基于視頻優(yōu)化技術(shù)的艦船導(dǎo)航交互界面設(shè)計(jì)

李傳軍，鄭 鵬

(江西科技學(xué)院，江西 南昌 330098)

0 引 言

艦船導(dǎo)航交互界面是其航行過程中必不可缺的配置，其可規(guī)范艦船航行路線，為艦船航行安全提供有效保障。近年來電子海圖的產(chǎn)生，豐富了艦船導(dǎo)航交互界面，艦船導(dǎo)航界面功能更加多樣化[1–2]。但目前艦船導(dǎo)航交互界面在應(yīng)用過程中會(huì)存在海圖卡頓、顯示雷達(dá)內(nèi)容出現(xiàn)余暉效應(yīng)，導(dǎo)致用戶使用感不佳，因此設(shè)計(jì)艦船導(dǎo)航交互界面對(duì)艦船航行意義較大。目前也有學(xué)者設(shè)計(jì)艦船導(dǎo)航交界界面，馮書慶等[3]設(shè)計(jì)了船舶姿態(tài)導(dǎo)航界面，該導(dǎo)航界面設(shè)計(jì)是以Lab Windows CVI 開發(fā)平臺(tái)為基礎(chǔ)，依托OpenGL 開放圖形庫(kù)構(gòu)建的，通過視口控制算法實(shí)現(xiàn)界面的人機(jī)交互。但該導(dǎo)航界面在應(yīng)用過程中，其界面內(nèi)容配置不夠合理，用戶在使用時(shí)需多步操作，應(yīng)用較為麻煩。陳卓等[4]設(shè)計(jì)無人機(jī)自主導(dǎo)航界面，該導(dǎo)航界面通過構(gòu)建海圖柵格，依據(jù)艦船目的地規(guī)劃其航行航線，其著重于航跡規(guī)劃，因此其功能較為單一。視頻優(yōu)化技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖像視覺技術(shù)，將圖像和數(shù)據(jù)優(yōu)化后得到動(dòng)態(tài)視頻技術(shù)，其可分離或組合視頻和圖像內(nèi)信息，為用戶提供所需數(shù)據(jù)，在定位、追蹤等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用效果均較好[5]。本文以視頻優(yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)基于視頻優(yōu)化技術(shù)的艦船導(dǎo)航交互界面，為艦船航行提供安全保障。

1 艦船導(dǎo)航交互界面設(shè)計(jì)

1.1 艦船導(dǎo)航交互界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)艦船導(dǎo)航交互界面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由人機(jī)交互單元、主控單元、視頻優(yōu)化單元、導(dǎo)航設(shè)備單元等組成。導(dǎo)航設(shè)備單元的羅經(jīng)、海圖、GPS 和北斗均直接將其數(shù)據(jù)導(dǎo)入到視頻優(yōu)化單元和人機(jī)交互單元內(nèi)相對(duì)應(yīng)的模塊內(nèi)，雷達(dá)掃描視頻則利用雷達(dá)采集器采集后，輸入到視頻優(yōu)化單元內(nèi)。視頻優(yōu)化單元將氣象儀、海圖、雷達(dá)掃描視頻等數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化合成后，得到涵蓋氣象、海圖、經(jīng)緯度的雷達(dá)掃描視頻。將該雷達(dá)掃描視頻輸入到主控單元內(nèi)電子海圖控制模塊內(nèi)，用戶通過觸控顯示屏與該主控單元內(nèi)的查詢統(tǒng)計(jì)、航線管理、電子海圖控制等模塊進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)艦船導(dǎo)航。

圖 1 艦船導(dǎo)航交互界面結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of ship navigation interactive interface

1.2 雷達(dá)掃描視頻采集器設(shè)計(jì)

雷達(dá)掃描視頻采集器基本框架如圖2 所示。將雷達(dá)掃描視頻信號(hào)輸入到緩沖放大器內(nèi)，該視頻信號(hào)經(jīng)過放大后，再使用A/D 轉(zhuǎn)換器將放大后的雷達(dá)掃描視頻信號(hào)模擬量轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)值的離散信號(hào)，輸入到可編程邏輯器內(nèi)。可編程邏輯器將雷達(dá)掃描視頻離散信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)緩存器內(nèi)，再通過PCI 總線將其傳輸?shù)揭曨l優(yōu)化單元，其中利用同步時(shí)鐘調(diào)整緩沖放大器接收到雷達(dá)掃描視頻信號(hào)時(shí)間和PIC 總線傳輸時(shí)間，使二者時(shí)間保持一致[5]。

