基于可編程渲染管線(xiàn)的雷達圖像分層模型設計與實(shí)現

摘 要：高分辨率雷達圖像顯示是雷達計算機模擬的重要環(huán)節，對圖像的逼真度和實(shí)時(shí)性有著(zhù)極高的要求。采用可編程渲染管線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行雷達顯示系統模擬，能有效實(shí)現雷達圖像的分層模型，充分利用CPtJ和GP[J的并行處理能力，大幅降低CPU的運算復雜度。在生成高質(zhì)量雷達圖像的同時(shí)滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性要求。
關(guān)鍵詞：雷達仿真；可編程渲染管線(xiàn)；余輝；著(zhù)色器；雷達圖像

0 引 言
雷達顯示系統用于顯示接收機輸出的回波圖像，以及信息處理機產(chǎn)生的二次信息和符號，是雷達操作員獲取信息的主要途徑。雷達的計算機模擬是雷達設計、分析以及訓練的有效方法。而顯示系統的模擬作為雷達計算機模擬的最終輸出結果，其逼真度、實(shí)時(shí)性直接影響著(zhù)系統的整體性能。顯示系統模擬的主要任務(wù)包括：對接收機輸出的回波數據，信息處理機產(chǎn)生的ARPA信息，以及各種符號等進(jìn)行轉換，合成為顯示器2D光柵圖像；對生成的回波圖像模擬余輝效果；控制合成圖像的亮度、對比度等。
對顯示系統的模擬一般方法：在雷達圖像刷新過(guò)程中對全屏像素逐一進(jìn)行坐標變換(光柵圖像的直角坐標轉換為回波數據的極坐標)以查找對應的回波脈沖幅值，形成屏幕像素顏色值；衰減像素亮度，模擬顯示器余輝效果(涉及到色飽和計算)；設置像素顏色，生成逼真度非常高的雷達圖像。但這種方法需要存取大量的像素，難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。例如，雷達顯示器分辨率為1 000×1 000，則每幀需存取3．14×5 002=785 000個(gè)像素。而要保持畫(huà)面流暢，幀速率應保持在30 f／s以上，即每秒需要進(jìn)行23 550 000次像素存取。而這才僅僅模擬了雷達的顯示系統。
為了提高效率，一些改進(jìn)的算法被提出：預先建立坐標映射表，利用查表方法減少坐標變換的運算；嵌入MMX指令減暗顏色；利用DirectX等圖形API直接存取顯存等。這些方法減少了單個(gè)像素的處理時(shí)間，但由于像素存取次數多，仍然占用大量的CPU時(shí)間。
要大幅提高雷達顯示系統模擬的效率，必須降低幀間隔內需要處理的像素總數。本文提出的方法基于現代顯卡的可編程管線(xiàn)技術(shù)，將回波圖像更新、余輝效果仿真、ARPA符號繪制與最終的圖像合成過(guò)程隔離開(kāi)來(lái)，并充分利用cPU和GPU并行處理。在幀間隔內由CPU完成對掃描線(xiàn)轉過(guò)的區域進(jìn)行圖像更新和少量的余輝亮度計算，GPU完成圖像合成，避免了對全屏海量像素的存取，極大地提高了顯示模擬的效率。以某艦載導航搜索雷達為例，顯示器分辨率為1 000×1 000，天線(xiàn)轉速為20 r／m，模擬程序幀速率為30 f／s，天線(xiàn)旋轉一周產(chǎn)生4 096條方位刻線(xiàn)。則模擬程序每幀需要存取785 000×20／(60×30)△8 700個(gè)像素。再加上設置4 096條方位刻線(xiàn)余輝亮度，總計存取次數不到原先的1％，效果十分顯著(zhù)。

1 可編程渲染管線(xiàn)與Direct3D 9
可編程管線(xiàn)(Programmable Pipeline)是現代高性能顯卡的一個(gè)重要技術(shù)特征。所謂可編程管線(xiàn)，是指可以編寫(xiě)一段運行于GPU(圖像處理單元)的代碼，對輸入顯卡的原始數據進(jìn)行加工處理后再輸出到顯示器上。這樣的代碼稱(chēng)為著(zhù)色器(shader)，包括頂點(diǎn)著(zhù)色器(vertex shader)和像素著(zhù)色器(pixel shader)，分別用于對要繪制模型的頂點(diǎn)和紋理進(jìn)行變換和混合。由于著(zhù)色器代碼獨立運行在顯卡中，不占用CPU時(shí)間，而且GPU專(zhuān)門(mén)針對圖像計算進(jìn)行了優(yōu)化，因此代碼的運行效率高，圖像處理的速度快。盡管可編程渲染管線(xiàn)設計的目的是滿(mǎn)足日益復雜的3D應用環(huán)境，但由于其結構靈活，采用適當的方法編寫(xiě)代碼，在2D環(huán)境中仍然能發(fā)揮出顯卡的繪圖能力。
Direct3D是微軟提供的基于組件對象模型(COM)的底層繪圖API，它建立在硬件抽象層(HAL)之上。Direct3D檢查顯卡的能力，并以標準的COM接口將顯卡功能暴露給開(kāi)發(fā)人員，從而使其能夠安全地直接訪(fǎng)問(wèn)顯卡硬件，提高應用程序的渲染速度。Direct3D 9全面支持可編程渲染管線(xiàn)，并引入高級著(zhù)色語(yǔ)言(HLSL)來(lái)編寫(xiě)著(zhù)色器代碼。利用Direct3D 9 SDK來(lái)編寫(xiě)雷達模擬器的顯示系統代碼，可充分發(fā)揮顯卡硬件的能力。
為了能夠在雷達顯示的2D環(huán)境中使用Direct3D，只需要做如下處理：將雷達圖像繪制在紋理上，用三角形扇來(lái)模擬圓形，將三角形頂點(diǎn)的紋理坐標設置成雷達圖像紋理的對應數值。將紋理和頂點(diǎn)告知Direct3D，便可渲染出雷達顯示器圖像來(lái)。如圖1所示。