基于大數據交互式的艦船通信移動終端UI 設計

袁 晶

(江西科技學院，江西 南昌 330000)

0 引言

通信系統為艦船提供各種導航、交通數據等，是艦船正常工作的重要保證。近幾年，由于移動通信網絡和無線局域網的飛速發展，船載通信由無線電通信逐步過渡到了移動網絡通信，通信技術得到了極大的發展。在艦船移動通信中，移動終端是艦員接收、傳輸資料的終端。隨著移動通信服務的發展，移動終端每天都要接收和傳輸大量的信息，包括位置信息、航行狀態信息、救援信息等，有些信息必須通過終端用戶界面進行顯示。UI 設計即顯示界面的設計，是對人機交互和界面美感的綜合設計，它的優劣直接關系到艦船操縱程序的操作成功率。文獻[1]提出了基于STM 32 的人機交互終端設計方法，該方法以STM 處理器為核心，由CAN 接收終端服務與接收任務實現移動終端設計。文獻[2]提出了專網通信終端設計方法，該方法提出了一種基于IoT-G230MHz 專用網絡的遠程通訊終端的方案。使用這2 種終端設計方法雖然能夠在界面上實時顯示操作結果，但是缺乏實際交互信息，導致操控人員無法有效控制艦船移動通信系統。為此，提出了基于大數據交互式的艦船通信移動終端UI 設計方法。

1 艦船通信移動終端UI 結構設計

1.1 天線陣UI 視覺結構設計

采用層疊式天線，可以在接收與發射波段同時進行諧振，并通過雙峰諧振來擴展帶寬[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。饋電網絡以高壓低密度聚乙烯發泡為載體，其介電常數低，將獲得較低損耗。饋電網的核心部件是通過波阻抗轉換器來完成阻抗匹配，并按序進行90°的相位偏移。為了使每一個端口的等效功率分布和連續90°的偏差，相連的2 個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轉動饋電元件構成一種陣列，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 交互式三維場景結構設計

在三維場景建模中，真實動態和靜態特征被構建出來，從而使三維場景具有動態、真實、臨場的交互效果[5]。交互式三維場景結構，如圖1 所示。利用仿真軟件仿真了圖形庫文件，將視頻、圖像、音頻等信息以移動智能終端形式顯示出來。利用計算機可以建立三維場景的虛擬空間[6–8]。三維坐標系參量可以代表三維文字數據，并將其儲存于移動終端數據庫中。為了滿足三維場景的交互式需求，數據庫將不定時進行升級。三維文本原型可以實現字符集信息傳輸，可以把句子分為兩類：界面類和整體類。這2 種節點類型可以在基礎結構模組中任意地應用，包括定義文檔頭部、創建符合規范虛擬空間、簡化模擬重構過程，句子擴展工具可以設定翻譯、執行、注釋和描繪三維場景。

圖1 交互式三維場景結構Fig.1 Interactive 3D scene structure

1.3 結果渲染輸出系統設計

顯示界面UI 設計結果的呈現效果依賴于呈現裝置，在繪制規則限制下，決定是否渲染以及渲染方式，然后渲染操作定位相應的攝像機、光源。渲染器的渲染操作如圖2 所示。根據不同功能界面所需的顯示內容，控制按鍵數量進行界面圖標與顏色設計。

圖2 結果渲染輸出系統Fig.2 Result rendering output system

2 艦船通信移動終端UI 大數據交互功能設計

2.1 三維動畫功能設計

三維動畫場景是一個由多個節點構成的虛擬動畫場景，它可以計算出三維動畫的節點坐標，并能顯示出海域狀況，從而確保了動畫連續性。三維動畫場景中的全部節點分組過程計算如下：

