来源：第三维度
    作者：于 洋,李 丹
    单位：中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所

    摘要：针对光电设备在部队日常训练中缺乏合作目标的问题,提出了一种基于计算机处理的虚拟跟踪图像生成算法,该算法根据目标的理论弹道､目标类型､目标特征参数及目标的三视图,结合光电设备转台位置信息生成虚拟目标跟踪图像.该算法有效解决了在部队的日常训练中无合作目标的问题,在生成虚拟图像后,可让操作人员根据虚拟跟踪图像对设备进行操作,完成日常训练.同时,在算法的研究过程中充分考虑处理耗时,在经过算法优化后,虚拟跟踪图像生成算法的耗时在5~6ms左右,针对标准PAL制式的模拟图像25Hz的周期,可完成对虚拟跟踪图像的生成.对虚拟图像进行判读,计算虚拟图像的目标位置精度为1″左右,满足部队日常训练使用要求。

    1 引 言

    在部队的日常训练中,光电设备往往由于缺乏合作目标,对操作人员训练往往只能停留在理论层次上,无法完成设备工作过程中对设备使用的训练要求,而模拟作战使用过程中最大的难点便是光电设备目标跟踪图像的模拟,在以往有些光电设备中,往往采用图像注入的方法来虚拟跟踪图像[1G4],但图像注入存在以下几个缺点:

    (1) 硬件复杂度高.图像注入往往采用嵌入式系统生成虚拟跟踪图像,在模拟训练中,接收跟踪探测器采集到的图像,根据光电设备转台的位置在图像中相应位置加入虚拟目标,并将迭加目标后的图像输出至监视系统。

    (2) 图像仿真度较差.在利用注入式系统虚拟跟踪图像时,受注入式系统硬件资源的限制,往往只能模拟点目标,无法真实地模拟目标的姿态及外形,这便使操作人员对跟踪过程中的目标观察不够直观。

    针对以上两种情况,在本文中采用计算机生成虚拟跟踪目标,相比于以往的嵌入式图像注入系统,利用计算机模拟跟踪图像具有较大的优势,主要表现在:

    (1) 在光电设备中,往往采用计算机对跟踪图像进行记录或显示,利用计算机对跟踪图像进行模拟时,无需添加额外的硬件设备,只需在相应的图像采集软件中增加相应的图像处理算法即可。

    (2) 计算机具有较大的存储空间,可以存储大量目标的参数及形态信息,在利用计算机模拟跟踪图像时,可以通过相应的算法生成具有目标形态的虚拟目标,使虚拟跟踪图像更为真实。

    但利用计算机生成虚拟跟踪图像的最大的问题便是处理耗时,计算机的处理速度往往不如嵌入式系统快,其处理图像的耗时相对较大,本文通过相应的算法优化,将处理延时控制在图像的采用周期内,保证图像处理过程不影响图像的采集。

    2 虚拟目标三维投影变换算法

    在利用计算机生成虚拟目标时,以往采用的方法 是利用一些 仿真软件对 虚拟目标进 行生成[5G7],但利用第三方软件生成虚拟图像时运算量很大,往往无法实时生成虚拟目标的要求,因此在本文中,根据目标的旋转角度,将目标的三视图通过一定的坐标变换,计算三视图上的像素点投影到三维图形中的相应位置,再将三维图形投影到平面上,使虚拟目标看起来具有立体效果,该方法具有运算量少,实时性好的优点.这里选用 F35飞机的模型的三视图,如图1所示。

图1 目标三视图

    在利用目标的三视图数据生成三维图像时,首先应计算相应的旋转矩阵,设目标绕 X 轴､Y轴､Z 轴 旋 转 的 角 度 分 别 为θX､θY､θZ,如 图 2所示。

图2 坐标旋转变换示意图

    则对应的3个坐标轴的旋转矩阵分别为:

    设目标模型三视图中对应图像的大小分别为:W1×H1,W2×H2,W3×H3,则由对应的比例关系可知:

    WW､HW､HH 为引进的变量.首先计算三维图形的中心,由坐标变换可得:

    则图像中心在二维平面上的投影坐标为:

    则其他各点对应三维图形的坐标为:

    式中:XWW､YHW､ZHH分别为目标三视图中的对应点,则三维图像在二维平面上的投影坐标为:

    式中:W3d､H3d为生成三维图像的大小,考虑到当图像旋转时,图像的尺寸会增加,因此将存放生成的三维图像的缓存开的大一些,以防止在存放生成三维图像时缓存溢出,这里选取   

    则虚拟目标三维投影变换算法对目标的三视图进行变换,选取适当的旋转角度,生成的图像如图3所示。

图3 虚拟目标三维投影图

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