視景圖形繪制方法生成航海雷達圖像關鍵技術

曹士連， 金一丞， 尹勇

(1.大連海事大學 航海動態仿真與控制交通行業重點實驗室， 遼寧 大連 116026； 2.集美大學 航海學院，福建 廈門 361021)

?

視景圖形繪制方法生成航海雷達圖像關鍵技術

曹士連1，2， 金一丞1， 尹勇1

(1.大連海事大學 航海動態仿真與控制交通行業重點實驗室， 遼寧 大連 116026； 2.集美大學 航海學院，福建 廈門 361021)

針對掃描線與岸線求交算法生成的航海雷達圖像物標間遮擋關系不明確、 陸地內部回波缺失問題，提出利用著色器程序計算雷達探測距離，通過繪制視景圖形并提取幀緩存數據來生成仿真雷達圖像。該方法利用紋理映射實現快速坐標轉換和消除仿真圖像的死點現象。對仿真圖像中回波不連續問題進行了分析并提出了緩解措施。視景圖形繪制方法生成雷達圖像避開了求交計算的瓶頸，仿真結果表明，生成的雷達圖像質量較現有模擬器有顯著提高。

雷達圖像；圖形繪制；透視投影；物標遮擋；死點；坐標轉換；紋理映射；著色器

熟練而正確地使用雷達是航海人員的必備技能，國際海事組織 (international maritime organization， IMO)制定的STCW公約[1]規定，必須經過雷達使用方面的特殊訓練才能取得適任證書。和真雷達相比，雷達模擬器能夠根據訓練需要模擬不同港口、不同天氣和海況條件下的雷達回波圖像，能夠實時加入其他運動物標，因此在雷達使用培訓中主要使用雷達模擬器而不是真雷達進行訓練。電子工程類專業人員設計的雷達模擬器[2-4]主要服務于雷達設計制造過程中的測試、評估等，并不適用于訓練目的，用于訓練目的的雷達模擬器要求雷達回波圖像具有高真實感。

國內能夠提供航海模擬器的主要是幾家航海院校， 主要采用由電子海圖或其他數據源抽取地物的岸線形狀數據并與掃描線求交的方式生成雷達圖像[5-6]，這種二維數據模型由于不包含詳細的物標高程信息(僅表示岸線的線段有高程信息，而陸地內部的高程信息全部忽略)，很難提供精確的算法進行物標間或物標不同部位間遮擋關系的判斷，陸地內部的回波僅以根據岸線平均高度、反射特性等屬性生成的一定長度的射線來表示或完全填充。這顯然與真實雷達回波有較大差距。改進的方案是用等高線[7-8]或高度圖實現[9]，等高線法需要進行求交計算，計算效率不高，且容易出現長條狀的回波，高度圖法實現精確的遮擋判斷須逐點計算斜率，難以滿足實時性要求。

三維圖形在表示物體的空間關系方面具有明顯優勢，作者所在的團隊開始了由三維模型視景圖形生成雷達圖像的研究。雷達電磁波與光線相似，射線跟蹤算法可用于生成雷達回波，但射線跟蹤算法隨場景復雜度的增加計算量顯著增大，此種方法面臨的主要問題是如何進行快速求交計算[10]。文獻[11]提出了通過三維繪制技術生成雷達圖像的基本方法，但在計算雷達探測距離、坐標轉換等方面仍需要完善，尤其是透視投影foreshortening現象對雷達回波質量會產生較為嚴重的影響，需要重點加以研究解決。另外，雷達電磁波的傳播特性、反射特性與光線存在一些較為明顯的差別，并不能用從顏色轉換而來的灰度值代替雷達回波強度。針對雷達探測距離計算、坐標變換中的死點和盲點現象以及透視投影foreshortening現象對雷達回波圖像生成的影響做深入研究。

1 計算雷達探測距離

建立航海場景的三維模型并渲染至幀緩存，則生成的視景圖形中每個像素都包含有對象的深度信息，若能將深度信息轉化為雷達探測距離，像素就可看作是場景中物標的距離采樣，若按雷達波束特性來設置視見體的各項參數，那么生成的視景圖形內所有像素就可看作是雷達波束范圍內物標的距離采樣集合，把集合中的每個像素按雷達探測距離映射到掃描線的相應位置就能形成一條雷達徑向掃描線，按圓周方位動態設置視見體的朝向，生成一系列按圓周方位排列的掃描線并映射到屏幕上就可以實現雷達的圓周掃描。

