基于ARM平臺的雷達終端軟件多圖層顯示設計和實現(xiàn)?

陳繼峰 陳莉君

（1.北京信達探索者科技有限公司 北京 100043）（2.西安郵電大學 西安 710121）

1 引言

雷達在以前作為軍用設備小范圍使用，隨著科技的發(fā)展和市場的開拓，當前被應用于很多場合，特別是民用行業(yè)，比如船用雷達、氣象雷達。雷達終端軟件系統(tǒng)［1］作為雷達系統(tǒng)中一個重要的系統(tǒng)，其作用是將雷達探測的數(shù)據(jù)友好地呈現(xiàn)給用戶，并且?guī)椭脩艨戽I方便的操控雷達。隨著技術和應用的發(fā)展，雷達終端不再是傳統(tǒng)的平面位置顯示器（PPI［2］，Plan Position Indicator），雷達靠熒光物質(zhì)的余輝效應將原始回波信號顯示在屏幕上。目前的雷達終端不僅僅顯示雷達的原始回波信號，經(jīng)過DSP處理的一次點跡和目標航跡信息［3］，某些場景還融合了電子地圖，AIS（Automatic Identification System）數(shù)據(jù)等其他類型的數(shù)據(jù)。

當前國內(nèi)外很多雷達終端基于X86平臺實現(xiàn)，因為其有強大的處理能力，Windows平臺提供了完善的圖形開發(fā)工具（MFC和DirectDraw［4］），所以終端軟件提供的功能完善，圖形界面美觀，操作方便。以日本船用雷達為代表的小型雷達采用了便攜式的終端設備，但是其圖形界面比較落后，類似于字符界面，功能單一，圖形顯示簡陋，操作不便。目前基于ARM平臺的雷達終端正在迅速發(fā)展，使得雷達終端更加便攜，但是在ARM平臺上開發(fā)雷達終端軟件卻比較困難，主要原因在于ARM平臺相比X86平臺圖形庫支持有限，開發(fā)難度大。基于此本文著重研究了在ARM平臺上開發(fā)雷達終端圖像顯示的方法，使用此方法可以快速地開發(fā)雷達終端軟件。

2 雷達圖形顯示分析

目前雷達終端要顯示的數(shù)據(jù)一般包括原始回波數(shù)據(jù)，一次點跡數(shù)據(jù)［2］，目標航跡數(shù)據(jù)［2］。其中原始回波數(shù)據(jù)是雷達收到的物體電磁波信號的強度，每一次回波數(shù)據(jù)由一個方位信息和上千個距離維的采樣點數(shù)據(jù)構(gòu)成，將這些數(shù)據(jù)通過顏色（灰階）在屏幕上進行展示，便可以清晰地看出雷達探測的物體圖像。一次點跡數(shù)據(jù)由方位數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)組成，現(xiàn)代雷達可以探測到上萬個目標點跡，通過在屏幕上繪制點進行展示。目標航跡數(shù)據(jù)是雷達DSP處理模塊經(jīng)過運算得到的數(shù)據(jù)，描述了目標的大小，方位，距離，速度，航向，歷史軌跡等信息，需要繪制目標的歷史軌跡和當前位置。除此之外，終端軟件需要顯示地圖數(shù)據(jù)，雷達位置變化時，地圖數(shù)據(jù)需要實時刷新。AIS數(shù)據(jù)作為船用雷達領域，將AIS接收的船舶信息融合到雷達終端進行顯示。總之雷達終端的特點是顯示的數(shù)據(jù)量大，各種圖像數(shù)據(jù)差異化大，各種圖形數(shù)據(jù)需要疊加顯示。

目前在Windows平臺上的解決方案是采用DirectDraw圖形接口，DirectDraw提供了頁面的接口［5］，可以將圖形數(shù)據(jù)繪制到頁面，再將頁面進行顯示，對于雷達的多種數(shù)據(jù)類型可以實現(xiàn)多個頁面，每個頁面繪制不同的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)起來難度不大，目前大多存在的不足是將數(shù)據(jù)處理、繪制方法在頁面中進行了實現(xiàn)，當需要增加一種類型的數(shù)據(jù)時，需要增加一種頁面，并且實現(xiàn)這個頁面的數(shù)據(jù)處理和繪制方法，沒有將頁面顯示和數(shù)據(jù)處理，繪制實現(xiàn)分離，耦合度高。

而在ARM平臺下，使用的是嵌入式Linux系統(tǒng)，相對于Windows系統(tǒng)開發(fā)難度更高。在嵌入式平臺目前有幾種實現(xiàn)方案，一種是處理簡單的圖形顯示需求的終端軟件，使用GTK、MiniGUI等圖形庫開發(fā)，這種圖形庫僅支持了傳統(tǒng)的二維圖形繪制接口，開發(fā)者需要將所有的雷達圖形數(shù)據(jù)，繪制在窗口上，目前這種方案僅能處理視頻和目標點圖像，其他圖像數(shù)據(jù)很難再疊加顯示。另外一種是基于Qt平臺［6］開發(fā)的，可以實現(xiàn)較為復雜的圖形顯示需求，目前應用較多。

