CN112116522A - 一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化框架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化框架，包括数据接口模块、显示模块和渲染模块；所述数据接口模块，用于接收雷达的一次信息数据，并将所述一次信息数据转换为预设数据格式后，发送至所述显示模块；所述显示模块，用于将已转换为预设数据格式后的所述一次信息数据发送至所述渲染模块进行渲染，并根据渲染结果进行绘制和显示；所述渲染模块，用于将已转换为预设数据格式后的所述一次信息数据进行渲染，并将所述渲染结果发送至所述显示模块。本发明方案能显著提升一次信息渲染效率，满足大数据量高刷新率的一次信息渲染需求，减小绘制部分对于CPU资源的高占用，提升雷达显控软件用户界面的响应速度。

Description

一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化框架

技术领域

本发明涉及计算机图形处理领域，尤其涉及一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化框架。

背景技术

在雷达显示控制系统中，雷达原始视频数据即一次信息的显示是较为重要的一个部分。通过将分系统回传的原始回波信息经过必要处理后以直观的方式实时显示在用户界面上，可使用户快速了解雷达当前的工作状态和搜索态势等信息。作为雷达回波数据的较原始格式，一次信息数据具有数据量大,实时性要求高的特点。在现有的雷达系统中，对该类信息的显示通常是基于硬件方法，即利用FPGA处理板将信息叠加到终端屏幕之上。虽然也存在软件化绘制一次信息的方式。现有的软件化绘制方式多是基于固定管线图形API如OpenGL1.1/1.5或操作系统相关的API如Win32的GDI等，以直接绘制点或线的方式绘制一次信息数据点。传统的硬件方法虽然能够实现较高的刷新速率，但其灵活性较差，通常只能以固定位置和大小以硬件输出视频信号的方式叠加在现有的软件显示屏幕之上，一旦部署难以进行后续参数的配置调整，更难以在运行中动态变更显示效果，且难以实现较为复杂的效果。现有的软件化绘制方法在灵活性方面略有优势，但随着雷达技术的发展，一次信息的数据产生速率和需要的渲染速度都不断提高，现有的软件化绘制方法的渲染流程已经难以满足需求。这两个问题在渲染雷达传回的雷达的一次信息数据时尤其突出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化框架。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化框架，包括数据接口模块、显示模块和渲染模块；

所述数据接口模块，用于接收雷达的一次信息数据，并将所述一次信息数据转换为预设数据格式后，发送至所述显示模块；

所述显示模块，用于将已转换为预设数据格式后的所述一次信息数据发送至所述渲染模块，并根据所述渲染模块的渲染结果进行绘制和显示；

所述渲染模块，用于将已转换为预设数据格式后的所述一次信息数据进行渲染，并将所述渲染结果发送至所述显示模块。

本发明方案的有益效果是：提供一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化框架，通过数据接口模块接收雷达的一次信息数据，并将一次信息数据转换为预设数据格式后，发送至显示模块，显示模块将已转换为预设数据格式后的一次信息数据发送至渲染模块，并根据渲染模块的渲染结果进行绘制和显示，渲染模块将已转换为预设数据格式后的一次信息数据进行渲染，并将渲染结果发送至显示模块。本发明方案能显著提升一次信息渲染效率，满足大数据量高刷新率的一次信息渲染需求，减小绘制部分对于CPU资源的高占用，提升雷达显控软件用户界面的响应速度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，所述显示模块，用于将已转换为预设数据格式后的所述一次信息数据转换为数据纹理，所述数据纹理存储于图形处理单元GPU中内存上的连续存储区域，所述数据纹理是二维数组，且所述数据纹理中的每个纹素是二维数组中的一个值，分别存储预设数量的颜色分量，所述二维数组的大小根据所述雷达的方位采样点数和所述雷达的方位数确定；

将所述数据纹理转换至顶点网格，其中，所述顶点网格是围绕圆心排列的多个扇面，所述扇面的个数与所述方位数相同，每个所述扇面对应所述雷达的一个方位，并将所述扇面的坐标信息和所述数据纹理的坐标信息发送至所述渲染模块。

