林仕材，湯愛武，黃德祥

(深圳航天科技創(chuàng)新研究院，廣東 深圳 518057)

?

基于WinCE的無人機(jī)嵌入式地面站GIS顯示優(yōu)化

林仕材，湯愛武，黃德祥

(深圳航天科技創(chuàng)新研究院，廣東 深圳 518057)

摘要針對無人機(jī)嵌入式地面測控站系統(tǒng)資源和性能的局限性，研究了基于WinCE系統(tǒng)的嵌入式GIS地圖的顯示過程和原理，分別從動態(tài)和靜態(tài)2個方面提出了嵌入式平臺下優(yōu)化無人機(jī)GIS地圖應(yīng)用的軟件和硬件方法，靜態(tài)方面在于優(yōu)化地圖文件的轉(zhuǎn)換和讀取以適用于嵌入式平臺，動態(tài)方面在于將需要動態(tài)更新和添加的內(nèi)容進(jìn)行算法上的裁剪或精簡以達(dá)到快速顯示的目的。測試結(jié)果表明，這些優(yōu)化方法有效地減少了嵌入式WinCE系統(tǒng)下GIS地圖資源占用，提高了GIS地圖顯示效率，也為其他平臺GIS地圖的顯示優(yōu)化提供了參考。

關(guān)鍵詞無人機(jī)；地面站；WinCE；GIS

Display Optimization of UAV Embedded GCS GIS Based on WinCE

LIN Shi-cai,TANG Ai-wu,HUANG De-xiang

(ShenzhenAcademyofAerospaceTechnology,ShenzhenGuangdong518057,China)

AbstractIn view of the limitations of resource and performance of UAV embedded ground control system,this paper studies the display process and principle of embedded GIS map based on WinCE system.The software and hardware methods of UAV GIS map application optimization based on embedded platform from static way and dynamic way respectively.The static way is used to convert the huge map file to meet the demand of embedded system.The dynamic way is used to cut or reduce the dynamic update and increase contents for fast display.The test results show that the optimization methods can reduce the usage of system resource of embedded GIS map in embedded WinCE system and improve the display efficiency of GIS map.It can also provide reference for GIS map display optimization of other platform.

Key wordsunmanned aerial vehicle(UAV);ground control station(GCS);WinCE;geographic information system(GIS)

0引言

目前國內(nèi)用于無人機(jī)地面測控站[1,2]的硬件平臺一般基于X86架構(gòu)，而用嵌入式平臺的非常少，其中一個重要原因就是嵌入式平臺的硬件性能跟不上。影響地面測控站性能的主要功能模塊有2個：視頻和地圖。常用于無人機(jī)視頻編碼的格式主要是JPEG2000、H.264[3]、MEPG-2[4]和MPEG-4[5]，其中JPEG2000有專用的解碼芯片[6]，H.264、MEPG-2、MPEG-4對于多數(shù)嵌入式ARM平臺具有的硬解碼功能來說已不再是難點(diǎn)[7]。而用于航線規(guī)劃和航跡顯示重要功能的地理信息系統(tǒng)[8](Geographic Information System，GIS)地圖是造成性能瓶頸的重要原因。如果GIS地圖性能能夠被大幅優(yōu)化，那么采用嵌入式平臺的地面測控站以其功耗低和重量輕的特點(diǎn)更適合于輕巧便攜式微小型無人機(jī)系統(tǒng)中使用。

可用于無人機(jī)地面測控站的主流嵌入式操作系統(tǒng)主要有WinCE、Android和Linux等，其中Android為新興的嵌入式操作系統(tǒng)[9]，主要用于消費(fèi)類的便攜式產(chǎn)品，但是系統(tǒng)的實(shí)時性和穩(wěn)定性還待加強(qiáng)。Linux下開發(fā)GIS應(yīng)用較少，目前國內(nèi)很少有相應(yīng)的GIS SDK和產(chǎn)品支持。WinCE是由Microsoft開發(fā)的具有豐富應(yīng)用和服務(wù)的32位嵌入式系統(tǒng)，具有小容量、移動式和智能化的特點(diǎn)，為有限資源的設(shè)計(jì)平臺提供多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)支持[10]，在導(dǎo)航和嵌入式GIS應(yīng)用中得到更廣泛的應(yīng)用。

