一种应用于实兵对抗训练的战场声效模拟系统和方法与流程

1.本发明属于军事训练器材技术领域，特别是涉及一种应用于实兵对抗训练的战场声效模拟系统和方法。


背景技术：

2.目前实兵对抗训练朝着智能化的方向在发展，直瞄武器通常以激光代替弹药进行实兵对抗训练，具体方法是在武器上加装激光发射机，在人员、装备上安装激光解码装置；对抗训练时武器发射编码激光束，人员、装备上安装的激光解码装置如果接收到编码激光束，则被判为被命中。间瞄武器通常采用打数据的方式进行实兵对抗训练，控制中心根据火炮的射击诸元数据计算炮弹的落点，对毁伤范围内的人员装备进行裁决。但是使用上述实兵对抗训练系统在对抗训练中存在以下重大缺陷：
3.实际战场中，子弹发射、炮弹发射、爆炸，均伴随着剧烈的火药爆炸声，战士可以根据声音来判断是否受到攻击，攻击的方向来自于哪里，炮弹的爆炸点的方向和位置在哪里，战士可以据此决定自己应该向哪个方向隐蔽，向攻击方向搜索以发现目标并进行反击。而在实兵对抗训练中，为保证安全性，使用的是激光和数字弹药，发射时不会产生任何声音，因此经常会出现战士身上的训练装置提示已经被击伤或死亡，自己却根本不知道攻击来自何方，因此也不能在敌方发起攻击时及时进行隐蔽，并及时进行反击，使得对抗训练与实际的战场严重不符，严重影响对抗训练的效果。
4.目前有部分实兵对抗训练设备如坦克上安装了发射声光弹以模拟发射时的声光效果，由于声光弹的装药量远远小于实装炮弹的装药量，声音只有近处的本方人员能够听到，远处的敌方人员完全听不见，根本达不到真实战场的模拟效果。也有部分实兵对抗训练设备在人员的头盔或身上安装1个小喇叭，在射击时播放模拟枪声和爆炸声，由于喇叭与声光弹一样，播放的只是自身发射时的枪声和爆炸声，远处的敌方人员完全听不见，也达不到真实战场的模拟效果。还有部分实兵对抗训练设备在小型训练场地中放置音箱，播放枪声和爆炸声，由于音箱的位置固定，并不在实际射击点和爆炸点位置，因此战士并不能通过声音判断射击点和爆炸点的方向、位置，装甲武器、间瞄火炮的射程超过几千米，音箱不可能覆盖上百平方公里的区域，因此也达不到真实战场的模拟效果。


