馮書慶，徐志強(qiáng)，王志勇，諶志新

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

結(jié)合遠(yuǎn)洋漁船通導(dǎo)航行、捕撈吊裝等功能復(fù)加集成及作業(yè)品質(zhì)提升需要，漁船有關(guān)姿態(tài)導(dǎo)航參數(shù)展示管理及高效人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)研究的需求愈發(fā)迫切[1-3]。此外，姿態(tài)導(dǎo)航信息界面及設(shè)備也是漁船未來自主航行系統(tǒng)及遠(yuǎn)程駕駛監(jiān)控系統(tǒng)信息采集和匯總控制的終端，是漁船管理智能化構(gòu)建的重要組成。目前船載姿態(tài)設(shè)備多配置機(jī)械重錘傾斜儀，功能單一且難以集成與控制。高端漁船雖配備了電羅經(jīng)、全球定位系統(tǒng)(GPS)等姿態(tài)、航向傳感器，但界面設(shè)計(jì)仍局限于由文字、儀表、箭頭等簡單元素分立組成，信息表述集成關(guān)聯(lián)度低、思維重構(gòu)強(qiáng)度大，實(shí)用性差。受多種因素制約，基于綜合圖形動態(tài)顯示的姿態(tài)描述界面，除特種艦艇外，普通漁船未有裝備。

借鑒航空多功能顯示器集成顯示理念，設(shè)計(jì)了一種圖形化漁船姿態(tài)導(dǎo)航多功能顯示器(Multi Function Display，MFD)界面，使用計(jì)算機(jī)圖形動態(tài)描述漁船導(dǎo)航參數(shù)信息、橫搖縱搖姿態(tài)參數(shù)信息等，實(shí)現(xiàn)漁船工況的綜合管理與高效人機(jī)交互，以支撐使用者快速掌控漁船整體狀態(tài)并完成準(zhǔn)確決策等。

1 MFD界面構(gòu)圖

1.1 姿態(tài)界面

漁船姿態(tài)信息常用展示界面多采用列表表述，使用者姿態(tài)重構(gòu)思維強(qiáng)度高，可視性不強(qiáng)。如：鮑云飛[4]提出了表格形式的姿態(tài)信息人機(jī)交互界面；岳大超等[5]、李晶等[6]開發(fā)了雙表盤儀表姿態(tài)信息圖例；王小蘭[7]在三維船體姿態(tài)模型的基礎(chǔ)上配有多個儀表盤信息展示。目前，飛機(jī)飛行顯示器利用“天地球”旋轉(zhuǎn)角度來描述飛機(jī)橫滾(橫搖)、用角度刻度平移來描述飛機(jī)俯仰(縱搖)，其姿態(tài)即視性表述在搖擺環(huán)境下的人機(jī)交互功效好，能幫助駕駛?cè)藛T快速響應(yīng)與決策[8]。

借鑒航空MFD姿態(tài)描述形式[9-10]，設(shè)計(jì)了一種姿態(tài)球船舶MFD界面描述方法(圖1)。使用姿態(tài)球的旋轉(zhuǎn)角度表征船舶橫搖、設(shè)計(jì)位于姿態(tài)球中間的刻度線偏移表征船體縱搖，使操縱者能快捷感受船舶搖擺姿態(tài)，借助本能反應(yīng)來駕駛船舶。設(shè)計(jì)姿態(tài)球左右兩邊的滑動刻度來提示船行速度和船行加速度，展示更多船舶運(yùn)行信息等。

圖1 態(tài)界面示意圖

1.2 導(dǎo)航與舵角界面

常用船舶轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由舵機(jī)舵葉組成，高機(jī)動能力要求的圍網(wǎng)漁船則裝配全回旋螺旋槳，實(shí)現(xiàn)船舶的推進(jìn)與轉(zhuǎn)向機(jī)動。舵角當(dāng)前位置、導(dǎo)航方位、船艏航向及變化趨勢等細(xì)節(jié)信息也有顯示需求(圖2)，是漁船MFD界面需要研究的內(nèi)容。

