基于國產(chǎn)化平臺(tái)的雷達(dá)回波視頻軟件繪制研究

李華君，張 超，陳 婧，林 悅

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

現(xiàn)代雷達(dá)需要顯示的信息量龐大[1]，對(duì)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求較高，雷達(dá)的顯控終端的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。[2]在非國產(chǎn)化平臺(tái)下，顯控終端對(duì)雷達(dá)回波、尾跡衰減效果的顯示實(shí)現(xiàn)主要有以下幾種方法：(1)基于專用圖形卡+軟件繪制疊加的軟硬件結(jié)合方法；(2)采用CPU+GPU的聯(lián)合渲染的方法；(3)利用CPU資源和軟件技術(shù)結(jié)合(如MFC框架下GDI或D3D繪制等)的方法。以上方法或不支持國產(chǎn)平臺(tái)，或不適配國產(chǎn)操作系統(tǒng)，或造成大量的系統(tǒng)資源占用。[3]而采用硬件板卡的方式，設(shè)備成本及維護(hù)費(fèi)用大。[4]針對(duì)雷達(dá)軟件化和國產(chǎn)化的迫切需求，開展基于國產(chǎn)化有限資源環(huán)境下的回波視頻軟件繪制研究勢(shì)在必行。

本文提出了一種結(jié)合QT圖形化視圖框架特性，基于圖元分層及OpenGL繪制回波視頻的雷達(dá)綜合態(tài)勢(shì)顯示軟件實(shí)現(xiàn)方法；在顯示圖層中實(shí)現(xiàn)回波視頻及其尾跡衰減效果的顯示控制，并結(jié)合其他圖層完成綜合態(tài)勢(shì)集成顯示，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性；采用QT和OpenGL結(jié)合的方法，為開發(fā)者提供高效解決方法，并支持跨平臺(tái)移植應(yīng)用；利用OpenGL著色語言(OpenGLShadingLanguage,GLSL)編程將數(shù)據(jù)計(jì)算和圖形渲染放在GPU進(jìn)行，有效平衡了系統(tǒng)開銷。

1 OpenGL技術(shù)原理

1.1 OpenGL

OpenGL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是一個(gè)與硬件無關(guān)的軟件接口，可支持不同的系統(tǒng)，如Windows系統(tǒng)、Unix、Linux、MacOS、OS/2及主流國產(chǎn)操作系統(tǒng)。因此，基于OpenGL的軟件移植性好，應(yīng)用廣泛。

1.2 GLSL和可編程渲染管線

GLSL是一種類似于C/C++的高級(jí)語言。使用GLSL語言編寫自定義的著色器有利于開發(fā)者移植和實(shí)現(xiàn)所需的特效效果。

最新的OpenGL標(biāo)準(zhǔn)中定義了3個(gè)可編程圖形處理器，即“頂點(diǎn)著色器”(Vertex Shader)，“幾何著色器”(Geometry Shader)和“片段著色器”(Fragment Shader)。圖形管線渲染流程的每個(gè)階段抽象展示如圖1所示，其中背景部分代表的是可以注入自定義的著色器的部分。

圖1 管線渲染流程

自定義的頂點(diǎn)著色器會(huì)替換固定管線中所有的關(guān)于頂點(diǎn)的運(yùn)算，包括頂點(diǎn)和法線變換、紋理坐標(biāo)生成和變換、光照以及材質(zhì)應(yīng)用這些傳統(tǒng)的管線命令。自定義的幾何著色器會(huì)替換固定管線中所有關(guān)于圖元操作，包括剪裁、增加和改變圖元的工作。自定義的片段著色器會(huì)替換固定管線中所有關(guān)于片段的運(yùn)算，包括代紋理應(yīng)用、霧化和像素匯總的工作。