技术实现要素：

5.本发明目的在于解决现有实兵对抗训练辅助装置难以发出真实子弹、炮弹发射和爆炸的声音，达不到真实战场的模拟效果，影响训练效果的问题。
6.为了实现本发明目的，本发明公开了一种应用于实兵对抗训练的战场声效模拟系统，包括射击信息采集装置、通信设备、定位模块、音效合成模块、立体声音频播放设备、人体头部姿态测量装置；
7.在武器上安装射击信息采集装置、通信设备和定位模块；通信设备与定位模块、射击信息采集装置连接；射击信息采集装置用于采集武器的射击信息，定位模块输出武器的
地理坐标信息，通信设备将射击信息、地理坐标信息实时发送出去；
8.在人员身上安装声效合成模块、通信设备、人体头部姿态测量装置、定位模块和立体声音频播放设备；声效合成模块分别与通信设备、人体头部姿态测量装置、定位模块、立体声音频播放设备电性连接；人员身上安装的通信设备用于接收武器上通信设备发送的武器射击信息、地理坐标信息；人体头部姿态测量装置用于实时测量头部的姿态；定位模块输出人员当前的地理坐标信息；声效合成模块根据武器发射弹药时的地理坐标和时间，结合人员当前的地理坐标、头部的姿态、左耳和右耳在头部的位置，分别计算出左耳和右耳与发声点之间的距离，再根据声音的传播速度和与距离相关的声强衰减率，将对应弹药的标准爆炸音源根据左耳和右耳距发声点的距离分别进行延迟和音量调节，输出至立体声音频播放设备的左声道和右声道。
9.进一步地，人员身上安装的通信设备还能够接收控制中心发送的炮弹爆炸点地理坐标信息、炮弹信息；声效合成模块根据炮弹爆炸点地理坐标信息、炮弹信息中的炮弹爆炸时间，将处理后的音源输出至立体声音频播放设备的左声道和右声道。
10.进一步地，射击信息采集装置采集的射击信息包括武器击发装置的击发信号、武器类型信息、弹药类型信息，击发时间。
11.进一步地，人体头部姿态测量装置由微处理器、九轴传感器组成；人体头部姿态测量装置安装在人体头部，九轴传感器测量出人体头部数据后将数据发送给微处理器，微处理器计算出人体头部俯仰角、横滚角和与地球正北的夹角后将数据发送给声效合成模块。
12.进一步地，声效合成模块由微处理器、数据接口和声效合成软件组成；数据接口用于接收通信设备、人体头部姿态测量装置、定位模块输入的信息；微处理器中运行声效合成软件；声效合成软件根据数据接口接收到的输入信息计算出对应弹药的标准爆炸音源传输到左耳和右耳的延时和音量值，合成左声道音频流和右声道音频流，通过数据接口输出至立体声音频播放设备的左声道和右声道。
13.为了实现本发明的目的，本发明还公开了一种应用于实兵对抗训练的战场声效模拟方法，包括以下步骤：
14.步骤1、预先采集各种武器发射各类弹药时的真实音频，以及各种炮弹爆炸时的真实音频，记录采集音频时采集设备与发射点、爆炸点的距离rc，将采集的真实音频作为标准爆炸音源存入声效合成模块；
15.步骤2、根据人员当前的地理坐标信息、发射武器地理坐标信息、或炮弹爆炸点地理坐标信息，计算出发射点或爆炸点与人员的距离；
16.步骤3、根据人体头部姿态信息、左耳和右耳在头部的位置、定位模块相对于头部的位置、发射点或爆炸点与人员的距离，分别计算出左耳与发射点或爆炸点的距离r
l
、右耳与发射点或爆炸点的距离rr；
17.步骤4、根据声音在空气中的传播速度c、左耳与发射点或爆炸点的距离r
l
、右耳与发射点或爆炸点的距离rr，计算出爆炸声到达左耳的时间t
l
、爆炸声到达右耳的时间tr；；
18.步骤5、由于真实音频采集点与发射点、爆炸点的距离rc已知，左耳与发射点或爆炸点的距离r
l
、右耳与发射点或爆炸点的距离rr已知，根据声强与距离关系可以计算出爆炸声到达左耳时声强的衰减值d
l
、爆炸声到达右耳时声强的衰减值dr；
19.步骤6、根据发射武器类型、发射弹药类型或爆炸炮弹类型，选择对应的标准爆炸
音源；以武器发射弹药时间、或炮弹爆炸时间为基准，将对应弹药、炮弹的标准爆炸音源根据到达左耳的时间t
l
进行延时，根据到达左耳时声强的衰减值d
l
进行音量衰减，生成左耳音频流；将对应弹药、炮弹的标准爆炸音源根据到达右耳的时间tr进行延时，根据到达右耳时声强的衰减值dr进行音量衰减，生成右耳音频流；
20.步骤7、将合成后的左耳音频流和右耳音频流输出至立体声音频播放设备的左声道和右声道。
21.进一步地，步骤6中，如果有多个武器发射弹药、有多发炮弹爆炸，按步骤1-6分别合成每种弹药、炮弹单独的左耳音频流和右耳音频流，将各单独的左耳音频流按时间轴合成左耳音频流，将各单独的右耳音频流按时间轴合成右耳音频流。
22.与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1)通过实时采集武器发射信息、炮弹爆炸信息，经过声效合成后，逼真的营造出具有空间感的战场声效和氛围，使每个参加训练的战士都能够体验到与真实战场基本一致的空间立体战场声效，极大的提升了训练的沉浸感；2)战士能够根据具有空间立体感的武器发射和炮弹爆炸声，及时判断攻击方向，快速进行隐蔽和搜索、反击，能够对提升战术技能起到很大的促进效果；3)有效克服了原交战系统对抗时无声无息，严重脱离战场实际的缺陷。
23.为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。
附图说明
24.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
25.图1为一种应用于实兵对抗训练的战场声效模拟系统的组成示意图；
26.图2为声效合成模块的信息流框图；
27.图3为一种应用于实兵对抗训练的战场声效模拟方法流程图；
