基于分布式架構的顯控技術研究與實現

蔡委哲，楊東華，邱 晗，潘 奇

(南京電子技術研究所，南京 210039)

0 引言

顯控終端[1]作為裝備中重要設備，具有數據處理、網絡通信、綜合顯示、人機交互的作用。顯控終端是與人交互關系最密切的設備，通常由顯控處理單元、顯示單元、操控單元組成。顯控處理單元提供數據傳輸、視頻處理、接口通信、圖形顯示、狀態監測等功能；顯示單元配備單臺或多臺顯示器，將豐富的顯示信息呈現給操作用戶；操控單元通常包括鍵盤、鼠標、軌跡球等交互設備，為用戶提供各種設備 操作、參數設置、指令下達等手段。顯控終端作為一個獨立且復雜的系統設備，承擔了了裝備狀態[2]的監控、信號檢測、目標顯示、操作控制、網絡通訊等任務。

隨著信息化技術的快速發展與應用場景的愈加復雜，裝備對顯控終端的功能、性能提出更高的要求。目標顯示數量[3]由以往的幾十批目標逐步提高到百批、千批目標的顯示需求，且目標信息要求更加精細化，

點跡、航跡、地圖標注等信息需要綜合顯示；顯示內容更加的多元，不但含有目標的相關信息還包括多路光電視頻、監控視頻等內容。顯示方式靈活多變，需要支持多窗口顯示、放大窗顯示、優先級顯示、凍結顯示、尾跡顯示、余暉顯示等多種顯示方式；智能化發展也要求顯控終端支持復雜的智能化算法和高效的人機交互，語音識別、語音合成、人臉識別、指紋識別、手勢識別、眼動追蹤成為未來人機交互趨勢。同時，終端裝備的軟硬件國產化也是發展的必然要求。

傳統的顯控終端采用集中式的處理模式[7]，顯控處理單元作為核心設備承擔了顯控終端的絕大多數工作。這種處理模式結構簡單，操作透明性好且操作簡便。當其功能、性能、接口需求隨著作戰系統的不斷升級而日益提高，顯控終端需要提供增強的人機交互能力和實時處理能力，且核心軟硬件均采用國產化產品。現階段，國產化處理器及操作系統自主可控工作取得了長足的進步，但在產品形態、全棧解決方案和自主生態體系等方面與國外先進產品依然存在著較大的差距，例如國產化GPU采用的固定渲染管線性能較低，通用可編程能力較差，影響了大帶寬顯示數據的處理與高分辨率的圖形圖像顯示。此時，集中處理模式存在著中心處理器負荷較大、多任務頻繁切換效率低、通信瓶頸、網絡難擴展等問題。必須基于現有的國產化軟硬件平臺采用更先進的處理架構和設備管理模式提升顯控終端的整體性能。

因此，如何優化顯控終端架構，充分利用每個硬件設備能力，提升顯控終端的性能，滿足高性能、智能化應用需求成為裝備研制過程中的重要內容。

文章以顯控終端為研究對象，開展分布式[8]顯控架構的研究與設計，實現分布式智能傳感處理、高清多源綜合顯示、多模態人機交互等應用需求，提供具備智能化、低延時、分布式的基礎軟件功能環境，整體提升顯控終端性能。

1 系統設計

針對上述現狀，提出一種基于分布式的顯控硬件架構和基于微服務的軟件架構設計。該分布式架構中以計算處理單元為核心，其它硬件模塊作為協處理單元，并通過軟件的數據協同與匯總，實現顯控終端的整體功能，提升顯控終端性能。