采用上述进一步方案的有益效果是：只需要提交顶点网格中的扇面的顶点数据，通过GPU计算生成每方位扇面范围内的所有像素，大大减小了CPU的计算量和总线带宽占用，具有较好的填充视觉效果。

进一步地，所述渲染模块包括着色器，所述着色器是运行于图形处理单元GPU上的程序单元，所述着色器接收所述扇面的坐标信息，将所述扇面的坐标信息转换为标准化设备坐标信息后，并根据所述数据纹理的坐标信息和所述标准化设备坐标信息，得到像素片元的纹理坐标，并根据每个像素片元的数据纹理输出相应的像素颜色，将所述像素颜色输出至所述显示模块。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过着色器接收扇面的坐标信息，将扇面的坐标信息转换为标准化设备坐标信息后，并根据数据纹理的坐标信息和标准化设备坐标信息，得到像素片元的纹理坐标，并根据每个像素片元的数据纹理输出相应的像素颜色，将像素颜色输出至显示模块显著提升一次信息渲染效率，满足大数据量高刷新率的一次信息渲染需求，减小绘制部分对于CPU资源的高占用，提升雷达显控软件用户界面的响应速度。

进一步地，所述显示模块，还用于根据预设的余辉消隐时间、当前时间、所述数据纹理的上一次更新时间和上一次更新时间，得到当前时间所述数据纹理对应的像素片元的像素颜色。

进一步地，所述显示模块，用于根据(所述雷达的方位采样点数+1)*方位数计算得到所述二维数组的大小，其中所述数据纹理中的一个纹素点用于存储所述数据纹理的更新时间。

进一步地，所述显示模块，用于根据所述圆心的坐标信息和所述扇面对应的数据纹理的坐标信息，得到所述扇面的每一个顶点的坐标信息。

进一步地，所述着色器包括顶点着色器、片元着色器和渲染管线；

所述顶点着色器，用于接收所述扇面的坐标信息，将所述扇面的顶点的坐标信息转换为标准化设备坐标信息，并将所述数据纹理的坐标信息和所述标准化设备坐标信息输出至所述渲染管线；

所述渲染管线，用于将所述扇面的顶点的标准化设备坐标信息进行数据插值，得到所述像素片元的纹理坐标，并将所述像素片元的纹理坐标发送至所述片元着色器；

所述片元着色器，用于将所述像素片元的纹理坐标输入至所述片元着色器的预设函数，得到所述像素片元的RGBA值，并根据所述RGBA值得到所述像素片元的最近一次更新时间，根据所述最近一次更新时间、所述当前时间和预设一次信息余辉驻留时间，得到输出颜色的分量值。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过顶点着色器、片元着色器和渲染管线，采样数据纹理动态计算并输出颜色值，基本不消耗CPU资源，CPU的只需要向着色器提供计算所需要的参数，实现了像素并行的颜色计算，大大提升了渲染效率。

进一步地，所述片元着色器，

用于根据R+G256+B*256*256+A*256*256*256计算得到所述像素片元的最近一次更新时间，其中R、G、B和A分别是所述RGBA值中的各分量值。

进一步地，所述片元着色器，用于根据1-(currentTime–time)/stayTime计算当前时间所述数据纹理对应的像素片元的像素颜色，其中，所述像素颜色的取值范围为[0.0，1.0]，time是最近一次更新时间，currentTime是当前时间，stayTime是预设的余辉消隐时间。

此外，本发明还提供一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化方法，所述方法包括：

接收雷达的一次信息数据，并将所述一次信息数据转换为预设数据格式；

将已转换为预设数据格式后的所述一次信息数据进行渲染，并根据渲染结果进行绘制和显示。本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化框架的模块结构图；

图2为本发明另一实施例提供的一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化框架中的显示模块中的数据结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1本发明实施例提供的一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化框架的模块结构图所示，一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化框架包括数据接口模块、显示模块和渲染模块。

