基于OpenGL的雷達終端顯示技術

周昱霖 苗振奎

(江蘇自動化研究所 連云港 222061)

基于OpenGL的雷達終端顯示技術

周昱霖 苗振奎

(江蘇自動化研究所 連云港 222061)

隨著雷達技術的發展,終端顯示軟件化顯得愈發重要,而對平臺的要求和計算機資源的利用成為實現的關鍵技術。論文提出基于WindowsXP系統的OpenGL接口來實現雷達PPI終端顯示,建立雷達余輝衰減模型,采用GPU獨有的Alpha混合技術來實現雷達視頻余輝衰減。方案設計實現后,在不同的雷達掃描周期下,顯示流暢,無頓挫感,且對平臺依賴較小,是一種方便工程化實現的技術方案。

終端顯示; 管線; 混合

Class Number TN957

1 引言

隨著計算平臺、圖像信號處理技術的發展,采用基本的運算平臺來實現雷達信息處理和視頻顯示已成為可能。這種方案設計一方面降低系統成本,另一方面更加方便地對雷達視頻數據進行處理,最大程度上實現雷達信息多樣化的發展需求。目前雷達視頻數據的終端顯示可以利用普通計算機進行顯示,但很多算法處理都是通過DSP等高速計算單元來實現的。但隨著通用計算平臺的發展,采用軟件編程來實現雷達終端顯示同樣可以滿足視頻處理和多樣化顯示要求,同時還可以節約系統造價。OpenGL技術通用GPU實現快速大量數據處理額一項優秀成果,它具有比較完善的三維圖形標準,其強大的圖形功能覆蓋了各種圖形圖像數據處理領域。本文提出了基于OpenGL數據處理的雷達終端軟件化顯示技術,介紹了該方案的軟件化實現。

2 顯示原理

基于雷達終端顯示技術主要有以下兩種,一種是利用FPGA或DSP硬件來實現的,一種是基于計算平臺利用軟件程序[1]進行開發的。前一種是基于硬件處理的,實現性,顯示效果已滿足需要,重點介紹后一種方案。如果采用Windows的多媒體軟件指令集,首先量化雷達掃描線,每條掃描線依據需求設計需要顯示的點數,然后逐點填寫顏色實現的。這種方式對計算平臺要求較高,不利于雷達終端目標信息融合和顯示。本文利用OpenGL[2]管線處理技術來渲染三維對象技,實現雷達終端顯示,并利用GPU獨有的Alpha混合技術來實現雷達余輝衰減。相對于前一種方法,此方案占用計算平臺資源少,能為后續的目標點跡提取、目標融合跟蹤結余大量的時間,滿足雷達終端軟件化顯示實現的總體要求。

雷達終端顯示技術主要包含兩個技術問題,一是渲染實現三維對象;二是建立雷達視頻數據余輝衰減數學模型。OpenGL管線處理技術渲染三維對象的過程分為兩個階段,第一是平面坐標變換和光照實現階段(Transforming and Lighting， T&L),第二個為光柵化顯示處理階段。其處理流程如圖1所示。

圖1 渲染三維對象的兩個階段

其中T&L流水線技術經過一系列的矩陣變換,其流程如圖2所示。

圖2 T&L流水線技術

OpenGL繪制透明材質時,通過定義一個表示材質半透明度的Alpha值和一個透明值的計算公式,把將要繪制的材質的顏色與顏色緩沖區內存在的顏色進行混合,而繪制出具有半透明效果的材質,其計算的公式如下所示:

Color=(RGBsrc·Ksrc)OP(RGBdst·Kdst)

(1)

式中Color表示Alpha混合后材質的顏色值;RGBsrc表示源材質的顏色值,即將要繪制的圖元的顏色值,Ksrc表示源的混合系數,可以定義為材質半透明程度的Alpha值;RGBdst表示目標材質的顏色值,即當前顏色緩沖區的顏色值,Kdst表示目標混合系數,與RGBdst相乘;OP表示源計算結果與顏色緩沖區計算結果的混合。

3 方案設計

根據以上的原理,雷達終端顯示技術實現需由以下步驟實現:

1) 創建紋理

為實現雷達視頻顯示[3],需要創建兩個紋理[2],第一個是作為可操作的表面,作為PPI顯示的背景,OpenGL提供了創建紋理的接口opengl-Texture(),根據實際雷達PPI顯示[4]的大小來進行創建;第二個是實時更新顯示的每一條方位的紋理。設置該紋理屬性為可修改的表面,以實現方位更新時,顯示視頻數據的更新。

2) 渲染對象

傳統PPI顯示方法是對方位進行量化,逐像素點填色的方式實現。由于雷達顯示視頻數據量巨大,此方法計算時間長,消耗計算設備資源較多,成為實現短周期雷達終端掃描顯示[5]的瓶頸。本軟件實現顯示技術的關鍵在使用T&L流水線處理,首先映射變換坐標,每更新一條方位線上的視頻數據,更換一次坐標變換矩陣,使攝像機繞PPI圓心(即雷達天線位置)進行旋轉,在不影響顯示效果的情況下,雷達顯示方位按照360°量化為4096條方位線,即旋轉速度以(360°/4096)/次為最佳。

