CN105446683B - 基于cuda的空中交通电子航图显示加速方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于CUDA的空中交通电子航图显示加速方法，包括以下步骤：步骤1、预处理电子航图显示要素，进行格式化处理；步骤2、划分电子航图显示要素的区块；步骤3、根据视区范围计算所需的区块编号；步骤4、多区块并行计算显示要素内容；步骤5、拼接各分区块的显示结果。本发明与传统的技术手段相比，显著的优点包括：(1)本发明大大提高了空中交通电子航图的显示交互效率；(2)本发明可支持大量电子航图显示要素数据的显示，且增加数据不会影响航图显示效率；(3)本发明可以改善空中交通电子航图的实时显示效果；(4)本发明为空中交通电子航图中航迹目标相关的实时计算提供了拓展和提升的能力。
Description
技术领域
本发明属于空中交通管制系统技术领域，特别是一种在空中交通管制系统中基于CUDA的空中交通电子航图显示加速方法。
背景技术
传统的空中交通电子航图显示方法，基于点、线、面、文字、图片等数据结构，采用计算机提供的基础图形API函数，按图形叠加显示顺序，逐个绘制于空管专用显示器屏幕上，而当管制员对电子航图进行放大、缩小、移动或局部内容修改时，需重复进行上述大量顺序绘制工作。这种传统技术严重依赖于CPU指令的顺序执行，当电子航图数据规模较大时，态势场景重绘需耗费大量计算资源，将导致系统迟缓，不能及时响应管制员的操作指令，交互体验大打折扣，进而影响管制效率。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于CUDA的空中交通电子航图显示加速方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于CUDA的空中交通电子航图显示加速方法，包括以下步骤：
步骤1、预处理电子航图显示要素，进行格式化处理；
步骤2、划分电子航图显示要素的区块；
步骤3、根据视区范围计算所需的区块编号；视区即屏幕可见区域。
步骤4、多区块并行计算显示要素内容；
步骤5、拼接各分区块的显示结果。
本发明中，步骤1预处理电子航图显示要素，进行格式化处理，具体包括以下步骤：
步骤1-1，读取空中交通要素和地理信息要素进入内存，空中交通要素包括航路航线、空域、机场、航路点、导航设施、报告点和地标点，地理信息要素包括行政区划、水系、地名、山脉、高程分布和影像；
步骤1-2，点符号类型数据(如机场、航路点、导航设施、报高点、地标点等)以符号图片像素格式化处理成二维矩阵像素点格式存储；
步骤1-3，线符号类型数据(如航线、管制区域边界、行政区划、山脉等高线等)采用一定的固定像素点取样频率，存入二维矩阵像素点格式存储；
步骤1-4，区域符号类型数据(如航路、空域、水系、高程分布、影像数据等)采用区域扫描填充算法取样像素点，存入二维矩阵像素点格式存储。
本发明中，步骤2包括以下步骤：
步骤2-1，采用6经度、6纬度区块划分标准，划分世界电子航图，并以0度中央子午线北纬90度为第一块编号，以经度向东增加编号，纬度向南增加编号，给区块进行标号；
步骤2-2，将步骤1中格式化处理好的所有航图显示要素数据根据各自二维矩阵像素点的坐标值，划分到相应的区块中，每个区块的存储结构为三维矩阵，新增一维作为不同航空显示要素图层维度。
本发明中，步骤3包括以下步骤：
步骤3-1，根据视区显示的矩形范围，计算落在矩形范围内的区块编号；
步骤3-2，对于完全落在视区范围内的区块，标记为一级显示区块；
步骤3-3，对于部分落在视区范围内的区块，标记为二级显示区块；
步骤3-4，对于未落在视区范围内但是与一级或二级显示区块相邻的区块，标记为三级显示区块；
步骤3-5，其他区块统一标识为四级显示区块。
本发明中，步骤4包括以下步骤：
步骤4-1，若设置了显示区块可重用标记，逐个检查一级显示区块和二级显示区块是否已计算出显示内容，若显示内容已存在，则跳过不予计算，若显示内容不存在，则标记当前区块；若未设置显示区块可重用标记，标记当前显示区块；
步骤4-2，为已标记的各个显示区块分配至少一个GPU处理器簇，按照航空要素图层维度叠加顺序，计算显示区块内的二维矩阵每个像素点的颜色值；
步骤4-3，对标记为三级的显示区块，在一二级显示区块计算过程完成之后，采用异步方式，单独进行计算，并作为缓存内容；
步骤4-4，对标记为四级的显示区块，不进行计算处理。
