一种基于硬件加速的矢量化VTS系统雷达视频绘制方法

摘要

本发明公开了一种基于硬件加速的矢量化VTS系统雷达视频绘制方法，为每个需要在VTS交通管理系统上显示的雷达建立一个矢量化的直角坐标系，直角坐标系被划分为许多具有足够精度的显示多边形，让雷达每个采样点都属于一个特定的显示多边形，显示多边形的形状和大小取决于系统的缩放比例和雷达的采样精度。通过将雷达原始视频映射到经过划分的矢量图形，根据原始视频的幅度值决定各个矢量图形的色深；然后根据窗口的顶点位置、长宽和缩放比例，决定所需显示的矢量图形的数量；最后调用图形显示卡以硬件效率显示雷达视频。本发明具有在保证视频精度的情形下，显示效率高，雷达视频连续平滑、没有中空现象出现的优点。

说明书

技术领域

本发明公开了一种基于硬件加速的矢量化VTS系统雷达视频绘制方法，尤其针对显示数据量较大、性能要求很高的VTS交通管理显示系统，涉及雷达视频绘制领域。

背景技术

VTS是利用AIS基站、雷达、CCTV、无线电话、以及船载终端等通信设施监控航行在港湾和进出港口的船舶，并给这些船舶提供航行中所需的安全信息的一种系统。我国通常称为船舶交通管理系统。通过该系统可监控船舶的航路脱离与否、行进方向、速度、船舶互相交行等，以向船舶迅速地提供进出港时所需安全航行信息。

对于一个三（雷达）站一中心的VTS系统而言。对于一般的精度要求而言，每个雷达的采样距离是7.5米，采样范围是2480个点；量化范围是4096。上述参数表示的是在以雷达中心为圆心，7.5*2480米（约20千米）为半径的圆内。从正北开始，每隔（360/4096）度的角度，每隔7.5米取点进行采样，直达圆的边界。这样的话，对于每个雷达有10158080个采样点需要绘制 。对于三个雷达点而言，则需要绘制30474240个采样点

如果直接根据雷达采样的原始形式，进行绘制存在两个主要问题：

1.如果一个VTS区域的全部雷达采样点都通过软件使用中央处理器（CPU）进行绘制，计算机的效率难以保证。一个现代化的VTS交管显示服务器，需要支持10个窗口的并行显示。而原始雷达视频中的点的显示主要是基于CPU的计算，同时，交管服务器的CPU同时还需要进行大量数据通信和船舶管理算法的计算，难以支持如此大的计算量。

2.对于离雷达中心点较远同样量化范围的采样点，一个量化范围之间的弧度距离可以达到20米-30米。如果对于某一个窗口放大到一定比例，一个像素点可能只表示4-5米的距离，但是采样点之间的距离20米以上，这样在雷达视频的中心可能存在很多的空隙，此时显示的雷达视频不能保证人眼观察图像的平滑性和连续性。

因此，急需一种对于VTS雷达视频的绘制方法，可以大幅度提高系统的绘制效率；且可以在保证量化精度的前提下，绘制出符合用户要求的雷达视频。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对VTS软件使用中央处理器CPU直接绘制雷达原始视频，效率低，图像的可靠性不高的问题，提出一种基于硬件加速的矢量化VTS系统雷达视频绘制方法。该方法将接收到的雷达原始视频进行矢量化后，通过软件调用图形加速器（GPU）来绘制具有足够精度的雷达视频的方法，使VTS交管系统的雷达视频显示具有高效率和平滑连续的特点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于硬件加速的矢量化VTS系统雷达视频绘制方法，具体步骤如下：

步骤一、为每个需要在VTS系统上显示的雷达建立以本区域海图的零点位置为原点的矢量化直角坐标系，直角坐标系被划分为复数个显示多边形，雷达的每个采样点都在一个显示多边形内部，任意相邻的两个采样点之间的空隙由这两个采样点所在的显示多边形覆盖；

步骤二、以显示多边形内每个采样点的坐标为元素建立显示多边形矩阵，根据采样点幅度值的不同，显示不一样的色彩梯度，如果采样点的幅度值为零，则显示多边形的色彩梯度为零；

步骤三、以雷达采样周期公约数中的正整数为控制周期，收集所有的采样点数据，然后通过矩阵运算，得到所有显示多边形在线性时间效率内的数据；

步骤四、根据VTS系统运行中窗口的顶点位置、大小、比例尺，将步骤三得到的显示多边形数据传递给图形显示卡，调用图形显示卡的显示多边形绘制函数，使用硬件加速的方式进行绘制。

作为本发明的进一步优选方案，在步骤一中，由VTS系统的缩放比例和雷达的采样精度决定所述显示多边形的形状和大小。

作为本发明的进一步优选方案，步骤三中所述控制周期为1秒。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明通过将雷达原始视频映射到经过划分的矢量图形，根据原始视频的幅度值决定各个矢量图形的色深；然后根据窗口的顶点位置、长宽和缩放比例，决定所需显示的矢量图形的数量；最后调用图形显示卡以硬件效率显示雷达视频。本发明具有在保证视频精度的情形下，显示效率高，雷达视频连续平滑、没有中空现象出现的优点。

