CN109799731B - 多波段光学辐射式半实物仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波段光学辐射式半实物仿真方法及系统，仿真方法包括：获得仿真波段成像器输出图像灰度值与仿真场景亮度的对应关系；基于可见光投射器获得可见光成像器输出图像灰度值与所述仿真场景亮度的对应关系；使可见光成像器输出图像灰度值与仿真波段成像器输出图像灰度值相等，获得仿真场景亮度值数字化的可见光形式转换系数，然后对可见光投射器和可见光成像器进行预标定，采用预标定后的可见光投射器和可见光成像器模拟仿真波段投射器和仿真波段成像器的工作过程，实现仿真。本发明降低了仿真成本，并提高了成像质量。

Description

多波段光学辐射式半实物仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及光学辐射式半实物仿真技术领域，尤其涉及一种多波段光学辐射式半实物仿真方法及系统。

背景技术

目前，在光学导引头、制导系统、信号处理器以及算法的测试中，采用光学辐射式半实物仿真系统替代大部分的外场试验，在节约大量经费的同时，可大幅度地提高测试效率；并且，通过半实物仿真系统，能够缩短武器系统地研制周期，提高武器系统的环境适应性。

武器系统的光学仿真中用到的光学成像器包括紫外、红外、可见光等多个波段，各波段光学成像器的技术发展水平不一。其中可见光相机技术最为成熟，并且价格低；而紫外尤其是红外成像技术水平较低，并且价格昂贵。

在光学辐射式半实物仿真系统中，既需要成像器，还需要与之对应的动态图像投射器；而红外和紫外成像设备不仅价格高，紫外线对人体还有伤害。因此，针对红外和紫外波段的半实物仿真系统，因为投资大而使其应用受到了很大的制约。

因此，针对以上不足，需要通过一种新的方法实现光学辐射式半实物仿真，使其能够降低系统的价格，并且不会对人体造成伤害。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术在红外和紫外波段的光学仿真中，成像设备造价高，并且紫外波段的光线会对人体造成伤害的缺陷，提供一种多波段光学辐射式半实物仿真方法及系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多波段光学辐射式半实物仿真方法，包括：获得仿真波段成像器输出图像灰度值与仿真场景亮度的对应关系；

基于可见光投射器获得可见光成像器输出图像灰度值与所述仿真场景亮度的对应关系；

使可见光成像器输出图像灰度值与仿真波段成像器输出图像灰度值相等，获得仿真场景亮度值数字化的可见光形式转换系数，然后对可见光投射器和可见光成像器进行预标定，采用预标定后的可见光投射器和可见光成像器模拟仿真波段投射器和仿真波段成像器的工作过程，实现仿真。

在根据本发明所述的多波段光学辐射式半实物仿真方法中，所述仿真波段成像器输出图像灰度值与仿真场景亮度的对应关系通过仿真波段成像器亮度到灰度的转换模型获得。

在根据本发明所述的多波段光学辐射式半实物仿真方法中，所述仿真波段成像器亮度到灰度的转换模型为：

G_detctor(i,j)＝a₀*L(i,j)+b₀，

其中G_detctor(i,j)为仿真波段成像器输出图像第i行，第j列像素的灰度值，L(i,j)为仿真场景对应于所述输出图像第i行，第j列位置的亮度值，a₀为仿真波段成像器光电转换系数的斜率值，b₀为仿真波段成像器光电转换系数的偏移值。

