基于大數(shù)據(jù)交互式的艦船通信移動(dòng)終端UI 設(shè)計(jì)

袁 晶

(江西科技學(xué)院，江西 南昌 330000)

0 引言

通信系統(tǒng)為艦船提供各種導(dǎo)航、交通數(shù)據(jù)等，是艦船正常工作的重要保證。近幾年，由于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)的飛速發(fā)展，船載通信由無線電通信逐步過渡到了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信，通信技術(shù)得到了極大的發(fā)展。在艦船移動(dòng)通信中，移動(dòng)終端是艦員接收、傳輸資料的終端。隨著移動(dòng)通信服務(wù)的發(fā)展，移動(dòng)終端每天都要接收和傳輸大量的信息，包括位置信息、航行狀態(tài)信息、救援信息等，有些信息必須通過終端用戶界面進(jìn)行顯示。UI 設(shè)計(jì)即顯示界面的設(shè)計(jì)，是對人機(jī)交互和界面美感的綜合設(shè)計(jì)，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到艦船操縱程序的操作成功率。文獻(xiàn)[1]提出了基于STM 32 的人機(jī)交互終端設(shè)計(jì)方法，該方法以STM 處理器為核心，由CAN 接收終端服務(wù)與接收任務(wù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2]提出了專網(wǎng)通信終端設(shè)計(jì)方法，該方法提出了一種基于IoT-G230MHz 專用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程通訊終端的方案。使用這2 種終端設(shè)計(jì)方法雖然能夠在界面上實(shí)時(shí)顯示操作結(jié)果，但是缺乏實(shí)際交互信息，導(dǎo)致操控人員無法有效控制艦船移動(dòng)通信系統(tǒng)。為此，提出了基于大數(shù)據(jù)交互式的艦船通信移動(dòng)終端UI 設(shè)計(jì)方法。

1 艦船通信移動(dòng)終端UI 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 天線陣UI 視覺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用層疊式天線，可以在接收與發(fā)射波段同時(shí)進(jìn)行諧振，并通過雙峰諧振來擴(kuò)展帶寬[3–4]。采用層狀微帶天線，能有效地改善天線的阻抗頻寬和圓偏振頻寬。饋電網(wǎng)絡(luò)以高壓低密度聚乙烯發(fā)泡為載體，其介電常數(shù)低，將獲得較低損耗。饋電網(wǎng)的核心部件是通過波阻抗轉(zhuǎn)換器來完成阻抗匹配，并按序進(jìn)行90°的相位偏移。為了使每一個(gè)端口的等效功率分布和連續(xù)90°的偏差，相連的2 個(gè)阻抗值需符合下列要求：

式中：Rn為單元天線輸入阻抗；Ri為饋電輸入阻抗。

利用空間位置上的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)饋電元件構(gòu)成一種陣列，在很大的頻域中，通過相位偏移，可以提高極化純度和方向圖的對稱性。

1.2 交互式三維場景結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在三維場景建模中，真實(shí)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特征被構(gòu)建出來，從而使三維場景具有動(dòng)態(tài)、真實(shí)、臨場的交互效果[5]。交互式三維場景結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。利用仿真軟件仿真了圖形庫文件，將視頻、圖像、音頻等信息以移動(dòng)智能終端形式顯示出來。利用計(jì)算機(jī)可以建立三維場景的虛擬空間[6–8]。三維坐標(biāo)系參量可以代表三維文字?jǐn)?shù)據(jù)，并將其儲(chǔ)存于移動(dòng)終端數(shù)據(jù)庫中。為了滿足三維場景的交互式需求，數(shù)據(jù)庫將不定時(shí)進(jìn)行升級(jí)。三維文本原型可以實(shí)現(xiàn)字符集信息傳輸，可以把句子分為兩類：界面類和整體類。這2 種節(jié)點(diǎn)類型可以在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模組中任意地應(yīng)用，包括定義文檔頭部、創(chuàng)建符合規(guī)范虛擬空間、簡化模擬重構(gòu)過程，句子擴(kuò)展工具可以設(shè)定翻譯、執(zhí)行、注釋和描繪三維場景。