圖 2 雷達(dá)掃描視頻采集器基本框架Fig. 2 Basic framework of radar scanning video collector

1.3 基于視頻優(yōu)化技術(shù)的雷達(dá)掃描視頻合成方法

視頻優(yōu)化單元接收到雷達(dá)掃描視頻、海圖、氣象、北斗等數(shù)據(jù)后，將該數(shù)據(jù)與雷達(dá)掃描視頻進(jìn)行優(yōu)化合成，生成涵蓋多種信息的艦船導(dǎo)航雷達(dá)掃描視頻，其詳細(xì)步驟如下：

1）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于雷達(dá)探測(cè)周圍環(huán)境時(shí)是靠天線旋轉(zhuǎn)，其接收到的電磁波是從目標(biāo)的反射回波，在現(xiàn)實(shí)雷達(dá)掃描視頻時(shí)，需將雷達(dá)掃描視頻的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)。(x,y) 和 (ψ,θ)分別表示雷達(dá)掃描視頻的直角坐標(biāo)和距離方位，其中 ψ表示雷達(dá)掃描目標(biāo)的距離，θ表示目標(biāo)角度，計(jì)算公式如下：

對(duì)雷達(dá)掃描視頻距離方位進(jìn)行離散化處理，并用r0表示目標(biāo)距離的原始半徑，則和ψ之間的關(guān)系如下：

式中，β表示半徑縮放系數(shù)。

θ0表示原始方位角，依據(jù)弧度范圍計(jì)算公式為

依據(jù)式(2)和式(3)即可得到雷達(dá)掃描目標(biāo)點(diǎn)的極坐標(biāo)點(diǎn)，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2）設(shè)置掃描周期

雷達(dá)掃描具備一定的周期，在優(yōu)化合成雷達(dá)掃描視頻時(shí)，終端顯示掃描周期需與雷達(dá)自身的掃描周期保持一致。

3）余暉處理

在艦船導(dǎo)航交互界面打開雷達(dá)掃描視頻時(shí)，受電子流影響，顯示屏熒光物質(zhì)持續(xù)發(fā)光，出現(xiàn)開始很亮并逐漸變暗現(xiàn)象，該現(xiàn)象稱為余暉。在優(yōu)化合成雷達(dá)掃描視頻時(shí)，通過降低不在掃描區(qū)域視頻的像素值方式，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)掃描線轉(zhuǎn)動(dòng)后，出現(xiàn)余暉效應(yīng)。

4）生成雷達(dá)掃描視頻

對(duì)非角度掃描區(qū)域進(jìn)行余暉處理后，以橫條方式將雷達(dá)掃描視頻劃分為4 個(gè)區(qū)域，利用4 個(gè)視頻優(yōu)化線程分別處理每一個(gè)區(qū)域，其處理過程為：

步驟1循環(huán)處理區(qū)域內(nèi)的每個(gè)像素，判斷是否存在漫游縮放閃，若有，將該像素對(duì)應(yīng)的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)后，更新雷達(dá)掃描界面坐標(biāo)。反之，則在對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)尋找極坐標(biāo)。

步驟2計(jì)算轉(zhuǎn)換過坐標(biāo)的像素點(diǎn)是否位于掃描區(qū)域內(nèi)，若是，則查找雷達(dá)數(shù)據(jù)。反之，做余暉處理。

步驟3處理完所有雷達(dá)掃描視頻像素點(diǎn)后，將對(duì)應(yīng)的海圖、氣象、北斗等數(shù)據(jù)導(dǎo)入到目標(biāo)對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)上，完成雷達(dá)掃描視頻合成，將其傳輸給主控單元顯示在觸控顯示屏上。

1.4 背景海圖漫游縮放設(shè)計(jì)

人機(jī)交互單元電子海圖控制模塊可為用戶提供背景海圖漫游縮放功能，用戶可通過放大或縮小海圖，尋找目的地坐標(biāo)、查看周圍島嶼分布情況等。艦船導(dǎo)航交互界面的背景海圖漫游縮放是以優(yōu)化合成后的雷達(dá)掃描視頻為基礎(chǔ)，以雷達(dá)所在位置為掃描中心，計(jì)算當(dāng)前海圖顯示圖像在雷達(dá)掃描視頻內(nèi)的位置和尺寸，然后依據(jù)放大或縮小比例計(jì)算海圖顯示區(qū)域?qū)?yīng)的像素值。令區(qū)域1 為顯示區(qū)域，區(qū)域2 為漫游縮放區(qū)域，令區(qū)域1 左下角為坐標(biāo)系原點(diǎn)，由 (Rw,Rh)表示，其中Rw和Rh分 別表示區(qū)域1 的寬度和高度。ε為縮放系數(shù)，優(yōu)化合成后雷達(dá)掃描視頻掃描中心坐標(biāo)由(Cx,Cy)表 示。(Qx,Qy)為區(qū)域2 中心點(diǎn)坐標(biāo)，則有Qx=Cx，Qy=Cy，依據(jù)該坐標(biāo)，可計(jì)算區(qū)域2 左下角坐標(biāo)：