在根据本发明所述的多波段光学辐射式半实物仿真方法中，所述获得可见光成像器输出图像灰度值与所述仿真场景亮度的对应关系包括：

由仿真场景的亮度值获得可见光投射器输入图像像素的灰度值，再由可见光投射器输入图像像素的灰度值获得可见光成像器输出图像像素的灰度值。

在根据本发明所述的多波段光学辐射式半实物仿真方法中，所述可见光投射器输入图像像素的灰度值通过下式获得：

G_input(i,j)＝a₁*L(i,j)+b₁，

式中G_input(i,j)为可见光投射器输入图像第i行，第j列像素的灰度值，a₁为仿真场景亮度值数字化的斜率系数，b₁为仿真场景亮度值数字化的偏移系数。

在根据本发明所述的多波段光学辐射式半实物仿真方法中，所述可见光成像器输出图像像素的灰度值通过下式获得：

G_output(i,j)＝a₂*G_input(i,j)+b₂，

式中G_output(i,j)为可见光成像器输出图像第i行，第j列像素的灰度值，a₂为可见光投射器到可见光成像器输出图像转换的斜率值，b₂为可见光投射器到可见光成像器输出图像转换的偏移值。

在根据本发明所述的多波段光学辐射式半实物仿真方法中，所述获得仿真场景亮度值数字化的可见光形式转换系数的方法为：

使G_output(i,j)＝G_detector(i,j)，经计算获得所述转换系数。

在根据本发明所述的多波段光学辐射式半实物仿真方法中，所述转换系数包括斜率系数a₁和偏移系数b₁，经计算获得：

本发明还提供了一种多波段光学辐射式半实物仿真系统，包括仿真控制单元、场景生成单元、可见光投射器、可见光成像器和图像采集处理器，

所述仿真控制单元将仿真场景中目标和武器系统位置发送给场景生成单元；场景生成单元利用建模计算的方法获得所需的动态仿真场景图像；可见光投射器将动态仿真场景图像转换为可见光信号，投射到可见光成像器；可见光成像器将可见光信号转换为电信号，传送给图像采集处理器；图像采集处理器对所述电信号进行处理获得数字图像，在所述数字图像中对目标进行检测，并将检测结果发送给仿真控制单元，仿真控制单元再将检测的目标位置和当前武器系统位置发送至场景生成单元；

所述可见光成像器通过预标定使输出图像像素的灰度值满足以下关系式：

G_output(i,j)＝a₂*G_input(i,j)+b₂，

式中G_output(i,j)为可见光成像器输出图像第i行，第j列像素的灰度值，a₂为可见光投射器到可见光成像器输出图像转换的斜率值，b₂为可见光投射器到可见光成像器输出图像转换的偏移值；

所述可见光投射器通过预标定使输入图像像素的灰度值G_input(i,j)满足以下关系式：

G_input(i,j)＝a₁*L(i,j)+b₁，

式中G_input(i,j)为可见光投射器输入图像第i行，第j列像素的灰度值，a₁为仿真场景亮度值数字化的斜率系数，b₁为仿真场景亮度值数字化的偏移系数，L(i,j)为仿真场景对应于所述输出图像第i行，第j列位置的亮度值。

在根据本发明所述的多波段光学辐射式半实物仿真系统中，所述斜率系数a₁和偏移系数b₁的计算方法为：

根据仿真波段成像器亮度到灰度的转换模型：

G_detctor(i,j)＝a₀*L(i,j)+b₀，

其中G_detctor(i,j)为仿真波段成像器输出图像第i行，第j列像素的灰度值，a₀为仿真波段成像器光电转换系数的斜率值，b₀为仿真波段成像器光电转换系数的偏移值；

使G_output(i,j)＝G_detector(i,j)，计算获得：

实施本发明的多波段光学辐射式半实物仿真方法及系统，具有以下有益效果：本发明根据不同波段的光学成像器输出的图像都是数字图像的原理，利用可见光波段的投射器和成像器，按照仿真波段成像器的灰度值与场景亮度的对应关系，对可见光波段的投射器和成像器输出图像的灰度值按照仿真波段所对应的灰度值进行标定，从而通过可见光波段的投射器和成像器模拟产生不同仿真波段的图像。

本发明用于光学半实物仿真中，利用可见光投射器和可见光相机替代不同波段光学场景的投射器和光学成像器，有助于解决在红外、紫外仿真波段设备存在的高成本和低对比度问题，同时能够提高图像质量。