1.1 分布式硬件架構設計

分布式架構是一種彈性技術架構，其核心理念是按照一定的維度將系統進行并行拆分和橫向擴展[9]，系統各部分采用松耦合[10]方式并行運行，并建立起較為完善的橫向擴展與容錯恢復機制。相比集中式處理模式，分布式處理是一種將系統級應用在物理與邏輯上分布到多個相互分離的處理單元的工作方式，不再是有限處理器集中處理的形式，而是廣泛分布的眾多處理單元共同協作完成任務。每個工作單元有各自規劃的工作任務，最后將處理結果匯總至中央處理設備，由中央處理單元統一規劃、整理、分析、匯總，完成功能的最終實現。這種逐級的處理模式可有效的完成任務分解，多個子任務的并行運行于處理，降低多任務頻繁切換，提升系統任務的處理速度與效率。同時，每個子任務的運行相互隔離，可有效實現故障隔離，提高系統可靠性，增強系統可擴展性，減少系統管理成本。

基于上述優勢，顯控終端在開放式體系架構基礎上采用一種分布式顯控處理協同架構。顯控終端音頻數據、圖像數據、視頻數據、臺位畫面等需要大量計算和處理的數據在信息獲取時即進行采集、識別、壓縮、坐標變換等分布式處理，將處理后的最終結果信息或圖像通過PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)、以太網、CAN(Controller Area Network)等內部互聯總線送計算處理模塊匯總使用，所有數據的分布處理均在計算處理模塊的集中控制下有序進行。

分布式處理顯控架構框圖如圖1所示。

圖1 分布式硬件架構設計

各分布式處理單元的主要功能如下：

1)中央處理——顯控計算機：計算處理模塊。

顯控計算機內部的計算處理模塊是顯控終端的核心處理單元，采用國產處理器與國產GPU(Graphics Processing Unit)，支持高性能整型、浮點運算能力、多路超高清圖形處理與顯示等功能；計算處理模塊采用國產化操作系統，部署網絡驅動、圖形化驅動、人機交設備驅動、應用軟件，是實現顯控終端的數據匯總、人機交互、網絡通訊的最終實現單元。此外，計算處理模塊集成基板管理控制器(BMC，baseboard management controller)，管理顯控終端綜合顯示模塊、視頻處理模塊、網絡交換模塊，以及供電控制模塊內部的 BMC (BMC，baseboard management controller)電路，完成整個顯控終端BMC的配置和管理功能，實現顯控終端各模塊設備的狀態可視化。

2)分布式處理——顯控計算機：視頻處理模塊。

顯控計算機內部的視頻處理模塊作為顯控終端的視頻編解碼處理單元，采用專用視頻處理芯片，用于完成顯示信號的輸入輸出、編解碼處理、數據遠超傳輸，實現多路顯示視頻的壓縮編碼、視頻流傳輸、外部視頻的解碼顯示。

3)分布式處理——顯控計算機：顯示處理模塊。

顯控計算機內部的顯示處理模塊作為顯控終端的顯示視頻信息的處理單元，采用國產高性能可編程陣列邏輯(FPGA，field programmable gate)實現硬件加速，用于實現多通道專用顯示視頻、光電視頻、監控視頻的預處理，光纖接口(FC ，fibre channel)/萬兆網接口處理，顯示視頻信號接口處理，多層、多窗口綜合顯示與窗口疊加管理等功能。

4)分布式處理——顯控計算機：業務擴展模塊。

業務擴展模塊是顯控計算機的擴展模塊，接收總線上的大帶寬業務數據，如點監測數據等，利用板載高性能處理器完成數據預處理及異構網絡融合通信，減輕計算機主機的業務負載，提高業務信息處理的實時性。

5)分布式處理——一體機。

一體機作為顯控終端的顯示調度和高頻操作模塊，采用國產處理器與國產化GPU，集成高清顯示、多點觸控、手寫功能、亮度控制，支持圖表顯示、態勢顯示、數據共享、多屏協同標繪、亮度調節等應用，為顯控計算機的協處理模塊，擴展顯控計算機的處理能力，提升計算機的處理性能。

