[发明专利]一种图像导引头用目标及场景实时动态生成系统与方法

权利要求书

1.一种图像导引头用目标及场景实时动态生成系统，其特征在于，包括图像仿真机和可见光目标模拟器，其中图像仿真机包括数据通信模块、数据解算模块和图像仿真模块，可见光目标模拟器包括主控计算机、三轴模拟转台和光学投影装置；

所述数据通信模块，实时解析主控计算机传送来的数据包，包括数据帧头、时间信息、导弹位置坐标和姿态参数以及数据帧尾，并将得到的时间和导弹运动参数传送给数据解算模块；

所述数据解算模块，将数据通信模块传递过来的时间和导弹运动参数，经过坐标投影变换为目标相对导弹导引头的运动参数，计算目标在投影幕布上的弹-目相对运动的视景信息，并将弹-目相对运动视景信息传递给图像仿真模块；

所述图像仿真模块，根据数据解算模块得到的弹-目相对运动视景信息，进行对弹-目相对运动视景信息的二维投影绘制，从而得到图像仿真结果，并将仿真得到的图像数据传送至光学投影装置；

所述光学投影装置由投影仪和投影幕布组成，通过HDMI接口接收图像仿真机生成的图像数据，并实时显示目标-背景的模拟图像；

所述主控计算机，用于进行导弹动力学和运动学方程的实时解算，将时间信息和解算得到的导弹姿态参数发送至三轴模拟转台，并将时间信息和解算得到的导弹坐标参数与姿态参数发送至图像仿真机的数据通信模块；

所述三轴模拟转台，与导弹固定连接，通过三轴模拟转台模拟导弹在空中飞行时绕自身体轴坐标系旋转的姿态运动，同时通过光学投影装置获取高低和方位两个方向的目标视线角运动参数；

数据解算模块将数据通信模块传递过来的时间和导弹运动参数，经过坐标投影变换为目标相对导弹导引头的运动参数，计算目标在投影幕布上的弹-目相对运动的视景信息，并将弹-目相对运动视景信息传递给图像仿真模块，具体如下：

步骤3.1、初始化三轴模拟转台中心距离投影幕布的距离L₁，三轴模拟转台中心距离导引头光学焦点的距离L_m，目标的真实二维物理尺寸(w,h)，w为目标宽度，h为目标高度；

步骤3.2、初始化目标在发射坐标系下的坐标并根据目标运动速度和时间不断更新目标在发射坐标系中的位置

步骤3.3、从数据通信模块获取时间tⁿ，即第n次接收数据的时间；获取导弹在发射坐标系下的坐标以及导弹的偏航角与俯仰角

步骤3.4、计算导弹导引头的光学焦点在发射坐标系中的坐标

步骤3.5、计算真实目标与投影幕布中显示的目标图像大小比例K，公式如下：

步骤3.6、以电视导引头为观察体进行透视投影变换，计算目标在投影幕布上的成像坐标(x,y)，公式如下：

步骤3.7、计算目标在投影幕布上的成像尺寸(w/K,h/K)；

图像仿真模块利用弹-目相对运动视景信息，完成对弹-目相对运动视景信息的二维投影绘制，从而得到图像仿真结果，并将仿真得到的图像数据传送至光学投影装置，具体如下：

步骤4.1、图像仿真模块根据接收到的弹-目相对运动视景信息，即目标在投影幕布上的成像面积和成像位置，通过软件调整目标图像和背景图像大小，并将目标图像在投影幕布上的位置转换到图像坐标系中；

步骤4.2、计算目标图像与背景图像的交并比IoU，具体如下：

其中A为目标图像，B为背景图像，∩为计算图像交集，∪为计算图像并集；

步骤4.3 、若IoU等于0，表示目标超出背景图像范围，将背景图像传送至光学投影装置；若IoU大于0，则计算目标图像与背景图像的交集，并根据二者交集裁剪目标图像，然后将得到的目标图像绘制到背景图像中，最后把绘制完成的目标-背景图像传送至光学投影装置。