数据接口模块接收雷达的一次信息数据，并将一次信息数据转换为预设数据格式后，发送至显示模块。

显示模块将已转换为预设数据格式后的一次信息数据发送至渲染模块，并根据渲染模块的渲染结果进行绘制和显示。

渲染模块将已转换为预设数据格式后的一次信息数据进行渲染，并将渲染结果发送至显示模块。

进一步地，显示模块将已转换为预设数据格式后的一次信息数据转换为数据纹理，数据纹理存储于图形处理单元GPU中内存上的连续存储区域，数据纹理是二维数组，且数据纹理中的每个纹素是二维数组中的一个值，分别存储预设数量的颜色分量，二维数组的大小根据雷达的方位采样点数和雷达的方位数确定。

将数据纹理转换至顶点网格，其中，顶点网格是围绕圆心排列的多个扇面，扇面的个数与方位数相同，每个扇面对应雷达的一个方位，并将扇面的坐标信息和数据纹理的坐标信息发送至渲染模块。

进一步地，渲染模块包括着色器，着色器是运行于图形处理单元GPU上的程序单元，着色器接收扇面的坐标信息，将扇面的坐标信息转换为标准化设备坐标信息后，并根据数据纹理的坐标信息和标准化设备坐标信息，得到像素片元的纹理坐标，根据每个像素片元的数据纹理输出相应的像素颜色，将像素颜色输出至显示模块。

进一步地，显示模块根据预设的余辉消隐时间、当前时间和数据纹理的上一次更新时间，得到当前时间数据纹理对应的像素片元的像素颜色。

进一步地，显示模块根据(所述雷达的方位采样点数+1)*方位数计算得到二维数组的大小，其中数据纹理中的一个纹素点用于存储数据纹理的更新时间。

进一步地，显示模块根据圆心的坐标信息和扇面对应的数据纹理的坐标信息，得到扇面的每一个顶点的坐标信息。

进一步地，着色器包括顶点着色器、片元着色器和渲染管线。

顶点着色器接收扇面的坐标信息，将扇面的顶点的坐标信息转换为标准化设备坐标信息，并将数据纹理的坐标信息和标准化设备坐标信息输出至渲染管线。

渲染管线将扇面的顶点的标准化设备坐标信息进行数据插值，得到像素片元的纹理坐标，并将像素片元的纹理坐标发送至片元着色器；

片元着色器将像素片元的纹理坐标输入至片元着色器的预设函数，得到像素片元的RGBA值，并根据RGBA值得到像素片元的最近一次更新时间，根据最近一次更新时间、当前时间和预设一次信息余辉驻留时间，得到输出颜色的分量值。

进一步地，片元着色器根据R+G256+B*256*256+A*256*256*256计算得到像素片元的最近一次更新时间，其中R、G、B和A分别是RGBA值中的各分量值。

进一步地，片元着色器根据1-(currentTime–time)/stayTime计算当前时间数据纹理对应的像素片元的像素颜色，其中，像素颜色的取值范围为[0.0，1.0]，time是最近一次更新时间，currentTime是当前时间，stayTime是预设的余辉消隐时间。

如图2本发明另一实施例提供的一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化框架中的显示模块中的数据结构示意图所示，创建用以存储一次信息数据的数据纹理，数据纹理的本质是GPU设备内存上的连续存储区域，逻辑上可以认为二维数组。数据纹理的格式为RGBA32，即每个纹素占用32Bit的存储空间，分别存储四个8Bit的RGBA颜色分量，二维数组的大小为(每方位采样点数+1)*(方位数)。以每个扫描周期20个方位，每方位20个数据点为例，则创建的数据纹理大小为21(宽)*20(高)。每方位多出来的一个纹素点用以存储该方位数据最近一次更新的时间信息。

创建用以绘制的顶点网格，宏观来看为一个360度圆面，此处绘制为围绕圆心紧密排列的多个扇面，扇面的个数等同于方位数。每个扇面由三个顶点组成的近似三角形，每个顶点包含相对于圆心的位置坐标和纹理坐标，纹理坐标对应到该扇面对应的方位在数据纹理中的位置。

