CN111664742B - 一种基于空气成像的智能靶标系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于空气成像的智能靶标系统，包括实体射击装置(训练枪等)、三维空气成像设备、弹着点计算装置和中心控制模块。三维空气成像设备根据存储的三维成像数据发射光线，以空气为光幕形成虚拟三维靶标图像或立体场景图像。弹着点计算装置用于计算实体射击装置发射的投射物(子弹)与虚拟三维靶标图像的弹着点。中心控制模块根据弹着点在虚拟三维靶标图像上的部位，控制三维空气成像设备切换虚拟三维靶标图像的行为状态。当弹着点位于虚拟三维靶标图像的头部或上胸部时，行为状态切换为死亡；当位于上肢时，切换为失去抵抗能力；当位于下肢时，切换为俯身下跪。本发明利用空气虚拟成像技术，运用范围广，虚拟靶标更逼真，应用更灵活。

Description

一种基于空气成像的智能靶标系统

技术领域

本发明涉及射击训练靶标技术领域，尤其是一种基于空气成像的智能靶标系统。

背景技术

在射击训练中，目前大多使用的自动起倒靶系统，价格昂贵、容易出现故障，受天气影响较大，不环保，动作呆板、训练效果较差。使用射击装备虽然能做到较为真实，但由于现实设备的局限，实物模型很难做到活灵活现，使训练效果较差。训练时使用实弹进行射击，会导致成像介质被损耗，场景切换难度极大，布置成本很高。虚拟成像技术能够采用计算机存储介质进行存储，具有场景丰富、易于切换的优势，但是现有是热成像技术、红外成像技术等，都存在对介质要求极高、使用环境局限性大等问题。此外，AR技术目前已经非常成熟，但是训练者无法凭借肉眼看到靶标，必须佩戴较重的AR眼镜，训练者的体验很差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种基于空气成像的智能靶标系统，利用三维空气成像设备，以空气为成像介质形成虚拟三维靶标图像或立体场景图像，解决现有技术使用环境局限性较大的问题，且三维空气成像设备使用的成型数据可存储在存储介质中保存，训练者可根据需要进行灵活切换，有效降低成本。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种基于空气成像的智能靶标系统，其包括：

实体射击装置，供训练者握持和控制；

三维空气成像设备，包括光线投射装置，该光线投射装置根据存储或其他设备共享的三维成像数据发射光线，以空气为光幕投射于空气上，并形成虚拟三维靶标图像或立体场景图像；

弹着点计算装置，用于计算实体射击装置发射的投射物与虚拟三维靶标图像的交汇点；

中心控制模块，根据交汇点在虚拟三维靶标图像上的具体部位，控制该三维空气成像设备切换所述虚拟三维靶标图像的行为状态；

当弹着点位于该虚拟三维靶标图像的头部或上胸部时，所述虚拟三维靶标图像的行为状态切换为死亡；当弹着点位于该虚拟三维靶标图像的上肢时，所述虚拟三维靶标图像的行为状态切换为失去抵抗能力；当弹着点位于该虚拟三维靶标图像的下肢时，所述虚拟三维靶标图像的行为状态切换为俯跪。

根据本发明较佳实施例，其中，在中心控制模块切换所述虚拟三维靶标图像的行为状态时，需同时结合该虚拟三维靶标图像所处的立体场景进行恰当切换。例如，当弹着点位于该虚拟三维靶标图像的下肢且处于该虚拟三维靶标图像处于高处时，应将行为状态切换为高处坠落。

根据本发明较佳实施例，其中，所述弹着点计算装置包括用于对所述实体射击装置进行精确定位的定位装置和计算模块；所述计算模块根据训练者射击时所握持的实体射击装置的精确位置、实体射击装置的性能和当时的气象数据计算出该实体射击装置发射子弹的飞行轨迹，并根据该飞行轨迹，计算其与所述虚拟三维靶标图像的交汇点，该交汇点即为子弹的弹着点；该计算模块将弹着点在所述虚拟三维靶标图像上的具体部位反馈给中心控制模块。