式中：k為節點個數；z為動畫場景節點；o(k)為場景中心像素點。

應用此公式實現三維動畫場景的節點編排，并將其歸類為：

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

采用大數據交互技術來表達三維動畫的交互信息，選擇了三維動畫中的像素點平均值，獲得由同一像素點構成的圖像：

式中，φ為圖像鄰域范圍。

通過該公式采集艦船所處海域環境情況，并以電子形式展示。結合GPS 技術獲取地理位置信息，通過移動終端UI 可得到當前位置坐標，公式為：

式中：L，H分別為界面長和寬。

實時記錄艦船在海域圖像中的位置，通過移動終端UI 顯示三維動畫。

2.2 界面大數據交互功能設計

利用圖標來控制航線，界面的坐標轉換可以實時地顯示界面的動態運行：

式中：x1+γx1為平移對象沿x方向實際偏移量下的任意一個像素點橫向坐標；y1+γy1為平移對象沿y方向實際偏移量下的任意一個像素點縱向坐標；z1+γz1為平移對象沿z方向實際偏移量下任意一個像素點豎直方向坐標。

界面旋轉過程可表示為：

式中，θ為旋轉角度。

結合控制程序能夠實現顯示界面的大數據交互變換，通過界面色彩展示給用戶，起到提示作用。

2.3 抗干擾功能設計

為消除移動通信頻帶對移動終端通信影響，天線通信頻帶不會包含移動通信頻段部分，因此，天線最大帶寬計算公式為：

式中：fe為頻帶寬度；lmin為頻帶最小距離。

天線總品質，計算公式為：

式中：v為光速；εr為有效介電常數；h為基板厚度。

合理選擇有效介電常數計算基板厚度，完成基板材料的選取，RFID 標簽天線帶寬不會涵蓋GSM 頻段，不會觸發芯片工作，使得天線具備良好抗干擾性能。

3 仿真實驗

3.1 艦船操控臺實驗環境

本文研究目標是27 英寸的艦船控制面板，并支持彩色圖像。用戶界面的設計以Eclipse 為核心，它可以在平臺上調節各組件和控制組件位置，并將其嵌入到內部控制程序中，從而實現顯示界面交互式UI 設計結果的輸出與顯示。

3.2 移動終端數據檢測實驗裝置

服務端利用檢測器實時顯示通信移動終端數據，移動終端數據檢測實驗裝置如圖3 所示。三維場景必須與因特網服務器重疊，該系統能夠追蹤、監測艦船通訊移動終端的工作狀況，并將其所傳送的實時影像還原成互動的三維影像，從而使用戶了解其工作狀況。

圖3 移動終端數據檢測實驗裝置Fig.3 Mobile terminal data detection experimental device

3.3 天線方向性圖UI 顯示結果分析

對于天線方向性圖UI 顯示結果，分別使用文獻[1]、文獻[2]和所設計方法與實際數值對比分析，結果如圖4 所示。可知，實際的天線方向性圖UI 結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[1]和文獻[2]天線方向性圖UI 顯示結果分別出現了不同程度的瓣方向性缺失問題，其中文獻[1] 缺失了低副瓣方向性電平，文獻[2] 缺失了后瓣方向性電平。而使用所設計方法天線方向性圖UI 顯示結果與實際數值一致的瓣方向性電平，說明所設計的終端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 顯示結果對比分析Fig.4 Comparative analysis of the UI display results of antenna patterns of different methods

3.4 移動終端UI 像素密度數值分析

像素密度指的是在每英寸顯示屏上的像素數量，數量越多，說明屏幕圖像密度也就越大，清晰度越高。將圖像像素數作為分析指標，其計算公式為：

式中，fp為分辨率。

將此作為依據，分別使用3 種方法對比分析像素密度，對比結果如圖5 所示。可知，使用文獻[1]和文獻[2] 在同一英寸屏幕上的像素密度分別為10PPI 和20PPI，使用所設計系統同一英寸屏幕上的像素密度為50PPI。由此可知，使用所設計系統比傳統方法有清晰度上的優勢。

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 結語

通過設計基于大數據交互式的艦船通信移動終端UI，得出如下結論：通過使用雙峰諧振展寬帶寬，能夠使顯示界面具有對稱性；通過構建三維場景虛擬空間，使顯示終端具有交互功能；通過計算三維動畫節點坐標，使顯示終端動畫具有連續性。通過實驗驗證結果可知，該設計方法的像素密度較高，能夠清晰展示通信結果。