基于OpenGL 的空間目標監視雷達三維顯示系統?

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

隨著空間目標監視雷達技術的發展,雷達探測的威力范圍越來越遠,目標高度越來越高,傳統的方位-距離二維顯示模式已經難以準確地反映目標實際的空間位置,三維顯示已成為反導預警領域雷達顯示技術的必然發展趨勢[1]。

由于空間目標的距離比較遠,所以三維顯示系統不僅需要能顯示目標的點航跡信息,還需要能顯示三維地球信息,包括地球紋理信息以及二維矢量地圖信息,并支持三維地球的自由旋轉。由于現代的空間目標監視雷達多采用相控陣體制,所以三維顯示系統還需要能以三維立體的形式反映搜索屏的分布以及波位的實時位置。

本文基于OpenGL工具包[2],針對空間目標監視雷達顯示需求,實現了雷達三維顯示系統的設計。除了傳統雷達具備的點航跡顯示和二維電子地圖顯示之外,該系統還通過四叉樹動態分形技術實現了三維立體的地球顯示。該系統通過顯示搜索屏的空間設置和實時波束信息準確地反映了雷達波束的掃描范圍和調度信息。此外,該系統還支持三維地球的旋轉,可以讓用戶自由地調整觀察視角,對重點區域進行監視。

1 總體架構設計

空間目標監視雷達三維顯示系統主要由四大部分組成,如圖1所示,分別為系統信息模塊、動目標模塊、地球管理模塊和渲染窗口模塊。其中:

1)系統信息模塊主要負責從網絡接收波束和搜索屏相關的系統信息,并對系統信息進行管理和繪制,包括用于管理和繪制實時波束信息的波束模塊,以及用于管理和繪制搜索屏空間分布的搜索屏模塊。

2)動目標模塊主要負責從網絡接收點航跡信息,并對點航跡這類運動目標信息進行管理和繪制,包括用于存儲和繪制點跡的點跡管理模塊,以及用于存儲和繪制航跡的航跡管理模塊。

3)地球管理模塊主要用于實現三維地球的繪制,包括用于實現地球表面紋理貼圖的地球紋理管理模塊,以及用于實現二維電子地圖加載和繪制的電子地圖管理模塊。

4)渲染窗口模塊主要負責根據鼠標鍵盤輸入控制三維地球的旋轉,實現用戶視角的調整,并根據用戶當前視角調用系統信息模塊、動目標模塊、地球管理模塊的繪制函數,構建顯示畫面并送光柵顯示器顯示。

由于點航跡管理和電子地圖管理在傳統雷達中已經有了比較成熟的解決方案[3-4],所以下面本文集中于系統信息、地球紋理管理和渲染窗口這三個模塊的設計工作。

圖1 空間目標監視雷達三維顯示系統架構圖

2 具體功能實現

2.1 系統信息模塊設計

相控陣雷達的波束顯示不僅要反映雷達波束中心的指向,還需要反映波束的實際寬度和威力范圍。隨著相控陣波束從天線法向側射掃描到角度θ時,它的實際波束寬度也增加到原波束寬度的1/cosθ倍。三維顯示系統通過使用底部開口的圓錐體繪制波束,圓錐體的頂點位于雷達站,圓錐體的中軸線和波束中心指向重合,圓錐體的半徑反映波束的實際寬度,圓錐體的長度反映波束的威力范圍。在圓錐底部開口使用圓環靶指示波束的中心位置。波束的顯示效果如圖2所示。

圖2 波束顯示效果示意圖

由于相控陣雷達的波束可以快速地從一個方向掃到另一個方向,為了準確地反映波束預設出現的位置,三維顯示系統使用搜索屏來顯示波束編排的情況。搜索屏的頂端通過一個個半徑不同的圓環反映每個實際波位,圓環的半徑則反映了該波位的波束寬度。搜索屏的外側使用三角扇面相連,包裹了搜索屏覆蓋的空間范圍。搜索屏的顯示效果如圖3所示。

