苗振奎

(江蘇自動(dòng)化研究所,江蘇 連云港 222061)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，利用通用計(jì)算機(jī)進(jìn)行雷達(dá)信息處理和視頻顯示成為一種趨勢(shì)。這種方法不僅可以降低成本而且能夠更加靈活地對(duì)雷達(dá)信息進(jìn)行處理，并且可以滿足雷達(dá)信息多樣化的需求。目前雷達(dá)數(shù)據(jù)的終端顯示雖然都是利用通用微機(jī)顯示，但很多處理都是通過(guò)DSP(digital signal processing)等器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在DSP 中實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，它可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高速處理。但隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的進(jìn)步，利用軟件對(duì)雷達(dá)視頻處理也能滿足實(shí)時(shí)性需求，同時(shí)還能進(jìn)一步降低成本。基于DirectX[1]開(kāi)發(fā)的多媒體程序是運(yùn)行在硬件抽象層上，既可以充分利用系統(tǒng)的硬件加速功能，又能隱藏硬件的設(shè)備特性，通過(guò)編寫(xiě)與設(shè)備無(wú)關(guān)的高效代碼，DirectX程序能以最佳的方式運(yùn)行，并具有效率高和易開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)[2]。本文提出了一種基于Direct3D的雷達(dá)終端軟件化顯示方法，并在此基礎(chǔ)上用C++語(yǔ)言加以實(shí)現(xiàn)。

1 Direct3D顯示技術(shù)

目前，基于Windows操作系統(tǒng)下雷達(dá)終端顯示的有2種方式：一種是利用FPGA(field-programmable gate array)或DSP硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的；一種是基于軟件程序開(kāi)發(fā)。后一種選用基于DirectX或OpenGL，其普通做法是先量化雷達(dá)掃描線，每條掃描線分為512個(gè)點(diǎn)，逐點(diǎn)填寫(xiě)顏色實(shí)現(xiàn)[3]。這種方式占用計(jì)算機(jī)資源較多，不利于雷達(dá)終端作后續(xù)的信號(hào)處理。本文利用Direct3D渲染三維對(duì)象技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)PPI(plane position indications)顯示，利用Alpha混合技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)余輝衰減。相對(duì)于前一種方法，占用計(jì)算機(jī)資源較少，能為后續(xù)的目標(biāo)點(diǎn)跡提取，目標(biāo)跟蹤等節(jié)約較多的計(jì)算空間和計(jì)算時(shí)間，滿足雷達(dá)軟件化總體要求。

軟件化顯示技術(shù)包含3個(gè)方面的問(wèn)題：①渲染三維對(duì)象；②利用Alpha混合技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視頻余輝衰減；③使用紋理技術(shù)實(shí)現(xiàn)海圖覆蓋層。Direct3D渲染三維對(duì)象的過(guò)程分為2個(gè)階段：第1個(gè)稱為T&L(transforming and lighting)階段；第2個(gè)稱為光柵化處理。其具體關(guān)系如圖1所示。

圖1 渲染3D對(duì)象的兩個(gè)階段Fig.1 Two stages of rendering 3D objects

其中T&L流水線經(jīng)過(guò)一系列的變換，如圖2所示。

圖2 T&L流水線Fig.2 T&L pipeline

Direct3D為了繪制透明物體，通過(guò)定義一個(gè)表示物體半透明度的Alpha值和一個(gè)透明的計(jì)算公式，可以把將要繪制的物體顏色與顏色緩沖區(qū)內(nèi)的顏色相混合，進(jìn)而繪制出具有半透明效果的物體，其計(jì)算方法為

↑Color=(RGBsrcKsrc)OP(RGBdstKdst)，

(1)

式中：Color為Alpha混合后的顏色值；RGBsrc為源顏色值，即將要繪制的圖元的顏色值；Ksrc為源的混合系數(shù)，通常賦值為表示物體半透明程度的Alpha值，用來(lái)和RGBsrc相乘；RGBdst為目標(biāo)顏色值，即當(dāng)前顏色緩沖區(qū)的顏色值；Kdst為目標(biāo)混合系數(shù)，用來(lái)和RGBdst相乘；OP表示源計(jì)算結(jié)果與顏色緩沖區(qū)計(jì)算結(jié)果的混合方法，屬于枚舉類型D3DBLEND的值。