如圖1所示，若在視坐標系中有一點P，坐標為(xe，ye，ze)，則點P到視點O的距離即雷達探測距離d應為

(1)

圖1 視坐標系下的雷達探測距離Fig.1 Radar range in the camera space

在頂點著色器中，可以得到頂點的世界坐標Vworld和模型視變換矩陣Mv、投影矩陣P，先將頂點由世界坐標系變換到視坐標系：

Veye=MVworld

(2)

然后利用式(1)計算雷達探測距離d并作為輸出變量傳遞給片元著色器。值得注意的是，此處得到的d是三維模型中某個頂點的雷達探測距離，之后OpenGL還要進行圖元裝配和光柵化，而片元著色器得到的是經光柵化階段插值的雷達探測距離d。變量d的聲明形式不同，光柵化階段的插值方式也不同，為保證片元處理器得到正確的雷達探測距離，變量d聲明時應使用noperspective關鍵字進行限定[12]。最后進行投影變換并把投影變換后的頂點坐標(xp， yp， zp，w)賦值給頂點著色器內置變量gl_Position以保證場景按照透視投影方式進行處理。

在片元著色器中，獲取雷達探測距離d后，通過深度緩存傳遞給雷達模擬主程序。雷達探測距離d是一個比較大的值，而深度緩存位于[0.0， 1.0]范圍內，考慮到后續環節會把雷達探測距離映射到雷達量程范圍內，可以設置一個Uniform變量，將當前的雷達量程R傳入片元著色器，令：

d′=d/R

(3)

將d′寫入緩存，雷達模擬主程序讀取緩存即可獲取采樣點(像素)的雷達探測距離。

2 生成徑向掃描線

IMO 2004年12月6日通過經修訂的雷達設備性能標準[13](下文簡稱雷達性能標準)要求雷達的距離精度“在30 m或所用量程1%的較大者之內”，根據這一規定，單條掃描線只要由100個(含)以上的點組成即可滿足標準。設雷達的方位采樣精度為δB，那么完成圓周掃描需要生成的掃描線數量S為

S=360/δB

(4)

可建立一個二維數組用以容納生成的掃描線，由于本文使用紋理映射方式進行坐標變換，因此建立一個S×T的紋理，紋理圖像的一列作為一條掃描線，為便于區分，本文將紋理圖像中保存的掃描線稱為紋理空間掃描線。第一條紋理空間掃描線的真方位為000°，第i(i∈[0， S-1])條紋理掃描線對應的真方位為

Bi=δBi

(5)

紋理圖像的高度T根據雷達距離精度確定，由于當前雷達顯示器尺寸與制定標準時相比明顯增大，根據仿真試驗，T≥200才能獲得質量較好的雷達回波圖像。

理想的生成掃描線方法是將視見體的垂直視場角設置為天線的垂直波束寬度，水平視場角為天線的水平波束寬度，視口寬度設置為一個像素，生成的只有一列像素的視景圖形包含了波束范圍內物標的距離信息，讀取每個像素的距離信息并映射到掃描線的對應位置，就可形成一條與雷達波束特征吻合的徑向掃描線。但天線旋轉周期約2～4s，在一個周期內生成完整的覆蓋360°范圍的雷達回波圖像至少需要1 000條左右的掃描線，這就要求生成單條掃描線的繪制和計算工作在1～2ms內完成，顯然是不現實的。故此需要將水平視場角擴大，一次生成多條掃描線。

選取一個合適的水平視場角θh(如10°)，從真北起第m次繪制的視方向指定為真方位：

(6)

將視口寬度X設為(視口高度Y的取值見后文)：

(7)

那么每一列像素對應于視見體中視場角(近似)為δB的一小片縱向視見體如圖2所示，可用以生成一條單獨的掃描線，一次繪制共可生成X條掃描線，每條掃描線方位間隔(近似)為δB。

圖2 生成多條掃描線Fig.2 Generating a number of scanning lines per rendering

對于第m次繪制生成的第n條掃描線，其在紋理圖像中的位置i為

i=mX+n,n∈[0，X-1]

(8)

如圖3所示，單條掃描線生成的過程如下：

1)將該條掃描線上所有的點顏色置為雷達背景色；

2)對于幀緩存一列像素的每一點，讀取深度緩存，得到該像素對應的深度值d′；

3)若d′≥1.0，說明像素區域內沒有物標，直接丟棄，若d′<1.0，令：

j=d′T

(9)

