Способ определения попадания в цель (варианты) Российский патент 2023 года по МПК F41G3/26 F41J5/08 

Область техники

Заявленное изобретение относится к системам индикации мишени и определения попаданий.

Предшествующий уровень техники

Использование невидимого стрелку инфракрасного излучения для определения попадания в цель (мишень) при учебной стрельбе известно и раскрыто в патенте Японии JP4557734 от 06.10.2010. Но при этом используется лазер для имитации стрельбы стрелковым оружием. Интерес же представляет использование невидимого излучения для определения попадания пули в цель, например, в тире для стрелкового оружия.

Ближайшим аналогом заявленных вариантов технического решения является раскрытый в патенте Украины UA56636 от 15.05.2003 способ определения попадания в цель - проецируемую видеопроектором на экран, являющийся мишенью и подсвечиваемый инфракрасным излучением, при котором изображение отверстия в экране, образованное пулей, регистрируют видеокамерой в инфракрасном диапазоне и отображают в изображении цели, проецируемом на экран.

Это известное техническое решение основывается на совмещении растров видеокамеры и проектора. Но растры видеопроектора и видеокамеры, снимающей в инфракрасном диапазоне, различны, а в описании изобретения не определен критерий совмещенности растров и не раскрыто каким образом совмещают растры. Важным обстоятельством, также не раскрытым в описании известного технического решения, является учет расположения видеокамеры под различными ракурсами относительно экрана, а также искажения, вносимые в изображения, формируемые видеокамерой. Этими обстоятельствами и определена низкая точность определения места попадания в мишень.

При этом известное техническое решение не раскрывает использование подсветки и видеокамеры в инфракрасном диапазоне для определения попадания в цель, т.е. определения места попадания пули в вывешиваемую в тире мишень с нарисованной (напечатанной) целью.

Заявленное изобретение направлено на устранение указанных выше недостатков.

Раскрытие изобретения

Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в увеличении точности определения места попадания в мишень относительно цели. Для этого используется набор меток (маркеров), наносимый на мишень, подсвечиваемый и регистрируемый видеокамерой в инфракрасном диапазоне. В первом варианте изобретения мишень выполнена в виде экрана, на который проецируется изображение цели. Во втором варианте изобретения изображение цели нарисовано или напечатано на мишени, выполненной из плотного материала.

Указанный технический результат достигается в способе определения попадания в цель, проецируемую на экран, при котором экран подсвечивают инфракрасным излучением, а изображение отверстия в экране, образованного пулей, получают видеокамерой в инфракрасном диапазоне и отображают в изображении цели, проецируемом на экран, при этом:

- получают видеокамерой в инфракрасном диапазоне изображение набора меток, предварительно нанесенных на экране,

- проецируют видеопроектором на экран изображение цели, совмещенное с изображением набора меток, полученного видеокамерой в инфракрасном диапазоне,

- совмещают изображение набора меток, спроецированное на экран, с набором меток, предварительно нанесенных на экран, и определяют функцию преобразования полученного видеокамерой изображения, совмещающего наборы меток, а

изображение каждого отверстия в экране, образованного пулей и полученное видеокамерой в инфракрасном диапазоне, подвергнув преобразованию, определенному при совмещении наборов меток, отображают видеопроектором на экране вместе с изображением цели.

Может быть сформирована маска изображения экрана в инфракрасном диапазоне, при этом сглаживают изображения набора меток и пулевых отверстий, усредняют яркость и инвертируют цвета, а каждое новое пулевое отверстие в экране выявляют из сравнения с маской изображения экрана, сформированной в момент времени, предшествующий появлению нового пулевого отверстия.

Предварительно, внутренние и внешние параметры и дисторсия объектива видеокамеры могут быть калиброваны посредством изображений набора меток, нанесенного на экране, полученных при разных направлениях оптической оси объектива видеокамеры, а полученные в результате калибровки значения параметров видеокамеры использованы в качестве параметров функции преобразования, совмещающего наборы меток.

Указанный технический результат достигается также в способе определения попадания в цель, нанесенной на мишени, подсвечиваемой инфракрасным излучением, при этом:

- изображение мишени с предварительно нанесенным набором меток, полученное видеокамерой в инфракрасном диапазоне, регистрируют и совмещают c хранимым в памяти компьютера изображением цели и набора меток на мишени, полученным с позиции стрелка, наблюдающего цель на мишени при стрельбе;

- наблюдая на экране монитора совмещенные изображения изменяют изображение набора меток, полученное видеокамерой в инфракрасном диапазоне, до полного совпадения с изображением набора меток, хранимом в памяти компьютера, и определяют соответствующую функцию преобразования изменяющего изображение набора меток, а затем используя эту функцию преобразования изменяют расположение изображения каждого пулевого отверстия в мишени, полученного видеокамерой в инфракрасном диапазоне, и отображают в изображении цели, наблюдаемом на экране монитора.