圖1 交互式三維場景結(jié)構(gòu)Fig.1 Interactive 3D scene structure

1.3 結(jié)果渲染輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顯示界面UI 設(shè)計(jì)結(jié)果的呈現(xiàn)效果依賴于呈現(xiàn)裝置，在繪制規(guī)則限制下，決定是否渲染以及渲染方式，然后渲染操作定位相應(yīng)的攝像機(jī)、光源。渲染器的渲染操作如圖2 所示。根據(jù)不同功能界面所需的顯示內(nèi)容，控制按鍵數(shù)量進(jìn)行界面圖標(biāo)與顏色設(shè)計(jì)。

圖2 結(jié)果渲染輸出系統(tǒng)Fig.2 Result rendering output system

2 艦船通信移動(dòng)終端UI 大數(shù)據(jù)交互功能設(shè)計(jì)

2.1 三維動(dòng)畫功能設(shè)計(jì)

三維動(dòng)畫場景是一個(gè)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的虛擬動(dòng)畫場景，它可以計(jì)算出三維動(dòng)畫的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，并能顯示出海域狀況，從而確保了動(dòng)畫連續(xù)性。三維動(dòng)畫場景中的全部節(jié)點(diǎn)分組過程計(jì)算如下：

式中：k為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；z為動(dòng)畫場景節(jié)點(diǎn)；o(k)為場景中心像素點(diǎn)。

應(yīng)用此公式實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫場景的節(jié)點(diǎn)編排，并將其歸類為：

式中：(xa,yz,za)為世界坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)；(ox,oy)為三維動(dòng)畫場景中心像素坐標(biāo)；表示三維動(dòng)畫場景橫向節(jié)點(diǎn)；(u,u0)為場景圖像坐標(biāo)點(diǎn)。

采用大數(shù)據(jù)交互技術(shù)來表達(dá)三維動(dòng)畫的交互信息，選擇了三維動(dòng)畫中的像素點(diǎn)平均值，獲得由同一像素點(diǎn)構(gòu)成的圖像：

式中，φ為圖像鄰域范圍。

通過該公式采集艦船所處海域環(huán)境情況，并以電子形式展示。結(jié)合GPS 技術(shù)獲取地理位置信息，通過移動(dòng)終端UI 可得到當(dāng)前位置坐標(biāo)，公式為：

式中：L，H分別為界面長和寬。

實(shí)時(shí)記錄艦船在海域圖像中的位置，通過移動(dòng)終端UI 顯示三維動(dòng)畫。

2.2 界面大數(shù)據(jù)交互功能設(shè)計(jì)

利用圖標(biāo)來控制航線，界面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以實(shí)時(shí)地顯示界面的動(dòng)態(tài)運(yùn)行：

式中：x1+γx1為平移對象沿x方向?qū)嶋H偏移量下的任意一個(gè)像素點(diǎn)橫向坐標(biāo)；y1+γy1為平移對象沿y方向?qū)嶋H偏移量下的任意一個(gè)像素點(diǎn)縱向坐標(biāo)；z1+γz1為平移對象沿z方向?qū)嶋H偏移量下任意一個(gè)像素點(diǎn)豎直方向坐標(biāo)。

界面旋轉(zhuǎn)過程可表示為：

式中，θ為旋轉(zhuǎn)角度。

結(jié)合控制程序能夠?qū)崿F(xiàn)顯示界面的大數(shù)據(jù)交互變換，通過界面色彩展示給用戶，起到提示作用。

2.3 抗干擾功能設(shè)計(jì)

