一种红外激光多射点识别系统的制造方法

本发明属于光学与图像处理领域，具体涉及一种红外激光多拍摄点识别系统。

背景技术：

红外激光射击最初的需求源于军事训练。为了降低训练成本、提高安全性、减少对环境的影响，许多国家早已开始研究使用模拟武器进行军事训练。另外，随着计算机技术、传感器技术、激光技术的普及，以及虚拟现实技术的实现，使用模拟激光武器进行军事训练已经非常成熟。因此，许多国家开发了许多先进的训练模拟器，大致可分为两类：一类是基于激光技术的模拟射击系统，一类是基于虚拟现实技术的场景模拟系统。

另一方面，游戏行业近年来发展迅速，被广泛认为是一个前景广阔的行业，随着生活水平的提高，游戏已经成为很多人娱乐不可或缺的一部分。

随着多媒体技术、计算机技术、大屏幕显示技术等相关技术的飞速发展，大屏幕射击游戏越来越受欢迎，从而引发了激光技术识别系统的研究。

市面上现有的模拟激光射击系统，大多都是根据激光枪的移动来捕捉位置，这有很大的缺陷，首先，射击位置不准确，当激光枪平移，没有产生偏转角度时，无法识别射击点的移动，误差累积最终会导致使用不正常，必须经常校准。其次，成本太高，判断枪 *** 置需要陀螺仪等很多复杂的装置，因此必须专门制作激光枪来与系统匹配，造成成本浪费，因此现有技术需要改进和发展。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种红外激光多射击点识别系统，以有效解决现有技术中模拟激光射击系统成本高，识别误差大的问题。

本发明采用的技术方案是：

一种红外激光多拍摄点识别系统，包括激光发射装置、显示装置、控制主机和摄像装置，其中：

激光发射装置向显示设备上发射激光，同时向控制主机发送采集指令，其中，设置同一时间段内激光发射装置只能向控制主机发送一条采集指令；

控制主机接收到激光发射装置的采集指令后，控制摄像装置开始采集显示装置上的光斑图像；

摄像装置将显示装置中的光点图像采集并进行滤波处理，滤除红外激光以外的光线，保留图像中的激光点并发送给控制主机，控制主机将计算出的射击点坐标位置反馈给游戏，从而进行游戏响应。

进一步地，每个激光发射装置均设置有独立的无线通信模块，并设置每个激光发射装置的发射时间间隔，当多个激光发射装置向显示设备发射激光时，同一时间段内只有一个激光发射装置与控制主机进行通信，控制主机控制摄像装置采集该激光发射装置的光斑图像。

进一步地，通过控制上位机中的PLC控制器实现激光发射装置的发射时间间隔设定，并根据每个激光发射装置的ID号预先设定相应的发射频率和采样频率，将所有激光发射装置的数据保存在激光发射装置数据库中。当多个激光发射装置发射激光时，通过PLC控制器依次选择相应的激光发射装置，采集前一个激光发射装置的激光光斑位置并反馈到游戏后台进行下一个激光发射装置的信号采集。

进一步地，控制主机对摄像装置采集到的激光光斑依次经过灰度处理、二值化处理、矩形拟合处理得到近似的射击点坐标，再对坐标进行标定修正得到最终的射击点坐标，最后将射击点坐标发送给游戏系统，游戏系统根据射击坐标点生成相应的射击反馈。

并且，每个激光发射装置的发射时间间隔范围小于射击游戏图像的每秒播放帧数。

进一步的，每个激光发射装置的发射时间间隔为1至2帧。

进一步的，所述通讯模块为蓝牙通讯模块。

进一步地，摄像装置中预装了滤光片，该滤光片具有根据激光发射装置的波长设定的滤波范围，使得只保留红外激光射在屏幕上所形成的光斑图像。

进一步的，所述激光发射装置为CCD工业相机，所述显示装置为投影屏幕。

进一步地，根据激光发射装置的数量调整发射时间间隔，摄像装置根据调整后的发射时间间隔调整采集时间。

与现有技术相比，本发明公开的红外激光多拍摄点识别系统实现了以下技术效果：

（1）激光发射装置的射击信号与通讯信号同步触发，控制主机控制摄像头采集图像然后识别位置进行定位反馈。限制同一时刻图像上只出现一个射击点的方法大大减轻了控制主机的负荷，效率和准确率远大于现有的识别方法。

(2)本发明选取的采样频率很高，用户在玩游戏的时候不会感觉到任何的卡顿或者延迟，完全不影响游戏体验。

附图的简要说明

为了更加清楚地说明本发明的实施例或者现有技术中的技术方案，下面对实施例或者现有技术描述中所需要用到的附图进行简单介绍。显然，下面所描述的附图只是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的情况下，还可以基于这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的红外激光多拍摄点识别系统的系统架构图。