6)分布式處理——音頻通訊終端。

音頻通訊終端作為顯控終端的話音通訊設備，采用嵌入式高性能處理器，完成高清視頻處理與多路音頻處理，提供可視電話、點到點呼叫、會議通訊等功能，為臺位操作人員提供指揮話音通信的功能，支持通過以太網與顯控計算機交互控制信息和語音數據，實現語音撥號、軟件控制、視頻顯示等功能，支持多點觸控，提供快捷方便的操作控制。

7)分布式處理——語音處理模塊。

語音處理模塊作為顯控終端內的音視頻采集與處理設備，采用專用音視頻處理器，提供麥克風陣列音頻采集、音頻降噪、圖像采集、語音合成、語音播報、命令詞識別、連續語音識別、語義理解、人臉認證、聲紋認證、音視頻編解碼、設備狀態監測等功能。

8)分布式處理——指紋處理模塊。

指紋處理模塊作為顯控終端內的指紋采集與數據處理設備，采用微處理器完成指紋信息的采集錄取、數據處理、用戶管理、狀態管理與交互通信，與計算處理模塊協同完成臺位操作人員認證登錄等功能。

9)分布式處理——觸控顯示器。

觸控顯示器為顯控終端的顯示單元，為顯控臺提供高清圖像顯示，同時通過USB接口與計算機處理模塊通信，實現觸控控制與顯示器的調光控制。

10)分布式處理——操控組合。

操控模組包括按鍵模塊、告警模塊、開關模塊，提供按鍵開關、信息告警、控制功能。操控組合通過網絡接口、串行接口與計算模塊通訊，實現按鍵控制信號的采集與操作，告警信號的發送與提示。按鍵模塊可實現多種功能按鍵的配置與設定，有效滿足各種平臺的多按鍵功能需求。

鍵盤、鼠標、車鐘、操縱桿等設備為人機操控設備，均在本地完成操控信息采集和顯示，通過內部互聯與顯控計算機交互信息，可根據實際應用需求進行選用。

1.2 微服務軟件架構設計

分布式架構的顯控終端集成了多個功能獨立的設備，不再是一個簡單的執行或傳感硬件，而是包含了多種自運行軟件的智能單元。例如，觸控顯示器不但具備顯示、觸控交互的功能，還具備程控調光、自身健康狀態監測等功能，語音處理模塊需要進行語音采集、音頻降噪、語音識別、聲音合成、圖像采集、圖像認證等設備功能，也需要對設備自身管理，包括設備的溫度、電流、電壓信息的監控，磁盤空間的使用情況統計等功能。因此，對應硬件分布式架構軟件業采用一種微服務架構[11-14]，支持以專注于單一設備功能的小型軟件功能模塊為基礎，通過API集相互通訊的方式搭建復雜業務系統。

微服務是一種開發軟件的架構和組織方法，專注于單一責任與功能的小型功能區塊為基礎，利用模塊化的方式組合出復雜的大型應用程序，即將復雜的應用程序劃分為一組組小的服務，服務之間互相協調，互相配合。每個服務運行在其獨立的進程中，數據獨立，不會互相干擾，服務與服務之間采用輕量級的通信機制互相溝通。每個服務都圍繞著具體業務進行構件，并且能夠獨立部署。微服務的特點是彈性伸縮，使應用程序更易于擴展及功能升級。

結合顯控終端的硬件分布式處理架構，終端軟件采用了基于微服務的綜合顯控軟件架構，將各個功能模塊的使用劃分為服務類，每個服務獨立部署于各分布式設備中，通過輕量化的API調用服務，完成各模塊的功能集成、數據收集、指令分發，最終實現復雜的應用功能。