本发明可广泛用于制导控制系统、信号处理器和目标识别跟踪算法的测试中；由于采用可见光投射器投射图像，保证了使用的安全性，并避免了对人体造成伤害。

附图说明

图1为根据本发明的多波段光学辐射式半实物仿真方法的示例性流程图；

图2为根据本发明的多波段光学辐射式半实物仿真系统的示例性框图；

图3为现有多波段光学辐射式半实物仿真系统的示例性框图；图2和图3中箭头表示光信号。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一、本发明的第一方面提供了一种多波段光学辐射式半实物仿真方法，结合图1所示，包括：所述方法开始于步骤110；

在步骤120中，获得仿真波段成像器输出图像灰度值与仿真场景亮度的对应关系；

在步骤130中，基于可见光投射器获得可见光成像器输出图像灰度值与所述仿真场景亮度的对应关系；

所述步骤120和步骤130无前后顺序要求；

在步骤140中，使可见光成像器输出图像灰度值与仿真波段成像器输出图像灰度值相等，获得仿真场景亮度值数字化的可见光形式转换系数，然后对可见光投射器和可见光成像器进行预标定，采用预标定后的可见光投射器和可见光成像器模拟仿真波段投射器和仿真波段成像器的工作过程，实现仿真；

所述方法结束于步骤150。

对不同波段的光学成像器进行分析可知，其输出图像在数字信号处理器和计算机中都是二进制形式表达的数据。因此，在针对图像处理器、制导系统和信号处理算法的测试中，数据流均为针对二进制的数据流，与成像器的光学波段无关。本实施方式基于此，利用可见光波段的可见光投射器和可见光成像器来模拟不同波段投射器和成像器的工作过程，从而产生对应波段的图像。所述不同波段包括紫外波段、红外波段及可见光波段，即本实施方式可通过可见光波段的投射器和成像器替代所有波段的相应设备，获得仿真波段的图像。

进一步，所述仿真波段成像器输出图像灰度值与仿真场景亮度的对应关系通过仿真波段成像器亮度到灰度的转换模型获得。本实施方式将仿真波段成像器输出图像的灰度值与仿真场景的亮度值建立起对应关系。

作为示例，所述仿真波段成像器亮度到灰度的转换模型为：

G_detctor(i,j)＝a₀*L(i,j)+b₀，

其中G_detctor(i,j)为仿真波段成像器输出图像第i行，第j列像素的灰度值，L(i,j)为仿真场景对应于所述输出图像第i行，第j列位置的亮度值，a₀为仿真波段成像器光电转换系数的斜率值，b₀为仿真波段成像器光电转换系数的偏移值。

斜率值a₀和偏移值b₀为设备固有系数，对于目标辐射亮度到成像器图像灰度的转换，工程上采用标定的方法，可经过多点标定拟合出斜率值a₀和偏移值b₀。

在仿真过程中，成像的过程是：场景生成计算机通过建模计算出场景的亮度分布，然后转换为灰度图像；再通过场景投射器将灰度图像投射到成像器中，然后图像采集处理器采集成像器输出的灰度图像。

进一步，所述获得可见光成像器输出图像灰度值与所述仿真场景亮度的对应关系包括：

由仿真场景的亮度值获得可见光投射器输入图像像素的灰度值，再由可见光投射器输入图像像素的灰度值获得可见光成像器输出图像像素的灰度值。先建立可见光投射器输入图像像素的灰度值与仿真场景的亮度值的关系，再由可见光投射器输入图像像素的灰度值获得可见光成像器输出图像像素的灰度值。

作为示例，所述可见光投射器输入图像像素的灰度值通过下式获得：

G_input(i,j)＝a₁*L(i,j)+b₁，

式中G_input(i,j)为可见光投射器输入图像第i行，第j列像素的灰度值，a₁为仿真场景亮度值数字化的斜率系数，b₁为仿真场景亮度值数字化的偏移系数。其中G_input(i,j)是由仿真场景亮度值数字化而来。

