基于Raspberry Pi的模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高冰鈺 王洪源

摘? ?要：采用Unity3D開發(fā)引擎搭建了一個(gè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)場景，利用高斯拉普拉斯（Laplace of Gaussian，LoG）算子檢測定位技術(shù)，檢測射擊屏幕上激光光斑信號并確定光斑的位置，以Raspberry Pi作為主處理器，Raspberry Pi攝像機(jī)確定射擊目標(biāo)和激光光斑上圖像，使用Open CV在嵌入式系統(tǒng)上執(zhí)行圖像處理任務(wù)，將識(shí)別的位置坐標(biāo)信息通過socket無線網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)送到模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，與平臺(tái)對接實(shí)現(xiàn)信息交互， 將場景邏輯與模擬訓(xùn)練的概念結(jié)合。結(jié)果表明，激光射擊位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳遞到3D模擬場景中，可以有效對真實(shí)射擊環(huán)境進(jìn)行仿真。

關(guān)鍵詞：模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)? Raspberry Pi? 激光光斑Unity3D

中圖分類號：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（c）-0010-02

激光技術(shù)在日常軍事訓(xùn)練中得到越來越廣泛的應(yīng)用，常見的就是激光模擬射擊技術(shù)[1]。本射擊模擬系統(tǒng)采用Unity3D開發(fā)引擎搭建了一個(gè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)場景，由多媒體大屏幕顯示，射擊者向目標(biāo)屏幕發(fā)射激光束，Raspberry Pi攝像機(jī)在捕獲激光光斑后圖像后，在嵌入式系統(tǒng)上對圖像進(jìn)行預(yù)處理、濾除噪噪聲和圖像校正等操作，再采用高斯拉普拉斯定位算法檢測激光圖像光斑中心。同時(shí)通過無線協(xié)議將彈著點(diǎn)信息實(shí)時(shí)發(fā)送至模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中顯示。該系統(tǒng)采用激光模擬射擊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了槍靶的完全分離，體積小、重量輕，不僅方便準(zhǔn)確而且造價(jià)低，更適用于日常軍事訓(xùn)練。

1? 激光模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)是主要由射擊目標(biāo)模塊、武器系統(tǒng)攝像頭模塊、計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)模塊、無線模塊等部分組成。圖1說明了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。射擊目標(biāo)模塊由一個(gè)目標(biāo)屏幕組成，圖像是由LCD投影儀投射在上面的。武器系統(tǒng)攝像頭模塊由五個(gè)部件組成， 即單板計(jì)算機(jī)系統(tǒng)裝備的槍 （人造槍）、Raspberry Pi攝像頭、激光指示器、無線模塊和電池。計(jì)算機(jī)顯示器模塊是用來監(jiān)視和計(jì)算射擊位置的個(gè)人計(jì)算機(jī)顯示器。無線模塊為武器系統(tǒng)攝像頭模塊與計(jì)算機(jī)顯示器系統(tǒng)之間提供無線通信。

當(dāng)槍手把槍對準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)， 槍上安裝的樹莓派攝像頭開始捕捉射擊目標(biāo)圖像。一旦開槍射擊， 激光光束從槍發(fā)射到目標(biāo)。所捕獲的圖像由單板計(jì)算機(jī)處理， 然后將檢測到的目標(biāo)坐標(biāo)無線發(fā)送到計(jì)算機(jī)。

個(gè)人計(jì)算機(jī)通過采用單應(yīng)矩陣變換法對攝像機(jī)坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把物體從成像平面到三維世界各坐標(biāo)點(diǎn)的關(guān)系一一對應(yīng)起來，從而定位激光命中點(diǎn)。

2? 算法實(shí)驗(yàn)及Unity3D接口測試公式（1）、公式（2）是利用高斯拉普拉斯算子來檢測激光射擊點(diǎn)位置。

微分運(yùn)算對圖像的噪聲十分敏感，是一個(gè)線性操作，因此要對圖像進(jìn)行高斯平滑濾波，再使用Laplace算子進(jìn)行邊緣檢測，來消除噪聲的影響[3]。由于高斯函數(shù)是圓對稱的，因此LoG算子可以有效地實(shí)現(xiàn)極值點(diǎn)或局部極值區(qū)域的檢測。

在實(shí)際對激光斑點(diǎn)檢測時(shí)，使用白色背景作為檢測對象來進(jìn)行試驗(yàn)，將4個(gè)圓形反光紙粘貼在4個(gè)角作為標(biāo)志點(diǎn)。激光射向標(biāo)志點(diǎn)區(qū)域內(nèi)時(shí)可檢測到坐標(biāo)位置，射擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

3? 結(jié)語

本文在Unity3D中設(shè)計(jì)一個(gè)目標(biāo)檢測定位界面，當(dāng)有激光射向目標(biāo)區(qū)域時(shí)，程序可以檢測到激光點(diǎn)所在的具體位置，并以坐標(biāo)的形式給出。測試表明，基于Raspberry Pi的模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)能有效地檢測出相機(jī)與激光指針之間微小位移的射擊目標(biāo)和激光光斑，且成功率高、目標(biāo)檢測誤差小，大部分激光點(diǎn)定位準(zhǔn)確。系統(tǒng)可供部隊(duì)人員日常訓(xùn)練使用，能夠提高綜合訓(xùn)練效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 張希首.淺析激光模擬射擊技術(shù)在軍事訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].才智，2018（18）：221-222.

[2] 王施陽，王洪源.基于Arduino接口的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018（8）：161-162.

[3] 王洪源.Unity3D人工智能編程精粹[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.