基于微服務的綜合顯控軟件架構實現方案如圖2所示。

圖2 微服務軟件架構

基于微服務的顯控軟件架構包括4個層次：硬件適配層、微服務層、微服務總線、應用層。

硬件適配層主要實現對各個硬件設備的管理、狀態上報、數據傳輸等功能，上報參數包括設備溫度、電壓、電流、資源使用情況等數據。

微服務層包含各種微服務，各個微服務與硬件模塊相對應，提供觸控、監控、語音、人臉、聲紋、指紋、視頻、管理、調度、數據等服務。各個微服務獨立部署、數據獨立、相互隔離，并且可以根據具體應用進行擴展或者刪除。

微服務總線采用虛擬網絡總線，各個微服務以標準網絡接口形式接入微服務總線，微服務總線實現各個微服務統一，支持應用或者調度服務對各種服務的調度與管理。

應用層可支持本地應用與遠程應用調用。本地應用注冊其需要的微服務，通過標準網絡接口，完成對相應設備的操控。遠程應用通過實體以太網的網絡傳輸接口獲取與本地一致的微服務。

在系統架構中，部署一個管理、調度微服務，該微服務實現對所有微服務的統一管理[15]，包括硬件環境、服務狀態、系統健康信息、接口調用情況、異常實時告警及潛在問題的事先預警等功能。

2 工程設計

顯控終端是裝備中人機交互的重要設備，下文重點闡述基于分布式架構終端的人機交互設計、終端健康管理設計。

2.1 人機交互操作設計

顯控終端交互場景包含了大量的顯示因素，包括裝備狀態、目標航跡、背景地圖、區域劃分等顯示內容，同時具備多窗口同時顯示、疊加顯示、開窗顯示等多種顯示方式。傳統的交互方式通過鼠標、鍵盤進行上、下屏切換，深度菜單尋找，存在操作步驟多、操控時間長、控制不靈活等問題。基于分布式架構的顯控終端集成了語音識別、多點觸控等智能化人機交互功能。因此，在界面設計時，充分考慮多點觸控、語音識別的交互優勢開展界面的開發設計。

2.1.1 觸控交互界面

基于觸控的交互界面采用大控件尺寸，尺寸標準大小44 px，滿足手指觸控人機工程尺寸[16-17]，避免誤操作。此外，采用多宮格組合控件，空格組件區分明顯，利于快速選擇與操作，如圖3所示。操控區優先布局于界面底部，可以減少雙手移動距離，實現手指的就近操作，同時解決手臂易遮擋的問題，符合快捷觸控操作習慣。

圖3 多點觸控軟件界面設計

觸控操作動作包括點擊、長按、滑動、拖動、旋轉、縮放等，通過長按實現功能菜單快捷探出，通過按住拖動實現窗口移動，通過雙指的捏合和擴展，實現界面的縮小與放大。此外多點觸控能賦予更多操作可能性，使單人或多人同時完成多個點操作，提高操作效率。

2.1.2 語音交互界面

語音交互通過聽和說的方式代替手動操作，達到快速獲得信息、快速控制系統的作用，有效提升系統智能化和便捷化水平。語音交互界面的如圖4所示。

圖4 語音交互界面

通過語音指令，可以完成地圖操作、標牌操作、菜單圖層選擇、窗口打開/關閉、模式選擇切換、目標跟蹤、目標設定、目標屬性顯示、裝備開關機等常用操作。語音輸入文字內容簡潔，界面實時顯示輸入信息和狀態反饋，對重點目標、目標偏航、特殊目標、來襲目標等特情進行聲音告警，提供輔助決策。通過基于觸摸屏、語音識別的交互操控設計，更加直接、自然、快捷的完成控制操作，提升了顯控系統操控的便捷性。

2.2 顯控終端健康監測設計

傳統的顯控終端主要針對顯控計算的運行狀態進行監測，未對各個模塊進行健康信息的收集與分析，存在故障診斷與健康評價能力不足、缺乏對性能退化故障的預測能力[18]。分布式顯控終端以顯控計算機為核心處理單元，收集、監測、分析各個模塊的健康信息。