1.3 紋 理

紋理是一種結(jié)構(gòu)化的存儲(chǔ)形式。除了常見的二維紋理以外，也存在一維、三維或者多個(gè)紋理疊加后形成的單一對(duì)象。紋理是由紋素組成。除了用于儲(chǔ)存圖像數(shù)據(jù)，它也可以被用來儲(chǔ)存大量的數(shù)據(jù)，如地形數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等。這些紋理數(shù)據(jù)可以發(fā)送給著色器。著色器使用紋理采樣器來快速尋址并采樣。紋理中的數(shù)據(jù)可以被GPU直接讀取并進(jìn)行渲染，可節(jié)省大量的內(nèi)存空間。

2 QT圖形化視圖框架

雷達(dá)綜合態(tài)勢(shì)顯示軟件結(jié)合QT圖形化視圖框架特性實(shí)現(xiàn)，采用的GraphicsView框架如圖2所示。

GraphicsView是一個(gè)基于圖元的Model/View架構(gòu)的框架，能對(duì)大量圖元進(jìn)行管理，并提供碰撞檢測(cè)、坐標(biāo)變換和圖元組等多種方便的功能。軟件將OpenGL繪制、二次目標(biāo)、坐標(biāo)軸輔助線和開窗起始區(qū)域繪制等使用QGraphicsItem包裝，按照一定的層疊順序放入一個(gè)Graphics Scene進(jìn)行管理。圖元的層疊順序由下而上依次是：

圖2 雷達(dá)綜合態(tài)勢(shì)顯示分層架構(gòu)

(1) OpenGL圖層：完成回波視頻的繪制，用OpenGL的FBO和頂點(diǎn)、片段著色器特性實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)尾跡衰減效果，封裝為GLLayerItem圖元。

(2) 坐標(biāo)系圖層：實(shí)現(xiàn)方位刻度、距標(biāo)環(huán)和方位線等信息繪制功能，封裝為CoordsLayerItem圖元。

(3) 圖形繪制圖層：實(shí)現(xiàn)自定義繪圖、電子海圖、開窗區(qū)域、自動(dòng)起始區(qū)域等繪制功能，封裝為GraphLayerItem圖元。

(4) 目標(biāo)圖層：實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息管理、目標(biāo)軌跡管理等繪制功能，封裝為TargetLayerItem圖元。

(5) 掃描線圖層：實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描線消隱及其尾跡衰減、消隱的繪制與控制，封裝為ScanLineLayerItem圖元。

為了在GraphicsView框架中利用OpenGL的特性進(jìn)行圖形渲染，需要設(shè)置一個(gè)新的QGLWidget作為QGraphicsView的視口。如果需要OpenGL提供反鋸齒功能，則需要引入OpenGL采樣緩沖支持，其中回波視頻的繪制工作主要在GLLayerItem圖元中完成。為了在GLLayerItem圖元中進(jìn)行自定義的OpenGL繪制，需要重寫圖元的虛函數(shù)GLLayerItem::paint()，并在beginNativePaint()和endNativePainting()兩個(gè)函數(shù)之間進(jìn)行相關(guān)的OpenGL繪制操作。

3 回波視頻繪制方法

3.1 掃描線尾跡衰減繪制

如圖3所示，根據(jù)天線實(shí)時(shí)角度提交一組頂點(diǎn)數(shù)據(jù)(V1，V2，V3)繪制扇形區(qū)域。利用GLSL計(jì)算片元顏色，實(shí)現(xiàn)掃描線漸變效果。

圖3 掃描線尾跡衰減繪制示意圖

(1) 繪制圓心角為θ扇形區(qū)域。OpenGL沒有提供直接繪制圓形或扇形方法。按照極限思維的方式，可以將扇形區(qū)域分割成n個(gè)圓心角為θ/n的扇形，分割數(shù)量n越多，圓心角為θ/n度數(shù)越小，因此可以把圓形或扇形區(qū)域認(rèn)為由多個(gè)等腰三角形組成。