將j取整并把掃描線第j個點設置為回波顏色。

因此，紋理圖像保存了圓周掃描所需的全部紋理掃描線，且隨著視點和視見體朝向的變化不斷更新。

3 極坐標到平面直角坐標的轉換

掃描線生成以后，還要將掃描線上各點按其方位和距離繪制到屏幕上形成雷達回波圖像。掃描線可看作極坐標系下的點集，可按照極坐標與平面直角坐標的關系進行轉換：

(10)

式中：r為回波點與原點的屏幕距離，θ為掃描線的方位(從真北起算，順時針度量)。

圖3 單條掃描線生成Fig.3 The generation of single scanning line

真雷達的坐標轉換一般通過硬件實現[14]，效率較高。但雷達模擬程序沒有專門的硬件，一般通過軟件實現，由于需要轉換的坐標數量很大，可使用查找表法[15-16]提高計算速度，即事先將需要轉換的極坐標點進行預計算并將平面直角坐標結果存儲在一個數組中，生成掃描線后直接在數組中查找相應的平面直角坐標，可快速完成坐標轉換。

掃描轉換過程當中比較容易出現的問題是死點和盲點現象。盲點是指在原點附近多個極坐標變換到同一個直角坐標中，該坐標數據不停變化，導致該點不斷閃爍； 死點是回波圖像邊緣部分直角坐標不能通過極坐標變換而訪問，回波圖像邊緣出現蝶形分布的黑點(圖4)。常用的消除死點方法有死點偏移訪問法、增加方位分辨率法和死點循環覆蓋法[17]。

圖4 雷達圖像中的死點Fig.4 Dead points in radar echo image

本文采用紋理映射方法進行坐標轉換，一方面坐標轉換可獲得顯卡硬件加速，另一方面可以很好地解決死點問題。

生成掃描線時已經將掃描線保存在S×T的紋理圖像中，只要將掃描線從紋理空間映射到屏幕空間即可實現回波從極坐標到平面直角坐標的轉換進而生成動態更新的完整雷達圖像。如圖5所示，把雷達回波圓形顯示區域分為若干小扇形區域，扇形的數量根據顯示器的尺寸確定。因雷達最小作用距離內不會產生雷達回波，故可用等腰梯形來代替小扇形。對于每個扇形，假設對應的圓心角φ°，雷達顯示區域半徑為Recho，最小作用距離為Rmin，對于第i個梯形，令其四個頂點的坐標分別為

(11)

相應地，第i個梯形的四個頂點對應的紋理坐標分別為

(12)

即頂點0指定對應的紋理掃描線區域的左下角點，頂點1對應右下角點，頂點2對應右上角點，頂點3對應左上角點。顯然，這里的很多計算是可以離線預計算的，不會對仿真主程序的運行速度造成影響。根據紋理映射特性，所有掃描線都按正確的方位轉換到了雷達圖像的相應位置，形成了完整的雷達圖像。

圖5 紋理映射坐標變換換示意圖Fig.5 Coordinate transformation by texture map

紋理映射方式掃描轉換的優點是顯而易見的。根據紋理映射的特性，映射到屏幕邊緣的紋理圖像會被拉伸，這樣即使掃描線數量不足也不會發生死點現象，而靠近掃描中心的網格會被壓縮，掃描中心附近的像素是多條掃描線合并的結果，而不是被重復繪制多次，不會發生盲點現象。紋理映射掃描轉換的特性與雷達的掃描方式契合度非常高，不僅適用于雷達圖像仿真程序，對軟件化雷達的坐標轉換也有參考價值。另外，這種方式的坐標變換將掃描線存儲在紋理空間，在映射到屏幕上時可以有多種不同的組合方式，前文介紹的為最簡單的一種，下面介紹一種能逼真地仿真雷達水平波束寬度的映射方式。