為消除移動(dòng)通信頻帶對移動(dòng)終端通信影響，天線通信頻帶不會(huì)包含移動(dòng)通信頻段部分，因此，天線最大帶寬計(jì)算公式為：

式中：fe為頻帶寬度；lmin為頻帶最小距離。

天線總品質(zhì)，計(jì)算公式為：

式中：v為光速；εr為有效介電常數(shù)；h為基板厚度。

合理選擇有效介電常數(shù)計(jì)算基板厚度，完成基板材料的選取，RFID 標(biāo)簽天線帶寬不會(huì)涵蓋GSM 頻段，不會(huì)觸發(fā)芯片工作，使得天線具備良好抗干擾性能。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 艦船操控臺(tái)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本文研究目標(biāo)是27 英寸的艦船控制面板，并支持彩色圖像。用戶界面的設(shè)計(jì)以Eclipse 為核心，它可以在平臺(tái)上調(diào)節(jié)各組件和控制組件位置，并將其嵌入到內(nèi)部控制程序中，從而實(shí)現(xiàn)顯示界面交互式UI 設(shè)計(jì)結(jié)果的輸出與顯示。

3.2 移動(dòng)終端數(shù)據(jù)檢測實(shí)驗(yàn)裝置

服務(wù)端利用檢測器實(shí)時(shí)顯示通信移動(dòng)終端數(shù)據(jù)，移動(dòng)終端數(shù)據(jù)檢測實(shí)驗(yàn)裝置如圖3 所示。三維場景必須與因特網(wǎng)服務(wù)器重疊，該系統(tǒng)能夠追蹤、監(jiān)測艦船通訊移動(dòng)終端的工作狀況，并將其所傳送的實(shí)時(shí)影像還原成互動(dòng)的三維影像，從而使用戶了解其工作狀況。

圖3 移動(dòng)終端數(shù)據(jù)檢測實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Mobile terminal data detection experimental device

3.3 天線方向性圖UI 顯示結(jié)果分析

對于天線方向性圖UI 顯示結(jié)果，分別使用文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]和所設(shè)計(jì)方法與實(shí)際數(shù)值對比分析，結(jié)果如圖4 所示?？芍?，實(shí)際的天線方向性圖UI 結(jié)果顯示了完整的主瓣方向性、低副瓣方向性、后瓣方向性電平。使用文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]天線方向性圖UI 顯示結(jié)果分別出現(xiàn)了不同程度的瓣方向性缺失問題，其中文獻(xiàn)[1] 缺失了低副瓣方向性電平，文獻(xiàn)[2] 缺失了后瓣方向性電平。而使用所設(shè)計(jì)方法天線方向性圖UI 顯示結(jié)果與實(shí)際數(shù)值一致的瓣方向性電平，說明所設(shè)計(jì)的終端UI 能夠清晰顯示天線方向性，使顯示終端具有良好對稱性。

圖4 不同方法天線方向性圖UI 顯示結(jié)果對比分析Fig.4 Comparative analysis of the UI display results of antenna patterns of different methods

3.4 移動(dòng)終端UI 像素密度數(shù)值分析

像素密度指的是在每英寸顯示屏上的像素?cái)?shù)量，數(shù)量越多，說明屏幕圖像密度也就越大，清晰度越高。將圖像像素?cái)?shù)作為分析指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

式中，fp為分辨率。

將此作為依據(jù)，分別使用3 種方法對比分析像素密度，對比結(jié)果如圖5 所示?？芍褂梦墨I(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2] 在同一英寸屏幕上的像素密度分別為10PPI 和20PPI，使用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)同一英寸屏幕上的像素密度為50PPI。由此可知，使用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)比傳統(tǒng)方法有清晰度上的優(yōu)勢。

圖5 不同方法像素密度對比分析Fig.5 Comparative analysis of pixel density of different methods

4 結(jié)語

通過設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)交互式的艦船通信移動(dòng)終端UI，得出如下結(jié)論：通過使用雙峰諧振展寬帶寬，能夠使顯示界面具有對稱性；通過構(gòu)建三維場景虛擬空間，使顯示終端具有交互功能；通過計(jì)算三維動(dòng)畫節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，使顯示終端動(dòng)畫具有連續(xù)性。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，該設(shè)計(jì)方法的像素密度較高，能夠清晰展示通信結(jié)果。