本发明中，步骤5包括以下步骤：
步骤5-1，根据屏幕分辨率(如2560x1600，或1920x1080等)申请同等大小的显存区域；
步骤5-2，根据步骤4的计算结果，经坐标位置变换将矩阵的值一一映射到所申请显存对应的区域进行拼接；
步骤5-3，将二级显示区块的着色像素矩阵根据视区范围裁剪，同样经坐标位置变换将像素矩阵值一一映射到所申请显存对应的区域进行拼接；
步骤5-4，重复步骤5-2和5-3，直到所有一级、二级显示区块处理完毕，此时所申请的显存区域已全部被映射赋值，将拼接映射完成后的显存区域内容送入屏幕显示。
本发明与传统的技术手段相比，显著的优点包括：(1)本发明大大提高了空中交通电子航图的显示交互效率；(2)本发明可支持大量电子航图显示要素数据的显示，且增加数据不会影响航图显示效率；(3)本发明可以改善空中交通电子航图的实时显示效果；(4)本发明为空中交通电子航图中航迹目标相关的实时计算提供了拓展和提升的能力。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明航图显示要素预处理流程图。
图2是本发明电子航图区块划分示意图。
图3是本发明视区范围内区块编号计算示意图。
图4是本发明多区块并行计算显示内容流程图。
图5是本发明区块显示结果拼接流程图。
具体实施方式
本发明涉及的基于CUDA的空中交通电子航图显示加速方法，与传统的电子航图显示方法相比，可支持显示的航图显示要素数据量更大，显示交互效率更高，显示效果更佳。在数据预处理阶段，将不同种类、不同来源的矢量、栅格、影像等航图显示要素资源进行统一格式化叠加处理，根据数据量规模划分相应的区块并编号；航图数据显示阶段，根据当前视区显示范围，标记各区块的显示等级，为每个高显示等级的区块分配至少一个GPU处理器簇，区块与区块之间基于CUDA的并行硬件架构进行高度并行化处理并显示，可大大提高电子航图的显示效率，改进人机交互感观。
本发明结合空中交通电子航图的要素显示特点以及管制员日常操作的交互需求，采用CUDA并行计算架构，对电子航图显示要素进行格式化数据结构改造，划分区块并编号，利用CUDA高性能高并发度计算能力进行分块同步计算，再拼接计算结果，从而加速显示计算速度，大大提高电子航图显示与交互响应效率。
具体而言，本发明公开了一种基于CUDA的空中交通电子航图显示加速方法，包括以下步骤：
步骤1、预处理电子航图显示要素，进行格式化处理；具体为：
步骤1-1，如图1，读取航路航线、空域、机场、航路点、导航设施、报告点、地标点等空中交通要素，以及行政区划、水系、地名、山脉、高程分布、影像等地理信息要素进入内存；
步骤1-2，点符号类型数据(如机场、航路点、导航设施、报高点、地标点等)以符号图片像素格式化处理成二维矩阵像素点格式存储；
步骤1-3，线符号类型数据(如航线、管制区域边界、行政区划、山脉等高线等)采用一定的固定像素点取样频率，存入二维矩阵像素点格式存储；
步骤1-4，区域符号类型数据(如航路、空域、水系、高程分布、影像数据等)采用区域扫描填充算法取样像素点，存入二维矩阵像素点格式存储。
步骤2、划分电子航图显示要素的区块；具体为：
步骤2-1，如图2，采用适合于电子航图的6经度、6纬度区块划分标准，划分世界电子航图，并以0度中央子午线北纬90度为第一块编号，以经度向东增加编号，纬度向南增加编号，给区块进行标号；
步骤2-2，将步骤1中格式化处理好的所有航图显示要素数据根据各自二维矩阵像素点的坐标值，划分到相应的区块中，每个区块的存储结构为三维矩阵，新增一维作为不同航空要素图层维度。
步骤3、根据视区范围标记区块等级即区块编号；视区即屏幕可见区域。具体为：
步骤3-1，如图3，根据视区显示的矩形范围，计算落在矩形范围内的区块编号；
步骤3-2，对于完全落在视区范围内的区块，标记为一级显示区块；
步骤3-3，对于部分落在视区范围内的区块，标记为二级显示区块；
步骤3-4，对于未落在视区范围内但是与一级或二级显示区块相邻的区块，标记为三级显示区块；
步骤3-5，其他区块统一标识为四级显示区块。
步骤4、多区块并行计算显示要素内容；具体为：
步骤4-1，如图4，若设置了显示区块可重用标记，逐个检查一二级显示区块是否已计算出显示内容，若显示内容已存在，则跳过不予计算，若不存在标记当前区块；若未设置显示区块可重用标记，标记当前区块；
