基于Qt Graphics View框架和OpenGL的雷達(dá)圖像分層的實(shí)現(xiàn)

陜西長(zhǎng)嶺電子科技有限責(zé)任公司產(chǎn)品開發(fā)部　彭葉飛

基于Qt Graphics View框架和OpenGL的雷達(dá)圖像分層的實(shí)現(xiàn)

陜西長(zhǎng)嶺電子科技有限責(zé)任公司產(chǎn)品開發(fā)部彭葉飛

電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，對(duì)雷達(dá)顯控終端的要求也越來越高。本文提出一種基于Qt Graphics View框架和OpenGL來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)圖像分層的方法，方式簡(jiǎn)單，并具有可移植性，可幫助開發(fā)人員在不同平臺(tái)下快速設(shè)計(jì)高性能、高穩(wěn)定性的雷達(dá)顯控終端。

電子海圖；雷達(dá)；圖像分層

引言

在軍事、航海等領(lǐng)域，電子海圖無法顯示動(dòng)態(tài)目標(biāo)，雷達(dá)則不能識(shí)別周圍目標(biāo)的屬性，將電子海圖與雷達(dá)信息疊加顯示，才可實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)［1］。隨著電子海圖與雷達(dá)信息數(shù)字化后，電子海圖與雷達(dá)圖像信息的疊加顯示已成為必然趨勢(shì)。將兩者結(jié)合起來使用既可以有效地彌補(bǔ)單獨(dú)使用雷達(dá)/ARPA的局限性［2］，又能在航行水域海圖信息的基礎(chǔ)上提供本船、本船周圍的靜態(tài)目標(biāo)與動(dòng)態(tài)目標(biāo)三者之間的位置關(guān)系，大大地提高船舶避碰能力和導(dǎo)航定位精度。

本文提出一種基于Qt Graphics View框架和OpenGL實(shí)現(xiàn)雷達(dá)圖像分層的方法，不僅對(duì)電子海圖與雷達(dá)回波視頻進(jìn)行分層，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)二次信息、ARPA、AIS及尾跡等信息的分層，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，能極大的提高雷達(dá)終端顯示系統(tǒng)的開發(fā)效率。

1.Qt Graphics View框架及OpenGL概述

Qt的Graphics View框架使用MVC模式，適合對(duì)大量2D圖元進(jìn)行管理。在Graphics View框架中，場(chǎng)景（Scene）儲(chǔ)存了圖形數(shù)據(jù)，它通過視圖（View）以多種形式表現(xiàn)，每個(gè)圖元（Item）可以單獨(dú)進(jìn)行控制。Qt的Graphics View框架中包括三個(gè)主要的類：QGraphicsScene、QGraphicsView和QGraphicsItem，分別是場(chǎng)景、視圖和圖元。一個(gè)場(chǎng)景可以通過多個(gè)視圖表現(xiàn)，一個(gè)場(chǎng)景可以包括多個(gè)幾何圖元［3］，每個(gè)圖元可單獨(dú)更新。

OpenGL （Open Graphics Library）是圖形硬件的一個(gè)軟件接口，也是該領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。OpenGL是基于圖形處理器的軟件接口，在OpenGL硬件方式實(shí)現(xiàn)下，OpenGL API被傳送給硬件驅(qū)動(dòng)程序，與圖形處理器直接交互，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)圖形效果［4］。

2.雷達(dá)圖像分層的具體實(shí)現(xiàn)

2.1電子海圖層

目前很多已裝備雷達(dá)都是使用硬件板卡對(duì)電子海圖和雷達(dá)回波視頻進(jìn)行“硬疊加”或是利用可編程GPU著色器實(shí)現(xiàn)“軟疊加”［5］?！坝帛B加”系統(tǒng)開發(fā)難度高，設(shè)備的成本及維護(hù)費(fèi)用大；GPU著色器“軟疊加”雖然具有一定的優(yōu)勢(shì)，但其受限于GPU性能，在實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)下有很大的局限性。

利用Qt Graphics View框架很容易實(shí)現(xiàn)電子海圖的疊加：只需繼承QGraphicsScene類，并實(shí)現(xiàn)其drawBackground函數(shù)，在該函數(shù)里調(diào)用QPainter的setBrush函數(shù)將根據(jù)需要顯示的海圖設(shè)置成背景畫刷，然后調(diào)用QPainter的drawRect函數(shù)將其顯示，如圖1中1所示。當(dāng)雷達(dá)由于量程或者艦艇地理位置變化需要更新海圖時(shí)，只需要將得到的海圖更新成畫刷即可。由于本文所述系統(tǒng)主要用于雷達(dá)觀察，目的是提高船舶避碰能力和導(dǎo)航定位精度，所以對(duì)于海圖只是簡(jiǎn)單的疊加顯示。