對于基于嵌入式WinCE系統(tǒng)的地面測控站來說，GIS模塊中的矢量地圖或柵格地圖在數(shù)據(jù)讀取和繪制時均需耗費(fèi)大量的CPU時間，如果處理不好輕者將影響用戶體驗(yàn)、干擾飛手對飛機(jī)[1]的遙控，嚴(yán)重時甚至造成系統(tǒng)崩潰進(jìn)而置飛機(jī)于失控狀態(tài)影響飛行安全，所以對基于WinCE系統(tǒng)的嵌入式GIS顯示技術(shù)的優(yōu)化對無人機(jī)地面測控系統(tǒng)有著極為重要的實(shí)用意義。

本文先分析GIS地圖的顯示原理，然后從靜態(tài)和動態(tài)2個方面對其顯示進(jìn)行了優(yōu)化，這些優(yōu)化方法在某無人機(jī)項(xiàng)目中應(yīng)用，減輕了系統(tǒng)資源負(fù)擔(dān)，算法程序運(yùn)行穩(wěn)定，地圖顯示顯著加快。

1GIS地圖顯示原理

無人機(jī)GIS應(yīng)用中的地圖一般分為靜態(tài)地圖和動態(tài)地圖2部分，如圖1所示。其中靜態(tài)地圖為從GIS地圖文件中讀取的地理信息數(shù)據(jù)，往往包括多種類型的信息，比如地形、地貌、植被、水文和高程等。為了方便信息數(shù)據(jù)的管理和顯示，一般將地理數(shù)據(jù)按其地理特征的不同進(jìn)行分類，將同一類的數(shù)據(jù)歸于一個圖層中進(jìn)行組織、存儲、修改和顯示。

圖1　無人機(jī)GIS地圖應(yīng)用顯示

靜態(tài)地圖讀取后將寫入顯示緩存，也可以作為動態(tài)地圖顯示的畫布，如無漫游、縮放等操作，可以一直顯示舊的內(nèi)容，直到需要發(fā)生改變才以某一規(guī)則讀取新的地圖文件部分內(nèi)容并顯示，靜態(tài)地圖優(yōu)化完后一般不再進(jìn)行二次修改。

動態(tài)地圖是根據(jù)用戶需要而添加或更新的內(nèi)容，具有較強(qiáng)的實(shí)時性和位置性，比如無人機(jī)規(guī)劃的航線、飛行過程中產(chǎn)生的航跡以及對關(guān)鍵目標(biāo)的標(biāo)注信息等。這些內(nèi)容可根據(jù)執(zhí)行飛行任務(wù)時動態(tài)機(jī)動變化和添加，而且每次顯示的內(nèi)容均不同，所以屬于動態(tài)地圖部分。動態(tài)地圖是優(yōu)化顯示的重點(diǎn)，而且方法得當(dāng)與否會有較大的差異。

在實(shí)際優(yōu)化處理過程中，正是按照這種分層的方法對靜態(tài)和動態(tài)2種類型的地圖顯示分別進(jìn)行優(yōu)化。

2優(yōu)化方法

2.1靜態(tài)地圖優(yōu)化方法

在嵌入式系統(tǒng)中，靜態(tài)地圖數(shù)據(jù)的顯示一般經(jīng)歷格式轉(zhuǎn)換、讀取計(jì)算、數(shù)據(jù)解析、生成分割圖片和顯示等多個步驟，每一個步驟都存在一定的優(yōu)化空間，如圖2所示。

