CN111986257A - 一种支持可变距离的弹点识别自动校准方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种支持可变距离的弹点识别自动校准方法及系统，系统包括投影模块、标定模块、采集模块、校准模块；所述投影模块按照投影坐标显示投影特征点；所述标定模块用于均匀分布标定特征点；所述采集模块用于采集投影特征点、标定特征点的图像，获得投影特征点、标定特征点的摄像机采集坐标以及标定特征点的红外热成像仪采集坐标；所述校准模块用于获取系统使用距离，并支持不同距离下将摄像机/红外热成像仪采集的特征点坐标自动变换到投影模块的投影坐标。本发明的系统和方法可实现可变距离下的弹点识别自动校准。

Description

一种支持可变距离的弹点识别自动校准方法及系统
技术领域
本发明属于射击训练设备领域，特别是一种支持可变距离的弹点识别自动校准方法及系统。
背景技术
中国专利CN200520072161.8公开的用于反恐作战训练的热成像型互动射击训练系统，利用投影机将投影机生成的多个靶型投影在受弹靶面即投影屏上，靶标位置为投影平面上的显示坐标，激光枪/实装枪支进行射击训练时，激光/实弹落在投影屏上，被摄像机/红外热成像仪采集，获得激光/实弹在摄像机/红外热成像仪采集图像内的采集坐标。为了判断激光/实弹在靶标上的命中情况，需要将弹丸的采集坐标换算为激光/实弹的显示坐标，涉及3个不同的平面，即3个不同坐标系，任意两个坐标系之间不存在线性变换关系。
中国专利CN201510136567.6公开的一种基于投影技术的射击定位自动校正系统及方法，该发明中的射击定位校正在首次需要进行人工烫点，在之后需要进行校正时，根据激光摄像机的校正来修正热成像仪，达到全自动校正射击定位坐标的目的。该校准方法首次校准时必须进行人工烫点以便热成像仪采集，同时选取的特征点数量较多，耗时长、操作性差、受人为因素影响较大，直接影响激光/实弹射击训练的精度要求。
随着训练的需求变化，要求如上的射击训练系统由固定安装到移动便携。在固定距离下的校准关系无法支持距离变化的要求。未有专利提及在系统可变距离下的弹点识别自动校准方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种支持可变距离的弹点识别自动校准方法及系统，以实现可变距离下的弹点识别自动校准。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种支持可变距离的弹点识别自动校准系统，包括投影模块、标定模块、采集模块、校准模块；
所述投影模块按照投影坐标显示投影特征点；
所述标定模块用于均匀分布标定特征点；
所述采集模块用于采集投影特征点、标定特征点的图像，获得投影特征点、标定特征点的摄像机采集坐标以及标定特征点的红外热成像仪采集坐标；
所述校准模块用于获取系统使用距离，并支持不同距离下将摄像机/红外热成像仪采集的特征点坐标自动变换到投影模块的投影坐标。
一种支持可变距离的弹点识别自动校准方法，包括以下步骤：
在标准距离下：根据投影特征点的摄像机采集坐标和投影坐标，得到两个坐标系之间的透视变换矩阵A；
根据标定特征点在摄像机/红外热成像仪的采集坐标进行拟合计算，得到摄像机采集坐标和红外热成像仪采集坐标之间的透视变换矩阵B；
结合透视变换矩阵A，通过矩阵乘法得到红外热成像仪采集坐标和投影坐标之间的透视变换矩阵C；
系统发生位移：根据投影特征点的摄像机采集坐标和投影坐标，得到当前距离下摄像机采集坐标和投影坐标的透视变换矩阵D；
结合标准距离下投影特征点的摄像机采集坐标，计算当前系统距离投影屏幕的实际距离；
