阅读说明：本技术 一种基于图像数字化的仿真移动瞄靶训练数据获取方法 (Simulation moving target aiming training data acquisition method based on image digitization ) 是由 赵子健 王继新 王小海 张超 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于图像数字化的仿真移动瞄靶训练数据获取方法,其特征在于：是采用激光发射器移动打靶的方式,基于激光光斑图像特征实时获取激光发射器相对靶板的垂直距离、激光发射器相对靶心的左右偏移距离及偏移方向。由于激光发射器处于不同方位在靶板上所形成的激光光斑具有不同的特征,所以通过根据靶板上激光光斑的图像特征可以准确判断出激光发射器的具体方位,进而有利于统计射击人员的射击结果,为分析射击人员的射击特点提供有利数据。(The invention discloses a method for acquiring training data of a simulated moving target based on image digitization, which is characterized by comprising the following steps of: the method is characterized in that a laser emitter is adopted to move to hit a target, and the vertical distance of the laser emitter relative to a target plate, the left-right offset distance of the laser emitter relative to a target center and the offset direction are obtained in real time based on laser spot image characteristics. Because the laser spots formed on the target plate by the laser emitters in different directions have different characteristics, the specific directions of the laser emitters can be accurately judged according to the image characteristics of the laser spots on the target plate, so that the shooting results of shooting personnel can be counted, and favorable data can be provided for analyzing the shooting characteristics of the shooting personnel.)

一种基于图像数字化的仿真移动瞄靶训练数据获取方法

技术领域

本发明属于射击辅助训练设备技术领域，具体涉及一种基于图像数字化的仿真移动瞄靶训练数据获取方法。

背景技术

射击训练是必不可少的军事训练项目之一，射击训练一般都是采取打靶训练，大致上可分为定点打靶和移动打靶。定点打靶是人站在固定位置进行打靶；移动打靶是人边走边打，即与靶板的相对位置是变化的，移动打靶更具有实战模拟意义。射击人员通常站在不同位置不同姿势完成射击训练，所以移动打靶相对定点打靶训练难度大，命中率低，移动打靶的诸多数据也难以精确记录，无法对训练提供指导依据。

在射击训练设备上，我国一些射击训练已开始采用自动报靶系统，虽然这些自动报靶系统可以降低射击过程的安全风险，提高报靶精度，减少50％以上的射击训练辅助人员，但是这种自动报靶系统只能是实弹射击训练，不能用于瞄准训练，无法在实弹射击训练前对参训人员进行瞄准射击辅助指导，且具有诸多不安全性，不宜于移动打靶；另外，实弹射击受外界因素(风速等)影响，实际射击结果会和理论结果有很大差异，不具有实际指导意义。

因此，移动打靶实弹射击训练安全系数低，难以获取所需参数，也无法在实弹射击训练前对参训人员进行瞄准射击辅助指导。目前还没有发现利用仿真系统获取数据以指导训练。

发明内容

为了对实弹射击训练提供指导依据，取得更准确的射击效果，还为了安全性，本发明提供了一种基于图像数字化的仿真移动瞄靶训练数据获取方法，通过激光图像数字化方法解决实弹射击训练的危险性、子弹消耗大的问题，同时通过对移动瞄靶激光光斑特征进行分析，能够计算出移动射击者的距靶距离和射击偏移量，为实弹训练提供指导。

本发明采取的技术方案如下：一种基于图像数字化的仿真移动瞄靶训练数据获取方法，是采用激光发射器移动打靶的方式，基于激光光斑图像特征实时获取激光发射器相对靶板的方位，包括激光发射器相对靶板的垂直距离、激光发射器相对靶心的左右偏移距离及偏移方向；其中，采用激光发射器移动打靶的方式是：将激光发射器安装于枪械上，同时在所述枪械上安装有振动检测模块和行程开关；激光发射的时机是：使训练者手持枪械移动瞄靶并扣动扳机，通过振动检测模块检测枪管是否发生振动，通过行程开关检测枪栓是否发生位移，当检测的振动信号和位移信号时差在0.05s以内时，激光发射器被触发。

