基于OpenGL的雷达终端显示技术

周昱霖 苗振奎

(江苏自动化研究所 连云港 222061)

基于OpenGL的雷达终端显示技术

周昱霖 苗振奎

(江苏自动化研究所 连云港 222061)

随着雷达技术的发展,终端显示软件化显得愈发重要,而对平台的要求和计算机资源的利用成为实现的关键技术。论文提出基于WindowsXP系统的OpenGL接口来实现雷达PPI终端显示,建立雷达余辉衰减模型,采用GPU独有的Alpha混合技术来实现雷达视频余辉衰减。方案设计实现后,在不同的雷达扫描周期下,显示流畅,无顿挫感,且对平台依赖较小,是一种方便工程化实现的技术方案。

终端显示; 管线; 混合

Class Number TN957

1 引言

随着计算平台、图像信号处理技术的发展,采用基本的运算平台来实现雷达信息处理和视频显示已成为可能。这种方案设计一方面降低系统成本,另一方面更加方便地对雷达视频数据进行处理,最大程度上实现雷达信息多样化的发展需求。目前雷达视频数据的终端显示可以利用普通计算机进行显示,但很多算法处理都是通过DSP等高速计算单元来实现的。但随着通用计算平台的发展,采用软件编程来实现雷达终端显示同样可以满足视频处理和多样化显示要求,同时还可以节约系统造价。OpenGL技术通用GPU实现快速大量数据处理额一项优秀成果,它具有比较完善的三维图形标准,其强大的图形功能覆盖了各种图形图像数据处理领域。本文提出了基于OpenGL数据处理的雷达终端软件化显示技术,介绍了该方案的软件化实现。

2 显示原理

基于雷达终端显示技术主要有以下两种,一种是利用FPGA或DSP硬件来实现的,一种是基于计算平台利用软件程序[1]进行开发的。前一种是基于硬件处理的,实现性,显示效果已满足需要,重点介绍后一种方案。如果采用Windows的多媒体软件指令集,首先量化雷达扫描线,每条扫描线依据需求设计需要显示的点数,然后逐点填写颜色实现的。这种方式对计算平台要求较高,不利于雷达终端目标信息融合和显示。本文利用OpenGL[2]管线处理技术来渲染三维对象技,实现雷达终端显示,并利用GPU独有的Alpha混合技术来实现雷达余辉衰减。相对于前一种方法,此方案占用计算平台资源少,能为后续的目标点迹提取、目标融合跟踪结余大量的时间,满足雷达终端软件化显示实现的总体要求。

雷达终端显示技术主要包含两个技术问题,一是渲染实现三维对象;二是建立雷达视频数据余辉衰减数学模型。OpenGL管线处理技术渲染三维对象的过程分为两个阶段,第一是平面坐标变换和光照实现阶段(Transforming and Lighting， T&L),第二个为光栅化显示处理阶段。其处理流程如图1所示。

图1 渲染三维对象的两个阶段

其中T&L流水线技术经过一系列的矩阵变换,其流程如图2所示。

图2 T&L流水线技术

OpenGL绘制透明材质时,通过定义一个表示材质半透明度的Alpha值和一个透明值的计算公式,把将要绘制的材质的颜色与颜色缓冲区内存在的颜色进行混合,而绘制出具有半透明效果的材质,其计算的公式如下所示:

Color=(RGBsrc·Ksrc)OP(RGBdst·Kdst)

(1)

式中Color表示Alpha混合后材质的颜色值;RGBsrc表示源材质的颜色值,即将要绘制的图元的颜色值,Ksrc表示源的混合系数,可以定义为材质半透明程度的Alpha值;RGBdst表示目标材质的颜色值,即当前颜色缓冲区的颜色值,Kdst表示目标混合系数,与RGBdst相乘;OP表示源计算结果与颜色缓冲区计算结果的混合。

3 方案设计

根据以上的原理,雷达终端显示技术实现需由以下步骤实现:

1) 创建纹理

为实现雷达视频显示[3],需要创建两个纹理[2],第一个是作为可操作的表面,作为PPI显示的背景,OpenGL提供了创建纹理的接口opengl-Texture(),根据实际雷达PPI显示[4]的大小来进行创建;第二个是实时更新显示的每一条方位的纹理。设置该纹理属性为可修改的表面,以实现方位更新时,显示视频数据的更新。

2) 渲染对象

传统PPI显示方法是对方位进行量化,逐像素点填色的方式实现。由于雷达显示视频数据量巨大,此方法计算时间长,消耗计算设备资源较多,成为实现短周期雷达终端扫描显示[5]的瓶颈。本软件实现显示技术的关键在使用T&L流水线处理,首先映射变换坐标,每更新一条方位线上的视频数据,更换一次坐标变换矩阵,使摄像机绕PPI圆心(即雷达天线位置)进行旋转,在不影响显示效果的情况下,雷达显示方位按照360°量化为4096条方位线,即旋转速度以(360°/4096)/次为最佳。