根据本发明的较佳实施例，其中，所述气象数据包括空气潮湿度、气压、风力和风向。

根据本发明较佳实施例，其中，所述定位装置设于所述实体射击装置上，用于精确定位该实体射击装置所在的空间位置，并将空间位置信息发送给所述计算模块进行处理。

根据本发明较佳实施例，其中，根据本发明较佳实施例，其中，所述弹着点计算装置包括子弹轨迹追捕装置和计算模块，该子弹轨迹追捕装置捕捉子弹历史飞行轨迹，该计算模块根据子弹的历史飞行轨迹预测子弹在所述虚拟三维靶标图像上的弹着点，并将弹着点在所述虚拟三维靶标图像上的具体部位反馈给中心控制模块。

根据本发明的较佳实施例，其中，所述子弹轨迹追捕装置为红外雷达，借助子弹的高温高热的特点捕捉子弹历史飞行轨迹。

根据本发明较佳实施例，其中，根据本发明较佳实施例，其中，所述弹着点计算装置包括用于感测虚拟三维靶标图像变化的感测装置和计算模块，利用空气成像效果受空气物理性质影响且高速高热子弹直接影响空气物理性质的特点，由感测装置来感测虚拟三维靶标图像的变化，并将感测结果发给计算模块，由计算模块计算出子弹在所述虚拟三维靶标图像上的弹着点，并将弹着点在所述虚拟三维靶标图像上的具体部位反馈给中心控制模块。

此外，还可通过光场重构原理，将受到子弹影响的光线在空气中重新汇聚成像，由计算机根据虚拟三维靶标图像在子弹射击前后的物理变化、以及子弹所引起的图像变化，计算弹着点在虚拟三维靶标图像上的具体部位。例如，飞行子弹所经路径会产生明显的气流变化、引起风速、高温引起空气受热膨胀等，都会直接反应于虚拟三维靶标图像的局部变化。

根据本发明的较佳实施例，其中，还包括训练者定位装置，用于精确确定所述训练者的位置信息和立体轮廓所占据的空间信息，将这些信息发送给中心控制模块，由所述中心控制模块根据所述训练者的位置信息和立体轮廓所占据的空间信息、虚拟三维靶标图像所在位置、虚拟三维靶标图像所持虚拟射击装置的位置、虚拟三维靶标图像与训练者之间的立体场景、当时的气象数据、计算出虚拟三维靶标图像对所述训练者的射击效果。

根据本发明的较佳实施例，其中，所述射击效果包括：所述虚拟三维靶标图像对所述训练者进行射击的虚拟子弹的弹着点、以及虚拟子弹的弹着点在所述训练者身体上的部位；所述射击效果由存储模块进行存储。

根据本发明的较佳实施例，其中，还包括可穿戴中弹模拟装置，其包括多个分散的微型爆燃点，由训练者穿着于身体上；所述中心控制模块根据计算出来的虚拟三维靶标图像对所述训练者的射击效果，启动虚拟子弹的弹着点所在位置的微型爆燃点爆燃，模拟训练者的中弹效果。该微型爆燃点需保证完全安全、无杀伤力。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用空气成像技术，虚拟靶标更加逼真，摆脱了红外成像、热成像等对成像介质的过高依赖。因此，本发明的靶标系统的运用场景更加灵活广泛，使用者可根据作战需求设置作战环境。

(2)本发明裸眼可见成像，摆脱了目戴设备和激光设备的束缚，实现了实弹训练，突破现阶段的训练瓶颈。

(3)虚拟三维靶标图像和虚拟三维场景图像可由计算机存储介质存储，使用者可根据需要投射和快速切换虚拟训练环境，或投射集群式作战演练靶标，简化作战演练环境。

(4)本发明的靶标系统可反复循环使用，不仅可以模拟训练者射击靶标的射击效果，可以模拟虚拟靶标人物对训练者的还击效果，使作战演练愈加变得真实，对真实作战能力有极大提高。

(5)本发明的靶标系统，大大降低了训练费用，降低了训练场景布置成本，重量轻体积小，运输方便，可借助无人机等在真实的自然环境下，如山岭、草地等环境中投放虚拟三维靶标，而不局限于室内，使作战演练接近真实，对真实作战能力有极大提高。

附图说明

图1为本发明的智能靶标系统的基本组成和交互关系图。

图2为本发明实施例1的智能靶标系统的基本组成和交互关系图。

图3为本发明实施例1的定位装置的原理图。

图4为本发明实施例2的智能靶标系统的基本组成和交互关系图。

图5为本发明实施例3的智能靶标系统的基本组成和交互关系图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1所示，本发明的基于空气成像的智能靶标系统100，基本组成包括实体射击装置10、三维空气成像设备20、弹着点计算装置30和中心控制模块40。

