激光模拟射击弹着点准确定位的图像校正检测方法与流程

本发明涉及军事模拟射击训练器材领域，属于方法和技术发明，具体地说是提出了一种激光模拟精度射击弹着点定位的检测方法和装置。

背景技术：

在军事射击训练中，轻武器精度射击训练是射击训练的最基本项目，是每个士兵必须掌握的技能，也是各级院校国防教育中军事科目训练的基本内容。由于实弹射击训练对场地条件要求高，存在安全隐患，所以士兵大量采用模拟瞄准射击训练方式。在模拟射击训练中，主要采用空枪方式瞄准、击发，训练者不知道击发后状态，很难了解自己对训练技能的掌握情况。取而代之的可以采用发射激光的模拟射击方式，基于激光的轻武器模拟射击训练是一种有效的训练方式，具有安全、成本低、对训练场地要求不高等优点，可广泛应用于轻武器模拟射击训练。但设备要求激光聚焦性能好，在100米距离不散光，而且对激光光斑的定位检测至今依然是激光模拟射击自动报靶的关键技术和难题，现在还主要采用人工方式、光敏管阵列或与靶面相隔一段距离进行摄像机照排等方式，难于满足实际训练要求。人工方式是在远端靶面处由人来确定射击激光光斑击中的位置并告诉射击者，效率低，应用不方便；光敏管阵列可以自动检测激光射击光斑的击中位置，但检测的靶面体积大，使用不方便，而且为保证检测精度，在500x500mm的靶面上采用大量的光敏管，使得成本高，检测电路复杂，定位精度差，设备笨重，一直难于推广应用。摄像照排为保证检测靶面和射击激光光斑图像的准确、不失真，需要距靶标一段距离或在远端射击位安装摄像机，再采用图像识别的方法，每次使用都需要重新调整或固定安装不能移动，安装、使用不方便，难于野外训练应用。所以，当前基于技术、成本和使用方便等因素，激光模拟射击训练设备还没有一种方便、实用、精度高的激光光斑击中靶面位置的检测方案。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是为了克服上述现有各种技术的不足，提出了一种新的激光模拟射击训练激光光斑（弹着点）准确定位的检测方法和实现装置。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：在轻武器（如自动步枪或模拟仿真枪）上加装激光发射器、振动电机、声音模拟器，当瞄准击发时，发射激光脉冲，并同时发声和振动，模拟真实射击子弹击发效果。在远端设立激光模拟精度射击胸环靶，如附图1形成一个密闭封闭腔，靶面为标准胸环靶纸，位于封闭腔后面。在封闭腔前面放一块与靶纸同样大小，1～2mm厚透明亚克力板，这样远端射击训练者通过透明亚克力板可以清楚的看到胸环靶图形。摄像机位于封闭腔内。靶标做成密闭封闭腔主要是考虑各种野外应用环境下摄像机等电子设备的防尘、防水等保护作用，保证设备在各种环境下可靠应用。在靶标封闭腔底面（或上面）两脚成45度斜对方向安装两台广角工业摄像机，如附图中的2和3。摄像机拍摄光轴与胸环靶标平行，距离为3cm左右（为方便使用，设计整体靶标厚度为≤7cm），光轴中心分别调整对准靶中心。虽然工业摄像机拍照与靶图平行，但由于是采用广角平面镜头，在靶图平面方向可以摄取到整个靶面图像，只是图像会产生非常大的畸变，不但包括桶形畸变，还由于拍照距离为0～800mm，拍摄光轴与被拍物面严重不垂直（相当于平行），偏角非常大（近似90度），影像会因透视而产生近大远小的严重变形，导致拍摄到的靶面图像会与实际的图像产生非常大的偏差，摄像机摄取的图像很难识别出靶图形状及准确的激光光斑位置，所以传统解决方案要求摄像机与靶面要有一定的距离，以消除偏角和桶形变形。

本发明由于是采用两台工业摄像机，且斜向放置，摄像机光轴中心线调整为检测靶图的中心，摄取的是二维图像。在摄像机位置固定后，每个摄像机摄取的图像虽然是有很大变形，但图像是固定的，即采集到的是大变形的图像。这样，首先根据靶面结构，每台摄像机根据摄取的变形图像，分别找到各控制等分间隔平面点的变形坐标（像素坐标），建立每台摄像机的靶图变形坐标数据表。采用两台工业摄像机的目的是由于摄取的图像畸变非常大，即对每台工业摄像机而言，不同的靶面坐标位置，其变形大小都是不一样的。通过两台摄像机摄取2幅图像互相校正，可以有效提高检测定位精度。

实际应用时，当射击的激光光斑击中靶面后，两台摄像机不但能摄取变形的靶面图像，也能扑捉到射击的激光光斑。这时，扑捉到的激光光斑是在变形的靶面图像上，根据质心法对激光光斑解算，确定激光光斑中心像素坐标。根据前述的靶标变形坐标数据表对应查表，确定光斑实际区位位置，再根据激光光斑中心像素坐标与表中控制点坐标的位置关系，逐次逼近计算，确定光斑在靶面上的实际坐标值。

