1、第 1 页 共 47 页射击训练模拟系统的研究与设计摘要射击运动作为一项有益于身心健康的体育运动越来越被人们所喜爱，但受场地、天气等因素的限制，不易被普及推广。本文设计了一种用于室内可随时随地安装的“模拟射击训练系统” ，它是一套集多媒体仿真、数据采集、图像处理等技术于一体的高科技模拟仿真训练系统。系统的整套设备重量轻，便于安装、携带，并且使用安全，费用低，可大大促进射击运动的推广。本文介绍了“模拟射击训练系统”的设计实现方案。对其中的关键技术如计算机动画、资料片编辑、视频捕获、坐标标定等的原理和实现进行了详细的阐述。目前，系统己经完成，系统各个模块具有很好的独立性、通用性和可扩展性，都发挥了
2、预定的作用，整体系统运作正常。从效果上看，完全符合预定的要求，可以达到射击训练的目的。关键词: 多媒体仿真，图象处理，计算机动画，视频采集第 2 页 共 47 页Shooting Training Simulation System DesignAbstractShooting is a sport that benefits to health, and more and more people favor it now. Confined by the room and wealther,this game is not easy to be popularized. This paper
3、 designs a “Simulative shooting training system” which can be installed at anytime and at anywhere in doors.It is a high-tech system including several techniques,such as multimedia simulation, data collection, image processing. The devices used in this system are light in weight, and easy to be inst
4、alled and carried. Further more the system is low cost and safe to use. It can greatly promote the popularization of shooting.This paper presents a design and implementation of shooting system in details, and realizations of key techniques, such as computer animation, scenarios editing, video captur
5、ing, and coordinate calibration. So far, the system has been completed improved. Each module of the system has been well designed for independence, universality, expansibility and availablity. In effect, it has fulfilled the desired requirement, and achieved the aim of shooting training.Keyword: mul
6、timedia simulation image processing computer animation video capturing第 3 页 共 47 页1 绪论1.1 研究的背景、目的及意义军事射击训练是军队日常训练中的一个非常重要的环节，严格而又规范的军事训练是打赢高科技局部战争的必要条件，也关系到国家的国泰民安，所以寻找一种高效的训练方法是非常必要的。打靶训练是部队训练中的一项必要的训练项目，而我国的训练体系是以实弹训练为主，往往由于费用开支大而限制了训练强度，而且在管理上也有较大的难度。如果能设计出一套模拟打靶系统，使之既能保证部队训练强度又能减少弹药消耗，激光打靶是一种较为
