段海濤

（北京科技大學，北京 100083）

0 引 言

在海洋環(huán)境中，船舶的航行軌跡對于提高航行安全性、監(jiān)測海洋環(huán)境、增強作戰(zhàn)指揮能力等方面均具有重要的意義[1]。實時顯示船舶航行軌跡的系統(tǒng)對于現(xiàn)代海軍、航運業(yè)以及海洋科學研究等領域的需求變得越來越迫切。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，使用計算機圖像處理和視景仿真技術來構建虛擬現(xiàn)實的視景模型，在軍事和民用等領域有著廣泛的應用前景。特別是對艦船軌跡的三維虛擬現(xiàn)實重構，有效地解決了武器系統(tǒng)研制和模擬演習中的視景仿真問題[2]。通過模擬船舶航行軌跡，能夠進行多武器平臺和模擬海戰(zhàn)情況下的船舶軌跡重構。這不僅可以提高軍事推演、武器研究和作戰(zhàn)訓練中的實時視覺仿真分析能力，還能夠縮短武器裝備的研制周期、節(jié)約軍演經(jīng)費等。因此，研究基于多媒體技術的船舶軌跡虛擬重構具有重要的現(xiàn)實意義。

1 船舶航行軌跡實時顯示系統(tǒng)詳細設計

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

船舶航行軌跡實時顯示系統(tǒng)在軍事上可為海上實戰(zhàn)呈現(xiàn)虛擬場景，為制定和執(zhí)行海戰(zhàn)計劃提供更加直觀和真實的船舶航行數(shù)據(jù)[3]，因此可使用多媒體技術以建立三維實例模型的方式為用戶提供三維場景展示功能。船舶在海上航行時，地面站以及船舶自身都需要及時掌握其航行軌跡，因此船舶航行軌跡實時顯示系統(tǒng)需要具有信息同步的功能。為充分呈現(xiàn)船舶航行軌跡可視化畫面，該系統(tǒng)需要連接不同類型的數(shù)據(jù)庫以及軟件硬件的驅動腳本[4]，其也需要具有實體驅動的功能。同時支持用戶對船舶航行軌跡信息進行調取、查詢等，其也需要具備較好的交互功能。

1.2 基于FPGA 的船舶導航雷達回波采集模塊設計

在航行過程中，船舶依據(jù)導航雷達的導航進行航行，因此通過采集船舶導航雷達回波得到船舶航行的軌跡數(shù)據(jù)。以可編程邏輯控制器（FPGA）為基礎，設計船舶導航雷達回波采集模塊，其結構如圖1 所示。

圖1 船舶導航雷達回波采集模塊結構Fig. 1 Structure of ship navigation radar echo acquisition module

利用FPGA 連接ARM 處理器，將ADC 原始回波信號輸入到FPAG 內后，經(jīng)過去噪聲、差值和信號處理后，分別對吹后的ADC 原始回波信號進行回波擴展、點跡提取、數(shù)據(jù)以及緩存處理后，利用DMA 傳輸方式將FIFO 回波緩存數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM 處理器內的坐標轉換單元內，利用I/O 讀取方式將FIFO 點跡緩存數(shù)據(jù)發(fā)送到ARPA 跟蹤單元內，依據(jù)坐標轉換和ARPA 跟蹤結果對回波層畫面和字體符號層進行刷新，再對刻度線層畫面和電子海圖層進行更新后，通過IEC61162 接口協(xié)議解析和人機交互操作命令處理實現(xiàn)人機交互，通過GPS、AIS 等展示船舶導航雷達回波數(shù)據(jù)。

1.3 基于卡爾曼濾波的航跡獲取

利用船舶導航雷達回波采集模塊采集到船舶導航雷達回波數(shù)據(jù)后，利用卡爾曼濾波對雷達回波數(shù)據(jù)進行處理后，提取到船舶實際航行的航跡。卡爾曼濾波算法可在測量的信號內使用遞歸估計的方式獲得動態(tài)目標的當前實際狀態(tài)[5]，在目標跟蹤、導航、通信等多個領域廣泛應用。

由于船舶導航雷達射頻收發(fā)單元更新周期為36 r/min，導航雷達更新目標位置的間隔為2 s，故將卡爾曼濾波位置更新周期設置為0.2 s。Yk表示船舶航跡狀態(tài)矩陣，則導航雷達對船舶航跡定位的動態(tài)模型可表示為：