圖2　嵌入式GIS地圖數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換處理流程

嵌入式GIS應(yīng)用必須滿足低內(nèi)存、低存儲和實(shí)時性要求，然而GIS空間數(shù)據(jù)包括圖形數(shù)據(jù)、拓?fù)鋽?shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量非常大，所需存儲空間也相應(yīng)很大，所以應(yīng)用于嵌入式GIS的地圖需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換才可使用，轉(zhuǎn)換時一般分為2個步驟：第1步是先對地圖進(jìn)行屬性和內(nèi)容的初步轉(zhuǎn)換，主要采用的方法包括：

① 減少顯示級數(shù)；② 精簡角點(diǎn)和線條數(shù)目；③ 減少文件體積。

經(jīng)過以上處理方法，就可以先解決GIS地圖文件在嵌入式系統(tǒng)中存儲空間和內(nèi)存容量不足的一些問題。

第2步就是進(jìn)行地圖圖像數(shù)據(jù)類型預(yù)處理。因?yàn)閷τ诙鄨D層數(shù)據(jù)的矢量圖形繪制成圖像數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理量非常巨大。即便是放到現(xiàn)在比較高端的PC機(jī)平臺之上，繪制過程也顯得略微漫長，如果將這一對于計(jì)算要求過于龐大的處理過程放在無論是內(nèi)存還是CPU都比較低的嵌入式平臺上去處理的話，那么所等待處理的時間將非常大。而且地圖的每次漫游、放大和縮小都會發(fā)生重繪的情況，用戶每一個操作都需要經(jīng)過漫長的等待才能得到結(jié)果。這對于實(shí)時性要求較高的無人機(jī)地面測控站幾乎是無法忍受的。

為了提高顯示和繪制的效率，可以先進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，再直接使用已經(jīng)預(yù)先生成的圖像數(shù)據(jù)來進(jìn)行顯示。

在轉(zhuǎn)換時采用現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)地圖常用的地圖數(shù)據(jù)存儲手段，即將已經(jīng)存在的大幅面地圖按照160×160大小進(jìn)行切割并通過命名來編號存儲，文件和目錄編號規(guī)則為：顯示級別/行號#列號.png，如8/2#2.png。而在顯示時則經(jīng)過一個相反的過程，如圖3所示。

圖3　嵌入式地圖文件加載和顯示過程

這樣就將讀取龐大的地圖數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為讀取已生成的圖像文件，再配合內(nèi)存文件讀取方法，在速度上將更快。

2.2動態(tài)地圖優(yōu)化方法

在實(shí)驗(yàn)的過程中，采取了多種方法進(jìn)行顯示優(yōu)化，主要包括精簡航線點(diǎn)、固定航點(diǎn)、線條裁剪以及其他優(yōu)化方法。

2.2.1精簡航線點(diǎn)

目前，Douglas-Peucker算法[11]和“簡單距離壓縮”法是減小曲線坐標(biāo)數(shù)據(jù)的有效方法，應(yīng)用范圍較廣。其中“簡單距離壓縮”的方法(如圖4所示)是獲取地理坐標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)的屏幕坐標(biāo)，如果2個點(diǎn)間距離小于某一值GAP時，將只顯示前一個點(diǎn)，對于航跡點(diǎn)的顯示，尤其是地圖縮小到一定比例尺時，該方法能一定程度減少繪制點(diǎn)的個數(shù)，達(dá)到加快航跡點(diǎn)顯示的目的。

圖4　空間壓縮精簡航跡點(diǎn)

Douglas-Peucker算法是經(jīng)典的精簡航跡點(diǎn)方法，可以達(dá)到進(jìn)一步精簡航跡點(diǎn)的目的。

2.2.2顯示固定航跡點(diǎn)

顯示固定航跡點(diǎn)是另外一種加快航跡顯示的方法，因?yàn)闊o限制地顯示航跡點(diǎn)，將耗費(fèi)系統(tǒng)大量的內(nèi)存和CPU資源直至系統(tǒng)資源耗盡死機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中，顯示合適的固定航跡點(diǎn)，既不影響航跡的顯示，又不至于消耗系統(tǒng)過多資源。