顯控計算機的計算處理模塊搭載功能獨立的BMC單元，作為顯控終端的健康信息管理中心，對各模塊狀態進行全面匯總、監測和集中管理；各模塊板卡具備智能平臺管理器(IPMC，intelligent platform management controller)，支持對芯片電壓、電流、模塊溫度等狀態的檢測和上報。計算處理模塊BMC電路通過I2C接口連接顯控計算機內部智能平臺管理總線(IPMB，intelligent platform management bus)，完成板卡健康管理；通過串口連接顯控終端供電控制模塊，完成電源監測和整臺加電控制；其他模塊復用主要通信接口向計算處理模塊上報狀態信息，由計算處理模塊轉發至管理中心。計算機處理模塊收集、監測的顯控終端信息通過可視化軟件展現給用戶，包括各個模塊的溫度、電壓、電流、鏈路情況、資源使用情況，當模塊狀態信息出現異常時，可視化軟件會進行閃爍告警，同時播放告警聲音。健康監測用戶界面如圖5所示。

圖5 顯控終端健康監測系統界面設計

基于分布式架構的顯控終端健康監測系統具備以下功能：

1)每臺顯控終端部署獨立的健康監測軟件，支持周期性上報顯控臺內部各模塊硬件狀態；

2)提供顯控終端健康信息監測管理功能，可依據用戶需要指定的硬件平臺上實時監測聯網的顯控終端運行狀態信息；

3)提供顯控終端履歷管理功能，實現對不同臺套顯控終端累計運行狀態、故障模塊等信息可視化、精確管理，支持性能退化故障的預測能力。

3 實驗結果與分析

3.1 顯控終端實現

終端采用上下雙屏形式，計算處理模塊與一體機均采用國產飛騰處理器，景嘉微顯卡[19-20]。顯控終端可支持2路3 840×2 160@30Hz分辨率超高清圖形處理與顯示。顯示處理模塊采用復旦微FPGA，支持2路2 K光電視頻同時處理與顯示、監控視頻顯示。終端設備主要包括臺體、顯示器、電源、機箱、及臺面各個嵌臺設備，示意圖如圖6所示。

圖6 顯控終端設備

顯控計算機中包括計算機處理模塊、顯示處理模塊等模塊，與電源、轉接板安裝在臺體內部，顯示器安裝在臺面上的顯示器支臂上，顯控終端面集成揚聲器、語音通訊模塊、麥克風、按鍵模塊、告警模塊、開關模塊、語音采集模塊、一體機、鼠標、鍵盤等模塊，為用戶提供豐富的操作控制接口。

終端上電后，顯控計算機進行通用數據處理、圖像顯示、操控響應，支持超高清分辨率的精細化信息顯示；提傳統的鍵盤、鼠標操作以及基于觸控顯示器與一體機的單點、多點觸控快捷操作；同時接收語音通訊模塊的通訊數據、語音采集模塊的語音和人臉數據，具備視頻通訊、語音識別、語音合成、人臉認證、指紋認證等生物信息采集與識別功能。高效完成了顯控終端的信息顯示、人機交互、操作控制功能。

3.2 性能對比

基于分布式架構的顯控終端有效整合各個協處理單元的能力，綜合完成顯控終端的復雜功能，具有豐富的功能和較高的處理性能，與傳統顯控終端的性能參數對比如表1。

表1 性能對比表

經過對比分析，基于分布式架構的顯控終端功能更加豐富，信息呈現方式多樣化，人機交互更加高效，設備狀態可視化，性能得到較大的提升。

4 結束語

本設計針對顯控終端應用需求，基于國產化處理器，采用分布式顯控架構，合理劃分功能，眾多處理器共同協作完成任務，共同實現顯控終端的數據處理、高清顯示、智能人機交互、健康監測等功能。經試用表明，該分布式顯控架構，切實解決了國產化平臺下性能不足的問題，具備良好的可行性，有效提升了顯控終端的整體性能和裝備作戰效能。