毫米波防撞雷達三維顯示界面的設計與實現

靳碧鵬

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

毫米波防撞雷達是針對直升機在惡劣氣候條件下低空飛行時,無法清晰判斷前方危險障礙物,進而影響飛機飛行安全的情況而設計的。這種障礙物防撞功能,要求雷達終端顯示界面能夠非常直觀、準確地顯示障礙物目標,以方便飛行員及時作出反應。目前,國內雷達的終端顯示都是以二維方式為主,主要有PPI顯示、B型顯示、C型顯示3種,但都有各自的缺陷:PPI顯示方式以極坐標的形式顯示目標的距離和方位,B型顯示以直角坐標的形式顯示目標的距離和方位,兩種方式都無法直觀地表示目標高度;C型顯示方式能夠清晰地顯示目標的高度,卻無法直觀地顯示目標的距離。在毫米波防撞雷達中,我們提出采用3D(三維)方式顯示雷達目標,這種方式不僅可以直觀地顯示目標的三維位置,還能真實地再現掃描空域內的實際場景。然而,這種方式在具體實現時,卻面臨一些問題:由于嵌入式圖像處理板的硬件限制,圖像繪制速度慢,無法達到系統的實時性要求;由于繪制效率的原因,無法考慮地形真實感方面的問題,形成的地形場景單一,無法反映不同高度的地貌特征,或者沒有添加陰影效果,繪制的地形立體感不強。在這種背景下,本文提出了地形分塊加速繪制算法,以及隨機紋理與頂點顏色相融合的地形著色方法。

2 地形分塊加速算法

本文算法是一種規則網格地形繪制算法。目前基于規則網格的地形繪制算法在實際中應用較多的包括實時連續細節層次繪制(基于四叉樹結構LOD)[1]、實時的最優自適應網格(ROAM)[2]、基于GeoMipMap的繪制[3]、嵌套網格算法[4]。

本文設計的地形分塊加速繪制算法源自基于四叉樹結構的LOD算法思想,將地形分塊,不同塊采用不同的細節描繪。不同的是,LOD算法是自頂向下遞歸細分地形,從而建立多分辨率的地形層次模型;本文算法僅僅是建立兩層分辨率的地形模型,其過程是:首先將地形分成若干個大小相同的方塊(除邊界方塊外),然后利用一定的準則判斷本次分塊是否合理,如果不合理,將地形進一步細分為更多的方塊(地形塊個數是上一次的2倍),如此遞歸,直到找出滿足算法準則的分塊方式。這種分塊算法相比較四叉樹結構的LOD算法實現更為簡單,而且每次地形數據發生變化時,地形分塊和地形渲染完全分離,大大提高了繪制速度。另外,本算法不需要滿足四叉樹結構LOD算法中頂點個數必須為2n×2n的條件,適應于任意頂點個數的地形繪制。

2.1 分塊算法描述

假設地形頂點的個數為M×N,分塊后每個地形方塊包含K行、K列個地形頂點。第一次分塊時,設置K等于M、N的最大公約數,那么地形被等分為 m×n個方塊,其中,m=Round(M/K),n=Round(N/K)。

(1)設置 m×n個方塊的信息,存儲到數組Quad[m][n]中。地形方塊的信息結構體定義如下:

其中,f Ratio=C/K×K,C為地形方塊中表示障礙物的頂點(頂點高度大于地面高度)個數,f Ratio表示了地形方塊中障礙物頂點所占的比例。

(2)遍歷數組Quad[m][n]中的每個Quad[i][j],統計屬性 fRatio=0的方塊個數Q,計算其所占的比例a:

式中,a代表所有方塊中無障礙物目標的方塊所占的比例,如果a較大,說明劃分后無障礙物目標的方塊占的比例比較多,繪制時可以采用較少的細節描繪;如果a較小,說明無障礙物目標的方塊數目占的比例較少,需要繼續細分方塊,降低細節層次。

計算屬性f Ratio≠0時,fRatio的平均值s:

式中,s代表障礙物頂點在方塊中所占的平均比例,如果s較大,說明方塊中分布了較密集的障礙物頂點,無法再細分;如果 s較小,說明方塊中障礙物頂點分布非常稀疏,還可以繼續細分,分離出無障礙物目標的方塊。

(3)依據a、s的值判斷此次分塊是否為最優分塊。在試驗中,我們尋找的最佳經驗值為:如果a<0.4,或者a≥0.4并且s<0.2時,需要繼續細分地形,此時設置K=K/2,依據頂點個數K重新劃分地形,生成m×n個地形方塊,轉到步驟1進行新一輪的判斷。

(4)如果不滿足步驟3的條件或者K=1時,說明此次分塊是最優分塊或者無法再細分,則停止分塊。

2.2 網格渲染與裂縫修補

地形合理分塊后,以塊為單位繪制所有地形塊。繪制時,判斷地形方塊的屬性 fRatio的值,如果fRatio=0,說明地形塊中沒有障礙物目標,只需要采用較少的細節描繪,只需繪制方塊的4個頂點構成的兩個三角形面,如圖 1中的C2、C3,圖中圓形頂點為地形頂點;如果 fRatio≠0,說明地形塊中有障礙物,需要保持地形的細節,因此需要繪制方塊內所有頂點構成的三角形面,如圖2中的C1,三角形個數較 C2、C3的多。

圖1 地形分塊渲染示意圖Fig.1 Quad rendering in terrain

圖2 補畫裂縫示意圖Fig.2 Four cases of mending a crack between quads

可以看出,分塊加速繪制算法的核心是盡量分離出不包含障礙物目標的地形方塊,以減少繪制的三角形個數,提高繪制速度。

但是,由于一個頂點只屬于一個地形塊,以塊為單位繪制地形,相鄰兩個方塊之間會出現裂縫。為了消除裂縫,每個方塊繪制結束后,必須補畫它與右邊相鄰方塊、上邊相鄰方塊之間的裂縫。補畫裂縫時,判斷相鄰兩個方塊的屬性fRatio是否都為0,如果是,繪制兩個方塊之間相鄰的4個頂點構成的兩個三角形,如圖2(a)演示了C1與右邊相鄰方塊C2補畫裂縫的三角形面,圖2(c)演示了C1與上邊相鄰方塊C2補畫裂縫的三角形面;如果有一個方塊的屬性fRatio≠0,那么繪制相鄰兩行或者兩列上所有頂點構成的三角形,如圖2(b)、(d)所示,此時的三角形個數較多。

3 快速地形著色方法

在顯示界面中,不但要表現地形的真實感,而且需要突出表現地形的高度層次,以提示障礙物的危險級別。多紋理混合繪制算法[5]能夠較好地反映地形的層次感和立體感,但是,這種算法在每次地形數據變化時,都需要重新將多種紋理混合成一張與地形匹配的紋理圖像,CPU占用時間長,系統實時性差。本文提出了利用Diamond-Square算法[6]生成帶有隨機陰影的紋理圖模擬地形表面凹凸不平的細節,再混合多種顏色表現地形的高度層次,這種混合著色的方法占用內存少,處理速度快,能夠很好地滿足系統的實時性要求。

3.1 利用Diamond-Square算法生成紋理

(1)首先利用Diamond-Square算法生成地形的高程數據,算法描述如下:

1)初始化二維數組n×n(n=2m+1),并將4個角設為相同高度。圖3以一個5×5的數組為例,其中4個角放入初始高度值,用圓點表示,此為遞歸細化過程的起點;

2)Diamond步:取5×5正方形的4個點構成的正方形,用二維隨機中點位移法為其對角線交點生成一個隨機高度值,作為此點的高度值,如圖3(b)所示;

3)將5×5正方形細分成4個3×3正方形,如圖3(c)所示;

4)Square步:取3×3正方形的棱錐中心和4個頂點的平均值,再加上一個與Diamond步相同的隨機位移,可以計算出每條邊的中心值,在計算位于邊界上的點時,選用正方形另外一條邊附近的對稱點作為求平均值的點;