2.2.3線段裁剪

在顯示飛行航跡時，如果航跡點(diǎn)已超出屏幕顯示范圍，則沒有必要對它及后面同樣的點(diǎn)進(jìn)行繪制，這里用到了線段的裁剪，采用經(jīng)典的Cohen-Sutherland線段裁剪算法及改進(jìn)的裁剪算法[12]，可以減少點(diǎn)的航跡繪制點(diǎn)的個數(shù)，達(dá)到優(yōu)化航跡顯示的目的。

2.2.4目標(biāo)符號庫

在無人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)過程中，對視頻中看到的目標(biāo)點(diǎn)在地圖上進(jìn)行標(biāo)注，就需要用到目標(biāo)符號。目標(biāo)符號是地圖的語言，是表達(dá)地圖內(nèi)某一點(diǎn)內(nèi)容的基本手段，根據(jù)使用特征可以分為目標(biāo)點(diǎn)符號、文字符號和特殊符號。根據(jù)直觀分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，繪制地圖符號是地圖顯示過程中比較耗時的一項(xiàng)工作，尤其是當(dāng)?shù)貓D上疊加的目標(biāo)符號較多時。

對于固定目標(biāo)和內(nèi)容的繪制，完全可以設(shè)計(jì)對應(yīng)的目標(biāo)符號庫，通過調(diào)用符號庫文件達(dá)到簡化復(fù)雜符號的繪制。符號庫可統(tǒng)一定義為24×24大小，通過索引號來進(jìn)行調(diào)用，每個符號項(xiàng)的結(jié)構(gòu)體定義如下：

struct tagPointSym {

int nIndex;//索引號

charszSymText[32];//軍標(biāo)庫符號文字

}

2.2.5其他優(yōu)化方法

此外，在實(shí)際應(yīng)用時，還有以下其他的技巧和方法可進(jìn)行再優(yōu)化：

① 更新頻率盡量少：固定更新頻率配合按需更新；

② 盡量不頻繁做圖形旋轉(zhuǎn)和居中操作，多次相同操作時如果沒有操作結(jié)束則屏蔽后續(xù)操作；

③ 雙緩沖繪圖[13]，即對顯示的內(nèi)容先繪制到內(nèi)存再統(tǒng)一顯示到屏幕上；

④ 采用硬件加速，在嵌入式ARM平臺下很多繪圖功能與操作都是可以直接調(diào)用硬件加速的功能，具體調(diào)用方法可參閱相應(yīng)的用戶手冊。

3測試結(jié)果分析

采用以上優(yōu)化方法對嵌入式WinCE系統(tǒng)下的GIS地圖進(jìn)行了比較測試。測試硬件條件為Freescale i.MX515，操作系統(tǒng)為WinCE 6.0，向上發(fā)送遙控指令，對遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時解析，同時運(yùn)行H.264視頻解碼和GIS地圖2個功能模塊。

3.1靜態(tài)測試

靜態(tài)測試時以執(zhí)行LoadMap()函數(shù)讀取轉(zhuǎn)換格式前的文件和轉(zhuǎn)換格式后的文件為測試條件，分別記錄讀取前時間t1和讀取后的時間t2，計(jì)算出T=t2-t1，優(yōu)化后的文件讀取時間明顯少于優(yōu)化前的數(shù)據(jù)讀取時間，如表1所示。由于測試文件china2000.emp只是較簡單的地形輪廓，讀取差別就已經(jīng)非常明顯，當(dāng)?shù)貓D中的地形較復(fù)雜或目標(biāo)較多時，讀取時間差距還將進(jìn)一步加大。