2.2雷達(dá)回波視頻層

現(xiàn)在大部分的導(dǎo)航、搜索雷達(dá)仍使用旋轉(zhuǎn)天線［5］，當(dāng)雷達(dá)視頻被數(shù)字化采樣后，雷達(dá)視頻形成一組極坐標(biāo)數(shù)據(jù)包（包含方位及其距離單元各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)）。將視頻數(shù)據(jù)按方位形成一組二維數(shù)組，并上傳GPU形成紋理，紋理內(nèi)各紋理單元數(shù)據(jù)與數(shù)組內(nèi)數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)實(shí)時(shí)更新視頻數(shù)據(jù)時(shí)，只需要更新紋理內(nèi)相應(yīng)部分，大大減少了系統(tǒng)開銷。

使用紋理存儲(chǔ)器儲(chǔ)存雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)可以方便的使用著色器程序?qū)σ曨l數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，系統(tǒng)的開銷只是在實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)并上傳GPU時(shí)產(chǎn)生的，可以根據(jù)計(jì)算機(jī)平臺(tái)選擇適當(dāng)?shù)纳蟼鞣绞揭蕴岣咝阅堋?/p>

Qt Graphics View框架提供了對(duì)OpenGL的支持，利用OpenGL可對(duì)回波紋理實(shí)時(shí)更新并利用著色器程序進(jìn)行坐標(biāo)掃描變換和余輝處理［5］，，只需在使用OpenGL繪制時(shí)打開混合效果，就可以完美的使雷達(dá)回波與電子海圖進(jìn)行疊加，極大的提高了顯示效果。為了便于觀察雷達(dá)回波，使用了紅色作為雷達(dá)回波視頻顏色。如圖1中2所示。

具體實(shí)現(xiàn)如下：在上述drawBackground函數(shù)中首先調(diào)用QPainter的beginNativePainting函數(shù)以調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)OpenGL函數(shù)，先打開混合功能并綁定著色器程序，再進(jìn)行四邊形圖元繪制，繪制過程中進(jìn)行雷達(dá)視頻回波紋理映射，即完成了雷達(dá)回波的顯示。

2.3雷達(dá)二次信息層

圖1　雷達(dá)圖像分層示意圖

雷達(dá)二次信息（包括距標(biāo)圈、電子方位線、艇艏線、測(cè)距線、掃描線等）是觀察雷達(dá)回波視頻的重要輔助手段之一。將雷達(dá)二次信息設(shè)計(jì)為QGraphicsItem圖元狀態(tài)機(jī)，可對(duì)各信息獨(dú)立控制；對(duì)圖元使用透明背景，可方便與電子海圖和雷達(dá)回波視頻進(jìn)行疊加。只在二次信息有變化時(shí)才更新圖元，減少了不必要的重繪，大大減少了對(duì)系統(tǒng)資源的占用。如圖1中3所示。

2.4 ARPA、AIS信息層

由于ARPA（Automatic Radar Plotting Aid，自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀）以及AIS（AutoMatic Identification System，船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）提供的都是獨(dú)立的目標(biāo)信息，而Qt Graphics View框架適合對(duì)大量2D圖元進(jìn)行管理。只需按照ARPA及AIS標(biāo)準(zhǔn)繼承QGraphicsItem類，設(shè)計(jì)并建立圖元添加至QGraphicsScene場(chǎng)景，便可利用場(chǎng)景方便對(duì)每個(gè)圖元獨(dú)立進(jìn)行更新繪制和管理。如圖1中4所示。

2.5尾跡層

尾跡是雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)和導(dǎo)航避碰的重要輔助手段之一，利用OpenGL著色器程序?qū)ξ槽E數(shù)據(jù)生成的紋理與回波紋理進(jìn)行混合處理，即可完成尾跡的疊加顯示。如圖1中5、6所示。

3.結(jié)論

利用Qt Graphics View框架和OpenGL實(shí)現(xiàn)的雷達(dá)圖像分層方法，不僅可以為開發(fā)者提供高效、便捷的方法，而且在實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性、高可靠性和強(qiáng)實(shí)用性雷達(dá)顯示控制終端方面具有很大的針對(duì)性。由于Qt及OpenGL都很好的支持跨平臺(tái)編程。本文提出的方法在Windows XP、linux（Ubuntu）及Vxworks6.8下都得到了很好的驗(yàn)證。

［1］劉毅，索繼東，曹蘭蘭.基于GDI+的電子海圖與雷達(dá)圖像的疊加顯示［J］.航海技術(shù)，2009（1）：43-45.

［2］Donderi D C，F(xiàn)adden M S.A Single marine overlay display is more effieient than separate chart and radar displays.Elsevier eomputer science，2003（24）：147-155.

［3］蔡志明，盧傳富，李立夏等.精通Qt4編程（第2版）［M］.電子工業(yè)出版社，2011.

［4］Dave shreiner，The Khronos OpenGL ARB Working Group.OpenGL Programming Guide［M］.Boston：Addison-Wesley Professional，2009.

［5］張輝，孫立國，李世丹，王德生，等.基于可編程顯卡的信息化雷達(dá)終端顯示系統(tǒng)［J］.信息與電子工程，2010，1672-2892（2010）06-0652-04.

彭葉飛（1983－），男，山西大同人，西安電子科技大學(xué)電子工程本科生，從事雷達(dá)顯控終端軟件設(shè)計(jì)。