创建用以处理顶点和片元的着色器程序。着色器是运行于GPU(GraphicsProcessingUnit，图形处理器)上的程序，包括顶点着色器和片元着色器。顶点着色器将输入顶点的位置坐标变换为需要绘制的屏幕坐标，并和输入的纹理坐标一起输出到渲染管线的光栅化阶段。例如，当方位1的扇面的顶点1的坐标为(0，0)，对应的数据纹理坐标为(0.04762，0.025)，0.04762的含义为数据纹理中左数第二个像素起始位置的横坐标，即1.0/21，因第一个像素存储的是更新时间信息，需要从第二个像素开始。纵坐标应该是图中像素的纵向中心位置，即(1.0/20)*(i+0.5)，i取值0～19。创建顶点网格时，计算出顶点的位置坐标和纹理坐标，顶点着色器根据当前设置的投影变换矩阵将位置坐标(0，0)变换为NDC(Normalized Device Coordinates)标准化设备坐标，坐标(0，0)，其中NDC坐标取值范围[-1，1]，(0，0)是处于屏幕水平和垂直方向上的中心位置。光栅化阶段由GPU硬件实现，每次接收顶点着色器输出的三个顶点数据，并产生三个顶点所形成的三角形区域内的所有像素片元。每个像素片元包含位置和纹理坐标属性，其值均由输入的顶点数据插值而来。

片元着色器接收到像素片元的纹理坐标(x，y)后，使用该坐标采样数据纹理，在着色器中直接访问存储于GPU的数据纹理，并输入纹理坐标至着色器内建的texture函数，得到对应纹理坐标位置的纹素的RGBA值，RGBA值分别是四个一次信息通道的原始强度值。通过颜色映射函数将四个通道的原始强度映射为RGB值，得到像素颜色。使用纹理坐标值(0.0238，y)，0.0238的含义是每一行最左边那个像素，即用以存储这一行数据更新时间信息的那个像素的中心点的纹理x坐标。y是输入到片元着色器的纹理坐标的y值，即由GPU计算得到的插值后的纹理坐标y值。收到新的一次信息数据后，从数据纹理中读取该位置数据的上一次更新时间。如果该时间距离当前时间的间隔还没有超过设定的余辉消隐时间，说明该信息还没有完全消隐，则计算实际写入到数据纹理中的值。当接收到其中一个方位的一次信息数据的时候，部分更新数据纹理中对应行的纹素数据，无须更新整个数据纹理。

本实施例在初始化时提交多个扇面和数据纹理到GPU的存储区域中，每帧执行着色器程序输出绘制内容。计算量最大的像素填充阶段由GPU并行执行，绘制内容的动态更新由时间和数据触发同时驱动，CPU只需在数据到来时更新数据纹理中的少量数据。极大地减小了CPU端的计算负担和提交渲染命令到GPU驱动的额外开销，显著提升了绘制效率。且只需要在GPU的设备内存上存储数据，且当数据更新时提交更新的部分，减少了主存占用和总线带宽占用。

本实施例只需要初始计算并提交少量的顶点一次，而后完全通过GPU计算生成每方位扇面范围内的所有像素，大大减小了CPU的计算量和总线带宽占用，具有较好的填充视觉效果。同时，在着色器中采样数据纹理动态计算并输出颜色值，基本不消耗CPU资源，CPU的只需要向着色器提供计算所需要的参数，实现了像素并行的颜色计算，大大提升了渲染效率。

此外，本实施例能显著提升一次信息渲染效率，满足大数据量高刷新率的一次信息渲染需求，减小绘制部分对于CPU资源的高占用，提升雷达显控软件用户界面的响应速度。实测中，即便是配置集成显卡的硬件平台，在显卡驱动程序支持的情况下，也能够将原有的一次信息绘制速率由10-20FPS提升至60FPS，与显示器刷新率同步，提升终端用户的交互体验，同时具有通用性和跨平台特性，只需要修改着色器部分就可以满足绝大多数的需求，便于二次开发和快速部署。

此外，本发明另一实施例还提供一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化方法，所述方法包括以下步骤：

110、接收雷达的一次信息数据，并将一次信息数据转换为预设数据格式。

120、将已转换为预设数据格式后的一次信息数据进行渲染，并根据渲染结果进行绘制和显示。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化框架，其特征在于，包括数据接口模块、显示模块和渲染模块；