2.根据权利要求1所述的图像导引头用目标及场景实时动态生成系统，其特征在于，所述数据通信模块包括两种获取信息的方式，即来自本地数据文件以及图像仿真机端口数据的实时读取；所述图像仿真机端口数据的获取方式为通过RS-422串口通信协议高速获取主控计算机发送的参数。

3.一种图像导引头用目标及场景实时动态生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、三轴模拟转台与导弹固定连接，通过三轴模拟转台模拟导弹在空中飞行时绕自身体轴坐标系旋转的姿态运动，同时通过光学投影装置获取高低和方位两个方向的目标视线角运动参数；

步骤2、数据通信模块通过实时解析主控计算机传送来的数据包，包括数据帧头、时间信息、导弹位置坐标和姿态参数以及数据帧尾，并将得到的时间和导弹运动参数传送给数据解算模块；

步骤3、数据解算模块将数据通信模块传递过来的时间和导弹运动参数，经过坐标投影变换为目标相对导弹导引头的运动参数，计算目标在投影幕布上的弹-目相对运动的视景信息，并将弹-目相对运动视景信息传递给图像仿真模块；

步骤4、图像仿真模块利用弹-目相对运动视景信息，完成对弹-目相对运动视景信息的二维投影绘制，从而得到图像仿真结果，并将仿真得到的图像数据传送至光学投影装置；

步骤5、光学投影装置通过HDMI接口接收图像仿真机生成的图像数据，并实时显示目标-背景的模拟图像；

步骤3所述的数据解算模块将数据通信模块传递过来的时间和导弹运动参数，经过坐标投影变换为目标相对导弹导引头的运动参数，计算目标在投影幕布上的弹-目相对运动的视景信息，并将弹-目相对运动视景信息传递给图像仿真模块，具体如下：

步骤3.1、初始化三轴模拟转台中心距离投影幕布的距离L₁，三轴模拟转台中心距离导引头光学焦点的距离L_m，目标的真实二维物理尺寸(w,h)，w为目标宽度，h为目标高度；

步骤3.2、初始化目标在发射坐标系下的坐标并根据目标运动速度和时间不断更新目标在发射坐标系中的位置

步骤3.3、从数据通信模块获取时间tⁿ，即第n次接收数据的时间；获取导弹在发射坐标系下的坐标以及导弹的偏航角与俯仰角

步骤3.4、计算导弹导引头的光学焦点在发射坐标系中的坐标

步骤3.5、计算真实目标与投影幕布中显示的目标图像大小比例K，公式如下：

步骤3.6、以电视导引头为观察体进行透视投影变换，计算目标在投影幕布上的成像坐标(x,y)，公式如下：

步骤3.7、计算目标在投影幕布上的成像尺寸(w/K,h/K)；

步骤4所述的图像仿真模块利用弹-目相对运动视景信息，完成对弹-目相对运动视景信息的二维投影绘制，从而得到图像仿真结果，并将仿真得到的图像数据传送至光学投影装置，具体如下：

步骤4.1、图像仿真模块根据接收到的弹-目相对运动视景信息，即目标在投影幕布上的成像面积和成像位置，通过软件调整目标图像和背景图像大小，并将目标图像在投影幕布上的位置转换到图像坐标系中；

步骤4.2、计算目标图像与背景图像的交并比IoU，具体如下：

其中A为目标图像，B为背景图像，∩为计算图像交集，∪为计算图像并集；

步骤4.3 、若IoU等于0，表示目标超出背景图像范围，将背景图像传送至光学投影装置；若IoU大于0，则计算目标图像与背景图像的交集，并根据二者交集裁剪目标图像，然后将得到的目标图像绘制到背景图像中，最后把绘制完成的目标-背景图像传送至光学投影装置。