其中，实体射击装置10为训练枪，供训练者握持和控制激发。三维空气成像设备20，其包括光线投射装置21，该光线投射装置21根据存储的或其他设备共享的三维成像数据发射光线，以空气为光幕，将三维成像数据转化成投射在空气上的虚拟三维靶标图像或立体场景图像。弹着点计算装置30，用于计算实体射击装置发射的投射物与虚拟三维靶标图像的交汇点，即子弹在虚拟三维靶标图像上的着落点。中心控制模块40，根据交汇点在虚拟三维靶标图像上的具体部位，控制该三维空气成像设备20(通过调取相应的三维成像数据)切换所述虚拟三维靶标图像的行为状态。

行为状态的切换包括三种情况：当弹着点位于该虚拟三维靶标图像的头部或上胸部时，所述虚拟三维靶标图像的行为状态切换为死亡；当弹着点位于该虚拟三维靶标图像的上肢时，所述虚拟三维靶标图像的行为状态切换为失去抵抗能力；当弹着点位于该虚拟三维靶标图像的下肢时，所述虚拟三维靶标图像的行为状态切换为俯身跪下的形态。此外，在中心控制模块40，控制该三维空气成像设备20切换虚拟三维靶标图像的行为状态时，还需同时结合该虚拟三维靶标图像所处的立体场景进行恰当切换。例如，当弹着点位于该虚拟三维靶标图像的下肢且处于该虚拟三维靶标图像处于高处时，应将行为状态切换为高处坠落。例如，虚拟三维靶标图像位于楼顶时，当计算弹着点位于虚拟三维靶标图像的下肢或头部或上身躯干时，会导致虚拟三维靶标图像从楼顶坠落。

其中，实体射击装置10、三维空气成像设备20为现有技术，而中心控制模块40为计算机设备，可根据控制需求和数据交互要求设计程序软件，预先写入该中心控制模块40中以便于其执行程序软件。

结合图2所示，弹着点计算装置30具体包括用于对实体射击装置10进行精确定位的定位装置31和计算模块32。计算模块32根据训练者射击时所握持的实体射击装置10的精确位置、实体射击装置的性能(训练枪性能参数)和当时的气象数据计算出该实体射击装置10发射子弹的飞行轨迹，并根据该飞行轨迹，计算其与所述虚拟三维靶标图像的交汇点，该交汇点即为子弹的弹着点；该计算模块32将弹着点在虚拟三维靶标图像上的具体部位反馈给中心控制模块40。其中，气象数据主要包括空气潮湿度、气压、风力和风向。这些因素会影响子弹的实际飞行轨迹。

结合图2-图3所示，定位装置31设于实体射击装置10上，用于实时地精确定位该实体射击装置10所在的空间位置，并将空间位置信息发送给计算模块32进行处理。具体地，定位装置31包括内置在实体射击装置10中的六自由度惯性传感器311和设于实体射击装置10首尾端的摄像头312。借此，使定位装置31结合视觉追踪和惯性追踪两种轨迹捕捉策略，以惯性追踪捕捉(六自由度惯性传感器311)的轨迹为主，利用视觉追踪捕捉(摄像头312)的轨迹对其进行修正标定；这种捕捉框架，消除了惯性追踪所产生的不可避免的累积误差，并补偿了视觉追踪经常性的目标遮掩带来的特征丢失，可实现高精度的轨迹捕捉。根据摄像头312注册和标定实体射击装置10的初始位置，然后再借助六自由度惯性传感器311记录实体射击装置10的轨迹，通过经积分计算后可求得实体射击装置10的实时轨迹，并同时利用摄像头312不断补偿和修正，可实时获取实体射击装置10所在空间位置。定位装置31还包括设有轻小的无线传输模块313，可将实体射击装置10的准确空间位置信息发送给计算模块32。实体射击装置10内设有给六自由度惯性传感器311、摄像头312及无线传输模块313提供工作电能的电池。

本发明的基于空气成像的智能靶标系统100不仅可满足训练者对虚拟三维靶标图像射击效果的模拟，同时在虚拟三维靶标图像有还击能力(未死亡)的情况下，还具有射击训练者的能力。虚拟三维靶标图像具有虚拟射击装置。