7、可行的方法，因为实弹射击训练虽然真实，但耗弹药量大，又存在一定危险，而用准直的激光束代替枪炮的轴线和实弹，瞄准和射击靶，不但能有效地提高人员的打靶水平，还可以大大节约弹药。射击训练的目的，不外是使士兵能用精确的方法熟练操纵武器和训练士兵在战斗中准确地对靶瞄准和射击。随着激光技术的不断发展，将激光应用在模拟训练中成为一个最为常用的方法，因为和实弹相比，激光弹有着它特有的优点，比如它可以使得训练更加简练，武器装备的开支也会相对减少，训练效果也具备明显的精确度。利用模拟实弹激光打靶训练器还可以解决射击场地保障困难，阴雨天难以展开实弹射击以及射击状况的实时显示等问题。科技强军，以人为本，模拟实弹激光打
8、靶训练的射击和实现，对国防建设现代化，军事训练智能化、提高部队整体素质以及节约国防开支都具有重要意义。“模拟射击训练系统”是一套集计算机多媒体、模式识别、人工智能、数据采集处理等技术于一体的高科技模拟仿真射击训练系统。它具有整体重量轻，便于携带、安装操作简便，基本不受光线、操作场所(室内和室外)条件限制，趣味性高等特点，它能对射击训练项目和训练者的训练情况进行有效地分析和统计处理，是一种安全性高、训练费用低、可靠性好、实用性强的训练器材。使用模拟射击这种训练方法，可在大大提高部队及公安人员的射击训练水平和射击应变能力的同时节省大量的训练弹药经费。同时，由于其安全性、趣味性，也成为人民群众的一种
9、休闲娱乐活动，更加有利于普及。第 4 页 共 47 页1.2 射击训练模拟系统在国内外的发展现状伴随着激光技术的发展，模拟作战技术找世界领域得到了飞速的发展，相继出现了很多激光模拟训练系统。国内目前开发比较成功的厂家有北京同构高技术有限公司的“同构室内射击训练系统” ，成都华好网景科技有限公司研制的“好枪射击训练系统” 。这两套系统的功能有:自动计分;自动奖励;训练难度可选;提供全真声、光、电音响，可播放背景音乐或模拟各种枪支的枪声;提供丰富的射击训练资料片:固定胸环靶、移动胸环靶、奔跑跳跃的野生动物。这两套系统，尤其是同构公司的系统，射击资料片非常丰富。它们是由计算机编辑的动画，模拟了射击场
10、和在自然中狩猎的情景。背景是固定的森林、草地、山野、晴空、深海、雪原等风景，前景是作为射击目标运动着的动物或飞行物，效果逼真。国外也有相关产品，如德国 SECOTRON 公司的“交互式视像射击训练系统” 。它的特征是:可用于实弹射击以及激光射击;用户可以自己创建、获取、编辑和撰写视像脚本，无需附设部件:系统支持连体射击和指导分步射击;带反应时间的问讯功能。还有AIS 公司，它是一家全球公司，专门开发模拟训练各种情况下人们求生能力的系统，其中包括射击训练系统。国外的军事届人士认为，这种新型的部队模拟训练系统，是部队训练器材和训练样式的一次革命，是和平时期部队训练的有效手段之一。因此，国外一些发达
11、国家，如美国、俄罗斯、英国、德国、瑞士等都在进行自动步枪激光射击模拟训练器材的研制，并已开发出多种系列产品，特别是美国的“米勒斯”系列可模拟 36 种武器，性能好、精确而且逼真，大大推动了部队的训练工作。美军 70 年代就研制出了基本激光军训系统，它是一种多元一体化激光交战系统（MILES）,利用装在来复枪、坦克、直升机或其他武器平台上的激光器模拟子弹、炮弹，利用传感器进行接收和处理，模拟效果逼真，安全可靠。80 年代末发展为 MILESII.当 MILESII 与模拟区域武器效应（SAWE）系统一起使用时，直接开火和间接开火结合可进一步扩展模拟的范围。MILESII/SAWE 还可以通过全球
12、定位系统（GPS）把所有士兵、车辆和武器连在一起，模拟诸如大炮、化学制品和地雷等区域武器的效应。俄罗斯最近推出了一种最新型的激光模拟射击装置，这种 838型射击和杀伤激光模拟器主要供排级部队使用，是俄罗斯仪表制造业的最新研制第 5 页 共 47 页成果。同时还推出了卡拉什尼科夫系列冲锋枪和机枪（HC1 型） 、CBD 狙击步枪（HC5 型） RPG 系列便携式火箭筒(HC8、9 型) 、 “混血儿”反坦克导弹系统（HC10 型）等武器装备激光射击模拟器。新型激光射击模拟器的使用能够帮助陆军步兵部队和特种部队找较短时间内解决高质量、高效率射击训练和战术培训任务，保障战术训练效率提高 15-20%