Может быть сформирована маска изображения экрана в инфракрасном диапазоне, при этом сглаживают изображения набора меток и пулевых отверстий, усредняют яркость и инвертируют цвета, а каждое новое пулевое отверстие в экране выявляют из сравнения с маской изображения экрана, сформированной в момент времени, предшествующий появлению нового пулевого отверстия.

Предварительно, внутренние и внешние параметры и дисторсия объектива видеокамеры могут быть калиброваны посредством изображений набора меток, нанесенного на экране, полученных при разных направлениях оптической оси объектива видеокамеры, а полученные в результате калибровки значения параметров видеокамеры использованы в качестве параметров функции преобразования, совмещающего наборы меток.

Краткое описание чертежа

На фиг. 1 и фиг. 2 показано взаимное расположение оборудования стрелкового тира с использованием мишени в виде плоского экрана с проецируемым на него изображением цели.

На фиг. 3 и фиг. 4 показано взаимное расположение оборудования стрелкового тира с использованием плоской мишени из плотного материала с нарисованным или напечатанным изображением цели.

Реализация изобретения

Показанное схематично на фиг. 1 и фиг. 2 оборудование стрелкового тира в соответствии с первым вариантом изобретения, включает экран 1 с нанесенными на нем метками 2, отражающими инфракрасное излучение; инфракрасный прожектор 3, подсвечивающий экран 1; видеопроектор 4, проецирующий на экран 1 изображение цели 5; инфракрасную видеокамеру 6, регистрирующая изображение экрана 1 с метками и образованными пулями отверстиями в инфракрасном диапазоне излучения прожектора 3, и компьютер, соединенный с инфракрасной камерой 6 и видеопроектором 4.

Изображения, регистрируемые инфракрасной камерой 6, передаются в компьютер, где обрабатываются и хранятся в памяти компьютера. При обработке изображений, зарегистрированных инфракрасной камерой 6, формируют маску изображения экрана 1 с метками 2 и пулевыми отверстиями, для этого сглаживают изображения набора меток и пулевых отверстий, усредняют яркость и инвертируют цвета, а каждое новое пулевое отверстие в экране 1 выявляют из сравнения с маской изображения экрана 1, сформированной в момент времени, предшествующий появлению нового пулевого отверстия.

В памяти компьютера хранится также изображение цели 5, проецируемой видеопроектором 4 на экран 1. Для отображения на экране 1 видеопроектором 4 изображений пулевых отверстий, совпадающих с действительными пулевыми отверстиями в экране 1, целесообразно предварительно использовать изображение набора меток 2 на экране 1, зарегистрированных видеокамерой 6. Во-первых, необходимо, используя компьютер, спроецировать видеопроектором 4 на экран 1 изображение экрана 1 с метками, полученное видеокамерой, совместно с изображением цели.

Во-вторых, необходимо обеспечить совпадение на экране изображение каждой из меток с одной из меток 2, нанесенных на экран 1. Тем самым, обеспечивается совпадение (идентичность взаимного расположения) элементов изображения экрана, зарегистрированного инфракрасной видеокамерой 6 и проецируемого видеопроектором 4, с экраном – предметом, установленным в тире. При этом совершенное компьютером преобразование зарегистрированного инфракрасной видеокамерой изображения экрана, при неизменном расположении видеокамеры и видеопроектора относительно экрана, гарантирует, при его применении, совпадение на экране проецируемого изображения последующего пулевого отверстия с действительным пулевым отверстием в экране – предмете, установленным в тире. Точность указанного совпадения зависит от количества используемых меток и их распределения по поверхности экрана.

Обеспечить совпадение на экране 1 расположения изображения каждой из меток с расположением одной из меток 2, нанесенных на экран, можно деформируя и масштабируя изображение всей совокупности меток, используя компьютер и соответствующую программу. При указанном совпадении изображение меток регистрируется. Затем из сравнения изображения, полученного видеокамерой, и изображения, при котором обеспечивается совпадение, определяют преобразование.