根据当前距离参数，获得红外热成像仪坐标系和摄像机坐标系之间的偏差向量，结合矩阵D得到系统偏差向量；
结合在标准距离下摄像机采集坐标和红外热成像仪采集坐标之间的透视变换矩阵B，得到当前距离下红外热成像仪采集坐标和投影坐标的透视变换矩阵E。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
本发明涉及三个坐标系，投影模块的投影坐标系、采集模块中摄像机的采集坐标系、采集模块中红外热成像仪的采集坐标系可实现系统在一定距离范围活动的情况下，采用计算机自动校准的方式，即可支持激光模拟枪、实装枪进行射击训练的精度报靶功能。无需人工放置激光/热点，采集模块自动采集投影模块显示的投影特征点，校准模块实现自动校准工作。
附图说明
图1为本发明运用在便携式影像训练系统的示意图。
图2为标定模块的结构示意图。
图3为热源板的结构示意图。
图4为采集模块的结构示意图。
图5为本发明各模块之间的关系示意图。
图6为本发明所述的一种支持可变距离的弹点识别自动校准方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-图6，本发明的一种支持可变距离的弹点识别自动校准系统，包括投影模块、标定模块、采集模块、校准模块，其中投影模块、采集模块按照规定的尺寸位置安装固定。
所述投影模块包含投影机1-1、设置在计算机1-2内通过编程实现的投影单元1-2-1，所述投影单元1-2-1用于显示投影特征点图像。校准时，投影机1-1根据投影单元1-2-1提供的坐标投影出特征点。投影特征点均匀分布在投影图像上，投影特征点形状中心对称，同时与背景底色差异明显；
所述标定模块包括标定板2-1、热源板2-2、逻辑控制盒2-3、支架2-4；所述标定板2-1由浅色隔热材料制成，表面按照设定位置坐标开孔。所述标定板2-1固定在支架2-4上；所述热源板2-2固定在标定板2-1上；所述热源板2-2包括热源固定板2-2-1和固定在热源固定板2-2-1上的深色陶瓷热源组件2-2-2；所述陶瓷热源组件2-2-2的安装位置与标定板的孔位一一对应，陶瓷热源组件热源固定板2-2-1与逻辑控制盒2-3通过控制线路相连接，逻辑控制盒2-3用于控制每个陶瓷热源组件2-2-2独立工作。校准时，由逻辑控制盒2-3控制热源组件工作，确保其能够独立地产生热量。热源组件作为标定特征点，既能被采集模块的摄像机识别，又能被采集模块的红外热成像仪识别。
所述采集模块包括摄像机3-1、红外热成像仪3-2、机壳3-3、设置在计算机1-2内通过编程实现的坐标采集单元1-2-2；所述摄像机3-1和红外热成像仪3-2通过机壳3-3固定在一起；所述摄像机3-1用于采集投影特征点、标定特征点的图像；所述红外热成像仪3-2采集标定特征点的图像。坐标采集单元1-2-2对摄像机/红外热成像仪采集到的图像进行图像识别处理，分别识别出投影特征点、标定特征点的摄像机采集坐标以及标定特征点的红外热成像仪采集坐标。
所述校准模块为设置在计算机1-2内通过编程实现；所述校准模块自动获取系统使用距离，并支持不同距离下将采集模块识别出的投影特征点、标定特征点的摄像机采集坐标以及标定特征点的红外热成像仪采集坐标，转换成投影特征点在投影图像的投影坐标。
在初次校准时，将一体化安装固定的投影模块、采集模块放置在距离墙体5米距离处，将当前距离作为标准距离：
在标准距离下，投影模块按照投影坐标显示投影特征点图像。采集模块的摄像机采集投影特征点的投影图像，识别出投影特征点的摄像机采集坐标。校准模块获取投影特征点的摄像机采集坐标以及投影坐标，得到摄像机图像和投影图像的透视变换矩阵A。