如圖6(a)所示，對于點物標(忽略物標大小)，由于水平波束有一定的寬度，當雷達波束中心位于位置Ⅰ時物標已位于波束內，雷達屏幕上出現回波，波束繼續旋轉至位置Ⅱ直至位置Ⅲ，雷達一直能夠探測到此物標，物標在雷達屏幕上的回波不再是一個點而是向兩側各擴展約θh/2，形成類似圖6(b)所示的圖像。本文紋理空間掃描線的方位采樣率較真雷達方位精度高，若直接將紋理掃描線映射到屏幕上，如圖6(c)回波不會向兩側擴展，模擬圖像與真雷達相比顯得“過于單薄”。以往的航海雷達圖像仿真方法都是直接進行坐標變換，為了避免出現過多的死點，掃描線的精度也比較高，情形與圖6(c)類似。為達到圖6(b)的擴展效果，令梯形對應的圓心角φ與θh相等，每次只映射一條掃描線，這樣每條掃描線都在橫向(與掃描線垂直的方向)被拉伸至水平波束寬度，將三角形在圓心處的角設為水平波束寬度θh，圖6(c)的圖像變為圖6(d)的情形，擴展幅度與真雷達一致。但圖6(d)中由于每條掃描線都被擴展，掃描線間相互重疊，需要把紋理空間掃描線上無回波的點設置為透明并開啟融合功能，使被遮擋的掃描線不被其他掃描線遮蔽而能顯示在屏幕上，這樣就實現了圖6(b)所示的回波方位擴展效果。由于雷達水平波束寬度不大，上述方法用三角形代替扇形帶來的距離誤差也不會太大(若實際雷達的水平波束寬度較寬可為每條掃描線生成多個三角形)?？傮w來看，使用紋理映射方式進行坐標變換，可在不必進行大量計算的前提下仿真由于雷達水平波束具有一定寬度形成的回波擴展效果。

圖6 利用紋理映射仿真水平波束寬度Fig.6 Texture mapping method for simulating the horizontal beam width

4 透視投影模式下的雷達探測距離采樣率

4.1 foreshortening現象對雷達圖像生成的影響

透視投影foreshortening現象決定了同樣大小的物體在視景圖形中位于近處時覆蓋的像素較多，而位于遠處時覆蓋的像素較少，也就是說，對于一個像素，在幀緩存中讀取的雷達探測距離越大表明像素對應的實地面積(應該)越大；反之，讀取的雷達探測距離越小表明像素對應的實地面積越小，一個像素代表的實地面積呈現遠大近小的現象。像素是雷達探測距離的采樣點，這意味著對距離的采樣是不均勻的，遠大近小。與透視投影不同，雷達對場景內物標的距離采樣是均勻的，并不會出現遠大近小的現象，因此，作為距離采樣點的像素與掃描線上的點并非一一對應的關系。如圖7(a)所示，AB是水平面，雷達天線高度為h，近處一個像素代表的實地距離較小，多個像素的深度值映射到雷達掃描線上的同一點，造成過采樣，而在遠處，一個像素代表的實地距離已相當長，而在生成掃描線時，僅將其視為一個獨立的距離采樣點而映射為雷達掃描線上的一個點，掃描線上大量的點未被覆蓋，造成欠采樣，其結果是本應具有連續回波的掃描線中斷了，且距離越遠斷點之間的距離越長。水平面形成的雷達回波圖像如圖7(b)所示，本應布滿屏幕的回波，在圓心附近的小區域內還算正常，外圍卻變成了一個個同心圓環。

圖7 水平面形成的雷達掃描線和回波Fig.7 The scanning line and the echo image generated from a horizontal plane

出現上述現象的前提是物標足夠大，其在近平面上的投影可以覆蓋整個像素區域。若物標較小，其投影不足以覆蓋整個像素區域，且有幾個小物標同時處于像素對應實地區域內，那么經深度測試就只有最近的物標被保留下來，其他物標則被丟棄，若被丟棄的物標事實上并沒有被遮擋就將造成物標丟失。

綜上所述，透視投影對生成雷達回波圖像的不利影響主要體現在遠處雷達數據采樣率不足上，其造成的結果，一是遠處大形物標回波不連續，二是遠處鄰近小物標易丟失。

4.2 雷達探測距離采樣率

雷達物標不是簡單的平面，雷達探測距離采樣率也不僅僅受到距離的影響。如圖8所示，遠處有一隆起的小島，雖然距離也較遠，但其占據的像素卻較多，距離采樣率較高，小島的回波不會出現中斷現象。研究表明，雷達探測距離采樣率除了受物標距離的影響，還受物標高度、傾角、以及視見體參數設置等諸多因素的影響，深入研究發現，物標傾角對距離采樣率的影響非常大，以下將對此作深入分析。