2 方法設(shè)計(jì)

利用上面介紹的原理，雷達(dá)終端軟件化顯示方法中渲染圖形的核心方法如下：

(1) 創(chuàng)建紋理

該過(guò)程需要?jiǎng)?chuàng)建2個(gè)紋理[4]:一個(gè)是作為可操作的表面，作為PPI顯示的背景；一個(gè)是實(shí)時(shí)顯示每一個(gè)視角下的紋理。創(chuàng)建第1個(gè)紋理，Direct3D提供了創(chuàng)建紋理的接口D3DXCreateTextureFromFileEx()，根據(jù)實(shí)際雷達(dá)PPI顯示的大小，創(chuàng)建紋理。設(shè)置紋理屬性使該紋理為可操作的表面，以便后續(xù)對(duì)其進(jìn)行更新處理；創(chuàng)建第2個(gè)紋理使用D3DXCreateTexture()接口，其寬度為表面紋理的寬度，高度為1，用來(lái)更新顯示。

(2) 渲染三維對(duì)象

傳統(tǒng)PPI顯示采用量化方位線，逐點(diǎn)填色的方式[5]。由于雷達(dá)數(shù)據(jù)量大，此方法計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，成為實(shí)現(xiàn)短周期雷達(dá)終端顯示的瓶頸。本軟件化顯示技術(shù)的關(guān)鍵在使用T&L流水線處理，使用變換坐標(biāo)的方法，每更新一條方位的視頻數(shù)據(jù)，更新一個(gè)世界變換矩陣，使攝像機(jī)繞PPI圓心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在不影響顯示效果的情況下，雷達(dá)數(shù)據(jù)量化為4 096條方位線，旋轉(zhuǎn)速度以(360°/4 096)/次為佳。

(3) Alpha混合技術(shù)

使用Alpha混合技術(shù)，可設(shè)置2層紋理的渲染狀態(tài)[6]，利用SetRenderState()接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。將第1層紋理設(shè)置為PPI表面紋理，將第2層設(shè)置為更新時(shí)的紋理，然后將2次紋理的顏色相乘輸出。視頻余輝衰減是依據(jù)每更新一幀視頻數(shù)據(jù)，原來(lái)顏色逐漸減弱為背景色(默認(rèn)為黑色)的原理實(shí)現(xiàn)的。首先設(shè)置跟第1層紋理混合的系數(shù)，即D3DCOLOR_ARGB()參數(shù)的值，然后啟用Alpha混合，將第2層紋理顏色與第1層顏色相減，實(shí)現(xiàn)PPI顏色衰減顯示。

(4) 疊加海圖覆蓋層

在創(chuàng)建紋理的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)海圖覆蓋層的疊加[7]，進(jìn)一步滿足操控者對(duì)整個(gè)態(tài)勢(shì)的把握和掌控。設(shè)置PPI顯示的紋理、紋理階段狀態(tài)和紋理坐標(biāo)索引后，利用初始化時(shí)創(chuàng)建的第2層紋理，即帶有海圖信息的.dds文件，設(shè)置其和PPI顯示的紋理顏色相加。使用接口函數(shù)SetTextureStageState()，可以有選擇地實(shí)現(xiàn)海圖覆蓋層是否顯示。

3 實(shí)現(xiàn)