3) Alpha混合技术

使用Alpha混合技术,即设置两层纹理的相关渲染状态。第一层纹理属性设置为PPI显示的表面纹理,第二层设置为实时更新的纹理,在将两次纹理的颜色按照式(1)进行输出。视频余辉衰减[3]是依据每更新一帧视频数据,将原来视频显示颜色逐渐减弱为背景颜色(默认为黑色)的原理实现的。首先设置跟第一层纹理混合的系数,即opengl-color()参数的值,然后启用Alpha混合,将第二层纹理颜色与第一层颜色相减,实现PPI颜色显示的逐渐衰减。

4 软件实现

基于以上介绍的方法,笔者使用的计算平台配置为:双核Intel Core Q6400 2.4GHz,Nvidia GeForce GT220,利用Visual Studio 2005创建基于MFC的对话框项目[6]。添加PPIDialog类[7],在此类里面实现雷达视频数据处理与显示。创建基于对话框的PPIView窗口,初始化配置OpenGL参数,包括创建OpenGL对象、OpenGL设备对象以及需要进行渲染的图形对象。由应用程序设置并启动一个多媒体定时器,在多媒体定时器里实现渲染材质的代码。根据不同雷达的扫描周期,设置不同的摄像机选择速度,每进行加速或者减速一次,绘制不同扫描周期下的视频信息。程序设计框图3所示。

图3 程序实现框图

软件实现后,该方法实现任意扫描周期下的PPI视频数据[8]显示,且不增加CPU的使用率。为了增强显示效果,在PPIView类的窗口上设置了四个距离环和十二条方位线,以增强显示的距离感和方位感。最终实现PPI显示界面[9]和计算单元资源占用情况如图4所示。

图4 雷达终端视频显示和计算单位资源占用情况

图5 视频多级衰减情况

由以上设计实现可以看出,该技术方法能实现雷达终端软件化显示,并且占用计算单元的资源较少,图中显示仅为4.3%,还可以为后续视频数据的处理留足资源。

利用Alpha混合技术实现视频余辉衰减的选择,可以通过改变OpenGLColor_ARGB()参数,可以实现256级衰减。衰减情况如图5所示。

有图5可以看出,此方法实现的雷达视频余辉衰减的效果理想,并极少的占用计算单元的资源,是一种有效和简易的实现方案。

5 结语

雷达终端的软件化显示技术是雷达装备[10]发展的趋势,它一方面表现在能降低系统实现成本,另一方面表现在信号处理与操控方面十分灵活。OpenGL技术软件开发工具包提供了很多优秀的应用程序编程接口,利用这些编程接口可以为开发者实现高质量的、实时的应用程序所需要的各种资源。合理利用OpenGL技术的渲染对象和Alpha混合技术可以很好地实现雷达终端软件化数据显示,而且可以节约更多的计算单元资源,更方便地满足工程上雷达对实时性的要求。

[1] 王德才,杨关胜,孙玉萍,等.精通DirectX 3D图形与动画程序设计[M].北京:人民邮电出版社,2009.

[2] 王立振,刘润华.基于Visual C++和OpenGL的雷达显示系统实现[J].空军雷达学院学报,2013,17(4):10-12.

[3] 樊世友,杨作宾,孙书鹰,等.基于余辉模型的P型雷达显示器计算机仿真[J].计算机仿真,2014,20(4):6-8.

[4] 漆先虎.Windows操作系统下雷达操控终端的开发[J].火控雷达技术,2015,31(2):27-31.

[5] 徐宏宇,陶然,单涛,等.一种实时雷达显示控制终端软件的设计[J].火控雷达技术,2012(1):7-9.

[6] 侯俊杰.深入浅出MFC[M].第二版.武汉:华中科技大学出版社,2003:225-245.

[7][美]Davis Chapman.学用Visual C++6.0[M].骆长乐,译.北京:清华大学出版社,1999:165-189.

[8] 宋锐,张静,夏胜平,等.基于通用微机的数字化雷达显控终端实现[J].系统仿真学报,2013(5):745-748.

[9] 雷达技术编写组.雷达显示器[M].上海:上海科学技术出版社,1998:168-198.

[10] 黄银园.基于消息驱动的光栅扫描雷达显示器软件设计[J].现代雷达,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,硕士,工程师,研究方向:指挥与火控系统集成与应用。苗振奎,男,硕士,工程师,研究方向:雷达信号处理和雷达终端显示。

TN957

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.021