图2为本发明实施例的红外激光多拍摄点识别系统的流程图。

详细方法

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例公开的一种红外激光多射点识别系统，包括：激光发射装置1、显示装置2、控制主机3、摄像装置4和投影仪5。激光发射装置1发射出激光束，照射到显示装置2上并在显示装置2上形成图像。在发射激光束的同时，给控制主机3信号，控制主机3控制摄像装置4对显示装置2上的光点图像进行采集识别，并先进行滤波处理，然后反馈给控制主机3进行图像处理和位置分析，从而完成整个定位识别过程。

本实施例中，激光发射装置1可以为现有娱乐场景中常用的激光枪，枪口朝向显示装置，显示装置2可以为投影屏或者其他能够显示图像的电子设备。摄像装置4可以为安装在显示装置前方的摄像头，优选为工业相机。普通相机的采集速度一般为30帧/秒，无法满足定位精度的采集速度要求，而工业相机的采集速度为120帧/秒，完全可以满足定位精度和相应速度的要求。控制主机3可以采用现有的微处理器、工控机/家用机或者笔记本电脑等具有计算和数据处理功能的设备。每个激光发射装置1内置有无线通信模块，优选为用于短距离无线通信的蓝牙模块，与控制主机3无线连接。相应地，控制主机3中也安装有蓝牙芯片，与其配对连接。

以图1中的装置为例，该系统的工作原理如下：

1、激光枪瞄准屏幕射击，向屏幕发射红外激光，同时通过蓝牙模块与控制主机通讯，给控制主机下达采集、射击的指令；

2、控制主机接收到激光枪的指令信号后，控制摄像机开始工作，摄像机拍摄屏幕图像，利用自身的滤光片滤除红外激光以外的光线，识别图像中的拍摄点并发送给控制主机；

3、控制主机处理图像并计算出准确的射击点位置并将射击点位置坐标反馈给游戏，游戏再做出相应反应。通过投影仪作为显示输出，将游戏内容显示出来。

为了提高识别效率，本发明实施例中的摄像装置为装有滤光片的CCD工业相机，滤光片的滤波范围是根据激光枪的发射波长预先设计的，所以我们得到的屏幕图像就是对应激光枪发射的光线的位置，无需再进行波长识别。装上滤光片后，可见光谱范围内的光线都会被滤除，只剩下红外激光枪打到屏幕后形成的红外激光点。相比现有的陀螺式激光枪通过计算陀螺仪加速度计算出发射角度，再确认射线角度，再确认射击点位置，本发明的效率、准确度、精度都远大于现有的识别系统。

另外，激光枪射击信号与通讯信号同步触发，主机控制摄像头采集图像然后识别位置进行定位反馈。系统设置激光枪组中每把激光枪的射击间隔，使得同一时刻屏幕上只有一个激光点，从而保证了每把激光枪的射击精度和定位精度。

每把激光枪都有独立的控制通讯模块，系统设置为同一时刻只能向主机发送一个激光枪信号，即在一定的设定时间内，控制主机每次只接收一个激光枪的指令信号，指令需要主机控制摄像头采集图像，并进行后续的坐标识别，再将识别结果反馈到图像中进行相应的反馈，在完成一个激光枪的射击位置识别后，再进行下一个激光枪的射击位置识别，这样就避免了图像上可能同时出现两个或多个射击点，导致无法识别每个射击点对应的激光信号是哪个激光枪发射的。这种限制同一时刻只有一个射击点出现在图像上的方法，大大减轻了控制主机的负荷，效率和准确率远大于现有的识别方法。

为了实现合理的控制达到同一时间屏幕内只有一支激光枪的图像激光射击器 原理，目前市场上流行的PLC控制系统是以CPLD（复杂可编程逻辑器件）芯片为核心构建的。控制主机内部的PLC控制器用于控制多支激光枪之间的射击时间以及摄像头的图像采集对应。PLC控制器以CPLD芯片为核心构建，作为独立的控制系统控制每支激光枪的射击时间间隔。PLC控制器与激光枪通过蓝牙模块连接。

一般射击类游戏的帧率都是24帧/秒，我们在设置激光枪的射击间隔时，通过操作PLC控制器将每把激光枪的射击间隔设置为1~2帧之间，具体间隔可以根据激光枪的数量手动调整，当激光枪数量较多时，射击间隔范围设置的比较短。然后通过控制PLC控制器将每把激光枪的射击时间与摄像头的采集时间进行匹配（PLC控制器控制激光枪的射击时间和摄像头的拍照时间，使同一时刻只有一把激光枪的射击和摄像头的拍照同步）。这样，每把激光枪射击时，摄像头直接由预先设定的控制方案控制采集射击时刻的图像，由于背景已经匹配了每把激光枪的时间，所以此刻采集到的图像只有一个射击点图像，也就是当前正在射击的激光枪。 而且由于图像的播放帧率为24帧/秒，系统实际设置的时间间隔非常短，只有几帧，用户在体验拍摄时不会感觉到任何卡顿和不流畅的感觉。