圖3 搜索屏顯示效果示意圖

2.2 地球紋理管理模塊設計

為了更好地體現雷達威力和點航跡的相對空間位置,三維顯示系統需要一個相對精細的三維地球作為參考坐標系,特別是當視角拉近時,更需要精細的紋理來反映目標的空間位置。但如果全部載入高品質的紋理圖片來繪制地球表面,則會占用大量的內存用于存儲地表紋理,并消耗大量的計算用于紋理綁定。所以,三維顯示系統需要一種機制用于根據視角的距離動態調整地表分形的粒度和紋理圖片的精度,在顯示效果和系統資源消耗之間取得平衡[5]。

三維顯示系統提出了一種四叉樹動態分形技術,它可以根據用戶當前關注的區域對地表進行動態分形,在用戶關注的區域進行更細致的分形并顯示高精度的紋理圖片,在用戶不太關注的區域進行粗糙的分形并使用低精度的紋理圖片,而在用戶看不見的區域不使用紋理貼圖。

四叉樹動態分形技術的基本思想如下:

首先,準備好不同級別精度的地表紋理圖片,每張圖片的像素尺寸為256×256。每一級別的紋理圖片的顯示范圍都被4張更高一級別的紋理圖片所覆蓋。第0級只有兩張圖片,一張覆蓋整個西半球,一張覆蓋整個東半球。第1級細分為8張圖片,和第0級之間的對應關系如圖4所示。類似地,第2級進一步細分為32張圖片,依此類推。每張紋理圖片都用3個序號唯一確定,分別為紋理級別、經度序號和緯度序號。

圖4 地表紋理圖片間的層級關系

其次,根據視角和顯示范圍遞歸的對地表進行四叉樹動態分形,并綁定對應級別精度的地表紋理圖片。算法如下:

1)將整個地球分形為兩塊紋理,分別記為T0-0-0,T0-1-0,作為四叉樹的根節點。

2)對于每塊紋理,根據當前的視角計算該紋理四角坐標對應的屏幕坐標。

3)判斷該紋理是否位于屏幕顯示范圍內:如果不是,則不加載紋理圖片,不再對該紋理進行分形;如果是,則繼續。

4)判斷紋理對應的屏幕像素范圍是否大于256×256×1.5:如果是,則根據紋理序號加載對應級別的紋理圖片;如果不是,則繼續。

5)將該紋理進一步細分為4塊更高級別的紋理,作為該紋理的子節點,并對應計算每塊子紋理的序號,并對每塊子紋理,重復步驟2)至步驟5),直至不需要進一步細分。

最后,當用戶視角發生改變之后,從根節點開始動態更新四叉樹:

1)當前紋理對應的屏幕范圍不可視:如果當前紋理有子節點,則銷毀所有的子節點;如果已經加載紋理圖片,則釋放紋理圖片;

2)當前紋理可視,且對應的屏幕像素范圍大于256×256×1.5:如果當前紋理沒有子節點,則對該紋理節點進行四叉樹分形,創建4個子節點;

3)當前紋理可視,且對應的屏幕像素范圍小于256×256×1.5:如果該紋理沒有加載紋理圖片,則加載對應的紋理圖片;如果該紋理有子節點,則銷毀所有的子節點。

2.3 渲染窗口模塊設計

渲染窗口模塊主要用于實現三維場景的旋轉,從而為用戶提供靈活的視角控制。本文引入了屏幕軌跡球的概念,通過將整個顯示屏幕構建成一個虛擬軌跡球,將地球置于這個虛擬軌跡球的中心,通過鼠標拖動虛擬軌跡球旋轉,從而實現三維地球的自由旋轉。

該虛擬軌跡球位于屏幕的中心,球的一半突出到屏幕之外,另一半延伸到屏幕內側。鼠標點可以映射到虛擬軌跡球上一點,鼠標的拖動可以映射到虛擬軌跡球面上的移動,鼠標按下和抬起的兩點構成了虛擬軌跡球面上的一個夾角。通過確定旋轉軸和夾角可以確定一次旋轉。由于Open GL中所有的幾何變化都是應用變換矩陣實現的,所以上述旋轉問題可以轉化為基于鼠標兩點構建變換矩陣的問題。