3) Alpha混合技術

使用Alpha混合技術,即設置兩層紋理的相關渲染狀態。第一層紋理屬性設置為PPI顯示的表面紋理,第二層設置為實時更新的紋理,在將兩次紋理的顏色按照式(1)進行輸出。視頻余輝衰減[3]是依據每更新一幀視頻數據,將原來視頻顯示顏色逐漸減弱為背景顏色(默認為黑色)的原理實現的。首先設置跟第一層紋理混合的系數,即opengl-color()參數的值,然后啟用Alpha混合,將第二層紋理顏色與第一層顏色相減,實現PPI顏色顯示的逐漸衰減。

4 軟件實現

基于以上介紹的方法,筆者使用的計算平臺配置為:雙核Intel Core Q6400 2.4GHz,Nvidia GeForce GT220,利用Visual Studio 2005創建基于MFC的對話框項目[6]。添加PPIDialog類[7],在此類里面實現雷達視頻數據處理與顯示。創建基于對話框的PPIView窗口,初始化配置OpenGL參數,包括創建OpenGL對象、OpenGL設備對象以及需要進行渲染的圖形對象。由應用程序設置并啟動一個多媒體定時器,在多媒體定時器里實現渲染材質的代碼。根據不同雷達的掃描周期,設置不同的攝像機選擇速度,每進行加速或者減速一次,繪制不同掃描周期下的視頻信息。程序設計框圖3所示。

圖3 程序實現框圖

軟件實現后,該方法實現任意掃描周期下的PPI視頻數據[8]顯示,且不增加CPU的使用率。為了增強顯示效果,在PPIView類的窗口上設置了四個距離環和十二條方位線,以增強顯示的距離感和方位感。最終實現PPI顯示界面[9]和計算單元資源占用情況如圖4所示。

圖4 雷達終端視頻顯示和計算單位資源占用情況

圖5 視頻多級衰減情況

由以上設計實現可以看出,該技術方法能實現雷達終端軟件化顯示,并且占用計算單元的資源較少,圖中顯示僅為4.3%,還可以為后續視頻數據的處理留足資源。

利用Alpha混合技術實現視頻余輝衰減的選擇,可以通過改變OpenGLColor_ARGB()參數,可以實現256級衰減。衰減情況如圖5所示。

有圖5可以看出,此方法實現的雷達視頻余輝衰減的效果理想,并極少的占用計算單元的資源,是一種有效和簡易的實現方案。

5 結語

雷達終端的軟件化顯示技術是雷達裝備[10]發展的趨勢,它一方面表現在能降低系統實現成本,另一方面表現在信號處理與操控方面十分靈活。OpenGL技術軟件開發工具包提供了很多優秀的應用程序編程接口,利用這些編程接口可以為開發者實現高質量的、實時的應用程序所需要的各種資源。合理利用OpenGL技術的渲染對象和Alpha混合技術可以很好地實現雷達終端軟件化數據顯示,而且可以節約更多的計算單元資源,更方便地滿足工程上雷達對實時性的要求。

[1] 王德才,楊關勝,孫玉萍,等.精通DirectX 3D圖形與動畫程序設計[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[2] 王立振,劉潤華.基于Visual C++和OpenGL的雷達顯示系統實現[J].空軍雷達學院學報,2013,17(4):10-12.

[3] 樊世友,楊作賓,孫書鷹,等.基于余輝模型的P型雷達顯示器計算機仿真[J].計算機仿真,2014,20(4):6-8.

[4] 漆先虎.Windows操作系統下雷達操控終端的開發[J].火控雷達技術,2015,31(2):27-31.

[5] 徐宏宇,陶然,單濤,等.一種實時雷達顯示控制終端軟件的設計[J].火控雷達技術,2012(1):7-9.

[6] 侯俊杰.深入淺出MFC[M].第二版.武漢:華中科技大學出版社,2003:225-245.

[7][美]Davis Chapman.學用Visual C++6.0[M].駱長樂,譯.北京:清華大學出版社,1999:165-189.

[8] 宋銳,張靜,夏勝平,等.基于通用微機的數字化雷達顯控終端實現[J].系統仿真學報,2013(5):745-748.

[9] 雷達技術編寫組.雷達顯示器[M].上海:上海科學技術出版社,1998:168-198.

[10] 黃銀園.基于消息驅動的光柵掃描雷達顯示器軟件設計[J].現代雷達,2000(2):23-26.

Radar Terminal Display Technology Based on OpenGL

ZHOU Yulin MIAO Zhenkui

(Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061)

With the development of radar technology,the terminal display of radar is becoming more and more important, and the requirements of the platform and the use of computer resources become the key technology to achieve. It is proposed that radar PPI terminal display is achieved based on the OpenGL system of WindowsXP, and the radar afterglow attenuation model is established, and GPU Alpha hybrid technology is used to achieve the radar video attenuation. In different radar scanning periods, and no sense of frustration, and has less dependence on the platform, and is a convenient engineering implementation.

terminal display, pipeline, blend

2016年8月3日,

2016年9月17日

周昱霖,男,碩士,工程師,研究方向:指揮與火控系統集成與應用。苗振奎,男,碩士,工程師,研究方向:雷達信號處理和雷達終端顯示。

TN957

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.021