一种可视化红外目标跟踪半实物仿真装置

技术领域

本发明涉及红外场景可视化模拟半实物仿真领域，尤其适用于红外目标跟踪半实物仿真领域。

背景技术

可视化红外目标跟踪半实物仿真装置通过进行红外场景图像演示，为红外目标捕获跟踪系统提供测试环境，在目标捕获跟踪系统的开发、测试和评估中起着非常重要的作用。传统红外目标跟踪半物理仿真系统采用模拟真实红外景象生成(包括直接红外辐射法与红外辐射调制等)，再使用外红探测器对其进行监测仿真实验，但该方法由于造价极其昂贵、生成的红外场景图像分辨率非常有限、人眼无法直观观察到场景真实景象等缺点，致使模拟真实仿真技术目前未能大范围应用。因此，研制出一种可视化红外目标跟踪半实物仿真装置，对于仿真实验系统的直观性、实用性等方面具有很大意义。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是建设一种可视化红外目标跟踪半实物仿真装置，系统按功能可划分为控制中心、视景模拟器、载荷模拟器和姿态模拟器四大部分。控制中心主要负责对相机采集的图像进行捕获跟踪算法处理，进行姿态模拟器的任务规划；视景模拟器负责红外灰度场景图像生成，并实现场景图像的可视化演示；载荷模拟器负责对场景图像进行采集和预处理，处理完成后发送给控制中心；姿态模拟器负责接收与执行控制中心发送的任务规划指令，并搭载载荷模拟器的灰度相机在不同工况下进行场景图像采集。

整个系统的工作流程为：首先由视景模拟器根据控制中心需求生成红外灰度场景图像并进行可视化呈现，接着由姿态模拟器搭载相机对场景图像进行采集，采集后由载荷模拟器对图像进行一定预处理后发送给控制中心，控制中心基于图像信息进行捕获跟踪算法处理后得出转台的任务规划指令，进而由转台带动相机实现目标物的持续跟踪。

为实现上述目的，本发明为一种可视化的红外灰度场景演示并进行目标跟踪的半物理仿真系统，包括：控制中心、视景模拟器、载荷模拟器、姿态模拟器，来实现红外目标跟踪半实物仿真任务。

控制中心为整个系统的“大脑”，是一个集成计算测试平台，其主要负责工作有：接收载荷模拟器输出的灰度图像数据，并对图像中的目标进行捕获跟踪算法处理；获取姿态模拟器的实时状态信息，向姿态模拟器发送任务规划指令；预留跟踪控制算法接口，对其开展验证。

视景模拟器负责进行红外灰度场景图像的生成与可视化演示，主要由图像生成器、投影融合服务器、激光投影机、投影球幕组成。图像生成器根据系统仿真采用的辅助数据进行红外灰度场景生成；投影融合服务器负责接收图像生成器生成的场景图像并进行融合拼接处理，处理后由单台或多台激光投影机进行图像投影显示；投影屏幕采用球状屏幕，可使目标背景图像到观测系统视点光程相等且始终保持同视点光轴垂直，从而保持较好的载荷相机成像质量。视景模拟器可根据不同分辨率大小的场景图像按不同方式进行模拟，当场景图像较小时，此时选用单台激光投影机便可完成视景模拟；当场景图像适中，单台投影机无法满足分辨率要求时，采用投影融合服务器与多台激光投影机可满足视景要求；当场景图像较大导致投影球幕无法满足容纳较大分辨率图像时，采用投影融合服务器、多台激光投影机和采用场景图像缩比映射设计，场景图像画幅采用1:1投影，但目标所在背景按缩比大小处于实时随动状态，按此方式，球幕场景图像理论可呈现任意分辨率大小的空间背景图像。

载荷模拟器主要由灰度相机、载荷图像处理服务器、显示设备组成。灰度相机选用高量化位数的工业相机，保证了灰度图像的采样质量；载荷图像处理服务器负责对灰度相机采样的图像进行一定的预处理(尺度变换、畸变校正等)，以保证控制中心对图像中目标物的捕获跟踪精度；显示设备可用于实时显示图像预处理后的目标图像，便于实验人员观察，提高了半物理仿真系统的可视化性能。载荷模拟器工作流程为：首先由灰度相机对视景模拟器呈现的场景图像进行采集，采集后发送给载荷图像处理服务器进行预处理，并使用显示设备实时显示预处理结果，最后将预处理图像数据发送给控制中心。

姿态模拟器主要由振动试验台和二轴转台组成，可用于进行不同工况下的红外目标跟踪半实物仿真实验。振动试验台用于模拟二轴转台和载荷相机在不同振动环境下的拍摄试验；二轴转台具有高频响、大负载的特性，转台被装载于振动试验台之上，负责向控制中心上传状态信息并接受控制中心发送的任务规划指令，搭载载荷相机完成相机视场的变化，转台上设计有相机室机构，便于载荷相机的安装放置，相机室四周设计有四枚激光发射器，其光点指定范围略大于相机视场，用于指示相机的视场范围与反映目标物的捕获跟踪过程，提高了系统的可视化性能。载荷模拟器工作流程为：由振动试验台搭载二轴转台，二轴转台搭载载荷相机进行场景图像采集，二轴转台与控制中心进行实时通讯，上传转台的状态信息及接收控制中心发出的任务规划指令，从而实现目标物的捕获与持续跟踪。

