基于幀同步技術的激光打靶控制系統設計

2017-03-17 00:23:16王宏松李杰

電子技術與軟件工程 2016年16期

王宏松++李杰

摘要

系統通過圖像幀同步技術將紅外激光的打靶圖像分別標識并實時處理，實現了一種支持多個紅外激光同時打靶的控制系統。激光槍在扣動扳機的情況下，利用射頻通信同步控制紅外激光的發射與停止，在射擊目標上形成分時的激光打靶圖像。通過高速數字相機采集，利用Field-Programmable Gate Array（FPGA）實時處理的特點，對每一幀有效圖像進行同步標識，并通過圖像處理技術識別出每一個激光槍對應的打靶射擊結果。實踐結果表明，該系統能在無線環境下實現多個紅外激光同時打靶射擊，能適應多人同時的機動射擊訓練或實景射擊游戲場景。

【關鍵詞】紅外激光幀同步 FPGA 射頻通信圖像處理

隨著激光模擬射擊技術的成熟與發展，越來越多的射擊游戲場合應用了基于激光的射擊打靶系統，如第一人稱射擊游戲、數字實景游戲等。在現有的激光打靶系統中，識別彈著點的方法通常是：

（1）使用光電二極管陣列接收激光信號從而生成坐標；

（2）使用硅光電池做成激光探測器陣列；

（3）使用光學攝像機拍攝靶面圖像。

為了實現多個紅外激光同時打靶的控制系統，本文采用圖像幀同步技術分別標識紅外激光打靶圖像。當扣動激光槍之后，紅外激光的發射與停止采用射頻通信同步控制，之后在屏幕中射擊目標上形成分時的打靶圖像。系統采用高速數字攝像機采集圖像，利用FPGA 對每一幀有效圖像同步標識，并識別出每一個激光槍對應的打靶結果。多次實驗結果表明，該系統能夠實現多個紅外激光同時打靶的功能。

1 幀同步控制原理

幀同步控制是以FPGA 為核心，同時連接高速數字相機與紅外激光發射模塊。具體原理如下：

（1）當高速數字相機產生幀同步信號時，FPGA采集該信號并對其進行同步。

（2）FPGA通過射頻信號實時控制紅外激光發射模塊，允許或禁止其發射紅外激光；當在允許發射紅外激光的情況下，扣動扳機則可發射出激光。

（3）高速數字相機采集帶有激光斑點的圖像并傳輸至FPGA，FPGA根據幀同步信號對圖像進行標記，并將標記完成的圖像傳輸至計算機（以下簡稱PC），PC識別出圖像當中的標記和紅外激光所形成光斑的坐標信息。

系統框圖如圖1所示，包括圖像采集模塊和射擊控制模塊，其中圖像采集模塊作為系統核心，通過無線射頻同步射擊控制模塊，實現對多個射擊模塊的協同控制。

2 系統設計

2.1 射頻硬件電路

射頻收發模塊采用nRF24LE1，這種2.4GHz射頻收發器是NORDIC推出的超低功耗無線片上系統解決方案，其內部集成了高性能單片機（與8051指令兼容）、16KB Flash存儲器、1KB片上數據存儲器，以及為低功耗設計的多種電源模式。

射頻控制模塊電路包括扳機檢測電路、激光器發射控制電路、系統休眠喚醒電路以及激光槍號配置電路。

2.2 FPGA硬件電路

FPGA采用Lattice公司的LCMXO3L-6900C，該芯片具有858個邏輯陣列、6864個邏輯單元，最大用戶I/O口數量為206個，最大工作頻率可到400MHz。FPGA連接數字相機、射頻電路和USB，其外圍硬件架構如圖2所示。

2.3 FPGA邏輯設計

FPGA的邏輯設計主要包括對相機的幀同步計數和圖像處理。幀同步計數包括同步、計數與控制輸出。

圖像數字處理包括光斑位置識別和位置校正。光斑位置識別用于識別射擊位置，利用光斑的亮度遠高于背景，采用一定閾值進行二值化并遍歷全圖的方法即可算出。但由于鏡頭光學曲率會導致拍到的圖片桶形失真，使得識別到的光斑位置與真實位置不相符。因此需要采用位置校正對鏡頭進行預處理，就是對采集圖片變形程度進行預先計算，得到校正函數，然后通過校正函數來處理采集圖片，進而得到光斑的真實位置。

計算校正函數需要使用帶有等間距白色矩形的標準圖片，計算標準圖片與采集到的圖片之間每個白色矩形位置的變化關系。位置校正的包括圖像預處理和仿射變換，其中仿射變換是按區域進行的。

首先查找出所有白色矩形的輪廓，計算每一個輪廓中心的坐標。然后以圖片正中的白色矩形為中心，將圖片分成4個區域，如圖3。每個區域選取采集圖與標準圖一一對應的三個頂點作為仿射變換的最佳匹配的三個點。最后根據仿射變換原理計算出每個區域中采集圖片到標準圖片的變換關系，即H矩陣。這樣，圖像中識別到的光斑都可以通過H矩陣校正為在標準圖片中的位置，即真實環境中的射擊位置。

3 結語

利用FPGA實時處理的特點，以及結合無線射頻控制的方式，可有效解決在激光打靶系統中的多設備協同控制。經過對系統整體性能的試驗評估，發現該系統可有效實現多設備在同一高速相機的情況下實現分時同步控制。

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