圖2 導(dǎo)航界面示意圖

2 圖形化界面仿真

2.1 視口控制研究

MFC基礎(chǔ)類庫、LabView、Lab Windows CVI等開發(fā)軟件封裝了數(shù)字、表盤及圖片等控件類，可以實(shí)現(xiàn)基本的貼圖控制操作，但其存在視口構(gòu)圖難、多圖層處理難等固有圖形運(yùn)算缺陷，不適用于復(fù)雜圖形界面的編制控制。黃曉雪[11]、李建海等[12]提出使用GL_Studio軟件進(jìn)行儀表控件編輯及描述代碼生成方案等，可產(chǎn)生供VC++ 、Vega Prime等框架應(yīng)用程序調(diào)用的儀表控件動態(tài)庫，但存在版權(quán)成本高、編程靈活性弱等缺點(diǎn)。

目前計(jì)算機(jī)圖形編程領(lǐng)域的主流工具為DirectX多媒體編程及OpenGL開放圖形庫接口編程等，其兩項(xiàng)基礎(chǔ)類庫都支持強(qiáng)大的三維圖形渲染和控制能力[13]，在圖形學(xué)仿真等領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用。上述工具使用具有入門難等缺點(diǎn)，需要使用者具有扎實(shí)的編程基礎(chǔ)、掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)知識等。

Lab Windows CVI集成了基本OpenGL類庫，具有一定的編程便利，選用該軟件工具開展基于OpenGL類庫的船舶MFD界面編制研究。計(jì)算機(jī)顯示圖形元素時，采用立體三維坐標(biāo)描述圖形在顯示空間的姿態(tài)位置，并以視圖及模型的概念表示視覺效果與空間描繪形狀。OpenGL圖形學(xué)中，使用局部空間、世界空間、觀察空間、裁剪空間、屏幕空間等概念，分別描述圖像繪制實(shí)體依存空間、構(gòu)圖空間、視覺空間，并通過裁剪空間、屏幕空間等的矩陣變換處理，實(shí)現(xiàn)最終圖形展示[14](圖3)。

圖3 圖形處理流程

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)還提出了“攝像機(jī)”概念，使用“攝像機(jī)”描述視覺角度時，有時會用“歐拉角”來描述視角的俯仰(Pitch)、航向(Yaw)和橫滾(Roll)，模型顯示視角及光照效果計(jì)算均以此為基礎(chǔ)[15]。

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[16]，針對船舶MFD界面顯示內(nèi)容要求，基于面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想，本文應(yīng)用視圖模型編程方法建立圖形處理流程、使用視口管理函數(shù)glViewport()和glOrtho()投影函數(shù)等構(gòu)建姿態(tài)管理區(qū)、速度尺管理區(qū)等顯示分區(qū)，設(shè)立圖形描繪控制區(qū)，增加代碼重用性。對象效果圖如姿態(tài)顯示視口區(qū)(圖4)、速度尺顯示視口區(qū)(圖5)所示。

圖4 姿態(tài)視口

圖5 速度尺視口

2.2 圖形旋轉(zhuǎn)、縮放與平移

計(jì)算機(jī)圖形對象的描繪也借用了空間物體的點(diǎn)、線、面表述方法，對象模型的“邊”線表述由兩點(diǎn) “向量”表示，對象模型的“面”由3組(或多組)首尾相連的向量組表述，使用足夠小的“面”的組合集，可以使用計(jì)算機(jī)圖形擬合表述所有空間實(shí)體物體。

根據(jù)向量運(yùn)算知識，使用矩陣乘法可實(shí)現(xiàn)對向量、面及模型對象的空間旋轉(zhuǎn)、縮放和位移操作，達(dá)到圖形處理目的。

(1)

(2)

(3)

在空間坐標(biāo)系中，式(1)描述了模型對象繞軸旋轉(zhuǎn)的矩陣運(yùn)算操作，其中，θ為圖形旋轉(zhuǎn)的角度，x、y、z分別代表空間坐標(biāo)軸；式(2)描述了模型對象在坐標(biāo)系中的縮放矩陣運(yùn)算操作，其中，S1、S2、S3分別表示在坐標(biāo)系x、y、z軸上的縮放比例；式(3)描述了模型對象平移矩陣運(yùn)算操作，式中，Tx、Ty、Tz為對象在坐標(biāo)系x、y、z軸上的平移距離[17]。