如图2所示，整个系统流程的工作原理如下：

激光枪通过蓝牙与控制主机连接，连接成功后进行下一步操作；

激光枪射击的同时，向控制主机发出指令；

控制主机收到指令后，向摄像头发送图像采集命令，摄像头捕捉屏幕上的图像，同时传输给控制主机。控制主机判断是否有射击点，若有则计算位置坐标并反馈给游戏，游戏响应表示命中，若无则表示未命中，给出未命中响应。若出现异常或退出，则显示相关射击结果信息。

由于每把激光枪的ID都是预先设定好的，并且已经手动设定了发射频率和采样频率。因此，只需要按照预先设定的顺序通过程序选择对应的激光枪兵，并调用对应的控制程序，就可以实现整个射击和相应的过程。首先我们会建立所有激光枪的数据库，在实际开始工作的时候，调用对应的激光枪就可以了。每把激光枪都可以预先设定一个独立的ID，比如激光枪1，激光枪2等等。当激光枪扣动扳机射击的时候，通过激光枪的蓝牙模块与PLC控制器通讯，控制器读取到激光枪发来的信号之后，识别出这个独立的ID，同时控制摄像头进行射击，得到某一时刻激光枪在屏幕上唯一的一个射击点图像。

控制主机在通过上述流程选择对应的激光枪并得到对应的拍摄图像后，对摄像装置采集到的激光光斑依次进行灰度处理、二值化处理、矩形拟合处理得到近似射击点坐标，再对近似射击点坐标进行标定修正得到最终的射击点坐标，最后将射击点坐标发送给游戏系统，游戏系统根据射击坐标点生成对应的射击反馈。

首先系统中的相机采集一帧图像，这帧带有激光点的图像主要因为可见光被滤除，所以只显示一个激光点，但同时图像中会有很多白噪声点，通过面积计算，将面积较小的白噪声点排除，剩下的就是需要的激光点。

其次，彩色图像的信息量太大，我们只需要找到中心点的坐标。所以先进行灰度化，消除无用的彩色图像信息。灰度化一方面可以控制图像中的信息量，另一方面，灰度图像还可以突出某些有趣的图像特征，抑制不感兴趣的特征，扩大图像中不同物体之间的差异性。

灰化之后还是有很多不必要的数据，我们只需要突出斑点位置和非斑点位置，所以再次进行二值化，得到最简洁的数据。

接下来使用更大阈值分割法进行二值化。更大阈值分割法是利用类间方差的更大值来自动确定阈值的方法。每个像素的灰度值在0~255之间，确定一个分割值，处理成黑色（像素值为0）或者白色（像素值为255）。这样基本就可以把背景和目标屏幕区域分开了。这个分割值初始设置为180，这是一个可调值，当环境光发生变化，影响判断时，可以进行调整。比如当光线强，环境光亮的时候，为了更好的进行二值化处理，我们将分割值设置为小于180，比如155，这样就可以把环境光的影响降到更低，使二值化结果达到更佳效果。反之，当环境光较弱的时候，就将分割值设置为大于180，比如200。

最后根据不规则光斑的有效面积，拟合出一个矩形，矩形中心点坐标即为拍摄点的近似坐标。矩形拟合方法为：通过快速拟合算法，直接用近似形状算法快速选定光斑区域，以最远边界点为参考点画出矩形，然后快速求值，得到矩形的中心点。

此时的坐标还不是最准确的坐标，需要按照校准程序对坐标进行修正后，才能得到最近似的射击点坐标。

当激光枪不射击的时候，摄像机采集到的图像是完全黑色的图像，没有任何信息，因为摄像机前面的滤光片已经滤除了所有可见光。

控制主机在检测到激光枪射击信号后，会控制摄像头进行射击。由于同一时刻只有一支激光枪射击，所以我们会得到只有一个红外激光点的图像。控制主机在采集上图的射击图像后，计算出精准的位置，然后反馈给游戏进行相应的响应和表现。

控制主机在确认坐标后，通过投影仪将识别结果发送到屏幕和游戏控制系统，游戏系统产生相应的游戏反馈，判断激光枪的射击点是否命中相应物体。

最后需要说明的是，上述实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制。尽管已结合前述实施例对本发明进行了详细描述，但本领域技术人员应当理解，其仍可以对前述实施例中描述的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行等效替换。但是，这些修改或替换并未偏离相应技术方案的本质，而落入本发明实施例技术方案的精神和范围。

技术特点：

技术摘要

本发明公开了一种红外激光多射击点识别系统，包括激光发射装置、显示装置、控制主机和摄像装置，其中，激光发射装置在显示装置上发射激光的同时，向控制主机发出采集指令，并设定同一时间段内激光发射装置只能向控制主机发送一条采集指令；控制主机接收到采集指令后，控制摄像装置开始采集显示装置上的光点图像；摄像装置采集显示装置上的光点图像并进行滤波处理，保留图像中的激光光点并发送给控制主机，控制主机将计算出的射击点坐标位置反馈给游戏，再进行游戏响应。本发明解决了现有技术中模拟激光射击系统成本高、识别误差大的问题。

技术研发人员：王磊

受保护技术使用人：北京当鸿齐天国际文化发展集团有限公司

技术开发日：2019.03.12

技术发布日期：2019.06.14