28.图中附图标记为：射击信息采集采集装置1；通信设备2；定位模块3；音效合成模块4；立体声音频播放设备5；人体头部姿态测量装置6。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.如图1所示，在本实施例中，图1为一种应用于实兵对抗训练的战场声效模拟系统的组成示意图，包括射击信息采集装置1、通信设备2、定位模块3、音效合成模块4、立体声音频播放设备5、人体头部姿态测量装置6。
31.在武器上安装射击信息采集装置1、通信设备2和定位模块3。射击信息采集装置1采用在武器的击发器上加装联动开关的方法采集武器的射击信号，该技术为常见技术，故本技术方案中不再展开描述。通信设备2采用数传电台、4g通信模块等无线通信设备。定位模块3采用北斗定位模块、或gps定位模块，用于输出武器的地理坐标信息。
32.具体地，在本实施例中，战士使用武器射击时，扣动击发器，射击信息采集装置1采集到击发器的击发信号后，由通信设备2将发射武器类型、发射弹药类型、武器的地理坐标、发射时间等信息实时发送出去。
33.在人员身上安装所述人体头部姿态测量装置6、声效合成模块4、通信设备2、定位模块3和立体声音频播放设备5。人体头部姿态测量装置6由微处理器、九轴传感器组成，微处理器可以选用stm32f4系列arm芯片，九轴传感器可以选用lsm9ds1等mems芯片，九轴传感器包含三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴磁感应传感器。使用九轴传感器测量俯仰角、横滚角和与地球正北的夹角(通过磁北角进行转换)是一种常见技术。
34.具体地，在本实施例中，人体头部姿态测量装置6安装在头顶部固定位置，可以测量出头部的俯仰角、横滚角和与地球正北的夹角。定位模块3安装在人体的固定位置，实时输出人体的地理坐标信息。
35.如图2所示，在本实施例中，图2为声效合成模块的信息流框图，声效合成模块4输入通信设备2的发射武器地理坐标信息、武器类型、发射弹药类型信息、或炮弹爆炸点地理坐标信息、炮弹类型信息；输入人体头部姿态测量装置6的头部的俯仰角、横滚角和与地球正北的夹角数据；输入定位模块3的人员地理坐标信息。
36.声效合成模块4根据武器发射弹药时的地理坐标、或炮弹爆炸时的地理坐标，以及人员地理坐标信息，可以计算出人员至武器发射点、或炮弹爆炸点的距离；由于人体左耳和右耳在头部的位置是确定的，根据头部的俯仰角、横滚角和与地球正北的夹角数据，人员至武器发射点、炮弹爆炸点的距离，以及头部姿态测量装置6和定位模块3与左耳和右耳的相对位置数据，可以分别计算出左耳和右耳至武器发射点、炮弹爆炸点的距离。距离数据通过通用的三角关系即可求得，在此不做具体推导。
37.具体地，在本实施例中，根据声音的传播速度，将对应弹药的标准爆炸音源根据左耳和右耳距爆炸点的距离分别进行延迟，可以模拟出实际爆炸点声音到达左耳和右耳的空间效果。根据声强与距离相关的声强衰减率，将对应弹药的标准爆炸音源根据左耳和右耳距爆炸点的距离分别音量调节，可以模拟出实际爆炸点声音到达左耳和右耳的声强效果。在此基础上合成左耳音频流和右耳音频流，通过数据接口输出至立体声音频播放设备5的左声道和右声道。合成音频流的方法为通用技术。
38.具体地，在本实施例中，数据接口可以采用蓝牙、或双声道有线输出接口。音频播放设备5可以采用骨传导耳机、或立体声耳机。
39.如图3所示，在本实施例中，图3为一种应用于实兵对抗训练的战场声效模拟方法流程图，包括以下步骤：
40.步骤1、预先采集各种武器发射各类弹药时的真实音频，以及各种炮弹爆炸时的真实音频，记录采集音频时采集设备与发射点、爆炸点的距离rc，将采集的真实音频作为标准爆炸音源存入声效合成模块；
41.步骤2、根据人员当前的地理坐标信息、发射武器地理坐标信息、或炮弹爆炸点地理坐标信息，计算出发射点或爆炸点与人员的距离；
42.步骤3、根据人体头部姿态信息、左耳和右耳在头部的位置、定位模块相对于头部的位置、发射点或爆炸点与人员的距离，分别计算出左耳与发射点或爆炸点的距离r
l
、右耳与发射点或爆炸点的距离rr；
43.步骤4、根据声音在空气中的传播速度c、左耳与发射点或爆炸点的距离r
l
、右耳与发射点或爆炸点的距离rr，计算出爆炸声到达左耳的时间t
l
、爆炸声到达右耳的时间tr；；
44.步骤5、由于真实音频采集点与发射点、爆炸点的距离rc已知，左耳与发射点或爆炸点的距离r
l
、右耳与发射点或爆炸点的距离rr已知，根据声强与距离关系可以计算出爆炸声到达左耳时声强的衰减值d
l
、爆炸声到达右耳时声强的衰减值dr；
45.步骤6、根据发射武器类型、发射弹药类型或爆炸炮弹类型，选择对应的标准爆炸音源；以武器发射弹药时间、或炮弹爆炸时间为基准，将对应弹药、炮弹的标准爆炸音源根据到达左耳的时间t
l
进行延时，根据到达左耳时声强的衰减值d
l
进行音量衰减，生成左耳音频流；将对应弹药、炮弹的标准爆炸音源根据到达右耳的时间tr进行延时，根据到达右耳时声强的衰减值dr进行音量衰减，生成右耳音频流；
46.步骤7、将合成后的左耳音频流和右耳音频流输出至立体声音频播放设备的左声道和右声道。
47.具体地，在本实施例中，步骤6中，如果有多个武器发射弹药、有多发炮弹爆炸，按步骤1-6分别合成每种弹药、炮弹单独的左耳音频流和右耳音频流，将各单独的左耳音频流按时间轴合成左耳音频流，将各单独的右耳音频流按时间轴合成右耳音频流。
48.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
49.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。