В общем случае, установить параметры преобразования, которое переводит координаты меток в начальном изображении в координаты точек изображения, обеспечивающего совпадение, можно путем решения системы уравнений. Например, композиция преобразований содержит операции переноса точек, масштабирования и поворота. Тогда можно записать уравнение преобразования точки. Матрицы отдельных преобразований имеют значения:

Матрица композиции преобразований переноса, масштабирования и поворота определяется перемножением указанных матриц отдельных преобразований. Она позволяет записать соотношения для соответствующих координат точек модели и изображения:

Установить параметры преобразования, которое переводит координаты меток в начальном изображении в координаты точек изображения, обеспечивающего совпадение, можно используя калибровку инфракрасной камеры. Для калибровки камеры используется программа OpenCV из библиотеки Windows. OpenCV (Open Source Computer Vision Library) — алгоритмы компьютерного зрения и обработки изображений. 

Калибровка – процесс определения внутренних и внешних параметров камеры по сделанным изображениям. В соответствии с Zhang Z. A flexible new technique for camera calibration. IEEE Transactions on pattern analysis and machine intelligence. 2000. 22(11). P. 1330–1334, необходимо использование плоского калибровочного объекта (шаблона), в качестве которого можно использовать экран с нанесенными на нем метками. Количество изображений, достаточных для надёжного определения параметров камеры с помощью калибровки, зависит от физического размера экрана с расположенными на нем метками (шаблона), количества меток и площади поля зрения камеры, занимаемой шаблоном на тестовых изображениях. См., например, И.А. Петриков, М. В. Недорезов, В. В. Ткаченко Совмещение изображений с двух камер с различными диапазонами излучения ТРУДЫ МФТИ. 2021. Том 13, № 4.

Показанное схематично на фиг. 3 и фиг. 4 оборудование стрелкового тира в соответствии со вторым вариантом изобретения, включает мишень 7 из плотного материала с нарисованным или напечатанным изображением цели 8, например, в виде концентрических кругов, и нанесенными метками 9, отражающими инфракрасное излучение; инфракрасный прожектор 10, подсвечивающий мишень 7; инфракрасную видеокамеру 11, регистрирующую изображение мишени 7 с метками 9 и образованными пулей отверстиями в инфракрасном диапазоне излучения прожектора 10, и соединенный с инфракрасной видеокамерой 11 компьютер с монитором.

Изображения мишени 7 с метками 9, отражающими инфракрасное излучение, регистрируемые инфракрасной видеокамерой 11, передаются в компьютер, где обрабатываются и хранятся в памяти компьютера. При обработке изображений, зарегистрированных инфракрасной видеокамерой 11, формируют маску изображения мишени 7 с метками 9 и пулевыми отверстиями, для этого сглаживают изображения набора меток и пулевых отверстий, усредняют яркость и инвертируют цвета, а каждое новое пулевое отверстие в мишени 7 выявляют из сравнения с маской изображения мишени 7, сформированной в момент времени, предшествующий появлению нового пулевого отверстия.

В памяти компьютера хранится также изображение цели 8 и меток 9, нанесенных на мишени 7. Воспроизводимое из памяти компьютера и отображаемое на экране монитора изображение цели и меток идентично по форме и взаимному расположению цели и меткам на мишени 7 с точки зрения стрелка, наблюдающего цель 8 при стрельбе по мишени 7. Как правило, изображение цели, а значит и меток, соответствует наблюдению по направлению перпендикулярному мишени в центре цели. Поэтому отображение изображений пулевых отверстий, совпадающих с действительными пулевыми отверстиями в мишени 7, возможно на изображение цели, отображаемом на экране монитора.

Для отображения на экране монитора изображений пулевых отверстий, положение которых относительно цели совпадает с положением действительных пулевых отверстий в мишени 7, как и в раскрытом выше первом варианте технического решения, целесообразно предварительно использовать изображение набора меток 9 на мишени 7, зарегистрированных видеокамерой 11. Во-первых, необходимо, используя компьютер, совместить изображение мишени 7, полученное видеокамерой 11, с изображением цели и меток, хранимым в памяти компьютера.

Во-вторых, наблюдая на экране монитора совмещенные изображения, необходимо обеспечить совпадение на экране монитора изображение каждой из меток 9 на мишени 7 с одной из меток на изображении, хранимом в памяти компьютера. Тем самым, обеспечивается идентичность по форме и взаимному расположению цели и меток изображения цели 8 на мишени 7 и изображением цели, хранимой в памяти компьютера. При этом совершенное компьютером преобразование зарегистрированного инфракрасной видеокамерой 11 изображения мишени 7, при неизменном расположении видеокамеры относительно мишени, гарантирует, при его последующем применении, совпадение положения относительно цели изображения на экране монитора последующего пулевого отверстия с положением относительно цели 8 действительного пулевого отверстия в мишени 7, установленной в тире. Точность указанного совпадения зависит от количества используемых меток и их распределения по поверхности мишени относительно нанесенной на мишень цели.