进一步地，实时获取激光发射器相对靶板的垂直距离的方法是：

设激光光斑图像轮廓在靶面上铅垂方向的最大长度为a，水平方向的最大长度为c；

设激光发射器的最大出射角为θ；

设激光光源至激光发射口的距离为b；

则，激光发射器相对靶板的垂直距离S_y为：

k为修正系数，通过最小二乘法拟合得出。

进一步地，实时获取激光发射器相对靶心的左右偏移距离的方法是：

1)当a＝c时：S_x＝0；

2)当a≠c时：S_x＝dS_y ²+ec²+fS_y+gc+h；

d、e、f、g、h为拟合系数，通过最小二乘法拟合得到。

进一步地，实时获取激光发射器相对靶心左右偏移方向的方法是：

1)将激光光斑图像轮廓沿靶面水平方向上距离最左端0.5cm至最左端的部分进行截取，命名为图像特征轮廓I；

2)将激光光斑图像轮廓沿靶面水平方向上距离最右端0.5cm至最右端的部分进行截取，命名为图像特征轮廓II；

3)将图像特征轮廓I的两端点进行连线，形成封闭区域I；将图像特征轮廓II的两端点进行连线，形成封闭区域II；

4)对封闭区域I求解面积得到封闭区域面积I，对封闭区域II求解面积得到封闭区域面积II；

若封闭区域面积I>封闭区域面积II，则激光发射器偏离靶心向左。

若封闭区域面积I＝封闭区域面积II，则激光发射器正对靶心。

若封闭区域面积1<封闭区域面积II，则激光发射器偏离靶心向右。

还进一步地，判断所截取的图像特征轮廓I、II是否正确的方法如下：

①将图像特征轮廓I最左端的点取为点1，将距离图像特征轮廓I最左端向右0.3cm处的轮廓上的上、下两点取为点2和点3；

将图像特征轮廓II最右端的点取为点4，将距离图像特征轮廓II最右端向左0.3cm处的轮廓上的上、下两点取为点5和点6；

②连接点1和点2、点1和点3、点4和点5、点4和点6，形成线段1-2、1-3、4-5、4-6；

③做线段1-2、1-3、4-5、4-6各自的中垂线，分别记为直线1-2’、1-3’、4-5’、4-6’；

④设直线1-2’、1-3’的交点为点7，设直线4-5’、4-6’的交点为点8；

若点7与点8处于同一水平线上，则说明所截取的图像特征轮廓I、II是正确的；若点7与点8不处于同一水平线上，则说明所截取的图像特征轮廓I、II是不正确的。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明所述图像数字化仿真移动瞄靶训练是对射击人员的方位进行判断，由于激光发射器处于不同方位在靶板上所形成的激光光斑具有不同的特征，因此根据靶板上激光光斑的图像特征可以准确判断出激光发射器的具体方位，进而有利于统计射击人员的射击结果，为分析射击人员的射击特点提供有利数据。

附图说明

图1为本发明所述训练系统结构图。

图2为本发明所述激光发射器结构示意图。

图3为本发明所述靶面坐标系示意图。

图4为本发明所述垂直靶面坐标示意图。

图5为本发明所述激光光斑图像特征轮廓示意图。

图6为本发明所述图像特征轮廓I与图像特征轮廓II示意图。

图7为本发明所述封闭区域I与封闭区域II示意图。

图8为本发明所述在图像特征轮廓I与图像特征轮廓II上取点的示意图。

图9为本发明所述由点连接成线段的示意图。

图10为本发明所述各中垂线交点示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述，但本领域技术人员应该知道，该实施例和附图并不是对本发明技术方案的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

本发明提供一种图像数字化仿真移动瞄靶训练系统，用于实现仿真移动瞄靶训练及数据获取。如图1所示，该系统主要由激光发射单元1、视频采集单元2、信号通信单元3以及数据处理显示单元4组成。

所述激光发射单元1安装在枪械上，包括有振动检测模块11、行程开关12、控制模块13和激光发射器14。振动检测模块11和行程开关12分别通过控制模块13与激光发射器14信号连接，振动检测模块11和行程开关12用于检测枪械的触发状态，当振动检测模块11根据行程开关12检测到枪械被触发后，向控制模块3发送检测状态，通过控制模块3控制激光发射器4向视频采集单元2的靶板发射激光信号。

所述视频采集单元2由靶板21、高清摄像机22、图像处理器23以及信号传送模块24组成，高清摄像机22设置在靶板前方采集完整的靶板靶面图像，高清摄像机22与图像处理器23、信号传送模块24依次信号连接，图像处理器23接收高清摄像机22采集到的激光信号并处理获得激光中心点坐标信号后，通过信号传送模块24发送至信号通信单元3；