在标准距离处放置标定模块，打开逻辑控制盒开关，控制热源组件上电发热。采集模块的摄像机采集标定特征点的图像，识别出标定特征点的摄像机采集坐标。同时采集模块的红外热成像仪采集标定特征点的图像，识别出标定特征点的红外热成像仪采集坐标。校准模块获取标定特征点的摄像机采集坐标以及红外热成像仪采集坐标，进行拟合计算得到摄像机图像和红外热成像仪图像的透视变换矩阵B。校准模块通过矩阵乘法结合透视变换矩阵A和矩阵B，得到红外热成像仪图像和投影图像的透视变换矩阵C。至此完成标准距离下的自动校准。
系统发生位移，投影模块到投影屏幕的距离产生变化，通过校准模块，进行可变距离的自动校准：
投影模块按照投影坐标显示投影特征点图像。采集模块的摄像机采集投影特征点的投影图像，识别出投影特征点的摄像机采集坐标。校准模块获取投影特征点的摄像机采集坐标以及投影坐标，得到摄像机图像和投影图像的透视变换矩阵D，完成激光弹点校准。摄像机采集到激光的采集坐标通过矩阵乘法结合矩阵D，得到激光的投影坐标，完成激光弹点变换。
在当前距离和标准距离下，分别得到一组投影特征点在摄像机的采集坐标。理想状态下，投影机与摄像机的镜头位置同轴，采集图像和投影图像大小相同，不管距离的变化，这两组采集坐标数据依然相同。实际情况中，投影机和摄像机按照规定的尺寸位置安装固定，采集图像和投影图像大小不一，设备大小不同，投影机和摄像机的镜头轴心存在物理距离。随着距离的变换，设备轴心之间的物理距离必然导致两组采集坐标数据发生变化。通过投影模块、采集模块一体化结构设计，确保投影机和摄像机的镜头轴心物理距离固定。投影机和摄像机的镜头轴心距离(单位为毫米)在不同距离下摄像机坐标系里对应的像素值不同，导致在当前距离和标准距离下两组采集坐标数据的变化。根据以上坐标数据，已知采集模块设备放置倾角结合向量投影算法，计算出当前系统距离投影屏幕的实际距离。同理，红外热成像仪和摄像机的镜头轴心距离(单位为毫米)在不同距离下摄像机坐标系里对应的像素值不同。根据当前距离参数，获得红外热成像仪坐标系和摄像机坐标系之间的偏差向量，通过矩阵乘法结合矩阵D得到系统偏差向量。在标准距离下摄像机采集坐标和红外热成像仪采集坐标之间的透视变换矩阵B通过矩阵乘法结合矩阵D得到当前距离下红外热成像仪到投影图像的透视变换矩阵E，实现实弹弹点校准。红外热成像仪采集到热点的采集坐标通过矩阵乘法结合矩阵E，加上系统偏差向量，得到热点的投影坐标，完成实弹弹点变换。
本发明系统包括以下校准：
出厂校准时，记录当前距离为标准距离，在该距离下显示含投影特征点的投影图像，采集模块获得投影特征点的摄像机采集坐标，获得摄像机和投影两个坐标系之间的透视变换矩阵A。利用标定模块，自动校准算法程序获得摄像机和红外热成像仪两个坐标系之间的透视变换矩阵B。结合透视变换矩阵B，获得红外热成像仪和投影两个坐标系之间的透视变换矩阵C，完成出厂校准。
系统训练使用时，调用自动校准算法程序，显示含投影特征点的投影图像，得到采集模块中摄像机的采集坐标，获得摄像机和投影两个坐标系之间的透视变换矩阵D，实现激光弹点校准；同时计算出当前使用距离，获得红外热成像仪坐标系和摄像机坐标系之间的偏差向量，通过矩阵乘法结合矩阵D得到系统偏差向量。透视变换矩阵B通过矩阵乘法结合矩阵D，获得红外热成像仪和投影两个坐标系之间的透视变换矩阵E，实现实弹弹点校准，完成弹点识别的自动校准。
本发明涉及三个坐标系：投影模块的投影坐标系、采集模块中摄像机的采集坐标系、采集模块中红外热成像仪的采集坐标系，单位均为像素，激光弹点校准将摄像机的采集坐标系变换到投影机的投影坐标系，实弹弹点校准将红外热成像仪的采集坐标系变换到投影机的投影坐标系。将投影模块、采集模块按照要求进行一体化安装固定，在标准距离上完成初次校准。出于实弹射击训练安全考虑，系统支持在3米至8米的距离内任意距离使用。客户无需人工放置激光/热点，采集模块自动采集投影模块显示的投影特征点，校准模块实现自动校准工作。