如图1所示，为了使训练者有更真实的作战体验，本发明的智能靶标系统100还设有训练者定位装置50，其用于精确确定训练者的位置信息和立体轮廓所占据的空间信息。训练者定位装置50可为分布在不同角度方向上的摄像头和/或红外感测器51，以及这些摄像头和/或红外感测器51采集的信息进行综合积分的处理模块52，以实时获得训练者的位置信息和立体轮廓所占据的空间信息，并将这些信息发送给中心控制模块40，由中心控制模块40根据训练者的位置信息和立体轮廓所占据的空间信息、虚拟三维靶标图像所在位置、虚拟射击装置的位置、虚拟三维靶标图像与训练者之间的立体场景、当时的气象数据、计算出虚拟三维靶标图像对训练者的射击效果。射击效果包括：虚拟三维靶标图像对训练者射击的虚拟子弹的弹着点、虚拟子弹的弹着点在训练者身体上的部位。这些射击效果由存储模块进行存储，以综合得出该训练者最后的训练成绩。

为了进一步获得逼真效果，还可设置可穿戴中弹模拟装置，其包括多个分散的微型爆燃点(可配合红色水性颜料模拟血液)，由训练者穿着于身体上。中心控制模块40根据计算出来的虚拟三维靶标图像对所述训练者的射击效果，启动或者不启动(如计算出虚拟子弹的弹着点不在训练者的体型轮廓上)虚拟子弹的弹着点所在位置的微型爆燃点爆燃，模拟训练者的中弹效果。该微型爆燃点需保证完全安全、无杀伤力。

综上所述，本发明利用空气成像技术，虚拟靶标更加逼真，摆脱了红外成像、热成像等对成像介质的过高依赖，靶标系统的运用场景更加灵活广泛，摆脱了目戴设备和激光设备的束缚，实现了实弹训练。成像数据可由计算机存储介质存储，使用者可根据需要投射和快速切换虚拟训练环境或投射集群式作战演练靶标，简化作战演练环境。本发明的靶标系统可反复循环使用，不仅可以模拟训练者射击靶标的射击效果，可以模拟虚拟靶标人物对训练者的还击效果，使作战演练愈加变得真实，对真实作战能力有极大提高。本发明的智能靶标系统，大大降低了训练费用，降低了训练场景布置成本，甚至可借助无人机等在真实的自然环境下，如山岭、草地等环境中投放虚拟三维靶标，而不局限于室内，使作战演练接近真实，对真实作战能力有极大提高。

实施例2

如图4所示，本实施例与实施例1的主要区别在于，本实施例中，弹着点计算装置30A包括子弹轨迹追捕装置31A和计算模块32A，该子弹轨迹追捕装置30A可以捕捉子弹历史飞行轨迹，该计算模块32A则根据该子弹的历史飞行轨迹预测子弹在虚拟三维靶标图像上的弹着点，并将弹着点在所述虚拟三维靶标图像上的具体部位反馈给中心控制模块40。弹着点计算装置30A单独设于训练场地一旁的支架上。弹着点计算装置30A也包含无线传输器，可向中心控制模块40传输信息。优选地，子弹轨迹追捕装置30A可设为红外雷达，借助子弹的高温高热(具有强红外信号)的特点捕捉子弹历史飞行轨迹。

实施例3

如图5所示，本实施例与实施例1的主要区别在于，本实施例中，弹着点计算装置30B包括用于感测虚拟三维靶标图像变化的感测装置31B和计算模块32B，利用空气成像效果受空气物理性质影响且高速高热子弹直接影响空气物理性质的特点，由感测装置31B来感测虚拟三维靶标图像的变化，并将感测结果发给计算模块32B，由计算模块32B计算出子弹在所述虚拟三维靶标图像上的弹着点，并将弹着点在虚拟三维靶标图像上的具体部位反馈给中心控制模块40。弹着点计算装置30B单独设于训练场地一旁的支架上。弹着点计算装置30B也包含无线传输器，可向中心控制模块40传输信息。此外，还可进一步通过光场重构原理，将受到子弹影响的光线在空气中重新汇聚成像，由计算机根据虚拟三维靶标图像在子弹射击前后的物理变化、以及子弹所引起的图像变化，计算弹着点在虚拟三维靶标图像上的具体部位。例如，飞行子弹所经路径会产生明显的气流变化、引起风速、高温引起空气受热膨胀等，都会直接反应于虚拟三维靶标图像的局部变化，可能会使虚拟三维靶标图像变、位移、图像抖动、局部图像缺失(图像不连续)等现象，由这些信息的变化，可计算出训练者发射的投射物在虚拟三维图像上弹着点的具体部位。