13、，能够保障使用激光束完全模拟射击情况，创造最大程度上接近实战的训练环境，可在各种演习中得到广泛使用。此外，在模拟打靶系统领域还出现了一种以虚拟现实技术为基础的训练模拟技术，与激光模拟技术一起，为军事走向高科技道路开辟了新的天地。1.3 模拟射击训练系统整体构架本文的模拟射击训练系统主要由以下的部分组成:计算机、激光投影仪、摄像头、屏幕、激光器、音箱、射击训练系统软件等。具体组织结构如图 1.1 所示。前台设备有屏幕和激光器，提供给用户直接使用。激光器用来模仿枪支，它射出的激光束可以模仿子弹。后台设备有:计算机、投影仪、摄像头、音箱，它们是支持系统运行的部分。计算机作为控制台，运行模拟射击训练系
14、统软件;投影仪和摄像头分别悬挂在室内的房顶上。图 1.1 模拟射击训练系统组织结构图第 6 页 共 47 页系统的工作原理是:首先，计算机编辑资料片并通过激光投影仪投放到大屏幕上，形成各种模拟射击训练场景，包括在大自然中或飞或跑的各种动物、随风飘动的气球、呼啸而过的飞机、在人群中活动的歹徒，还有移动胸靶，飞碟靶等等;然后参加射击训练人员瞄准屏幕上的目标，用激光器进行射击，射击的瞬间激光束在屏幕上形成亮度很高的亮点;同时，摄像头将屏幕放映的内容连同光点采集回来送给计算机处理;下一步，计算机在采集的图象中，识别光点，进行判靶及击中处理，当判断出目标被击中时，屏幕上的射击对象立即作出反应，或是应声倒
15、地，或是垂直击落，或是爆炸消失。最后给出成绩，包括射击得分，射击时间等等。音箱用于播放背景音乐，以及模拟枪击声、爆炸声。应强调的是，系统首次安装或位置发生改变后，要进行图象坐标标定。以上步骤均由计算机上运行的模拟射击训练系统软件控制完成，本系统的成功也主要依赖于该软件的正确运行，同时对外界照明环境也有一定的要求。1.4 本文各章的内容具体安排如下:第一章:说明了开发模拟射击训练系统的目的及意义，简要介绍了系统总体架构。第二章:介绍模拟射击训练系统的设计总体思想，提出了模块化实现方法，两线程之间同步问题的改进。然后分别介绍系统各组成部分的功能及效果。第三章:介绍资料片的编辑制作过程。详细探讨了计
16、算机动画的实现过程，以及如何应用到本系统中编辑资料片，在原基础上增强逼真性、趣味性，最后阐述了实战资料片的编辑。第四章:介绍图象采集过程。图象采集主要是使用 USB 接口采集图象的编程方法，图像处理则主要采用了光的检测及改进了的光点搜索算法。第五章：介绍系统中其它必要的技术，包括坐标标定，播放声音文件。第 7 页 共 47 页2 模拟射击训练系统的总体设计模拟射击训练的研制，完全遵循多媒体仿真的方法。多媒体仿真是一种桌面型、低价位的虚拟仿真。本章首先讲述多媒体仿真的特性、研究方法，然后讲述按照多媒体仿真方法实现模拟射击训练系统的总体设计，最后分别阐述各个子系统的功能结构。2.1 多媒体仿真技术
17、简介多媒体仿真是使人的感官和思维进入仿真回路的一种手段。它采用不同媒体形态描述不同性质的模型信息，建立反映系统内在运动规律和外在表现形式的多媒体仿真模型，并在多媒体计算机上运行，产生定性、定量相结合的系统动态演变过程，从而获得关于系统的感性和理性认识。2.1.1 多媒体仿真的研究方法多媒体仿真遵循建模一仿真一表现(MSP)一体化的方法论。基于对实际系统中形形色色事物及其变化规律的观察和认识，在仿真模型中自然地刻画了实体模型的属性和行为。仿真模型中既描述了实体的各种属性和系统变化的数学/逻辑规律(数学超辑模型，MLM)，也描述了仿真借以执行的事件状态影响链路 (仿真执行模型，SEM )，还描述了
18、系统状态变化时伴随发生的感官体验及仿真过程中的人机交互响应关系(表现与交互模型，PIM)，也就是说，该多媒体仿真模型是MLM、 SEM 和 PIM 三位一体的。建模环境支持用户建立系统的仿真模型，仿真器根据仿真策略及包含在仿真模型中的 SEM 和 MLM，推进仿真模型的运行并产生模型的动态行为，多媒体表现服务器根据仿真模型中的 PIM 实时完成实体行为的多媒体表现。该仿真模型的特点具体概括为如下三个面向:(1)面向对象仿真模型由模型组分及组分之间的关系组成。组分用多媒体仿真对象表示，对象与现实世界中的实体相对应;组分之间的相互作用关系用消息事件来实现，组分之间的层次结构关系用组合多媒体仿真对象