所述数据接口模块，用于接收雷达的一次信息数据，并将所述一次信息数据转换为预设数据格式后，发送至所述显示模块；

所述显示模块，用于将已转换为预设数据格式后的所述一次信息数据发送至所述渲染模块进行渲染，并根据渲染结果进行绘制和显示；

所述渲染模块，用于将已转换为预设数据格式后的所述一次信息数据进行渲染，并将所述渲染结果发送至所述显示模块。

2.根据权利要求1所述的雷达数据可视化框架，其特征在于，

所述显示模块，用于将已转换为预设数据格式后的所述一次信息数据转换为数据纹理，所述数据纹理存储于图形处理单元GPU中内存上的连续存储区域中，所述数据纹理是二维数组，且所述数据纹理中的每个纹素是二维数组中的一个值，分别存储预设数量的颜色分量，所述二维数组的大小根据所述雷达的方位采样点数和所述雷达的方位数确定；

将所述数据纹理转换至顶点网格，其中，所述顶点网格是围绕圆心排列的多个扇面，所述扇面的个数与所述方位数相同，每个所述扇面对应所述雷达的一个方位，将所述扇面的坐标信息和所述数据纹理的坐标信息发送至所述渲染模块。

3.根据权利要求2所述的雷达数据可视化框架，其特征在于，

所述渲染模块包括着色器，所述着色器是运行于图形处理单元GPU上的程序单元，所述着色器接收所述扇面的坐标信息，将所述扇面的坐标信息转换为标准化设备坐标信息后，并根据所述数据纹理的坐标信息和所述标准化设备坐标信息，得到像素片元的纹理坐标，根据每个像素片元的数据纹理输出相应的像素颜色，并将所述像素颜色输出至所述显示模块。

4.根据权利要求2所述的雷达数据可视化框架，其特征在于，

所述显示模块，还用于根据预设的余辉消隐时间、当前时间和所述数据纹理的上一次更新时间，得到当前时间所述数据纹理对应的像素片元的像素颜色。

5.根据权利要求2所述的雷达数据可视化框架，其特征在于，

所述显示模块，用于根据(所述雷达的方位采样点数+1)*方位数计算得到所述二维数组的大小，其中所述数据纹理中的一个纹素点用于存储所述数据纹理的更新时间。

6.根据权利要求2所述的雷达数据可视化框架，其特征在于，

所述显示模块，用于根据所述圆心的坐标信息和所述扇面对应的数据纹理的坐标信息，得到所述扇面的每一个顶点的坐标信息。

7.根据权利要求3所述的雷达数据可视化框架，其特征在于，

所述着色器包括顶点着色器、片元着色器和渲染管线；

所述顶点着色器，用于接收所述扇面的坐标信息，将所述扇面的顶点的坐标信息转换为标准化设备坐标信息，并将所述数据纹理的坐标信息和所述标准化设备坐标信息输出至所述渲染管线；

所述渲染管线，用于将所述扇面的顶点的标准化设备坐标信息进行数据插值，得到所述像素片元的纹理坐标，并将所述像素片元的纹理坐标发送至所述片元着色器；

所述片元着色器，用于将所述像素片元的纹理坐标输入至所述片元着色器的预设函数，得到所述像素片元的RGBA值，并根据所述RGBA值得到所述像素片元的最近一次更新时间，根据所述最近一次更新时间、所述当前时间和预设一次信息余辉驻留时间，得到输出颜色的分量值。

8.根据权利要求7所述的雷达数据可视化框架，其特征在于，

所述片元着色器，用于根据R+G256+B*256*256+A*256*256*256计算得到所述像素片元的最近一次更新时间，其中R、G、B和A分别是所述RGBA值中的各分量值。

9.根据权利要求7所述的雷达数据可视化框架，其特征在于，

所述片元着色器，用于根据1-(currentTime–time)/stayTime计算当前时间所述数据纹理对应的像素片元的像素颜色，其中，所述像素颜色的取值范围为[0.0，1.0]，time是最近一次更新时间，currentTime是当前时间，stayTime是预设的余辉消隐时间。

10.一种基于现代可编程图形管线的雷达数据可视化方法，其特征在于，所述方法包括：

接收雷达的一次信息数据，并将所述一次信息数据转换为预设数据格式；

将已转换为预设数据格式后的所述一次信息数据进行渲染，并根据渲染结果进行绘制和显示。

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