(2) 計(jì)算根據(jù)扇形區(qū)域頂點(diǎn)所在角度與掃描線的角度偏差值，設(shè)置線性混合系數(shù)，如圖4所示。在片段著色器中利用GLSL內(nèi)置函數(shù)atan()、degrees()等計(jì)算扇形區(qū)域頂點(diǎn)所在的方位角度angle。根據(jù)方位角度angle與天線方位antennaAzi的差值diff設(shè)置線性混合系數(shù)a。調(diào)用內(nèi)置函數(shù)mix(antennaColor,blackColor,a)實(shí)現(xiàn)顏色antennaColor、blackColor的線性混疊，實(shí)現(xiàn)顏色漸變。整個(gè)過程頂點(diǎn)方位計(jì)算在GPU端進(jìn)行，每次繪制只需要從提交一組頂點(diǎn)數(shù)據(jù)至GPU即可。

圖4 實(shí)現(xiàn)顏色混合的片段著色器

3.2 視頻繪制

用OpenGL的FBO、紋理和頂點(diǎn)和片段著色器特性實(shí)現(xiàn)了回波視屏的繪制和尾跡衰減效果。textureA用于存儲(chǔ)當(dāng)前需要更新扇形區(qū)域的視頻數(shù)據(jù)，textureB用于存儲(chǔ)當(dāng)前和歷史視頻(包括尾跡衰減)的所有視頻數(shù)據(jù)。

(1) 視頻數(shù)據(jù)的解算與周期內(nèi)視頻繪制

雷達(dá)回波視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)一個(gè)方位Azin上距離由近及遠(yuǎn)所有點(diǎn)的幅度值A(chǔ)nm，點(diǎn)之間距離約為30 m，方位上數(shù)據(jù)格式為。而OpenGL頂點(diǎn)坐標(biāo)是以直角坐標(biāo)表示，目標(biāo)位置在理論上一般要將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)，并根據(jù)幅度值計(jì)算出RGB值。公式(1)用來計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的頂點(diǎn)坐標(biāo)，其中Azin表示當(dāng)前視頻數(shù)據(jù)的方位。公式(2)用來計(jì)算每個(gè)點(diǎn)RGB值，其中Anm表示方位Azin中第m個(gè)點(diǎn)的幅度值，Amax表示幅度的最大值。

v=

(1)

c=<0,Anm/Amax,0>

(2)

雷達(dá)綜合態(tài)勢(shì)顯示軟件通過定時(shí)器來觸發(fā)視頻的刷新，時(shí)間周期(刷新率)根據(jù)需求給定。如圖5所示，時(shí)間周期內(nèi)收到方位Azii至方位Azij(0<=i,j<=n)的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標(biāo)和幅度的計(jì)算轉(zhuǎn)化為OpenGL坐標(biāo)系下的頂點(diǎn)坐標(biāo)值、頂點(diǎn)RGB值后用頂點(diǎn)數(shù)組提交給GPU繪制，并渲染到textureA。

圖5 方位區(qū)間內(nèi)視頻紋理繪制

(2) 使用著色器紋理采樣

使用著色器對(duì)textureB方位Azii至方位Azij(0<=i,j<=n)區(qū)域內(nèi)顏色進(jìn)行衰減。如圖6所示，利用片段著色器中的內(nèi)值函數(shù)計(jì)算textureB紋理坐標(biāo)所在的方位角度angle。如果屬于要更新的區(qū)域，則用GLSL內(nèi)置函數(shù)texture2D (textureB，textBCoord)進(jìn)行textureB紋理采樣，將采樣值與衰減系數(shù)相乘，實(shí)現(xiàn)顏色的衰減。如圖7所示。

圖6 實(shí)現(xiàn)顏色衰減的片段著色器

(3) 幀緩沖對(duì)象進(jìn)行紋理疊加

FBO用于數(shù)據(jù)渲染到紋理對(duì)象，使用FBO技術(shù)會(huì)更高效且易于實(shí)現(xiàn)。如圖8所示，利用FBO將textureA疊加在textureB上渲染成新的紋理textureB’，無glEnable()和glBendFunc()顯示glCopyTexImage。最后將疊加更新后的textureB’繪制到當(dāng)前屏幕緩存實(shí)現(xiàn)最終的顯示效果。