如圖9所示，O點為視點，AB為光柵化后任意一個經深度測試被保留下來的片元。AB可能是陸地、島嶼、礁石等地形的表面，也可能是航標、船舶、低空飛行器等人工或運動物標，片元在視見體中的位置由物標與雷達天線的相對位置決定。OA和OB分別為某一像素的邊界與視點O的連線，也可將其視為雷達電磁波射線，簡稱射線。假設該片元足夠大而占據了整個像素區域，那么雷達在探測AB片元時得到徑向長度應為A點和B點到天線的距離差：

lray=OB-OA

(13)

以原點O為圓心過A作圓弧交OB于A′，則：

lray=A′B

(14)

圖8 有坡度的島嶼形成的雷達掃描線Fig.8 The scanning line generated from the slope of island

圖9 雷達探測距離采樣率Fig.9 The sampling rate of radar range data

設垂直視場角為θv，近裁剪面的距離為Znear，生成的視景圖形為X×Y個像素(生成視景圖形的橫向分辨率為X縱向分辨率為Y)，單個像素在視點O處對應的角∠AOB近似為(忽略每個像素對應的垂直視場角變化)：

∠AOB=θv/Y

(15)

鑒于該角非常小(如θv為20°，Y為800像素)，過A作OB的垂線交OB于A″，以A″B代替A′B，設A點到視點O的距離為d，AB與射線OA的夾角為α，則：

lray=A′B≈A″B=AA″/tan(∠ABA″)

(16)

∵∠ABA″=π-α-θv/Y≈π-α

(17)

AA″≈AA′≈d(θv/Y)

(18)

∴lray≈d(θv/Y)cot(π-α)=

-d(θv/Y)cotα

(19)

接下來片元的徑向長度被映射到紋理掃描線上，設雷達回波圖像的量程為R，掃描線紋理高度為T，那么掃描線上單個點代表的實地長度為

uscanline=R/T

(20)

將其稱為紋理掃描線單位長度，令：

-(d/R)(T/Y)θvcotα

(21)

那么：

1)k=1，片元徑向長度等于紋理掃描線單位長度，一個像素剛好映射到紋理掃描線上的一個點，不會產生掃描線中斷現象；

2)k<1，片元徑向長度小于紋理掃描線單位長度，多個像素將映射到紋理掃描線的同一點，即過采樣，不會產生回波中斷現象，但掃描線上的點被多次寫入；

3)k>1，片元徑向長度大于紋理掃描線單位長度，一個像素對應紋理掃描線上的多個點，即欠采樣，若該像素只映射為掃描線上的一個點，將產生回波中斷現象。

k值較好地反映了片元徑向長度和紋理掃描線單位長度的關系，可用于判斷雷達探測距離采樣是否滿足生成紋理掃描線的需要，因此，將k定義為雷達探測距離采樣率。

在特定的雷達模擬程序中，垂直視場角θv應根據實際雷達參數進行設置，可視為常量，掃描線紋理高度T和三維視景圖形的高度Y受到計算效率和硬件設備性能的影響，設置值也是相對固定的，因此，雷達探測距離采樣率k主要受物標與視點的距離d和物標與射線的交角α的影響。圖10是雷達探測距離采樣率曲線圖，從圖中可看出：

1) 生成的雷達回波圖像越接近屏幕中心雷達探測距離采樣率越好，越接近屏幕邊緣(接近量程R處)雷達探測距離采樣率越差；

2) 物標與射線的交角α較小時，雷達采樣率的變化不大，大體上隨著距離的增加而增加，但若α較大，尤其是大于170°時，雷達探測距離采樣率迅速惡化，交角越接近180°惡化越嚴重，交角α對雷達探測距離采樣率的影響要遠大于距離對雷達探測距離采樣率的影響。

圖中Y：800 T：400 θv：20°圖10 雷達探測距離采樣率曲線圖Fig.10 The curves of sampling rate of radar range data

4.3 遠距離處雷達探測距離采樣率過低問題的緩解措施

Foreshortening現象一定程度上影響了雷達圖像質量，現根據前文的分析結果以及雷達物標的實際情況作進一步分析并提出一些緩解措施。

1)直接提高雷達探測距離采樣率。

式(21)中量程R、物標與天線的距離d和天線垂直波束寬度θv均相對固定，T應根據雷達距離精度進行設置。 在離屏渲染模式下，視景圖形縱向分辨率Y是可以改變的，Y與k成反比例關系，Y越大雷達探測距離采樣率越好。增加視景圖形的縱向分辨率Y是改善距離采樣率的最直接方法。對于水平面，當T取200、θv取20°時雷達探測距離采樣率k的曲線如圖11所示，可見，隨著Y值的增加雷達探測距離采樣率k越來越小。