步骤4-2，为已标记的各个显示区块分配至少一个GPU处理器簇，按照航空要素图层维度叠加顺序，计算显示区块内的二维矩阵每个像素点的颜色值；
步骤4-3，对标记为三级的显示区块，为节约计算资源，在一二级显示区块计算过程完成之后，采用异步方式，单独进行计算，从而不影响主线程的执行，并作为缓存内容，当航图平移时，可节约计算时间直接使用缓存中的计算结果；
步骤4-4，对标记为四级的显示区块，不进行计算处理。
步骤5、拼接各分区块的显示结果进行显示：如图5，具体为：
步骤5-1，根据屏幕分辨率(如2560x1600，或1920x1080等)配置同等大小的显存区域；
步骤5-2，根据步骤4的计算结果，将一级显示区块的经GPU处理计算得到的二维着色像素矩阵，经坐标位置变换将矩阵的值一一映射到所配置显存对应的区域进行拼接；
步骤5-3，将二级显示区块的着色像素矩阵根据视区范围裁剪，同样经坐标位置变换将像素矩阵值一一映射到所配置显存对应的区域进行拼接；
步骤5-4，重复步骤5-2和5-3，直到所有一级、二级显示区块处理完毕，此时所配置的显存区域已全部被映射赋值，将拼接映射完成后的显存区域内容送屏幕显示。
本发明提供了基于CUDA的空中交通电子航图显示加速方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (1)
1.基于CUDA的空中交通电子航图显示加速方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、预处理电子航图显示要素，进行格式化处理；
步骤2、划分电子航图显示要素的区块；
步骤3、根据视区范围计算所需的区块编号；
步骤4、多区块并行计算显示要素内容；
步骤5、拼接各分区块的显示结果；
步骤1预处理电子航图显示要素，进行格式化处理，具体包括以下步骤：
步骤1-1，读取空中交通要素和地理信息要素进入内存，空中交通要素包括航路航线、空域、机场、航路点、导航设施、报告点和地标点，地理信息要素包括行政区划、水系、地名、山脉、高程分布和影像；
步骤1-2，点符号类型数据以符号图片像素格式化处理成二维矩阵像素点格式存储；
步骤1-3，线符号类型数据采用固定像素点取样频率，存入二维矩阵像素点格式存储；
步骤1-4，区域符号类型数据采用区域扫描填充算法取样像素点，存入二维矩阵像素点格式存储；
步骤2包括以下步骤：
步骤2-1，采用6经度、6纬度区块划分标准，划分世界电子航图，并以0度中央子午线北纬90度为第一块编号，以经度向东增加编号，纬度向南增加编号，给区块进行标号；
步骤2-2，将步骤1中格式化处理好的所有航图显示要素数据根据各自二维矩阵像素点的坐标值，划分到相应的区块中，每个区块的存储结构为三维矩阵，新增一维作为不同航空显示要素图层维度；
步骤3包括以下步骤：
步骤3-1，根据视区显示的矩形范围，计算落在矩形范围内的区块编号；
步骤3-2，对于完全落在视区范围内的区块，标记为一级显示区块；
步骤3-3，对于部分落在视区范围内的区块，标记为二级显示区块；
步骤3-4，对于未落在视区范围内但是与一级或二级显示区块相邻的区块，标记为三级显示区块；
步骤3-5，其他区块统一标识为四级显示区块；
步骤4包括以下步骤：
步骤4-1，若设置了显示区块可重用标记，逐个检查一级显示区块和二级显示区块是否已计算出显示内容，若显示内容已存在，则跳过不予计算，若显示内容不存在，则标记当前区块；若未设置显示区块可重用标记，标记当前显示区块；
步骤4-2，为已标记的各个显示区块分配至少一个GPU处理器簇，按照航空要素图层维度叠加顺序，计算显示区块内的二维矩阵每个像素点的颜色值；
步骤4-3，对标记为三级的显示区块，在一二级显示区块计算过程完成之后，采用异步方式，单独进行计算，并作为缓存内容；
步骤4-4，对标记为四级的显示区块，不进行计算处理；
步骤5包括以下步骤：
步骤5-1，根据屏幕分辨率配置同等大小的显存区域；
步骤5-2，根据步骤4的计算结果，经坐标位置变换将矩阵的值一一映射到所配置显存对应的区域进行拼接；
步骤5-3，将二级显示区块的着色像素矩阵根据视区范围裁剪，经坐标位置变换将像素矩阵值一一映射到所配置显存对应的区域进行拼接；
步骤5-4，重复步骤5-2和5-3，直到所有一级、二级显示区块处理完毕，此时所配置显存区域已全部被映射赋值，将拼接映射完成后的显存区域内容送入屏幕显示。
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