基于虛擬圖像注入的目標模擬器設計

軍隊靶場(chǎng)訓練基地用于跟蹤高速運動(dòng)目標的主要手段是光電跟瞄設備。對于光電跟瞄系統而言，操作訓練需要外部目標環(huán)境的緊密配合，因此，訓練所需的目標環(huán)境構建成為對操作手訓練和對光電跟瞄設備仿真檢測的關(guān)鍵因素之一。如果通過(guò)現場(chǎng)飛行試驗來(lái)構造目標環(huán)境，則訓練成本過(guò)大，還受到天氣等環(huán)境因素的影響。因此，如何低成本而又高效率地完成操作訓練是目前困擾相關(guān)軍事單位的一個(gè)難題。
　　目前，在靶場(chǎng)訓練的項目中，通過(guò)研制目標模擬器來(lái)構造目標環(huán)境，并采用虛擬場(chǎng)景注入的方法來(lái)實(shí)現。該方法通過(guò)事先錄制好一段目標場(chǎng)景的圖像，操作手根據觀(guān)看播放的錄像，操縱光電跟瞄設備對錄像中的目標進(jìn)行跟蹤捕獲訓練。但此方法沒(méi)有反饋，而且實(shí)時(shí)性較差。本文提出一種新的虛擬圖像注入方法。該方法實(shí)時(shí)獲得跟蹤設備及目標的運行參數，根據速度追蹤原理模擬生成目標及背景的圖像數據，從而達到跟蹤訓練的目的。該方法實(shí)現簡(jiǎn)單方便、可操作性強，更加注重操作手對光電跟瞄設備操縱的性能。
1 目標模擬訓練系統的運行模式
　　在工作過(guò)程中，首先由操作手根據訓練需要設定目標模擬的速度、機動(dòng)特性等初始參數并送到主控系統；按照設定的目標運行特點(diǎn)在每幀待輸出圖像上設定、調整目標位置；目標模擬器通過(guò)主控計算機接收編碼器位置信息，并解算設備運行速度，根據速度追蹤原理輸出實(shí)時(shí)跟蹤的圖像數據；將圖像處理系統轉換到接收目標模擬器輸出圖像信息的模式；圖像處理器將疊加十字絲的視頻圖像傳送給操作手的監視器；操作手操作單桿控制伺服系統運轉，使回轉平臺運轉對目標進(jìn)行模擬捕獲；最后，圖像處理器根據編碼器返回數據實(shí)時(shí)調整目標位置，完成對目標捕獲過(guò)程的模擬訓練。系統運行模式如圖1所示。

2 數學(xué)建模
　　目標模擬器的數學(xué)模型基于速度追蹤原理：假設目標按照特定速度與設備視軸做等速運動(dòng)，該速度在單幀合成圖片中體現為位置脫靶量，如圖2所示。

　　圖2中ΔA和ΔE的初始設置為：
　　
　　當操作手開(kāi)始進(jìn)行手動(dòng)跟蹤時(shí)，目標仿真圖像的調整數學(xué)模型為：
　　

3 硬件設計
　　目標模擬器由串口轉換模塊、DSP模塊、FPGA模塊、Camera Link接口模塊組成，結構如圖3所示。

DSP采用TI公司的TMS320F2812芯片，它是目前用于控制領(lǐng)域的最高性能的處理器，具有控制精度高、速度快、使用靈活以及集成度高等優(yōu)點(diǎn)，運行速率可達150 MIPS，指令采用流水線(xiàn)處理，使得數據處理的能力大大增強[1]。設計中主要利用其串行通信(SCI)接口、外部中斷（XINTx）接口和外部擴展（XINTF）接口。通過(guò)與主控計算機進(jìn)行通信，接收模擬目標和跟蹤設備的參數，并根據建立的數學(xué)模型解算出目標及設備的坐標，實(shí)時(shí)生成目標及背景的圖像數據，同時(shí)接收時(shí)統的同步中斷信號。
　　設計中選用MAXIM公司的MAX3070芯片進(jìn)行RS-422到RS-232協(xié)議的轉換，利用DSP2812的SCI模塊實(shí)現與主控計算機的通信。把MAX3070的DI腳與DSP2812的SCITXD相連，RO與DSP2812的SCIRXD相連，同時(shí)為了保證順利地與主控計算機通信，允許接收RE#腳直接接地，允許發(fā)送DI腳直接接VCC。加上兩個(gè)電阻以及去耦電容實(shí)現了串行通信接口的硬件設計[2]。DSP2812通過(guò)外部擴展接口（XINTF）與FPGA進(jìn)行數據傳遞，將XWE#引腳作為寫(xiě)使能信號與FPGA的I/O腳相連，將XCLKOUT引腳作為寫(xiě)時(shí)鐘信號與FPGA的I/O腳相連，將16位數據線(xiàn)與FPGA的I/O腳相連，來(lái)傳送圖像數據信號。