更关键一点，由于偏角非常大，这种变形图形是难于精确确定光斑位置的。本发明采用两台摄像机获取图像，得到射击的激光光斑位置。根据在靶面上每台摄像机位置和其摄取的图像位置，分别确定激光光斑中心像素坐标，然后取他们的中点为光斑的实际坐标。采用这种处理方法，是通过两台摄像机的图像处理，相当于减小了偏角失真和桶形失真的影响，使获得的测量结果准确，解决了以往大的失真图形难于恢复原图像、更难以确定激光光斑击中靶面位置的难题。

附图2中图像处理机5为具有强计算能力的高性能计算机，计算速度快，通过解算工业摄像机1和工业摄像机2的成像图确定激光击中靶面的激光光斑中心像素坐标，并无线传输给附图2中的靶位计算机6并通过显示器7显示实际射击激光光斑在靶面的坐标位置，射击者可以实时了解自己射击训练的情况。

其特征是：提出了一种在激光模拟射击中利用两台工业摄像机冗余测量并校正处理大变形图像实现激光光斑（弹着点）准确定位的方法和装置，解决了野外便携环境应用中激光模拟射击弹着点检测准确定位的难题。通过在靶标两相邻角位置放置两台广角工业摄像机，光轴与靶标面平行。采用高性能图像处理机通过对两台工业摄像机摄取的大变形二维图像进行图像处理，从而保证了检测定位精度。这种结构可以达到检测靶厚度≤10cm，摄像机与检测靶为一体，整体性好，轻便便携，可随意安装和收回，方便各种环境下应用。

本发明的有益成果是：提出了一种激光模拟精度射击训练中靶面击中光斑的方便准确的检测方法和装置。在标准胸环靶图前面放置≤2mm厚透明亚克力板做靶腔透明封闭（主要是在室外环境应用防灰尘、防水等），在封闭靶腔内两底角放置两台广角工业摄像机，光轴与靶面平行，可以分别拍摄到大变形的靶面，也可以扑捉到射击的激光光斑。当激光光束透过亚克力板打到胸环靶图上时，图像处理机根据两台广角工业摄像机拍摄到的靶图和激光光斑位置进行图形畸变修正和解算，可以确定激光光斑打到胸环靶图的位置，从而确定激光模拟射击训练时激光光斑击中靶面的位置。相比传统方法，解决了激光模拟射击训练自动报靶设备笨重、使用不便等问题，靶标结构简单，方便实用，安全可靠，精度高，可以大大提高部队射击训练的效率，为部队模拟射击训练提供有力的保障。

附图说明

图1为本发明的两台广角工业摄像机安装位置及靶标框架结构示意图；

图2为本发明的靶标检测系统组成示意图。

附图中标记：1、检测激光击中靶图；2、广角工业摄像机1；3、广角工业摄像机2；4、检测靶标框架；5、图像处理机；6、射手位计算机；7、射手位激光击中显示器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述：

本方法技术实现如图1所示，设采用两台广角工业摄像机1和2，像素为720p（1280*720=92万像素点，增加像素将增加测量精度，但处理数据量会加大），摄像机光轴与靶面平行，轴心线调整对准靶面中心，相当于拍照倾斜角度为90度，如附图所示布置。当胸环靶面检测尺寸为500x500mm，广角摄像头检测靶面对角线尺寸为707mm，广角像素为1280，每像素分辨率≤1mm（由于图像变形严重，不同位置检测精度会不同）。设计激光照射靶面光斑直径为≤50mm（100米距离），则这样的分辨率是满足要求的。计算时，要首先确定光斑中心位置坐标。

由于图像变形严重，而且计算数据量大，为保证计算速度和计算精度，采取的算法是查表和逐次逼近相结合，可以有效减少计算时间，提高定位精度。首先根据每台摄像机位置，摄取原始靶面图像，并设定一些固定位置控制点，确定这些控制点变形图像位置与实际位置的对应关系，并分别建立两个数据表。具体在应用射击定位检测时，根据射击激光光斑的中心位置坐标（为变形图像的像素坐标），查表计算大体实际位置。再根据和原来表中控制点的坐标之间的关系进行逼近计算，通过对两台工业摄像机处理的图像分别处理并得到最小误差，从而确定光斑中心在靶面上的实际坐标。算法包括查表计算和多次逼近计算相结合，计算速度快，精度高，误差小。

附加说明：

1.标准精度胸环靶面积为500mm，按例选用的是1280x720像素广角工业摄像机，照排距离0～800mm，导致图像畸变严重，包括桶形失真和倾角变形。采用两台摄像机在两个角度拍摄，不要求恢复图像，只要求确定光斑中心点位置，可以有效消除大倾角（近似90度）变形的影响。多于两台摄像机可以进一步提高定位精度，但会增加硬件成本和计算复杂度。

2．采用1080p或更高像素的摄像机可以进一步提高检测精度，但会增加计算工作量和成本。

3．由于激光光束比较大（到靶面设为≤50mm），实际广角工业摄像机采集的激光光束像素点比较多，这里按质心法确定激光光束的中心点位置。

4．本发明主要解决激光模拟精度射击训练中弹着点准确定位检测的关键问题。为实现激光模拟精度射击训练，整个系统还包括激光模拟射击、检测信号处理、无线传输、靶位实时图形文字显示等。