基于模型對象控制理論，使用旋轉(zhuǎn)運(yùn)算函數(shù)glRotatef ()、縮放運(yùn)算函數(shù)glScalef ()及平移運(yùn)算函數(shù)glTranslatef()，分別實(shí)現(xiàn)了如姿態(tài)球的左旋、縱搖刻度的下移等表達(dá)目的，完成了數(shù)字字塊的大小控制，滿足圖形控制要求(圖6)。

圖6 圖形旋轉(zhuǎn)與平移

算法處理所定義的圖形空間變換處理為步驟連續(xù)的，若需要對對象實(shí)現(xiàn)多步驟的操作，應(yīng)注意步驟順序。例如，對對象先平移再旋轉(zhuǎn)與先旋轉(zhuǎn)再平移，其實(shí)現(xiàn)效果是不一樣的，在編程設(shè)計(jì)中應(yīng)予注意。

2.3 漢字紋理顯示

設(shè)定船舶MFD界面需要顯示漢字信息，而所使用的開發(fā)軟件并不支持漢字顯示功能，需要根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行編碼處理和轉(zhuǎn)換[18]。參考文獻(xiàn)[19]，使用wglUseFontBitmaps()函數(shù)，將所需顯示的漢字文字以紋理貼圖轉(zhuǎn)換方法，構(gòu)建文字貼圖，進(jìn)行縮放處理，完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。漢字顯示效果如圖4 姿態(tài)視口中的垂直速度、深度、航向、舵向等字符信息所示。

2.4 著色填充策略

為提高船舶MFD界面的高效可讀性，依據(jù)船級社智能集成平臺檢驗(yàn)指南建議，考察常用用色習(xí)慣，對具有統(tǒng)一特性的文字和數(shù)據(jù)表示進(jìn)行用色設(shè)計(jì)，規(guī)定用色見表1。

表1 船舶MFD界面用色優(yōu)選

軟件提供了色彩處理功能，向量著色運(yùn)算處理可使用顏色插值的方法，完成基于頂點(diǎn)顏色的中間漸變色渲染描繪。當(dāng)有視角及光照渲染需要時，平臺軟件可基于片元展示絢麗細(xì)膩的色彩表達(dá)。考察船舶MFD界面設(shè)計(jì)用色要求，不過多展開特效渲染研究，只進(jìn)行端點(diǎn)插值渲染。

3 繪制與展示試驗(yàn)

3.1 建模與實(shí)時繪制

所用軟件具有強(qiáng)大的三維圖形描繪與控制能力，復(fù)雜表述對象模型如游戲角色常采用建模工具如3D MAX、MAYA XSI軟件等完成，模型文件可如OBJ文件等。附加視角和光照計(jì)算，軟件渲染OBJ模型時，使用蒙皮及骨骼動畫技術(shù)，可展示出栩栩如生的游戲角色[20]。另外一種對象模型繪制方法為實(shí)時動態(tài)繪制，其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)時改變模型內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)界面調(diào)整。對象模型動態(tài)繪制的最大弊端是建模計(jì)算會占用CPU的資源，影響軟件執(zhí)行效率[21]。

研究了上述對象建模方法，結(jié)合各自優(yōu)劣，對姿態(tài)球?qū)ο蟛捎媒＜皵?shù)據(jù)庫管理方式進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和裝載，而對微調(diào)類數(shù)字等對象采用實(shí)時編制的方法實(shí)現(xiàn)繪制，兼顧了性能與效率。

3.2 圖形細(xì)節(jié)優(yōu)化

使用軟件建模圖形對象時，算法僅確定了計(jì)算機(jī)所操作像素的顏色值，再加上計(jì)算機(jī)顯存低分辨率陣列模型的影響，實(shí)際在計(jì)算機(jī)屏幕空間計(jì)算并繪制模型斜線時，會有邊緣鋸齒現(xiàn)象發(fā)生(圖7)，影響顯示效果。