作为示例，所述可见光成像器输出图像像素的灰度值通过下式获得：

G_output(i,j)＝a₂*G_input(i,j)+b₂，

式中G_output(i,j)为可见光成像器输出图像第i行，第j列像素的灰度值，a₂为可见光投射器到可见光成像器输出图像转换的斜率值，b₂为可见光投射器到可见光成像器输出图像转换的偏移值。

斜率值a₂和偏移值b₂为可见光成像器的固有系数，同样可通过标定的方法拟合获得。

因为要采用可见光相机和可见光投射器模拟不同波段的图像生成过程，因此，对应同一仿真场景的亮度值，只需使可见光成像器与仿真波段成像器输出图像的灰度值相等即可。所述仿真波段成像器的仿真波段是指仿真图像对应的真实波段。

进一步，所述获得仿真场景亮度值数字化的可见光形式转换系数的方法为：

使G_output(i,j)＝G_detector(i,j)，经计算获得所述转换系数。

由G_input(i,j)＝a₁*L(i,j)+b₁，

G_output(i,j)＝a₂*G_input(i,j)+b₂＝a₂a₁*L(i,j)+a₂b₁+b₂；

则有：a₀*L(i,j)+b₀＝a₂a₁*L(i,j)+a₂b₁+b₂，

进一步得到：a₀＝a₂a₁；b₀＝a₂b₁+b₂。

再进一步，所述转换系数包括斜率系数a₁和偏移系数b₁，经计算获得：

上述表达式中，斜率值a₀、偏移值b₀、斜率值a₂和偏移值b₂均为设备固有系数，可通过标定获得。进一步计算可获得斜率系数a₁和偏移系数b₁的值。

因此，对于一个仿真系统，首先斜率值a₂和偏移值b₂为固定值；在模拟不同波段的成像器时，只需获得被模拟成像器的光电转换系数斜率值a₀和偏移值b₀，即可计算出仿真场景亮度值数字化的斜率系数a₁和仿真场景亮度值数字化的偏移系数b₁，然后对可见光投射器和可见光成像器预先按照获得的系数进行标定，通过标定后的可见光投射器将对应于仿真场景的灰度图像投射到可见光成像器中，标定后的可见光成像器获得的输出图像即为被模拟成像器所能获得的图像。

综上可知，在不同波段的仿真方法中，只要获得不同的转换系数，就能实现通过可见光投射器和可见光成像器对不同波段成像器成像过程的模拟，与波段无关。从而，利用可见光投射器和可见光成像器直接与场景生成计算机、仿真控制计算机和图像采集处理器组成半实物仿真系统，可用于制导控制系统、信号处理器和目标识别跟踪算法的测试中，使仿真成本大大降低。

具体实施方式二、本发明的另一方面还提供了一种多波段光学辐射式半实物仿真系统，结合图2所示，包括仿真控制单元1、场景生成单元2、可见光投射器3、可见光成像器4和图像采集处理器5，

所述仿真控制单元1将仿真场景中的目标和武器系统位置发送给场景生成单元2；场景生成单元2利用建模计算的方法获得所需的动态仿真场景图像；可见光投射器3将动态仿真场景图像转换为可见光信号，投射到可见光成像器4；可见光成像器4将可见光信号转换为电信号，传送给图像采集处理器5；图像采集处理器5对所述电信号进行处理获得数字图像，在所述数字图像中对目标进行检测，并将检测结果发送给仿真控制单元1，仿真控制单元1再将检测的目标位置和当前武器系统位置发送至场景生成单元2；

所述可见光成像器4通过预标定使输出图像像素的灰度值满足以下关系式：

G_output(i,j)＝a₂*G_input(i,j)+b₂，

式中G_output(i,j)为可见光成像器输出图像第i行，第j列像素的灰度值，a₂为可见光投射器到可见光成像器输出图像转换的斜率值，b₂为可见光投射器到可见光成像器输出图像转换的偏移值；