Qt是類MFC的面向?qū)ο蟮腃++開發(fā)包，是一種跨平臺的開發(fā)工具。Qt的Graphics View框架使用 MVC模式［7］，適合對大量2D圖元的管理。Graphics View［8］框架中包括3個主要的類：QGraphicsScene、QGraphicsView 和 QGraphcsItem，分別是場景、視圖和圖元。場景是QGraphicsItem對象的容器。QGraphics View是視圖窗口部件，它使場景的內(nèi)容可視化，QGraphicsItem是圖元基類，描述各種圖形元素。但目前的實現(xiàn)方案是通過QGraphicsItem去創(chuàng)建各種雷達圖形，包括目標點，歷史軌跡，視頻區(qū)域等，這樣一來QGraphicsScene管理的圖元數(shù)量巨大，導致資源占用大，效率不高，需要依賴OpenGL［9］等硬件加速來提升效率，并且巨量的圖元融合在一起，給后期擴展帶來了極大的不便。

圖1 雷達場景

3 基于QT的多圖層顯示設計和實現(xiàn)

3.1 多圖層顯示方案設計

基于QT的多圖層顯示方案解決了傳統(tǒng)方法的不足，此方案基于Graphics View框架，但并沒有用圖元代表雷達場景中的圖形單元，而是用其表示了圖層［10］，圖層作為一種抽象的圖形單元，不代表具體的雷達圖形，圖層是雷達圖形單元的一種載體，需要顯示的數(shù)據(jù)通過圖層提供的接口傳到這個載體上即可。

雷達場景中包括多個圖層，如圖2，每個圖層顯示同一類型的數(shù)據(jù)，雷達場景僅需要將這些圖層顯示即可，而不用關心圖層上具體的圖形數(shù)據(jù)是什么樣的。

在多圖層顯示設計中將圖形繪制和圖層顯示進行剝離，圖層沒有涉及到具體圖形數(shù)據(jù)的繪制，多個圖層，也僅僅是生成多個實例而已，在后期增加圖形類型時，也只需要增加一個實例，每種類型的圖形繪制單獨實現(xiàn)。

3.2 多圖層顯示實現(xiàn)

雷達圖層圖元：基于QGraphcsItem實現(xiàn)雷達圖層，雷達圖層抽象出來僅僅是為了給雷達數(shù)據(jù)提供一種顯示接口，通過QImage作為圖形數(shù)據(jù)的載體傳入［11］，QImage中的圖形對圖層透明，QImage中的圖形數(shù)據(jù)圖層并不關心，圖層只需要去刷新其中的圖形數(shù)據(jù)即可。

圖2 多圖層顯示示意圖

class RadarSurfaceGraphicsItem：public QGraphicsItem

｛Q_OBJECT

public：

explicit RadarSurfaceGraphicsItem（QImage*image）；

void SetSurfaceDisplay（bool enable）；

void RefreshDisplay（）；

private：

QImage*imageSurface；

bool m_flagDisplay；

｝；

圖形繪制：圖形繪制作為具體的雷達數(shù)據(jù)的繪制接口［12］，這種接口對外提供了需要顯示的圖形數(shù)據(jù)，通過GetDrawSurfaceImage（）接口對外提供圖形數(shù)據(jù)（QImage），只需將此QImage設置到相應的圖層接口即可完成展示。結(jié)合雷達場景需要實現(xiàn)如下幾種圖形的繪制方法：回波繪制、一次點跡繪制、目標繪制、航跡繪制等，實現(xiàn)類圖如圖3，具體的繪制方法不再這里贅述，根據(jù)應用需求具體實現(xiàn)。

圖3 圖形實現(xiàn)

在雷達終端需要增加一種圖形數(shù)據(jù)時，僅需要繼承CDrawSurfaceBase類，實現(xiàn)這種圖形的繪制方法。例如增加雷達回波圖形，如下，增加一個新的類CDrawVideoSurcase。

CDrawVideoSurcase *pDrawVideoSurface = new CDrawVideoSurface（）；

QImage*pImage=pDrawVideoSurface-＞GetDrawSurfaceImage（）；

RadarSurfaceGraphicsItem radarSurfaceVideo=Radar-SurfaceGraphicsItem（pImage）；

//加入到場景

scene-＞addItem（radarSurfaceVideo）；

4 結(jié)語

本文分析了雷達圖形顯示的難點，在Qt圖形框架下，設計和實現(xiàn)了一個新的圖形顯示方法，解決了在ARM平臺下開發(fā)雷達終端軟件困難的情況。新的方法使得圖形顯示和數(shù)據(jù)處理繪制實現(xiàn)了解耦，實驗表明，使用了多圖層的設計方法使得圖形管理更加方便，擴展性強，實現(xiàn)簡單，為雷達終端軟件提供了圖形顯示基礎。