圖11 不同Y值下水平距離與雷達探測距離采樣率的關系Fig.11 The relationship of the horizontal distance and the sampling rate of radar range in different Y

直接提高雷達探測距離采樣率對回波中斷現象和小物標易丟失現象都有明顯改善，但上述方法也存在不足，一是受圖形硬件性能的制約，Y值的設置受到限制，二是隨著Y值的增加計算量也會增大。因此，該方法可明顯提高圖像質量但在目前硬件條件下尚不能完全解決問題。

2) 合理建模。

根據前文的分析，物標與射線的交角對雷達探測距離采樣率影響顯著，因此，對物標合理建模也可在很大程度上避免雷達探測距離采樣率過低帶來的問題。

航海人員對不同的雷達物標關注程度是不同的，對那些航海人員不是很關心的物標可在建模階段進行修改以改善仿真效果，下面就航海人員感興趣的幾類物標分別進行分析：

① 自然地貌。起伏的陸地、沙灘、陡峭海岸、島嶼、礁石等都具有一定的高程，表面與射線的交角容易滿足要求，產生的雷達回波具有較好的真實感。事實上，航海人員感興趣的大多數物標都能生成較好的回波，只有大面積近于水平的表面容易受到影響，但在真實航海環境中，這樣的物標是不多見的。平靜的水面不產生回波(海雜波的仿真是一個較大的主題，本文不做討論)，只有大面積的平坦陸地受影響較大，其回波圖像與前文所述水平面的回波類似。對于航海人員來說，更關心的是岸線的回波而非陸地內側的地貌或建筑，因此，可將大片平坦陸地的岸線附近表面適當增加傾斜角度 而將內陸的大片平面去掉，這樣可以取得較好的仿真效果，同時也不影響雷達模擬器的實際使用。

② 水工建筑物。碼頭、防波堤等水工建筑物頂面一般是水平的，回波較差，但其側面與電磁波入射方向的交角在90°左右，總體來看，生成的圖像效果也可接受。但當船舶位于細長型物體的端部方向且距離較遠時，產生的雷達回波圖像由于視景圖形本身出現走樣而出現斷斷續續或時隱時現的現象。出現這一現象時，則應更多地從改善視景圖形生成中反走樣的功能入手。

③ 助航標志與船舶。一般的商船較大，上層建筑高大，生成雷達回波較好。小漁船和一般的浮標尺度較小，高度有限，雖然在較遠距離就可被發現，但生成的雷達圖像較真雷達小，同時因其尺度小，在遠距離也容易出現回波丟失現象。解決這一問題，可以借鑒LOD技術的思想，但不是在遠距離時使用簡化模型，而是將對象依離視點的距離而適當縮放，使其距離較遠時在水平或垂直方向上占據更多的像素而避免丟失，而近距離時又不會顯得過大。

3)提高方位采樣率。

對于物標丟失問題，也可通過提高方位采樣率的方法解決。如圖12所示，在一個像素區域內有兩個小物標，若兩個物標并不在同一方位上，在方位精度較低的情況下遠處的物標被丟棄，但若將方位采樣率提高，則兩個物標雖然在距離上不能被分開，卻可以映射到不同的掃描線上，從而在方位上被分離，仍然可以形成兩個不同的物標。本文采用紋理映射方式進行坐標轉換，雷達方位采樣率和雷達方位精度是分離的，因此可通過提高方位采樣率的方法緩解小物標丟失現象。

圖12 提高方位采樣率Fig.12 Improving the sampling rate of bearing

4.4 遠距離物標探測能力仿真結果

雷達性能標準對無雜波條件下遠距離目標和海岸線的探測能力要求見表1，因X波段探測要求高于S波段，本文根據該表所列物標特征進行建模，經仿真試驗表明，生成的雷達仿真圖像能夠滿足性能標準所列要求。

表1 雷達性能標準對遠距離目標探測能力的要求

Table 1 Requirements of recommendation on Performance Standards for long distance targets detection capability

目標描述目標特征海平面以上高度/m探測距離/nmileX波段S波段海岸線602020海岸線688海岸線366SOLAS船舶(5000t以上)101111SOLAS船舶(500t以上)5.088典型的導航浮標3.54.63.0無雷達反射器,船長為10m的小船2.03.43.0