式中：k表示時刻，當k=0 時，則表示初始時刻；Fk-1、Qk-1分別表示船舶狀態(tài)轉移矩陣和過程噪聲矩陣。

Uk表示船舶航跡回波信號的量測矢量，其計算公式如下：

式中：H、Vk分別表示船舶航跡回波信號的量測矩陣和量測誤差矢量。

以式（1）和式（2）結果為基礎，建立卡爾曼濾波器并初始化：

式中：Y0表示初始船舶航跡狀態(tài)信息；分別表示初始卡爾曼濾波估計的狀態(tài)矩陣和協(xié)方差矩陣；E表示狀態(tài)矩陣協(xié)方差。

對2 s 后的船舶航跡位置進行估計，公式如下：

通過計算預測協(xié)方差矩陣、更新協(xié)方差矩陣和更新濾波增益矩陣后，可得到船舶2 s 后航跡真實狀態(tài)。

將式（6）結果按照時序排列后，即可得到船舶航行軌跡。

1.4 基于多媒體技術的船舶航行虛擬環(huán)境建立

利用計算機對圖形、文字、數(shù)據(jù)等進行綜合處理等技術被稱為多媒體技術，該技術可為用戶提供數(shù)據(jù)實時交互能力[6]，在圖形、文字和數(shù)據(jù)處理等多媒體技術中，3Dmax 技術屬于一種建模技術，其可建立目標的虛擬模型、環(huán)境等為用戶提供一種仿真場景。在此使用多媒體技術中的3Dmax 技術建立船舶模型和航行環(huán)境模型，再將船舶航行軌跡導入到該模型內，即可得到船舶航行軌跡可視化畫面。使用3Dmax 技術建立船舶模型和航行環(huán)境模型步驟如下：

步驟1將船舶和航行環(huán)境輪廓CAD 矢量數(shù)據(jù)導入到3Dmax 內，將矢量數(shù)據(jù)轉換成可編輯的多邊形數(shù)據(jù)后，清除其坐標后得到船舶和其航行環(huán)境模型。

步驟2對船舶和其航行環(huán)境模型進行優(yōu)化處理，在3Dmax 軟件內，對船舶和其航行環(huán)境模型變形、交疊區(qū)域進行調整。

步驟3以船舶和其航行環(huán)境實景圖像為基礎，對船舶和其航行環(huán)境模型進行紋理貼圖處理[7]，將實景圖像像素數(shù)值設置為2N，將貼圖長寬設置為1∶2 后，使用UVW 貼圖工具將紋理貼在船舶和其航行環(huán)境模型上[8]，再將船舶航行軌跡輸入導入到該模型內，即可得到逼真的船舶航行軌跡可視化畫面。

1.5 實時顯示模塊設計

得到船舶航行軌跡可視化畫面后，利用實時顯示模型為用戶呈現(xiàn)該畫面，設計實時顯示模塊結構如圖2所示。在系統(tǒng)實時顯示模塊內，用戶通過用戶端連接通信板卡與CPU 內的通信程序進行交互，CPU 通過驅動程序驅動HMI 顯示屏顯示船舶航行軌跡。

圖2 實時顯示模塊結構Fig. 2 Real time display module structure

2 實驗結果分析

以某遠洋船舶作為實驗對象，該船可搭載原油和散貨，吃水約14 m，船長約230 m，寬約為度為4 m。使用本文系統(tǒng)對該船航行軌跡進行可視化顯示，驗證本文系統(tǒng)的實際應用效果。

采集船舶的雷達回波信號是獲取船舶航行軌跡的基礎，利用本文系統(tǒng)采集該船舶某時刻的雷達回波信號，采集結果如圖3 所示，可以清晰地獲取以該船舶為中心的雷達回波信號。雷達回波信號可以提供有關船舶周圍環(huán)境的重要信息，這些信息對于后續(xù)船舶航行軌跡的可視化非常重要。雷達回波信號包含了有關船舶距離、速度、角度、形狀等重要信息。通過處理和分析這些信號，可以提取出有關周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，為后續(xù)船舶軌跡可視化提供數(shù)據(jù)基礎。

圖3 船舶雷達回波信號采集結果Fig. 3 Acquisition results of ship radar echo signal

以該船舶某段時間航行雷達回波信號作為實驗對象，使用本文系統(tǒng)獲取該段雷達回波信號對應的船舶航行軌跡，提取結果如表1 所示。分析可知，利用本文系統(tǒng)可有效獲得該船舶航行時的經(jīng)度和緯度，說明本文系統(tǒng)具備較強的獲得船舶航行軌跡能力。

表1 船舶航跡獲取結果Tab. 1 Obtaining results of ship track

建立船舶模型與其航行環(huán)境模型是顯示其航行軌跡的必要途徑，驗證本文系統(tǒng)建立該船舶航行模型和航行環(huán)境模型效果，建立該船舶和其航行環(huán)境模型，結果如圖4 所示。分析可知，利用本文系統(tǒng)可建立船舶與其航行環(huán)境模型，其整體呈現(xiàn)的畫面清晰，層次分明，船舶線條流暢，水體與天空較為逼真，說明本文系統(tǒng)不僅具備較好的船舶和航行環(huán)境建模能力，其實時顯示的視覺效果較好。

圖4 船舶與航行環(huán)境可視化展示Fig. 4 Visual display of ships and navigation environment

利用本文系統(tǒng)實時展示該船舶航行軌跡，展示畫面如圖5 所示。分析可知，利用本文系統(tǒng)可為用戶呈現(xiàn)船舶從起點到船舶當前位置的航行軌跡，說明本文系統(tǒng)具備較好的應用性，可在該領域廣泛應用。

圖5 船舶航行軌跡實時展示畫面Fig. 5 Real time display screen of ship navigation trajectory

3 結 語

基于多媒體技術的船舶航行軌跡實時顯示是一項重要的技術應用，通過研究船舶航行軌跡，為船舶在軍事和民用領域良好地運用提供數(shù)據(jù)分析基礎?？傮w來說，基于多媒體技術的船舶航行軌跡實時顯示在多個領域具有廣泛的應用前景，隨著技術的不斷發(fā)展，未來會有更多創(chuàng)新和突破。