信号通信单元3选择有线或无线通信均可，一般选择无线通信，包括有信号接收模块31和信号输出模块32，信号接收模块31和信号输出模块32之间信号连接，信号接收模块31接收到视频采集单元2中信号传送模块24传送过来的激光图像信息后，经由信号输出模块32输出至数据处理显示单元4。

数据处理显示单元4是上位机，一般为远程处理器，包括有信号接收模块41、图像处理模块42、图像显示器43，信号接收模块41、图像处理器模块42、图像显示器43之间依次为信号连接。信号接收模块41接收来自于信号通信单元3中信号输出模块32发送来的信号，传送给图像处理器模块42，图像处理模块42进行图像处理，包括得到激光中心点位置，得到激光发射器至靶板的距离，得到模拟子弹的偏移量，最终将修正后的激光中心点坐标信号显示在显示屏上。

以上涉及的激光器件，图像采集器件，信号传输器件、图像处理器件不做特殊限定，只要能实现激光信号的传输以及图像特征的处理即可。

进一步地，靶板靶面上需预先画好靶环并定位好靶心。

进一步地，激光发射器14由灯罩14-1、激光光源14-2、电池舱14-3组成。灯罩14-1前端设有圆形开口，为激光发射出口，开口半径为r；激光光源14-2位于开口正后端且位于激光发射器轴线上，设激光光源发射的经过开口边缘的光线与激光发射器轴线的夹角为θ，即激光最大出射角。

基于上述图像数字化仿真瞄靶训练系统，本发明提供一种基于图像数字化的仿真移动瞄靶训练数据获取方法，主要包括三方面内容，一是获取激光发射器(即训练者)相对靶板的垂直距离，二是获取激光发射器相对靶心的左右偏移距离及偏移方向。通过激光光斑图像特征可以实时计算出移动训练者与靶板的距离，并通过该距离和激光中心点的位置为后续实弹训练计算弹道高，找取瞄准点提供数据依据。通过激光光斑图像特征以及移动训练者与靶板的距离，计算训练者相对靶心的偏移距离及偏移方向，可知训练者站在靶前方的具***置。由于训练者已基本掌握射击姿势，瞄靶高度偏差基本很小，所以本发明中关于激光偏移靶心上下的距离不做研究。

训练时，激光发射单元分别通过振动检测模块和行程开关检测枪机撞击是否产生振动，是否产生位移变化，当二者在0.05秒内均被触发时，激光发射器向靶面发射激光。判断方法如下：射击人员瞄准靶板并扣动扳机后，通过振动检测模块检测枪栓是否发生振动，行程开关检测枪栓的位移信号，进而确定射击条件是否成立，当振动检测模块和行程开关分别将枪管被枪机撞击振动信号和枪机位移信号在0.05s内均发送至控制模块时，此时，控制模块判断枪械已被触发，控制模块将控制信号发送至激光发射器，使激光发射器被触发，所述激光发射器被触发后向外发射激光信号。

视频采集单元通过高清摄像机采集激光信号，发送给图像处理器，图像处理器利用任何可行的图像处理方法(例如灰度值处理法)，对激光中心点坐标信号及激光光斑图像特征信号进行识别提取，得到高精度的激光光斑的中心点坐标及激光光斑图像特征；然后信号通信单元将激光中心点坐标信息及激光光斑图像特征信息传送至数据处理显示单元；数据处理显示单元进行处理并显示。

数据处理显示单元首先设定两个坐标系：

一是靶面坐标系：如图3所示，以靶面中心(即靶心)为坐标系原点，经过靶心沿靶面铅锤方向的直线称为Y_b轴，经过靶心沿靶面水平方向的直线称为X_b轴。

二是设定垂直靶面坐标系：如图4所示，以靶心为坐标系原点，通过靶心垂直于靶面的直线称为Y_a轴，经过靶心沿靶面水平方向的直线称为X_a轴(即X_a轴与X_b轴重合)。

(一)获取激光发射器与靶板的垂直距离。

基于激光光斑在靶面上留下的图像特征以及激光发射器的最大出射角，计算训练者与靶板在Y_a轴上的距离S_y(准确讲是激光光源至靶板的距离)，具体方法如下：

1)数据处理显示单元利用图形文件根据激光光斑轮廓获得激光光斑在靶面坐标系下沿铅垂方向(Y_b轴方向)的最大长度，记为a，沿水平方向(X_b轴方向)的最大长度记为c，如图5所示；