5 仿真結果

圖13(a)是大連港衛星圖片，圖13(b)是煙臺到大連客輪上拍攝的真實雷達圖像，圖13(d)是本文利用視景圖形繪制方法生成的大連港仿真雷達圖像，通過對比可看出，物標間遮擋關系明確，回波向陸地延伸長度合理，與圖13(c)現有雷達雷達模擬器中的圖像相比回波圖像質量有了明顯改善，真實感更好。

圖13 現有模擬雷達圖像與本文仿真試驗結果(大連港)Fig.13 The simulating image and the present radar image in the radar simulator (Dalian harbor)

6 結論

本文從雷達工作原理與透視投影的相似性出發，將幀緩存中的像素視為雷達數據采樣點，通過讀取幀緩存生成掃描線并進而生成雷達圖像，仿真結果表明：

1)基于透視投影視景圖形繪制生成雷達圖像的方法實際上是基于雷達工作原理的仿真，較現有以二維數據為基礎通過掃描線求交方式生成航海雷達圖像的方法有了極大的進步，為從原理上仿真雷達圖像開辟了全新的思路。

2)透視投影foreshortening現象導致遠距離處雷達探測距離采樣率過低，遠處低矮平坦物標雷達圖像斷裂，可通過提高采樣率、合理建模等方法緩解，但不能完全消除；

3)采用紋理映射的方式進行坐標變換，不但可以借助硬件加速實現坐標變換，有效消除死點和盲點現象，還實現了雷達掃描線采樣數據與屏幕掃描線數據的分離，從而為提高方位精度解決物標丟失問題提供了保障，為對雷達波束的仿真等多種特性的實現提供了更多更靈活的方式。

本文僅解決了生成雷達圖像基本方法中存在的一些問題，還有很多問題有待于進一步研究，如雷達電磁波的傳播損耗和不同物標后向散射特性對雷達回波強度的影響，雷達數據建模與三維視景建模的差異，地球曲率對雷達可視范圍的影響等，在新方法下如何實現雷達增益、調諧、假回波、二次反射回波、雨雪與海浪雜波等雷達培訓教學所需特殊效果等也是亟待解決的問題。這里提及的一些問題，現已列入相關研究中。

[1]IMO S. Including 2010 manila amendments: stcw convention and stcw code[M]. IMO publishing， 2011.

[2]SHAHID U， QADIR S， HAIDER Z， et al. Design and implementation of multi mode radar target simulator using direct digital synthesizer[C]//Proceedings of International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technology. Islamabad， Pakistan， 2009: 155-158.

[3]QUAN Yinghui， GAO Xiaoxiao， LI Yachao, et al. The design and implementation of a multi-waveform radar echo simulator[J]. Review of scientific instruments， 2015， 86(10)： 104702.

[4]宋兵兵，潘明海，梁志恒,等.高精度干涉測高雷達回波快速實現方法[J].哈爾濱工程大學學報， 2015， 36(11)： 1494-1498.

SONG Bingbing，PAN Minghai，LIANG Zhiheng, et al. Fast implementation method of high-precision interferometric radar echo simulation[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2015， 36(11)： 1494-1498.

[5]金一丞，尹勇.航海模擬器[M].北京:科學出版社，2013: 331-352.

JIN Yicheng， YIN Yong. Marine simulator[M]. Beijing: Science press， 2013: 331-352.

[6]王勝正，黃玉貴.基于電子海圖的真實感航海雷達圖像仿真方法[J].計算機應用， 2014， 34(10)： 3024-3028.

WANG Shengzheng， HUANG Yugui. Method of marine radar image simulation based on electronic chart display information system[J]. Journal of computer applications， 2014， 34(10)： 3024-3028.

[7]叢琳，任鴻翔，劉彤,等.航海雷達模擬器中真實感雷達圖像的仿真[J].中國航海， 2011， 34(4)： 5-8.

CONG Lin， REN Hongxiang， LIU Tong, et al. Realistic radar image simulation in maritime radar simulator [J]. Navigation of China， 2011， 34(4)： 5-8.

[8]陳杰，楊神化，曹士連.基于OPENGL的雷達/ARPA模擬器[J].計算機系統應用， 2012， 21(6)： 126-131.

CHEN Jie，YANG Shenhua， CAO Shilian. Radar/ARPA simulator based-on opengl [J]. Computer systems & applications， 2012， 21(6)： 126-131.