所述可见光投射器3通过预标定使输入图像像素的灰度值G_input(i,j)满足以下关系式：

G_input(i,j)＝a₁*L(i,j)+b₁，

式中G_input(i,j)为可见光投射器输入图像第i行，第j列像素的灰度值，a₁为仿真场景亮度值数字化的斜率系数，b₁为仿真场景亮度值数字化的偏移系数，L(i,j)为仿真场景对应于所述输出图像第i行，第j列位置的亮度值。

本实施方式中的仿真控制单元1和场景生成单元2可以分别为仿真控制计算机和场景生成计算机。

结合图2和图3所示，本实施方式所述的仿真系统与现有光学辐射式半实物仿真系统原理相同，只是采用了预标定过的可见光投射器和可见光成像器替代了现有系统中使用的真实波段的投射器和成像器。所述图像采集处理器5对获得的数字图像进行检测和识别，可以获得目标的位置、形态及亮度信息。在获得当前的目标位置后，场景生成单元2再根据当前的目标位置和当前武器系统位置生成新的图像，开始下一轮仿真，从而实现了闭环测试。其中图像采集处理器5和仿真控制单元1可以用武器系统实物替换或者加载武器系统所用的算法，实现对武器系统的半实物测试。

进一步，所述斜率系数a₁和偏移系数b₁的计算方法为：

根据仿真波段成像器亮度到灰度的转换模型：

G_detctor(i,j)＝a₀*L(i,j)+b₀，

其中G_detctor(i,j)为仿真波段成像器输出图像第i行，第j列像素的灰度值，a₀为仿真波段成像器光电转换系数的斜率值，b₀为仿真波段成像器光电转换系数的偏移值；

使G_output(i,j)＝G_detector(i,j)，计算获得：

综上所述，本发明以可见光投射器和可见光成像器替代仿真波段的投射器和成像器对图像进行模拟，实现仿真；降低了实施成本，并提高了成像质量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多波段光学辐射式半实物仿真方法，其特征在于包括：

获得仿真波段成像器输出图像灰度值与仿真场景亮度的对应关系；

基于可见光投射器获得可见光成像器输出图像灰度值与所述仿真场景亮度的对应关系；

使可见光成像器输出图像灰度值与仿真波段成像器输出图像灰度值相等，获得仿真场景亮度值数字化的可见光形式转换系数，然后对可见光投射器和可见光成像器进行预标定，采用预标定后的可见光投射器和可见光成像器模拟仿真波段投射器和仿真波段成像器的工作过程，实现仿真。

2.根据权利要求1所述的多波段光学辐射式半实物仿真方法，其特征在于：

所述仿真波段成像器输出图像灰度值与仿真场景亮度的对应关系通过仿真波段成像器亮度到灰度的转换模型获得。

3.根据权利要求2所述的多波段光学辐射式半实物仿真方法，其特征在于：所述仿真波段成像器亮度到灰度的转换模型为：

G_detctor(i，j)＝a₀*L(i，j)+b₀，

其中G_detctor(i，j)为仿真波段成像器输出图像第i行，第j列像素的灰度值，L(i，j)为仿真场景对应于所述输出图像第i行，第j列位置的亮度值，a₀为仿真波段成像器光电转换系数的斜率值，b₀为仿真波段成像器光电转换系数的偏移值。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的多波段光学辐射式半实物仿真方法，其特征在于：所述获得可见光成像器输出图像灰度值与所述仿真场景亮度的对应关系包括：