表1　讀取地圖文件耗時對比

3.2動態(tài)優(yōu)化測試

由于航線規(guī)劃用到的航點(diǎn)和內(nèi)容一般較少，測試中沒有加入考慮。而對于無人機(jī)飛行過程中產(chǎn)生的大量航跡點(diǎn)和動態(tài)旋轉(zhuǎn)的無人機(jī)符號，如果沒有進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化，航跡顯示將會耗費(fèi)大量的CPU時間，尤其是當(dāng)點(diǎn)數(shù)超過600點(diǎn)(按每1 s添加一個航跡點(diǎn)計(jì)，一般10 min之內(nèi)航跡顯示)，每操作一次刷新航跡和地圖會導(dǎo)致顯示停滯1~2 s左右，CPU平均占用率達(dá)到43%，如圖5所示。當(dāng)航跡點(diǎn)超過900點(diǎn)時，將更嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的操作體驗(yàn)。

圖5　未精簡航跡點(diǎn)的CPU占用曲線

實(shí)驗(yàn)中有取舍的采用了固定600個航點(diǎn)+超范圍線段裁剪+自定義符號庫的方法，同時采用雙緩沖法先在內(nèi)存中繪制再在顯示器幀緩沖區(qū)中刷新顯示，CPU平均占用率顯著減少到29%左右，如圖6和圖7所示，而且還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

圖6　優(yōu)化后GIS顯示后航跡顯示

圖7　優(yōu)化后GIS顯示CPU占用率

4結(jié)束語

本文從靜態(tài)和動態(tài)2個方面分析并測試了基于WinCE系統(tǒng)的無人機(jī)地面測控站中GIS組件顯示的優(yōu)化方法。測試數(shù)據(jù)表明，這些優(yōu)化方法緩解了嵌入式地面測控站系統(tǒng)在使用過程中GIS地圖對硬件平臺的性能局限帶來的困擾，保證了視頻幀率和遙測信息內(nèi)容及時更新，也保證了按鍵和其他操作的快捷和飛行安全。同時，這些優(yōu)化方法和原理也為其他類似平臺的GIS優(yōu)化方法提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1]盧艷軍,劉季為,張曉東.無人機(jī)地面站發(fā)展的分析研究[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2014(3):60-64.

[2]賀光霞.基于GIS的無人機(jī)地面控制站的實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程,2007,37(2):36-37.

[3]吳笑天,魯劍鋒,王宇慶,等.基于DM368的無人機(jī)視頻壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示,2014(6):1 117-1 123.

[4]崔麥會,周建軍,陳超.無人機(jī)視頻情報(bào)的壓縮傳輸技術(shù)[J].電訊技術(shù),2007,47(1):131-133.

[5]關(guān)曉磊,李志強(qiáng).基于MPEG-4編碼的近距離無線視頻傳輸系統(tǒng)[J].電子科技,2011(6):45-50.

[6]黃德祥,湯愛武,徐升,等.基于ADV212的無人機(jī)實(shí)時視頻解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2014,44(10):59-63.

[7]王珊.基于ARM9的近程無人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].無線電工程,2013,43(8):40-43.

[8]劉育新.軍事地理信息系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].無線電工程,2000,30(5):33-35.

[9]韓大偉.基于Android的小型飛行器終端控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué),2014.

[10]張志勇,楊誠,祝挺.基于WinCE的軍用車輛綜合信息系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].汽車科技,2008(1):57-61.

[11]何津,費(fèi)立凡.再論三維Douglas-Peucker算法及其在DEM綜合中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2008(2):160-163.

[12]李竹林,雷崗.一種改進(jìn)的Sutherland-Cohen裁剪算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2012(34):175-178.

[13]殷銀鎖,張仁誠,王東輝.基于DirectDraw雙緩沖的實(shí)時動態(tài)成像技術(shù)[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2014(4):379-382.

林仕材男，(1976—)，高級工程師。主要研究方向：移動計(jì)算及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無人機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

湯愛武男，(1967—)，高級工程師。主要研究方向：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用研究。

作者簡介

基金項(xiàng)目：深圳市科技創(chuàng)新計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(CXZZ20130322165234700)。

收稿日期：2015-09-09

中圖分類號TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2015)12-0021-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.12.06

引用格式：林仕材，湯愛武，黃德祥.基于WinCE的無人機(jī)嵌入式地面站GIS顯示優(yōu)化[J].無線電工程,2015,45(12):21-24,28.