基于CUDA的導(dǎo)航雷達(dá)P顯多要素顯示技術(shù)?

徐 勇 嵇亮亮

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210007）

基于CUDA的導(dǎo)航雷達(dá)P顯多要素顯示技術(shù)?

徐 勇 嵇亮亮

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210007）

鑒于導(dǎo)航雷達(dá)視頻P顯顯示需求不斷提高，論文提出了一種基于CUDA的P顯多要素顯示方式，通過(guò)此方式，可以將雷達(dá)視頻、電子海圖以及ARPA信息進(jìn)行疊加顯示，并具有較強(qiáng)的顯示靈活性；此外，論文采用了“分層繪制”和“整體更新”的機(jī)制，按需更新P顯顯示內(nèi)容，降低了其更新頻率，提高了P顯繪制的效率，文章最后給出了應(yīng)用效果。

導(dǎo)航雷達(dá)；電子海圖；P顯顯示；ARPA；并行處理；軟件化顯示

1 引言

船用導(dǎo)航雷達(dá)的主要作用是用于保障船舶的航行安全，尤其是在能見(jiàn)度低的霧天、雨天以及黑夜等情況下，其作用更為突出，通常情況下，導(dǎo)航雷達(dá)必須配備顯控終端協(xié)同工作［1～2］。操作員一方面可以通過(guò)終端顯示的雷達(dá)回波判斷船舶周?chē)暮叫星闆r，另一方面，導(dǎo)航雷達(dá)的顯控終端一般也會(huì)提供強(qiáng)大的即自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀（Automatic Radar Plotting Aid，ARPA）功能［3］，實(shí)時(shí)提供各種輔助信息，協(xié)助操作員做出正確的規(guī)避判斷。操作員通過(guò)PPI顯（Plan Position Indicator，即P顯）觀察雷達(dá)回波及ARPA指示，兩者疊加后呈現(xiàn)在終端顯示屏上［4］。有時(shí)候?yàn)榱擞^察的需要，還會(huì)疊加電子海圖，并隨著船舶位置、航向的改變實(shí)時(shí)更新顯示。

2 主要工作流程

導(dǎo)航雷達(dá)的主要工作流程如圖1所示，顯控終端采集雷達(dá)原始視頻，經(jīng)過(guò)檢測(cè)跟蹤處理之后，產(chǎn)生目標(biāo)點(diǎn)航跡等信息，顯示軟件將雷達(dá)視頻與ARPA信息疊加后在P顯顯示。一般情況下，顯示軟件具有雷達(dá)操控、雷達(dá)狀態(tài)顯示、目標(biāo)告警、輔助標(biāo)繪以及電子海圖疊加顯示等功能［5］。

3 P顯顯示需求

3.1 雷達(dá)視頻實(shí)時(shí)顯示

導(dǎo)航雷達(dá)雖然作用距離短，但是采樣率很高、天線掃描周期短、方位精度高，因此對(duì)其P顯顯示而言，單位時(shí)間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)量非常大［6］，而且，為了達(dá)到較好的觀察效果，還要求導(dǎo)航雷達(dá)視頻顯示具有回波平滑、增強(qiáng)以及尾跡顯示等效果。

圖1 導(dǎo)航雷達(dá)主要工作流程

3.2 ARPA相關(guān)信息顯示

ARPA功能有助于操作員更好地判斷本船的航行狀態(tài)，通常情況下，ARPA顯示交互的內(nèi)容包括：跟蹤目標(biāo)信息，含圖符、標(biāo)牌、矢量線、監(jiān)視標(biāo)志、歷史航跡點(diǎn)等；測(cè)量標(biāo)志信息，含距標(biāo)環(huán)、電子方位線、活動(dòng)距標(biāo)環(huán)、平行指引線等；本船標(biāo)志，含船艏線、矢量線、安全輪廓線、航向線等；告警標(biāo)志，含目標(biāo)CPA告警、錨位監(jiān)視告警、不良回波告警、目標(biāo)進(jìn)入警戒區(qū)告警等；AIS信息顯示，含AIS圖符、歷史航跡點(diǎn)、激活或者休眠狀態(tài)、AIS與雷達(dá)航跡關(guān)聯(lián)結(jié)果等［7］。

3.3 電子海圖顯示

在單P顯顯示模式下，電子海圖一般同雷達(dá)視頻疊加顯示，基本顯示要求包括：多種海圖顯示要素的顯示及切換；不同光照環(huán)境下的顏色切換；安全等深線、指北針、比例尺等顯示；海圖放大、縮小、旋轉(zhuǎn)以及漫游功能等；航路設(shè)置以及偏航告警功能；海圖自定義標(biāo)繪及標(biāo)繪屬性設(shè)置等［8］。

4 傳統(tǒng)顯示處理方式

導(dǎo)航雷達(dá)的P顯顯示通常采用兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是基于專(zhuān)用硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波顯示，輔助以軟件繪圖實(shí)現(xiàn)二次信息顯示，兩者疊加后顯示整個(gè)P顯畫(huà)面；另外一種是基于純軟件化的方式實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視頻及二次信息顯示。

基于專(zhuān)用硬件平臺(tái)的P顯顯示雷達(dá)回波顯示方面效率較高，但需專(zhuān)用的顯示處理電路予以實(shí)現(xiàn)，并且應(yīng)用方式不夠靈活［9～10］，譬如在與二次信息疊加時(shí)，需要二次信息繪制時(shí)采用的顏色與之匹配，會(huì)影響到電子海圖的顯示效果，另外，由于運(yùn)算寄存器的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)極縮放以及任意漫游等。

