基于虛擬圖像注入的目標模擬器設(shè)計

軍隊靶場訓(xùn)練基地用于跟蹤高速運動目標的主要手段是光電跟瞄設(shè)備。對于光電跟瞄系統(tǒng)而言，操作訓(xùn)練需要外部目標環(huán)境的緊密配合，因此，訓(xùn)練所需的目標環(huán)境構(gòu)建成為對操作手訓(xùn)練和對光電跟瞄設(shè)備仿真檢測的關(guān)鍵因素之一。如果通過現(xiàn)場飛行試驗來構(gòu)造目標環(huán)境，則訓(xùn)練成本過大，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(xùn)練是目前困擾相關(guān)軍事單位的一個難題。
　　目前，在靶場訓(xùn)練的項目中，通過研制目標模擬器來構(gòu)造目標環(huán)境，并采用虛擬場景注入的方法來實現(xiàn)。該方法通過事先錄制好一段目標場景的圖像，操作手根據(jù)觀看播放的錄像，操縱光電跟瞄設(shè)備對錄像中的目標進行跟蹤捕獲訓(xùn)練。但此方法沒有反饋，而且實時性較差。本文提出一種新的虛擬圖像注入方法。該方法實時獲得跟蹤設(shè)備及目標的運行參數(shù)，根據(jù)速度追蹤原理模擬生成目標及背景的圖像數(shù)據(jù)，從而達到跟蹤訓(xùn)練的目的。該方法實現(xiàn)簡單方便、可操作性強，更加注重操作手對光電跟瞄設(shè)備操縱的性能。
1 目標模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的運行模式
　　在工作過程中，首先由操作手根據(jù)訓(xùn)練需要設(shè)定目標模擬的速度、機動特性等初始參數(shù)并送到主控系統(tǒng)；按照設(shè)定的目標運行特點在每幀待輸出圖像上設(shè)定、調(diào)整目標位置；目標模擬器通過主控計算機接收編碼器位置信息，并解算設(shè)備運行速度，根據(jù)速度追蹤原理輸出實時跟蹤的圖像數(shù)據(jù)；將圖像處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(jiān)視器；操作手操作單桿控制伺服系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，使回轉(zhuǎn)平臺運轉(zhuǎn)對目標進行模擬捕獲；最后，圖像處理器根據(jù)編碼器返回數(shù)據(jù)實時調(diào)整目標位置，完成對目標捕獲過程的模擬訓(xùn)練。系統(tǒng)運行模式如圖1所示。

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

　　圖2中ΔA和ΔE的初始設(shè)置為：
　　
　　當(dāng)操作手開始進行手動跟蹤時，目標仿真圖像的調(diào)整數(shù)學(xué)模型為：
　　

3 硬件設(shè)計
　　目標模擬器由串口轉(zhuǎn)換模塊、DSP模塊、FPGA模塊、Camera Link接口模塊組成，結(jié)構(gòu)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，運行速率可達150 MIPS，指令采用流水線處理，使得數(shù)據(jù)處理的能力大大增強[1]。設(shè)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。通過與主控計算機進行通信，接收模擬目標和跟蹤設(shè)備的參數(shù)，并根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型解算出目標及設(shè)備的坐標，實時生成目標及背景的圖像數(shù)據(jù)，同時接收時統(tǒng)的同步中斷信號。
　　設(shè)計中選用MAXIM公司的MAX3070芯片進行RS-422到RS-232協(xié)議的轉(zhuǎn)換，利用DSP2812的SCI模塊實現(xiàn)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。加上兩個電阻以及去耦電容實現(xiàn)了串行通信接口的硬件設(shè)計[2]。DSP2812通過外部擴展接口（XINTF）與FPGA進行數(shù)據(jù)傳遞，將XWE#引腳作為寫使能信號與FPGA的I/O腳相連，將XCLKOUT引腳作為寫時鐘信號與FPGA的I/O腳相連，將16位數(shù)據(jù)線與FPGA的I/O腳相連，來傳送圖像數(shù)據(jù)信號。