需要说明的是，以上所述的实施方式是对本发明技术方案的说明而非限制，所属技术领域的技术人员的等同替换或根据上述技术而做的其他修改只要没有超过本发明技术方案思路和范围，均应包含在本发明所要求的权利和范围之内。

Claims (4)

1.一种基于空气成像的智能靶标系统，其特征在于，其包括：

实体射击装置，供训练者握持和控制；

三维空气成像设备，包含光线投射装置，该光线投射装置根据存储或其他设备共享的三维成像数据发射光线，以空气为光幕投射于空气上，并形成虚拟三维靶标图像或立体场景图像；

弹着点计算装置，用于计算实体射击装置发射的投射物与虚拟三维靶标图像的弹着点；

所述弹着点计算装置包括用于对所述实体射击装置进行精确定位的定位装置和计算模块；所述计算模块根据训练者射击时所握持的实体射击装置的空间位置、实体射击装置的性能和当时的气象数据计算出该实体射击装置发射子弹的飞行轨迹，并根据该飞行轨迹，计算其与所述虚拟三维靶标图像的交汇点，该交汇点即为子弹的弹着点；该计算模块将弹着点在所述虚拟三维靶标图像上的具体部位反馈给中心控制模块；所述气象数据包括空气潮湿度、气压、风力和风向；

所述定位装置包括内置在实体射击装置中的六自由度惯性传感器和设于实体射击装置首尾端的摄像头；借此使定位装置结合视觉追踪和惯性追踪两种轨迹捕捉策略，以惯性追踪捕捉的轨迹为主，利用视觉追踪捕捉的轨迹对其进行修正标定，以实时获取实体射击装置所在空间位置；

中心控制模块，根据弹着点在虚拟三维靶标图像上的具体部位，控制该三维空气成像设备切换所述虚拟三维靶标图像的行为状态；

当弹着点位于该虚拟三维靶标图像的头部或上胸部时，所述虚拟三维靶标图像的行为状态切换为死亡；当弹着点位于该虚拟三维靶标图像的上肢时，所述虚拟三维靶标图像的行为状态切换为失去抵抗能力；当弹着点位于该虚拟三维靶标图像的下肢时，所述虚拟三维靶标图像的行为状态切换为俯跪；

训练者定位装置，训练者定位装置为分布在不同角度方向上的摄像头和/或红外感测器，以及这些摄像头和/或红外感测器采集的信息进行综合积分的处理模块，以实时获得训练者的位置信息和立体轮廓所占据的空间信息，将这些信息发送给中心控制模块，由所述中心控制模块根据所述训练者的位置信息和立体轮廓所占据的空间信息、虚拟三维靶标图像所在位置、虚拟三维靶标图像所持虚拟射击装置的位置、虚拟三维靶标图像与训练者之间的立体场景、当时的气象数据、计算出虚拟三维靶标图像对所述训练者的射击效果；射击效果由存储模块进行存储，以综合得出该训练者最后的训练成绩；所述射击效果包括：所述虚拟三维靶标图像对所述训练者进行射击的虚拟子弹的弹着点、以及虚拟子弹的弹着点在所述训练者身体上的部位；

穿戴中弹模拟装置，其包括多个分散的微型爆燃点，由训练者穿着于身体上；所述中心控制模块根据计算出来的虚拟三维靶标图像对所述训练者的射击效果，启动虚拟子弹的弹着点所在位置的微型爆燃点爆燃，模拟训练者的中弹效果。

2.根据权利要求1所述的基于空气成像的智能靶标系统，其特征在于，在中心控制模块切换所述虚拟三维靶标图像的行为状态时，需同时结合该虚拟三维靶标图像所处的立体场景进行切换。

3.根据权利要求1所述的基于空气成像的智能靶标系统，其特征在于，所述定位装置设于所述实体射击装置上，用于精确定位该实体射击装置所在的空间位置，并将空间位置信息发送给所述计算模块进行处理。

4.根据权利要求1所述的基于空气成像的智能靶标系统，其特征在于，所述射击效果由存储模块进行存储。

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