圖7 鋸齒圖

為避免因建模原因產(chǎn)生的鋸齒噪點(diǎn)，工程實(shí)現(xiàn)可采用增加虛擬像素點(diǎn)陣、提高圖形描繪分辨率的方法來彌消鋸齒現(xiàn)象，如超級采樣縮放抗鋸齒等相關(guān)技術(shù)[22]。與圖像處理技術(shù)中的鄰域平均平滑算法相類似[23]，多重采樣抗鋸齒可通過鄰域像素的均值著色處理來進(jìn)行圖像鋸齒平滑?？逛忼X處理涉及模型陣列擴(kuò)大運(yùn)算和像素插值運(yùn)算，會占用計(jì)算機(jī)CPU資源。船舶MFD界面繪制時，當(dāng)對對象元素?zé)o差別進(jìn)行抗鋸齒操作時，會大大占用計(jì)算機(jī)CPU運(yùn)行資源，造成電腦(試驗(yàn)電腦配置：I7-6500/8G內(nèi)存)運(yùn)行卡滯，影響程序數(shù)據(jù)處理的實(shí)時性。

摩爾紋是空間特定間隔的規(guī)則光線干涉疊加所產(chǎn)生的光線波紋現(xiàn)象[24]，軟件建模圖形對象時，在參數(shù)選取合理情況下，一般不會發(fā)生圖形重繪乃至光線干涉，但在圖形密集繪制時，若無差別選用了抗鋸齒效果，計(jì)算機(jī)輔助算法將對所有密集圖形邊緣像素進(jìn)行抗鋸齒操作，造成相鄰圖形邊界的重繪，產(chǎn)生摩爾紋現(xiàn)象，如圖8中發(fā)散狀的水波紋簇，是圖形描繪時需要避免的地方。

為考察抗鋸齒算法對軟件運(yùn)行效率的影響及界面視覺體驗(yàn)，本研究針對抗鋸齒處理優(yōu)化效果進(jìn)行了研究測試和調(diào)試。試驗(yàn)圖形繪制無差別抗鋸齒運(yùn)行時，觀測應(yīng)用軟件進(jìn)程占用CPU資源25%，觀察到界面有大量摩爾紋現(xiàn)象出現(xiàn)；試驗(yàn)全部關(guān)閉抗鋸齒運(yùn)行時，觀測應(yīng)用軟件進(jìn)程占用CPU資源16%，觀察到界面圖形線條出現(xiàn)明顯鋸齒現(xiàn)象；試驗(yàn)可知抗鋸齒處理可增加應(yīng)用軟件56.3%的CPU資源占用率。

圖8 摩爾紋

在綜合考慮界面顯示效果和運(yùn)行效率的基礎(chǔ)上，本文采用對線條類對象繪制進(jìn)行抗鋸齒處理，對圖形類對象繪制只做基本描繪的方式渲染界面，保證了軟件運(yùn)行實(shí)時性，兼顧了顯示體驗(yàn)(圖6)。

3.3 垂直導(dǎo)航界面展示

船舶MFD垂直導(dǎo)航界面展示如圖9所示，畫面即時信息數(shù)據(jù)可解讀為：姿態(tài)橫搖右傾15°、縱搖下傾18°、航速1 154 m/h、垂蕩108 m/h、水深1 040 m等。垂直導(dǎo)航界面中，其他航向參數(shù)信息等以白標(biāo)綠色字符顯示，供必要時的專視讀取。

3.4 水平導(dǎo)航界面展示

船舶MFD水平導(dǎo)航界面展示如圖10所示，畫面即時信息數(shù)據(jù)分別表示為：航向270°、舵向(相對)90°、導(dǎo)航方位180°等，圖中航向、舵向、導(dǎo)航臺方位角均以圖形運(yùn)動軌跡與安裝平臺隨動指示，界面清晰明了。