其中：mapx和m apy表示區(qū)域2左下角坐標(biāo)；MapWidth和MapWeight分別表示區(qū)域2寬度和高度。

計(jì)算漫游縮放后顯示區(qū)域在原始海圖內(nèi)的偏移量，公式如下：

其中：P_x，P_y分別為方向和方向的偏移量。

依據(jù)公式(5)結(jié)果，選取海圖內(nèi)縮放區(qū)域后，其橫向和豎向各放大或縮小倍后，即可得到漫游縮放后的海圖。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

以某船作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將本文設(shè)計(jì)的艦船導(dǎo)航交互界面應(yīng)用在該船航行導(dǎo)航過程中，分析本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)航交互界面實(shí)際應(yīng)用效果。

2.1 雷達(dá)掃描視頻合成測(cè)試

使用本文方法優(yōu)化合成艦船導(dǎo)航雷達(dá)掃描視頻，結(jié)果如圖3 所示。

圖 3 艦船導(dǎo)航雷達(dá)掃描視頻合成結(jié)果Fig. 3 Synthetic results of ship navigation radar scanning video

可知，應(yīng)用視頻優(yōu)化技術(shù)，可有效合成雷達(dá)掃描視頻圖像，并顯示在艦船導(dǎo)航交互界面內(nèi)，同時(shí)在該界面內(nèi)也可顯示北斗、GPS 等數(shù)據(jù)。在雷達(dá)掃描視頻內(nèi)，可清晰觀察到非掃描區(qū)域較暗，掃描位置較亮，說明本文方法在優(yōu)化和雷達(dá)掃描視頻過程中余暉效應(yīng)處理較好。綜上結(jié)果，本文設(shè)計(jì)的艦船導(dǎo)航交互界面內(nèi)可顯示的數(shù)據(jù)較多，且合成的雷達(dá)掃描視頻效果較好。

2.2 系統(tǒng)人機(jī)交互測(cè)試

驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的艦船導(dǎo)航交互界面的人機(jī)交互功能，用戶通過觸摸顯示屏向?qū)Ш浇缑姘l(fā)送控制命令，導(dǎo)航界面接收命令后向用戶發(fā)送反饋結(jié)果。其中，反饋“1”表示已成功接收命令并執(zhí)行該命令，反饋“0”則表示成功接收命令但導(dǎo)航界面未執(zhí)行命令。測(cè)試在人機(jī)交互次數(shù)不同情況下，艦船導(dǎo)航交互界面反饋結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。分析可知，本文設(shè)計(jì)的艦船導(dǎo)航界面在進(jìn)行人機(jī)交互時(shí)，交互請(qǐng)求次數(shù)為400次之前時(shí)，反饋結(jié)果均為“1”，當(dāng)交互請(qǐng)求次數(shù)超過400 次后，其出現(xiàn)反饋結(jié)果為“0”的情況。但隨之交互請(qǐng)求次數(shù)的增加，反饋結(jié)果為“0”的次數(shù)增加幅度較小。在交互請(qǐng)求次數(shù)為2 000 次時(shí)，反饋結(jié)果為“0”次數(shù)僅為5 次，其人機(jī)交互成功率為99.75%。該結(jié)果表明，該艦船導(dǎo)航交互界面具備較強(qiáng)的人機(jī)交互能力。

表 1 艦船導(dǎo)航交互界面人機(jī)交互測(cè)試結(jié)果Tab. 1 Man-machine interaction test results of ship navigation interaction interface

2.3 海圖漫游縮放功能測(cè)試

以海圖上某個(gè)位置作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在海圖導(dǎo)航界面對(duì)其進(jìn)行縮放測(cè)試，結(jié)果如圖4 所示。分析可知，應(yīng)用本文方法可有效對(duì)海圖內(nèi)目標(biāo)位置進(jìn)行縮放處理，且縮放后的目標(biāo)位置并未出現(xiàn)偏差。該結(jié)果說明，本文設(shè)計(jì)的艦船人機(jī)導(dǎo)航交互界面縮放精度較高，應(yīng)用效果較好。

圖 4 海圖漫游縮放測(cè)試結(jié)果Fig. 4 Chart roaming zoom test results

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)基于視頻優(yōu)化技術(shù)的艦船導(dǎo)航交互界面，在該界面內(nèi)，利用視頻優(yōu)化技術(shù)將雷達(dá)掃描信號(hào)和海圖、GPS 等數(shù)據(jù)優(yōu)化合成后，得到雷達(dá)掃描視頻呈現(xiàn)給用戶，為艦船導(dǎo)航交互界面增加了多元化特征，可更好地為艦船提供導(dǎo)航服務(wù)。該導(dǎo)航交互界面經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，具備較強(qiáng)的可應(yīng)用性。