2)然后根据激光发射器自身的参数，通过下式计算得到激光发射器至靶板在垂直靶面坐标系下沿Y_a轴的距离S_y：

其中，a为激光光斑轮廓沿Y_b轴方向的最大长度；b为灯罩距离激光光源的距离；θ为激光最大出射角；k为修正系数，得出修正系数k的方法如下：使激光发射器轴线与Y_a轴重合，激光发射器距离靶面每增加50米远纪录一次激光光斑在铅锤方向上(Y_b轴上)的最大长度a，θ和b为定值，所以通过最小二乘法拟合出一条激光光斑在铅锤方向上的最大长度—距离函数，最后得出k。

(二)获取激光发射器相对靶心在水平方向上的左/右偏移距离。

射击训练者一般会处于一个距靶板一定距离(Y_a轴方向上，上述计算的S_y)、偏移靶心一定距离(在X_a轴方向上)的位置进行射击(因为实际不可能正好站在靶心正前方)。将激光发射器至靶板的距离S_y和激光光斑在水平方向上的最大长度c对应关系进行记录，形成数据库并拟合，可计算激光发射器相对靶心在X_a轴上的距离S_x：

1)当a＝c时：

S_x＝0；

因为在瞄准过程中，训练者如果正好站在了Y_a轴上，瞄准靶心就会出现一个相对圆的光斑(也就是说a＝c)。

2)当a≠c时：

S_x＝dS_y ²+ec²+fS_y+gc+h；

根据激光发射器至靶板在Y_a轴上的距离S_y及激光光斑在水平方向上的最大长度c，计算出S_x的值。式中，d、e、f、g、h为拟合系数，通过最小二乘法拟合得到：使射击训练者处于一个距靶板一定距离下(即S_y确定)，在X_a轴方向每偏离靶心25米的位置射击一次，记录S_x和最大长度c的对应关系，最终通过最小二乘法拟合获得拟合系数d、e、f、g、h。

(三)判断激光发射器相对靶心在水平方向上的左/右偏移方向。

当一束平行光从侧面照在靶面上时，所形成的激光光斑特征为一“水滴”形，通过这一特征，可判断出激光发射器相对靶心是“偏左”还是“偏右”。

具体判断过程如下：

1)将激光光斑图像通过图形文件打开，记录激光光斑图像轮廓，并获得激光光斑在靶面坐标系下沿铅垂方向的最大长度a、沿水平方向的最大长度c；

2)将激光光斑图像轮廓在靶面坐标系下沿水平方向上距离最左端0.5cm至最左端的部分激光光斑图像轮廓进行截取，命名为图像特征轮廓I；将激光光斑图像轮廓沿水平方向上距离最右端0.5cm至最右端的部分激光光斑图像轮廓进行截取，命名为图像特征轮廓II，如图6所示。

3)由于图像特征轮廓I与图像特征轮廓II是不封闭图形，将图像特征轮廓I中的线段两端进行连线，形成封闭区域I；将图像特征轮廓II中的线段两端进行连线，形成封闭区域II，如图7所示。

4)利用Matlab软件(其他可行软件也可以)对封闭区域I求解面积得到封闭区域面积I，对封闭区域II求解面积得到封闭区域面积II。

若封闭区域面积I>封闭区域面积II，则激光发射器位于Ya轴左侧(偏离靶心向左)。

若封闭区域面积I＝封闭区域面积II，则激光发射器位于Ya轴上(正对靶心)。

若封闭区域面积1<封闭区域面积II，则激光发射器位于Ya轴右侧。(偏离靶心向右)。

进一步地，可判断所截取的左、右激光光斑图像特征轮廓是否正确，方法如下：

①对图像特征轮廓I最左端的点取为点1，距离图像特征轮廓I最左端右侧0.3cm处图像特征轮廓I上、下进行取点，取为点2和点3。对图像特征轮廓II最右端的点取为点4，距离图像特征轮廓II最右端左侧0.3cm处图像特征轮廓II上、下进行取点，取为点5和点6，如图8所示。

②连接点1和点2、点1和点3、点4和点5、点4和点6，形成线段1-2、1-3、4-5、4-6，如图9所示。

③做线段1-2、1-3、4-5、4-6各自的中垂线，分别记为直线1-2’、1-3’、4-5’、4-6’，如图10所示。

④设直线1-2’、1-3’的交点为点7，设直线4-5’、4-6’的交点为点8。若点7与点8处于同一水平线上，则说明所截取的图像轮廓是正确的，上述步骤4)所判断的结果是有效的；若点7与点8不处于同一水平线上，则说明所截取的左或右图像轮廓是不正确的，上述步骤4)所判断的结果是无效的，需要重新判断。