圖9 垂直導(dǎo)航界面

圖10 水平導(dǎo)航界面

3.5 傳感器聯(lián)試

為驗(yàn)證MFD界面關(guān)鍵圖形顯示部分與傳感信號的聯(lián)動表述效果，結(jié)合試驗(yàn)條件，選用北微SEC385三維電子羅盤傳感器[25]作為信號源在試驗(yàn)室內(nèi)對界面軟件開展了基礎(chǔ)測試工作。SEC385三維電子羅盤傳感器具有磁航向、俯仰及橫滾姿態(tài)角測量能力，測量分辨率為0.01°，測量精度航向信息不低于1°、俯仰及橫滾信息不低于0.1°，滿足界面測試需要。

依據(jù)技術(shù)文件，采用宇泰UT-850通訊電纜實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)USB口與電子羅盤的信號交聯(lián)、編制Modbus-RS485通訊協(xié)議，設(shè)計(jì)以計(jì)算機(jī)為主站、0.2 s周期數(shù)據(jù)交換的信令協(xié)議進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試(圖11)。

圖11 聯(lián)調(diào)測試

測試結(jié)果顯示，與分立儀表或數(shù)據(jù)界面相比，當(dāng)前姿態(tài)導(dǎo)航圖形化界面中橫搖和縱搖信息均以圖形運(yùn)動軌跡指示且與安裝平臺隨動刷新，增加了信息獲取即視性、臨場感、沉浸感，具有高效信息表述能力；速度值、深度值、航向信息等以指示帶平移表示，在表述當(dāng)前參數(shù)值信息的同時，還隱含表述了信息變化的趨勢、速率等相關(guān)信息。

測試期間MFD界面軟件穩(wěn)定、流暢和清晰地接收并描述各信號實(shí)時數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)變化等，軟件運(yùn)行可靠、魯棒性強(qiáng)；在電子羅盤姿態(tài)隨機(jī)變化過程中，軟件界面姿態(tài)表述對于傳感器數(shù)據(jù)變化響應(yīng)無明顯延遲，證明界面軟件運(yùn)行效率高、信號跟隨實(shí)時性好，符合應(yīng)用要求。

為增加漁船姿態(tài)導(dǎo)航信息的綜合管理能力，綜合導(dǎo)航界面及漁船發(fā)動機(jī)參數(shù)告警信息顯示也有設(shè)計(jì)需要，但當(dāng)前軟件僅設(shè)計(jì)了垂直和水平導(dǎo)航兩款分界面，后續(xù)需要開展綜合姿態(tài)導(dǎo)航界面的研究工作。

4 結(jié)論

使用姿態(tài)球的旋轉(zhuǎn)表征船舶橫搖、使用刻度線(帶)的偏移表征船體縱搖及速度等，信息表達(dá)相比列表格式更加清晰直觀，信息容量大，交互功效好；界面使用羅盤及舵角方位的方式描述漁船航向及舵角指向，信息表述全面形象，實(shí)用性好。針對界面繪制產(chǎn)生的鋸齒問題，對圖形描繪抗鋸齒處理、摩爾紋產(chǎn)生條件及軟件運(yùn)行效率開展了測試：試驗(yàn)無差別抗鋸齒運(yùn)行時，觀測應(yīng)用軟件進(jìn)程占用CPU資源25%、觀察到界面有大量摩爾紋現(xiàn)象出現(xiàn)；試驗(yàn)全部關(guān)閉抗鋸齒運(yùn)行時，觀測應(yīng)用軟件進(jìn)程占用CPU資源16%，觀察到界面圖形線條出現(xiàn)明顯鋸齒現(xiàn)象，抗鋸齒處理可增加應(yīng)用軟件56.3%的CPU資源占用率。本研究采用線條抗鋸齒描繪、圖元直接描繪的方法繪制界面，保證了軟件運(yùn)行速度，兼顧了界面體驗(yàn)，使用效果好；設(shè)計(jì)了姿態(tài)球?qū)ο箢A(yù)建模及數(shù)據(jù)庫裝載的方式管理復(fù)雜對象描繪，減少了計(jì)算機(jī)運(yùn)行時的建模計(jì)算量，提升了軟件運(yùn)行效率，增強(qiáng)了軟件運(yùn)行的硬件適應(yīng)性。