附图说明

图1是本发明运行期绘制的主流程示意图。

图2是矢量化对雷达视频中空和毛刺问题的解决效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图就具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明所公开的一种基于硬件加速的矢量化VTS系统雷达视频绘制方法，是为每个需要在VTS交通管理系统上显示的雷达建立一个矢量化的直角坐标系，直角坐标系被划分为许多具有足够精度的显示多边形（四边形、五边形、六边形、七边形、八边形），让雷达每个采样点都属于一个特定的显示多边形，显示多边形的形状和大小取决于系统的缩放比例和雷达的采样精度。这样在视频显示的时候，可以让雷达的视频采用硬件加速的方式，以海量显示多边形的形式进行显示。

本发明运行期绘制的主流程示意图如图1所示，首先对于每个应用场合，首先建立一个以本区域海图的零点位置为原点的直角坐标系，以每个雷达的中心点为中心，从正北开始（对应直角坐标系的Y轴正方向），每隔7.5米建立一个采样点，建立2480个采样点；然后向东（X轴正方向）转动360/4096度，建立同样的2480个采样点；一直到采样角度回到正北方向后停止。这样就一共有了4096*2480个采样点。VTS管理区域有多少个雷达，便有多少组这样的采样点。

然后为每个采样点建立一个显示多边形，两个显示多边形范围恰好可以填充两个采样点之间的空隙。这样显示多边形的精度就可以保证视频的显示达到原始视频的精度。然后建立一个4096*2480的显示多边形矩阵，矩阵的每个值存储着显示多边形每个点的坐标。如果采样点的幅度值为零，则显示多边形的色彩梯度为零，则显示透明；否则的话，显示多边形的色彩根据采样幅度值的不同，显示不一样的色彩梯度。然后根据每个窗口的顶点位置和长宽，决定有哪些显示多边形需要显示；以比例尺，决定显示多边形的边长上对应几个像素点。最后调用GPU的显示多边形绘制函数，使用硬件加速绘制。

基于硬件加速的矢量化VTS系统雷达视频绘制方法，首先是将每个雷达所对应的采样点都转换为直角坐标，映射到以海图零点为原点的直角坐标系中。然后将海图区域中所有与雷达采样点相关的区域，划分为边长为7.5米的正方形。每个正方形中如果有多个采样点，则将多个点的采样幅度值累加，然后来确定此区域的色深，最后推送给显示服务器进行显示。

为了高效率、高精度的显示雷达视频，需要分为如下三个步骤：

一.雷达视频显示工程设计

在每个VTS项目建设的前期，都会得到这个项目建设的海图，同时可以知道所有雷达的位置和采样点的位置。然后将所有雷达的采样点都分布到以雷达采样精度为边长的正方形中，所有雷达可以覆盖到的区域都包含在这样的正方形中。这样的效果可以确保运行期时，圆形的雷达视频对于矩形屏幕的映射的时间效率可以达到常数时间的效率。

比如对于上文提到的采样距离是7.5米、采样范围是2480个点、量化范围是4096的一个雷达,它的采样点可以存储在int型的[4096][2480]的矩阵中，然后用polygon[4096][2480]的矩阵保存显示矩形。Polygon格式存储着四到八个点的坐标，表示着这个采样点所对应的显示多边形。

二.运行期视频数据处理

虽然人眼对于图像的分辨时间是0.1秒左右，但是VTS雷达的扫描时间是3秒左右，所以0.1秒的图像更新效率是无意义的。在这里以1秒为控制周期，来处理雷达视频的显示。每个控制周期的起始，雷达视频处理程序接收通过TCP协议传递来的雷达原始视频数据；接受完数据以后，将数据存储到int radar_sample[4096][2480]的采样幅度矩阵中，有多少个雷达就有多少个这样的矩阵，矩阵的值是采样所得的幅度值；得到采样幅度矩阵后，根据采样矩阵和显示矩阵之间的映射关系，将采样点的幅度值转变为每一个显示多边形的色彩深度。这样所有需要显示的雷达视频的数值计算都已经完成，下面可以直接调用图形显示卡来进行显示多边形的硬件加速显示。

三.多窗口显示实时优化 

在1S控制周期的最后，主控制程序根据目前有多少个窗口打开，每个窗口的顶点位置（经纬度），设置的长宽（单位：米）和缩放的比例（像素/距离），来决定需要有哪些显示多边形需要显示。取出这些显示多边形的编号和色深，放入一个缓冲中。然后根据工程设计所生成的位置数据（polygon [4096][2480]），来决定显示多边形的显示位置、显示大小和色深。查找显示多边形是一个线性时间效率的算法，显示正方形时将调用基于GPU硬件加速的OPENGL函数。

综上所述：根据上文所述的划分方法所生成的矢量化的雷达视频，每个显示多边形的边长是基于雷达采样距离的精度，所以用户所见的雷达视频的精度是达到原始视频精度的。矢量化对雷达视频中空和毛刺问题的解决效果示意图如图2所示，在设计显示多边形时，经过工程划分形成的所有显示多边形都是相切的，保证不存在空隙的可能，所以本发明所涉及的雷达视频必然是连续平滑的。由于在数据准备期，显示多边形的位置、采样点和显示多边形映射等数据都写在配置表中，无需实时计算；在运行期显示视频时，主控程序也计算出在屏幕范围内的显示多边形，只显示需要必须的显示多边形，没有额外的消耗；同时在最终的显示中，由于视频已被分解为很多个矢量显示多边形，可以调用GPU以硬件加速的形式进行显示。这样就确保了本发明在时间效率上的最优。

所以，本发明所涉及的VTS雷达视频具有精度准确、显示效果平滑、算法效率高、可扩充性强等优点。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。