞄准点屏幕坐标及其位于的区块，设该区块的四个顶点的坐标分别为((m，n)x，(m，n)y)，((m，n+1)x，(m，n+1)y)，((m+1，n)x，(m+1，n)y)，((m+1，n+1)x，(m+1，n+1)y)，通过查表得知四个顶点的误差分别为 进而计算出误差因子为(Φx，Φy)，其中
Φx＝(xg-(m,n)x)/((m,n+1)x-(m,n)x)；
Φy＝(yg-(m,n)y)/((m+1,n)y-(m,n)y)；
⑩.根据⑨中得到的区块的四个顶点在3中产生的误差表中的误差对瞄准点的概略屏幕坐标进行误差修正，其中某实时点测量坐标包含的误差的数学表达式为
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可以得到如下表达式：
(xg，yg)-(Δx，Δy)＝(x，y),其中(xg，yg)(Δx，Δy)均已知，即可得到当前瞄准点的精确屏幕坐标(x，y)，返回⑥。
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