[9]RANAWEERA W， JABBAR S， WICKRAMARACHCHI R， et al. A lightweight approach to simulate a 2D radar coverage for virtual maritime environments. [C]//8th International Conference on Computer Science & Education. Colombo， Sri Lanka， 2013: 402 - 406.

[10]史可鑒，王斌，朱恬倩,等.GPU 上的kD-tree 雷達模擬加速[J].計算機輔助設計與圖形學學報， 2010， 22(3)： 440-448.

SHI Kejian， WANG Bin， ZHU Tianqian, et al. Radar simulation with kd-tree on the GPU[J]. Journal of computer-aided design & computer graphics， 2010， 22(3)： 440-448.

[11]王進成，金一丞，曹士連.使用三維場景繪制技術模擬雷達圖像[J].大連海事大學學報，2014，40(4)： 79-84.

WANG Jincheng， JIN Yicheng，CAO Shilian. Radar images simulation by using 3D scene rendering technology[J]. Journal of Dalian Maritime University， 2014， 40(4)： 79-84.

[12]MARK S， KURT A. The opengl graphics system: a specification (version 4.3 (compatibility Profile)-February 14，2013) [EB/OL]. [2015-12]https://www.open-gl.org/registry/#apispecs.

[13]IMO. IMO resolution MSC.192(79)： revised recomme-ndation on performance standards for radar equipment [S]. 2004.

[14]YOO J， BAE J， KIM J， et al. PC-based implement of the maritime radar display unit[C].//Signals， systems and computers， 1996.1996 Conference Record of the Thirtieth Asilomar Conference on. IEEE Xplore， 1996: 474-480.

[15]梁景新，薛余網.PPI 雷達信號微機顯示中的快速極坐標—直角坐標映射[J].上海交通大學學報， 1999， 33(1)： 57-60.

LIANG Jingxin， XUE Yuwang. Quick polar coordinates to orthogonal coordinates mapping method in PPI radar signal displaying[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University， 1999， 33(1)： 57-60.

[16]徐展翼，歐陽寧，韓傳久.高速PPI 光柵掃描顯示系統坐標轉換設計與實現[J].桂林電子工業學院學報， 2003， 23(1)： 57-60.

XU Zhanyi， OUYANG Ning， HAN Chuanjiu. Design and realization of polar coordinates-orthogonal Coordinates conversion in high-speed radar PPI signal displaying system[J]. Journal of Guilin University of Electronic Technology， 2003， 23(1)： 57-60.

[17]范多亮.雷達顯示終端中的“死點”分析[J].信息化研究， 2010， 36(3)： 13-15.

FAN Duoliang. The analyze of“deadpoint” in radar display terminal[J]. Informatization research， 2010， 36(3)： 13-15.

本文引用格式：

曹士連， 金一丞， 尹勇. 視景圖形繪制方法生成航海雷達圖像關鍵技術[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(5)： 711-718.

CAO Shilian， JIN Yicheng， YIN Yong. Key technologies for generating marine radar image by scene rendering[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(5)： 711-718.

Key technologies for generating narine radar
image by scene rendering

CAO Shilian1，2， JIN Yicheng1， YIN Yong1

(1.Key Laboratory of Marine Dynamic Simulation & Control for Ministry of Communications， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China; 2.Navigation collage， Jimei University， Xiamen 361021， China)

To solve the problems of object occlusion uncertainty and inland echo deficiency in marine radar images generated by the intersection of scanning and coast lines, a method for generating simulation radar images was proposed by calculating the radar detection distance in shader program, rendering 3D scenes and extracting frame buffer data. Texture mapping was used to perform fast coordinate transformation and to eliminate the dead point in the simulation radar image. The problem of echo discontinuity was analyzed and some mitigation measures were proposed. The proposed method does not need to calculate the intersection of the scanning and coast lines. The simulation result shows that the quality of radar images is significantly improved compared with the existing simulators.

radar image; scene rendering; perspective projection; object occlusion; dead point; coordinate conversion; texture mapping; shader

2016-01-04.

日期：2017-04-26.

國家高技術研究發展計劃項目(2015AA016404); 國家自然科學基金項目(51579114).

曹士連(1975-)， 男， 講師， 博士研究生; 金一丞(1944-)， 男， 教授， 博士生導師.

金一丞， E-mail: jycdmu@dlmu.edu.cn.

10.11990/jheu.201601006

TP391.9

A

1006-7043(2017)05-0711-08

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151218.1049.002.html