Обеспечить совпадение на экране изображения каждой из меток на мишени 7 с одной из меток на изображении, хранимом в памяти компьютера, можно деформируя и масштабируя изображение всей совокупности меток на мишени 7, используя компьютер, монитор и соответствующую программу. При указанном совпадении, регистрируется изображение меток, наблюдаемое на мониторе. Затем из сравнения изображения, полученного видеокамерой, и изображения, при котором обеспечивается совпадение, определяют преобразование изображения, используемое затем при отображении изображений пулевых отверстий. Каким образом можно определить преобразование раскрыто при рассмотрении первого варианта изобретения.

Изобретение относится к системам индикации мишени и определения попаданий. Способ определения попадания в цель, проецируемую или нанесенную на мишени, при котором мишень подсвечивают инфракрасным излучением, а изображение отверстия, образованного пулей, получают видеокамерой в инфракрасном диапазоне и отображают в изображении цели, соответственно проецируя на мишень или на экране монитора. Для обеспечения идентичности расположения изображений пулевых отверстий реальному расположению пулевых отверстий на мишени преобразуют изображение мишени с пулевыми отверстиями. Для определения преобразования изображения используют набор меток, нанесенный на мишени. Варианты способа позволяют увеличить точность определения места попадания в мишень относительно цели. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения попадания в цель, проецируемую на экран, подсвечиваемый инфракрасным излучением, при этом изображение отверстия в экране, образованного пулей, получают видеокамерой в инфракрасном диапазоне и отображают в изображении цели, проецируемом на экран, отличающийся тем, что сначала получают видеокамерой в инфракрасном диапазоне изображение набора меток, предварительно нанесенных на экране, затем проецируют видеопроектором на экран изображение цели, совмещенное с изображением набора меток, полученного видеокамерой в инфракрасном диапазоне, совмещают изображение набора меток, спроецированное на экран, с набором меток, предварительно нанесенных на экран, и определяют функцию преобразования, совмещающего наборы меток, а изображение каждого отверстия в экране, образованного пулей, полученное видеокамерой в инфракрасном диапазоне, подвергнув преобразованию, определенному при совмещении наборов меток, отображают видеопроектором на экране вместе с изображением цели.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют маску изображения экрана, полученного в инфракрасном диапазоне, при этом сглаживают изображения набора меток и пулевых отверстий, усредняют яркость и инвертируют цвета, а каждое новое пулевое отверстие в экране выявляют из сравнения с маской изображения экрана, сформированной в момент времени, предшествующий появлению нового пулевого отверстия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно калибруют внутренние и внешние параметры видеокамеры и дисторсию объектива видеокамеры, используя изображения набора меток, нанесенных на экране, полученные с разными направлениями оптической оси объектива видеокамеры, а значения параметров видеокамеры используют в качестве параметров функции преобразования, совмещающего наборы меток.

4. Способ определения попадания пули в цель, нанесенную на мишень, подсвечиваемую инфракрасным излучением, при этом получают видеокамерой в инфракрасном диапазоне изображение отверстия в мишени, образованного пулей, отличающийся тем, что сначала получают видеокамерой в инфракрасном диапазоне изображение мишени с предварительно нанесенным набором меток и совмещают это изображение c хранимым в памяти компьютера изображением цели и набором меток на мишени, полученным с позиции стрелка, наблюдающего цель на мишени при стрельбе, затем, наблюдая на экране монитора совмещенные изображения, изменяют изображение набора меток, полученное видеокамерой в инфракрасном диапазоне, до полного совпадения с изображением набора меток, хранимым в памяти компьютера, и определяют соответствующую функцию преобразования изменяющего изображение набора меток, а затем, используя эту функцию преобразования, изменяют расположение полученного видеокамерой в инфракрасном диапазоне изображения каждого пулевого отверстия в мишени относительно цели и отображают в изображении цели, наблюдаемом на экране монитора.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что формируют маску изображения мишени, полученного в инфракрасном диапазоне, при этом сглаживают изображения набора меток и пулевых отверстий, усредняют яркость и инвертируют цвета, а каждое новое пулевое отверстие в мишени выявляют из сравнения с маской изображения мишени, сформированной в момент времени, предшествующий появлению нового пулевого отверстия.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что предварительно калибруют внутренние и внешние параметры видеокамеры и дисторсию объектива видеокамеры, используя изображения нанесенного на экране набора меток, полученные с разными направлениями оптической оси объектива видеокамеры, а значения параметров видеокамеры используют в качестве параметров функции преобразования, совмещающего наборы меток.