圖7 方位區(qū)間內(nèi)紋理顏色衰減

圖8 紋理的疊加

另外，通過glEnable()和glBendFunc()函數(shù)開啟OpenGL 的混色功能也是必需的步驟?；焐瘮?shù)選取宏定義GL_SRC_ALPHA 即ALPHA通道的顏色做混色源因子，并將宏定義GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA即(1-ALPHA通道顏色值)作為目標(biāo)因子。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)使用的回波視頻數(shù)據(jù)分為4 096個(gè)方位。每個(gè)方位上記錄約1萬點(diǎn)的幅度值。每個(gè)方位數(shù)據(jù)發(fā)送間隔為1 ms。視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至雷達(dá)態(tài)勢(shì)顯示軟件，并采用本文介紹的方法進(jìn)行繪制。

雷達(dá)態(tài)勢(shì)顯示軟件的開發(fā)運(yùn)行環(huán)境為QT 4.8.3、銀河麒麟操作系統(tǒng)、飛騰FT1500A處理器、AMD 嵌入式RadeonTME8860顯卡。視頻刷新間隔為20 ms，視頻尾跡衰減系數(shù)為0.5。軟件運(yùn)行效果如圖9、圖10及圖11所示。此方法實(shí)現(xiàn)的雷達(dá)回波視頻及其尾跡衰減效果理想，占用CPU資源低，回波視頻繪制執(zhí)行時(shí)間小于1 ms，整體運(yùn)行流暢無卡頓。

雷達(dá)回波視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)量大，國產(chǎn)化平臺(tái)CPU處理能力有限。本文用OpenGL的FBO和頂點(diǎn)、片段著色器特性實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視頻和掃描線的繪制及尾跡衰減效果。方法有以下特點(diǎn):

(1) 應(yīng)用Qt Graphics View框架和OpenGL特性實(shí)現(xiàn)的雷達(dá)回波視頻繪制為開發(fā)者提供高效便捷的方法，提高了雷達(dá)態(tài)勢(shì)顯示軟件穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)用性。由于Qt及OpenGL移植性強(qiáng)，使得軟件可在國產(chǎn)化平臺(tái)下運(yùn)行，具有更加廣泛應(yīng)用前景。

圖9 回波視頻及其尾跡繪制效果

圖10 視頻尾跡衰減效果

圖11 態(tài)勢(shì)顯示疊加效果

(2) 利用OpenGL可編程渲染管線特性，編寫頂點(diǎn)著色器進(jìn)行了矩陣變換和數(shù)據(jù)傳遞，編寫片段著色器進(jìn)行了數(shù)據(jù)換算、顏色混合和紋理采樣，最終實(shí)現(xiàn)了掃描線、回波視頻繪制及其尾跡衰減效果，從而將復(fù)雜運(yùn)算和繪圖產(chǎn)生的負(fù)載從CPU轉(zhuǎn)移到GPU上，發(fā)揮了GPU并行處理的優(yōu)勢(shì)，有效平衡系統(tǒng)開銷。此方法不僅簡化了渲染管線的邏輯，而且提高了渲染效率，亦有效解決國產(chǎn)處理器的性能瓶頸。

(3) 通過OpenGL 的Alpha 通道混色功能設(shè)置源紋理和目標(biāo)紋理的混合因子后，采用幀緩沖對(duì)象(FBO)對(duì)源紋理和目標(biāo)紋理進(jìn)行了疊加，從而提升了渲染效率和穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升基于國產(chǎn)化平臺(tái)的軟件實(shí)現(xiàn)可行性。

5 結(jié)束語

本文采用的方法對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)的回波視頻數(shù)據(jù)繪制已通過實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。對(duì)于電子掃描陣列雷達(dá)，因雷達(dá)回波數(shù)據(jù)更新特性有差異，視頻軟件化繪制方法有待進(jìn)一步展開研究。