由仿真场景的亮度值获得可见光投射器输入图像像素的灰度值，再由可见光投射器输入图像像素的灰度值获得可见光成像器输出图像像素的灰度值。

5.根据权利要求4所述的多波段光学辐射式半实物仿真方法，其特征在于：

所述可见光投射器输入图像像素的灰度值通过下式获得：

G_input(i，j)＝a₁*L(i，j)+b₁，

式中G_input(i，j)为可见光投射器输入图像第i行，第j列像素的灰度值，a₁为仿真场景亮度值数字化的斜率系数，b₁为仿真场景亮度值数字化的偏移系数。

6.根据权利要求5所述的多波段光学辐射式半实物仿真方法，其特征在于：

所述可见光成像器输出图像像素的灰度值通过下式获得：

G_output(i，j)＝a₂*G_input(i，j)+b₂，

式中G_output(i，j)为可见光成像器输出图像第i行，第j列像素的灰度值，a₂为可见光投射器到可见光成像器输出图像转换的斜率值，b₂为可见光投射器到可见光成像器输出图像转换的偏移值。

7.根据权利要求6所述的多波段光学辐射式半实物仿真方法，其特征在于：

所述获得仿真场景亮度值数字化的可见光形式转换系数的方法为：

使G_output(i，j)＝G_detector(i，j)，经计算获得所述转换系数。

8.根据权利要求7所述的多波段光学辐射式半实物仿真方法，其特征在于：

所述转换系数包括斜率系数a₁和偏移系数b₁，经计算获得：

9.一种多波段光学辐射式半实物仿真系统，其特征在于：该系统可以使可见光成像器输出图像灰度值与仿真波段成像器输出图像灰度值相等，从而获得仿真场景亮度值数字化的可见光形式转换系数，然后对可见光投射器和可见光成像器进行预标定，采用预标定后的可见光投射器和可见光成像器模拟仿真波段投射器和仿真波段成像器的工作过程，实现仿真；

所述仿真系统包括：仿真控制单元(1)、场景生成单元(2)、可见光投射器(3)、可见光成像器(4)和图像采集处理器(5)，

所述仿真控制单元(1)将仿真场景中目标和武器系统位置发送给场景生成单元(2)；场景生成单元(2)利用建模计算的方法获得所需的动态仿真场景图像；可见光投射器(3)将动态仿真场景图像转换为可见光信号，投射到可见光成像器(4)；可见光成像器(4)将可见光信号转换为电信号，传送给图像采集处理器(5)；图像采集处理器(5)对所述电信号进行处理获得数字图像，在所述数字图像中对目标进行检测，并将检测结果发送给仿真控制单元(1)，仿真控制单元(1)再将检测的目标位置和当前武器系统位置发送至场景生成单元(2)；

所述可见光成像器(4)通过预标定使输出图像像素的灰度值满足以下关系式：

G_output(i，j)＝a₂*G_input(i，j)+b₂，

式中G_output(i，j)为可见光成像器输出图像第i行，第j列像素的灰度值，a₂为可见光投射器到可见光成像器输出图像转换的斜率值，b₂为可见光投射器到可见光成像器输出图像转换的偏移值；

所述可见光投射器(3)通过预标定使输入图像像素的灰度值G_input(i，j)满足以下关系式：

G_input(i，j)＝a₁*L(i，j)+b₁，

式中G_input(i，j)为可见光投射器输入图像第i行，第j列像素的灰度值，a₁为仿真场景亮度值数字化的斜率系数，b₁为仿真场景亮度值数字化的偏移系数，L(i，j)为仿真场景对应于所述输出图像第i行，第j列位置的亮度值。

10.根据权利要求9所述的多波段光学辐射式半实物仿真系统，其特征在于：

所述斜率系数a₁和偏移系数b₁的计算方法为：

根据仿真波段成像器亮度到灰度的转换模型：

G_detctor(i，j)＝a₀*L(i，j)+b₀，

其中G_detctor(i，j)为仿真波段成像器输出图像第i行，第j列像素的灰度值，a₀为仿真波段成像器光电转换系数的斜率值，b₀为仿真波段成像器光电转换系数的偏移值；

使G_output(i，j)＝G_detector(i，j)，计算获得：

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