首先,需要將鼠標點映射到虛擬軌跡球面上,將鼠標的二維屏幕點(x,y)變為三維空間點m(x,y,z)。假設虛擬軌跡球的半徑為R,則

其次,需要根據兩個虛擬軌跡球面上的三維空間點m1和m2確定虛擬軌跡球面的旋轉軸A和夾角θ。旋轉軸A(x,y,z)是m1、m2兩個向量構成平面的法向量,可以通過兩個向量叉乘得到,而旋轉角度θ則可以由m1、m2的夾角獲得。因此:

由此,可以求出旋轉軸和旋轉夾角,構建成旋轉向量ThisQuat(x,y,z,θ)。

最后,需要根據旋轉軸和夾角對當前的變換矩陣進行旋轉變換。為了實現變換矩陣的運算,首先定義3個矩陣:最終變換矩陣Transform[4][4],歷史旋轉矩陣LastRot[3][3],本次旋轉矩陣ThisRot[3][3]。這三個矩陣都初始化為單位矩陣。每次鼠標拖動后的處理流程如下:

1)根據鼠標點擊的起始點和釋放點的屏幕坐標,根據式(1)計算這兩點的三維空間點坐標,分別記為m1和m2;

2)根據m1和m2和式(2)計算旋轉向量ThisQuat(x,y,z,θ);

3)根據旋轉向量ThisQuat構建本次旋轉矩陣ThisRot;

4)將本次旋轉矩陣ThisRot和歷史旋轉矩陣LastRot相乘,結果存儲在本次旋轉矩陣ThisRot中;

5)根據本次旋轉矩陣ThisRot生成最終變換矩陣Transform;

6)使用本次旋轉矩陣ThisRot更新歷史旋轉矩陣LastRot。

通過上述計算,可以將鼠標在屏幕上拖動的起始點和終止點轉化為一個4×4的最終變換矩陣。在每次繪制地球之前,使用gl Mult Matrix f()函數加載最終變換矩陣Transform,從而實現對三維地球的自由旋轉控制。

3 應用實例

上述框架設計和具體功能實現已在某空間目標監視雷達中得到應用和驗證。程序運行于Pentium Dual-Core CPU上,主頻3.2 GHz,顯卡為NVIDIA GeForce GT210。應用實例顯示,該系統設計可以實現極具立體感的動態準確的波束和搜索屏顯示,顯示效果如圖5所示;可以實現高精度的地球表面紋理顯示,顯示效果如圖6所示;可以實現靈活的地球旋轉控制,圖5和圖6就是從兩個不同的角度進行觀察的顯示效果。

圖5 波束和搜索屏顯示效果圖

圖6 地球紋理顯示效果圖

4 結束語

本文針對空間目標監視雷達的應用背景,提出了雷達三維顯示系統的設計框架,并針對其中的系統信息模塊、地球紋理管理模塊和渲染窗口模塊這三個難點模塊,提出了波束和搜索屏的顯示設計、基于四叉樹動態分形技術的地球紋理顯示設計、基于虛擬軌跡球的三維地球旋轉設計。該系統已在某空間目標監視雷達中得到應用,顯示畫面清晰流暢、立體感強,支持靈活的視角調整和控制。

[1]陳弓,戴晨光,劉航冶.雷達陣地場景三維可視化系統的實現[J].空軍雷達學院學報,2007,21(4):248-251.

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[3]劉揚.軟件化多功能雷達光柵顯示設備設計[J].雷達科學與技術,2008,6(3):206-209.LIU Yang.Design of Softwarized Multi-Function Raster Display Equipment in Radar[J].Radar Science and Technology,2008,6(3):206-209.(in Chinese)

[4]安良,莫紅飛.GIS在雷達顯示控制系統中的應用[J].雷達科學與技術,2011,9(3):264-267,285.AN Liang,MO Hong-fei.Application of GIS in Display and Control System of Radar[J].Radar Science and Technology,2011,9(3):264-267,285.(in Chinese)

[5]鄧寶松,于榮歡,秦方鈺,等.大規模地形無縫漫游技術研究[J].計算機應用研究,2012,29(1):369-372,385.