基于軟件化的P顯顯示通常是基于CPU實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視頻的掃描變換，在顯示雷達(dá)視頻的同時(shí)將二次信息疊加，然后定時(shí)刷新顯示。相比較硬件實(shí)現(xiàn)而言，軟件化方法通用性好，如基于DirectX、OpenGL等技術(shù)手段。但是由于其采用的視頻繪制以及刷新機(jī)制，使得效率上有所欠缺，很難滿足高實(shí)時(shí)性要求［11～12］。

因此，本文考慮采用英偉達(dá)GPU強(qiáng)大的并行計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視頻掃描變換［13］，并通過(guò)“分層繪制+整體更新”的方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)P顯畫(huà)面的更新顯示。

5 基于CUDA的P顯實(shí)現(xiàn)

5.1 P顯分層機(jī)制

按照導(dǎo)航雷達(dá)顯控終端P顯顯示要素的特點(diǎn)及刷新周期的差異性，將P顯上繪制內(nèi)容自下而上分為電子海圖、雷達(dá)視頻、測(cè)量標(biāo)繪、AIS信息、點(diǎn)航跡信息等，如圖2所示。

圖2 P顯顯示圖層

5.2 雷達(dá)視頻掃描變換

導(dǎo)航雷達(dá)視頻顯示處理數(shù)據(jù)量非常龐大，但是邏輯運(yùn)算卻非常簡(jiǎn)單，本文采用英偉達(dá)GPU強(qiáng)大的并行計(jì)算能力代替CPU實(shí)現(xiàn)掃描變換，將雷達(dá)視頻按方位拷貝進(jìn)顯存，在顯存中計(jì)算完成并輸出雷達(dá)回波顯示圖層?；贑UDA的雷達(dá)視頻掃描變換如圖3所示，GPU依據(jù)CPU輸入的雷達(dá)參數(shù)、P顯顯示畫(huà)面分辨率以及雷達(dá)視頻等信息，經(jīng)過(guò)多線程并行計(jì)算后，輸出雷達(dá)視頻圖層供P顯顯示疊加使用。

5.3 P顯顯示更新方法

P顯“分層繪制+整體更新”機(jī)制，其主要步驟如下：

步驟一：按照5.1分層方式，在GPU內(nèi)部為各種顯示要素單獨(dú)開(kāi)辟了圖層，為各個(gè)圖層設(shè)置疊加信號(hào)量、疊加順序；

步驟二：在CPU中分配多個(gè)繪圖HDC（設(shè)備描述表的句柄），與GPU中的繪圖圖層與之一一匹配對(duì)；

圖3 基于CUDA的雷達(dá)視頻掃描變換

步驟三：當(dāng)某一圖層需要更新時(shí)（譬如目標(biāo)位置改變時(shí)，則需要更新其對(duì)應(yīng)顯示圖層），在CPU端完成相應(yīng)繪圖HDC改變；

步驟四：CPU完成繪圖HDC改變后，改變對(duì)應(yīng)GPU圖層的疊加信號(hào)量狀態(tài)，通知GPU進(jìn)行圖層更新；

步驟五：GPU依據(jù)圖層疊加順序，將當(dāng)前更新完成的圖層同雷達(dá)回波進(jìn)行疊加；

步驟六：采用顯示更新函數(shù)，將更新后顯示顯存中的數(shù)據(jù)通過(guò)顯卡顯示輸出。

P顯多種要素疊加顯示處理流程如圖4所示。

6 應(yīng)用效果

圖5和圖6給出了采用本文所述方法的導(dǎo)航雷達(dá)P顯顯示畫(huà)面，其中圖5為整個(gè)P顯畫(huà)面的顯示，圖6為局部放大后的P顯畫(huà)面。

圖4 P顯多種要素疊加顯示處理

圖5 P顯多要素疊加顯示

圖6 P顯多要素疊加顯示（放大）

7 結(jié)語(yǔ)

本文基于當(dāng)前流行的CUDA并行處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航雷達(dá)P顯的雷達(dá)視頻、電子海圖以及ARPA信息等多種顯示要素疊加顯示，相比較傳統(tǒng)的基于硬件的掃描變換以及軟件化方法，本文的方法更加靈活高效，該方法已在多個(gè)項(xiàng)目中推廣應(yīng)用，效果顯著。

［1］姜波.現(xiàn)代導(dǎo)航雷達(dá)的應(yīng)用［J］.天津航海，2016，（1）：48-49.

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［4］厲靜.船用導(dǎo)航雷達(dá)顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.西安：西安科技大學(xué)，2014.1-20.

［5］葉玲，王遠(yuǎn)斌.導(dǎo)航雷達(dá)目標(biāo)告警技術(shù)研究［J］.江蘇科技信息，2016，（15）：50-51.

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Multi Factor of P Display for Navigation Radar Based on CUDA

XU Yong JI Liangliang
（The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210007）

In consideration of the requirements of the P display for navigation radar，a method with CUDA is proposed in this paper.With this method，the radar video，electronic chart，and ARPA message can be superimposed and displayed，and it has more flexibility.In addition，this paper adopts the mechanism of layered rendering and overall updating，update the display as needed，so it can reduce the frequency，and improve the rendering efficiency.In the end of this paper，the effect of the method is present.

marine navigation radar，electronic chart，P Display，ARPA，Compute Unified Device Architecture（CUDA），parallel processing，software for display

TN957

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.021

Class Number TN957

2017年4月9日，

2017年5月28日

徐勇，男，高級(jí)工程師，研究方向：雷達(dá)總體技術(shù)。嵇亮亮，男，高級(jí)工程師，研究方向：雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。