19、来描述。对象既是系统分析的基本概念单位，也是系统设计的基本模型单位，还是仿真程序的基本编程单位。对象中封装了关于该对象的所有属性定义和操作，对象的状态变化由内部或外部事件来激发。第 8 页 共 47 页(2)面向媒体表征实体外表和声音的多媒体特征，像表征实体特性的定量化参数和状态数据一样，是现实世界实体属性的组成部分。现实生活中，实体外在的多媒体特征，是人类借以了解和认识自然的一种有效途径;人们用模型描述实际系统的属性和动态行为时，不应使现实对象所富有的、有声有色的多种媒体特征在抽象数据的海洋中销声匿迹，从而失去表达和认识客观现象的一种最直接、最简捷、最具普遍性的手段。多媒体仿真先进的建模思想
20、和建模手段，就是要让这一想法变为现实。比如，在我们所研制的这个系统中，不仅需要射击目标的外形、尺寸、位置、运动速度、方向等状态变量，还需要定义目标的二三维模型、正常状态下和射中后发出不同的声音等多媒体属性。(3)面向自治该仿真模型中还要封装对象的事件状态链路操作 SEM。SEM 是对象状态计算方法的描述，仿真系统只要给出当前的仿真时间，就可由对象的 SEM 计算出该对象的当前状态值。任何改变对象状态的触发事件无论是外部的还是内部的，都要由封装在对象内部的 SEM 来处理并实行相应的状态转移;环境、控制机构及任何其它对象，都无法改变某一对象的状态。这一性质称为自治机制。2.1.2 多媒体仿真的自
21、身特点虽然多媒体仿真要用到多媒体技术，但它不是仿真技术与多媒体技术的简单结合。多媒体仿真研究方法有其自身的特点:(l)对象模型属性的多媒体化。建模者在对实体对象的量化属性(参数和状态)进行定义和描述时，还要对其多媒体属性进行定义和描述。(2)仿真模型的二重性。多媒体仿真模型具有系统模型和表现模型的二重性，仿真运行时它将分别生成由实体的状态、事件、活动、进程组成的抽象空间和由文本、图形、影像、声音组成的多媒体形象空间。通俗地说，多媒体仿真模型既是产生仿真数据的计算模型，又是进行仿真动态结果多媒体演示的表现模型。(3)抽象时空与形象时空的一致性。多媒体仿真中的抽象时空和形象时空具有一一对应的映射关
22、系。也就是说，参与仿真的人员不必对抽象的数学/逻辑模型有太多的了解，即可从形象、生动的仿真演示中得到对仿真结果的充分认识，并可对仿真模型的某些方面进行干预。第 9 页 共 47 页(4)人的感官和思维活动进入仿真回路中。用户可在形象时空中获得生动的感官体验，或者说人的感官和思维活动进入了仿真回路。2.2 系统的整体设计模拟射击训练的研制遵循多媒体仿真中建模、仿真、表现（MSP)一体化的方论，使用了许多流行的多媒体仿真技术，如基于真实场景图片的实时处理及平滑动画生成、光点识别及实时图象捕捉等，采用了面向对象的层次结构，其中的射击目标和背景画面都被处理为对象，将射击目标的运动和背景画面的生成和切换
23、都封装在相应的对象中。2.2.1 系统软件的总体流程系统软件的总体程序流程如图 2.1 所示。系统运作的开始，有一个初始化的过程，其中包括获取标定参数，取得上次正常运行记录，用户设定队列及名字，创建属性表等等。接着进入程序的主界面部分，在取得用户的开始要求后，同时启动采集线程以及播放线程，隐藏主界面，显示模拟射击训练场景。当接收到退出命令时，结束采集线程和播放线程，回到原来的主界面。此时若再接收到退出命令，则退出整个程序，否则，用户可以另选场景，继续进行模拟射击训练第 10 页 共 47 页图 2.1 模拟射击训练系统软件总体流程图需要说明的是，系统首次安装或位置发生改变后，要进行图象坐标标定。此过程同样需要启动采集线程以及播放线程，通过处理采集图象，得到投影屏幕与计算机内部图象之间点的对应关系。标定完毕后，即可进行模拟射击训练。否则，若得不到标定参数，程序将会弹出对话框，提示用户进行标定。是否设备安装及定标开始启动资料片播放线程 启动图像采集线程等待获取事件 采集一帧图像图像处理为击中事件？是否有光点？计算光点位置判靶击中处理播放资料片切换资料片控制线程等待接收IO 事件退出？结束采集线程结束播放线程结束否否是是结束发送击中事件