5)對上述過程進行迭代,直至達到所有的細分網格點被填充為止。

圖3 Diamond-Square算法Fig.3 The step of Diamond-Square algorithm

(2)將算法生成的高程數據繪制為三維地形,打開光照,增加陰影效果。

(3)讀取幀緩存中的圖像數據,此時,圖像為真彩色圖像,將其轉化為灰度圖,轉換公式為

其中,nRed、nGreen、nBlue分別代表紅色分量、綠色分量、藍色分量。

(4)將灰度圖載入地形紋理內存,供紋理映射使用。

3.2 生成地形的顏色信息

對于某一個地形頂點Vi,設置顏色的過程如下。

(1)找出地形網格中與頂點 Vi有邊連接的6個頂點,比較7個頂點的高度,找出其中的最大高度值H,如圖4所示,中間的方形頂點是頂點Vi,圓形頂點是與頂點Vi有邊連接的6個頂點。

圖4 相鄰頂點示意圖Fig.4 The neighbor vertex connect with a certain vertex

(2)依據高度 H的大小,設置頂點 Vi的顏色,分以下幾種情況:如果H等于地面高度,頂點Vi的顏色為綠色,代表草地;如果H低于載機高度,頂點Vi的顏色為灰白色,代表一般障礙物;如果H高于載機高度,頂點Vi的顏色為黃色,代表危險地形。

渲染地形時,設置紋理映射方式為混合模式,為每個地形頂點指定紋理坐標和RGB顏色,混合渲染后的地形不但立體感強,而且地形層次非常清晰。由于著色方法使用的分形紋理是在初始化時生成的,因此程序在運行過程中只需要維護一組與高程數據相匹配的顏色數據,占用的內存少,計算量小,處理速度快,很好地滿足了系統的速度要求。圖5顯示了利用雷達數據生成的三維地形效果圖。

圖5 地形渲染效果圖Fig.5 The terrain rendered by coloredmethod

4 場景漫游

系統中,每隔一幀產生一組新的地形數據,為了反映載機在真實場景中的飛行,場景視點的位置在一幀的時間間隔內需隨載機速度移動,當新一幀的地形數據產生時,場景視點返回零點,然后重新開始隨載機速度向前移動,直到新的地形數據再次產生。

視點在場景中移動的距離按如下公式計算:

式中,D是視點移動的距離,V是載機速度,T是一幀的時間間隔,FACT是三維場景與真實場景之間的縮小比例。

如果僅僅靠移動視點來顯示載機的運動,每次幀切換、場景變化、視點返回零點時,視覺上有一種被強行拉回的感覺,這是因為在一幀時間間隔內,視點不斷向前移動而地形紋理始終不變引起的。為了幀切換時也能有流暢的漫游效果,地形紋理需要隨視點位置的變化而同步移動。軟件中,紋理移動通過變換紋理坐標來實現,每次渲染時,累加視點移動的距離,計算其對應到紋理圖上的偏移值,將該偏移值添加到每個紋理坐標上。這種紋理與視點同步移動的漫游方法,使得每次地形數據更新,場景交替時的畫面非常流暢自然。

5 實驗與結論

本文的三維終端顯示軟件在嵌入式圖像處理板上運行,硬件配置為:CPU為Intel Core Duo處理器U2500,頻率為1.2 GHz,內存為1 GB,顯卡為 Intel945GM chipset,顯存為128 MB,采用Visual C++6.0和OpenGL編程。本系統中,三維地形的頂點個數固定為300×400,對于圖5所示的地形場景,未使用分塊加速算法時,三角形個數為238602個,繪制時間為142 ms;采用分塊加速算法后,繪制的三角形個數變為72736個,繪制時間縮短為31 ms。實驗證明,本文采用的地形分塊算法、著色方法、場景漫游完全滿足了防撞雷達系統的性能需求,繪制速度快,場景交替自然流暢,能夠真實顯示載機飛行前方的地形場景,為飛行員提供直觀可靠的信息。另外,本文提出的算法也同樣適用于其它背景的三維地形繪制。

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