Claims (7)

1.一种支持可变距离的弹点识别自动校准系统，其特征在于，包括投影模块、标定模块、采集模块、校准模块；
所述投影模块按照投影坐标显示投影特征点；
所述标定模块用于均匀分布标定特征点；
所述采集模块用于采集投影特征点、标定特征点的图像，获得投影特征点、标定特征点的摄像机采集坐标以及标定特征点的红外热成像仪采集坐标；
所述校准模块用于获取系统使用距离，并支持不同距离下将摄像机/红外热成像仪采集的特征点坐标自动变换到投影模块的投影坐标。
2.根据权利要求1所述的支持可变距离的弹点识别自动校准系统，其特征在于，所述校准模块的校准转换过程为：
在标准距离下：根据投影特征点的摄像机采集坐标和投影坐标，得到两个坐标系之间的透视变换矩阵A；
根据标定特征点在摄像机/红外热成像仪的采集坐标进行拟合计算，得到摄像机采集坐标和红外热成像仪采集坐标之间的透视变换矩阵B；
结合透视变换矩阵A，得到红外热成像仪采集坐标和投影坐标之间的透视变换矩阵C；
系统发生位移：根据投影特征点的摄像机采集坐标和投影坐标，得到当前距离下摄像机采集坐标和投影坐标的透视变换矩阵D；
结合标准距离下投影特征点的摄像机采集坐标，计算当前系统距离投影屏幕的实际距离；
根据当前距离参数，获得红外热成像仪坐标系和摄像机坐标系之间的偏差向量，结合矩阵D得到系统偏差向量；
结合在标准距离下摄像机采集坐标和红外热成像仪采集坐标之间的透视变换矩阵B，得到当前距离下红外热成像仪采集坐标和投影坐标的透视变换矩阵E。
3.根据权利要求1所述的支持可变距离的弹点识别自动校准系统，其特征在于，所述标定模块包括标定板、热源板、逻辑控制盒、支架；所述标定板固定在支架上；所述热源板固定在标定板上；所述热源板与逻辑控制盒通过控制线路相连接。
4.根据权利要求3所述的支持可变距离的弹点识别自动校准系统，其特征在于，所述热源板包括热源固定板和固定在热源固定板上的多个热源组件；所述标定板上设有多个坐标孔，所述热源组件对应坐标孔的位置。
5.根据权利要求1所述的支持可变距离的弹点识别自动校准系统，其特征在于，所述采集模块包括摄像机、红外热成像仪；
所述摄像机用于采集投影特征点、标定特征点的图像；所述红外热成像仪采集标定特征点的图像。
6.根据权利要求1所述的支持可变距离的弹点识别自动校准系统，其特征在于，所述摄像机、红外热成像仪通过机壳固定在一起。
7.一种支持可变距离的弹点识别自动校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
在标准距离下：根据投影特征点的摄像机采集坐标和投影坐标，得到两个坐标系之间的透视变换矩阵A；
根据标定特征点在摄像机/红外热成像仪的采集坐标进行拟合计算，得到摄像机采集坐标和红外热成像仪采集坐标之间的透视变换矩阵B；
结合透视变换矩阵A，得到红外热成像仪采集坐标和投影坐标之间的透视变换矩阵C；
系统发生位移：根据投影特征点的摄像机采集坐标和投影坐标，得到当前距离下摄像机采集坐标和投影坐标的透视变换矩阵D；
结合标准距离下投影特征点的摄像机采集坐标，计算当前系统距离投影屏幕的实际距离；
根据当前距离参数，获得红外热成像仪坐标系和摄像机坐标系之间的偏差向量，结合矩阵D得到系统偏差向量；
结合在标准距离下摄像机采集坐标和红外热成像仪采集坐标之间的透视变换矩阵B，得到当前距离下红外热成像仪采集坐标和投影坐标的透视变换矩阵E。
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