综上所述，红外目标跟踪半物理仿真系统由四大分系统组成，各分系统间彼此紧密配合，各自负责不同任务，能可视化地进行多种工况下的红外目标跟踪半实物仿真实验。

优选地，本半实物仿真系统可根据不同工况选用不同的可视化视景模拟器场景演示方案，保证了仿真任务中目标物及目标所在空间背景的可视化呈现。

优选地，场景图像投影采用缩比映射设计，保持画幅比例不变，按照缩比大小使目标所在背景处于实时随动状态，使系统理论上可模拟任意分辨率大小的空间背景图像。

优选地，在场景生成中采用球幕投影，可使目标背景图像到观测系统视点光程相等且始终保持同视点光轴垂直，从而保持较好的载荷相机成像质量。

优选地，场景图像呈现采用投影融合方式，将一副高分辨率、大视场角的图像首先采用投影融合服务器进行剪裁分割、融合拼接后，再经多台激光投影机投射在球幕上。

优选地，为保证控制中心能更精准的捕获跟踪红外目标，设计有图像预处理服务器，首先对相机采样原图进行尺度变换、畸变校正后再发送给控制中心进行跟踪算法处理。

优选地，姿态模拟器的转台相机室的四角位置装有激光发射器，可直观地反映出载荷相机的图像采样动态过程，提高半实物仿真系统的可视化性能。

优选地，姿态模拟器的转台具有高频响、大负载等特性，其被装载至振动试验台上，使姿态模拟器可进行不同工况下的红外目标跟踪半实物仿真实验。

本发明是一种可视化红外目标跟踪半实物仿真装置，具有可视化性能好、场景图像分辨率高、实验范围广、图像采样畸变小、系统安全性高、使用寿命久等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明进行说明。其中：

图1是根据本发明一个实施方式的系统工作原理示意图；

图2是根据本发明一个实施方式的系统分布三维示意图；

图3是根据本发明一个实施方式的场景图像缩比映射原理示意图。

具体实施方式

下文将结合附图详细说明本发明的具体实施方式。应当理解，下面说明的实施方式仅仅是示例性的，而非限制性。

如图1所示，可视化红外目标跟踪半实物仿真装置包括：控制中心10、视景模拟器3、载荷模拟器7和姿态模拟器11。其中控制中心10是一个集成计算试验平台；视景模拟器3由图像生成器5、图像投影融合服务器4、激光投影机2和投影球幕1组成；载荷模拟器7由载荷图像处理服务器6和工业相机8组成；姿态模拟器11由二轴转台9和振动试验台12组成。系统工作流程为：首先由视景模拟器3的图像生成器5进行场景图像生成，再将生成的图像经单台或多台(需投影融合服务器4)激光投影机2投射在一张投影球幕1上，从而实现红外场景图像的可视化演示；载荷模拟器7的工业相机8装置于姿态模拟器11的二轴转台9上用于进行场景图像采集，采集后首先对相机原图像经过载荷图像处理服务器6进行一定的预处理，再将预处理后的载荷图片发送给控制中心；姿态模拟器11的二轴转台9被装载于振动试验台12上，用于演示转台搭载相机在不同振动工况下进行目标跟踪拍摄任务。

如图2所示，表示系统分布三维示意图，其中视景模拟器3的单台或多台激光投影机2采用吊装的形式进行投影；载荷模拟器7的工业相机8位于投影球幕1的球心位置，保证了屏幕任意区域到达相机像平面的光程相等，从而减少成像畸变；工业相机8被安装于二轴转台9设计的相机室内，由转台带动相机进行方位、俯仰运动从而实现相机视场的变化，二轴转台9被装载于振动试验台12上，用于演示转台搭载相机在不同振动工况下进行目标跟踪拍摄任务。其他设备如控制中心服务器、投影融合服务器、图像生成服务器等位于实验室服务器机柜内，统一进行供电与管理。

如图3所示，场景图像缩比映射原理示意图包括：移动后虚拟目标拍摄区域13、移动后真实目标拍摄区域14、目标物15、初始目标拍摄区域16、初始相机视场区域17、球幕场景图像18、全幅大图19、工业相机8、二轴转台9和振动试验台12。为呈现高分辨率、大视场角的场景图像，系统采用缩比映射设计，例如当缩比为8时，若实际红外相机旋转范围为方位向±α°、俯仰向±β°，经缩比后，球幕场景图像18只需满足工业相机8方位向±α/8°、俯仰向±β/8°的旋转范围，即可满足拍摄要求。视景生成过程中，虽然二轴转台9旋转角缩小，但为了保证相机拍摄质量，全幅大图19的图像并不能直接压缩8倍，而是采用全幅大图19保持原画幅，并使目标物15所在的背景图像处于实时随动状态的方法。若以目标方位向移动过程为研究对象，以全幅大图19背景为参考系，当目标物15由初始目标拍摄区域16向中右侧移动8a°时，相机实际拍摄场景应是移动后虚拟目标拍摄区域13，但是由于采用缩比映射方式，球幕中的图像背景会实时发生位移，因此，此时目标物15与所在的图像背景已从移动后虚拟目标拍摄区域13位移到移动后真实目标拍摄区域14。因而若以转台为参考系，目标仅在图中向右侧移动了a°，转台只需要方位轴向右旋转a°，便可对目标及目标所在背景区域进行拍摄。按此方式，该半实物仿真系统可设置不同缩比来模拟任意分辨率大小的空间背景图像。

基于该公开，在图示和说明特征的配置和操作序列中的许多变形例对于本领域技术人员而言是明显的。因而，应当领略的是，在不偏离权利要求主题的精神和范畴的情况下，可以对本专利做出各种改变。