基于上述方法，所使用計(jì)算機(jī)配置為：四核Intel Core Q8400 2.66GHz,Nvidia GeForce GT220，利用VS2005創(chuàng)建基于MFC的單文檔項(xiàng)目[8]。首先創(chuàng)建一個(gè)Windows窗口[9]，然后初始化Direct3D，包括創(chuàng)建Direct3D對(duì)象、Direct3D設(shè)備對(duì)象以及要渲染的圖形對(duì)象。利用Button按鈕啟動(dòng)多媒體定時(shí)器[10]，進(jìn)入消息循環(huán)。渲染圖形的代碼在定時(shí)器里實(shí)現(xiàn)，包括對(duì)頂點(diǎn)的變換、像素渲染、Alpha測(cè)試混合和提交顯示。其中頂點(diǎn)變換是對(duì)流水線中的頂點(diǎn)作模型矩陣，投影矩陣處理；像素渲染是對(duì)流水線中的頂點(diǎn)賦值雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)的RGB值和Alpha值；Alpha測(cè)試混合是對(duì)像素渲染后的頂點(diǎn)Alpha值按照公式(1)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)視頻顏色的衰減。根據(jù)不同操控方式，如不同的雷達(dá)掃描周期下，設(shè)置加速和減速2個(gè)Button按鈕，每加速或者減速一次，繪制不同掃描周期下的視頻信息。程序設(shè)計(jì)框圖3所示。

圖3 程序框圖Fig.3 Program diagram

軟件實(shí)現(xiàn)后，可以實(shí)現(xiàn)任意掃描周期下的PPI顯示，且不增加CPU的使用率。為了增強(qiáng)顯示效果，在整個(gè)PPIView窗口上顯示4個(gè)距離環(huán)和12條方位線。最終實(shí)現(xiàn)界面和占用CPU資源情況如圖4所示。

圖4 雷達(dá)終端軟件化顯示和CPU占用資源情況Fig.4 Software implementation of radar terminal display and the occupation resources of CPU

從圖4可以看出，該方法可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)終端軟件化顯示，并且使用CPU資源較少，僅為4%，為后續(xù)視頻數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理留足了時(shí)間。

利用“衰減+”和“衰減-”2個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)視頻余輝衰減的控制，改變D3DCOLOR_ARGB()參數(shù)實(shí)現(xiàn)256級(jí)衰減。衰減情況及占用CPU資源情況如圖5所示。

圖5 衰減情況和CPU占用資源情況Fig.5 Attenuation and the occupation resources of CPU

由圖5可以看出，此方法實(shí)現(xiàn)的衰減效果理想，且不額外增加CPU占用率，是一種理想的顯示方法。

利用按鈕選擇是否添加海圖。添加海圖后的顯示結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 添加覆蓋層后顯示效果Fig.6 Display effect after adding over layer

圖7 添加覆蓋層衰減后的效果Fig.7 Display effect after attenuation of over layer

由圖6可以看出，利用紋理技術(shù)和Alpha混合技術(shù)能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)終端的顯示，占用CPU使用率為4%，沒(méi)有增加圖形顯示的壓力，同時(shí)不影響顯示效果。加衰減后的顯示效果如圖7所示。由圖7可以看出，添加海圖覆蓋層后，沒(méi)有增加CPU占用率，沒(méi)有影響余輝顯示效果，表明該方法是一種理想的實(shí)現(xiàn)手段。

4 結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)終端軟件化顯示是雷達(dá)裝備的發(fā)展趨勢(shì)，它不僅表現(xiàn)在成本低[11]，而且在信號(hào)處理與操控方面也十分靈活。Direct3D技術(shù)是微軟公司發(fā)布的，在Windows系統(tǒng)下對(duì)GPU操作的顯示技術(shù)[12]。Direct3D軟件開(kāi)發(fā)工具包(SDK)提供了一套優(yōu)秀的應(yīng)用程序編程接口(APIS)，這個(gè)編程接口可以提供開(kāi)發(fā)高質(zhì)量、強(qiáng)實(shí)時(shí)性應(yīng)用程序所需要的各種資源。合理利用渲染對(duì)象和Alpha混合技術(shù)可以很好地實(shí)現(xiàn)雷達(dá)終端軟件化，并且占用計(jì)算機(jī)資源較少，可以滿足工程上雷達(dá)實(shí)時(shí)性的要求。在此基礎(chǔ)上，可以繼續(xù)利用軟件進(jìn)行點(diǎn)跡凝聚和目標(biāo)跟蹤等算法的實(shí)現(xiàn)。

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