段海濤

（北京科技大學(xué)，北京 100083）

0 引 言

在海洋環(huán)境中，船舶的航行軌跡對(duì)于提高航行安全性、監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境、增強(qiáng)作戰(zhàn)指揮能力等方面均具有重要的意義[1]。實(shí)時(shí)顯示船舶航行軌跡的系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)代海軍、航運(yùn)業(yè)以及海洋科學(xué)研究等領(lǐng)域的需求變得越來(lái)越迫切。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使用計(jì)算機(jī)圖像處理和視景仿真技術(shù)來(lái)構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)的視景模型，在軍事和民用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。特別是對(duì)艦船軌跡的三維虛擬現(xiàn)實(shí)重構(gòu)，有效地解決了武器系統(tǒng)研制和模擬演習(xí)中的視景仿真問(wèn)題[2]。通過(guò)模擬船舶航行軌跡，能夠進(jìn)行多武器平臺(tái)和模擬海戰(zhàn)情況下的船舶軌跡重構(gòu)。這不僅可以提高軍事推演、武器研究和作戰(zhàn)訓(xùn)練中的實(shí)時(shí)視覺(jué)仿真分析能力，還能夠縮短武器裝備的研制周期、節(jié)約軍演經(jīng)費(fèi)等。因此，研究基于多媒體技術(shù)的船舶軌跡虛擬重構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 船舶航行軌跡實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

船舶航行軌跡實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)在軍事上可為海上實(shí)戰(zhàn)呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景，為制定和執(zhí)行海戰(zhàn)計(jì)劃提供更加直觀和真實(shí)的船舶航行數(shù)據(jù)[3]，因此可使用多媒體技術(shù)以建立三維實(shí)例模型的方式為用戶提供三維場(chǎng)景展示功能。船舶在海上航行時(shí)，地面站以及船舶自身都需要及時(shí)掌握其航行軌跡，因此船舶航行軌跡實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)需要具有信息同步的功能。為充分呈現(xiàn)船舶航行軌跡可視化畫面，該系統(tǒng)需要連接不同類型的數(shù)據(jù)庫(kù)以及軟件硬件的驅(qū)動(dòng)腳本[4]，其也需要具有實(shí)體驅(qū)動(dòng)的功能。同時(shí)支持用戶對(duì)船舶航行軌跡信息進(jìn)行調(diào)取、查詢等，其也需要具備較好的交互功能。

1.2 基于FPGA 的船舶導(dǎo)航雷達(dá)回波采集模塊設(shè)計(jì)

在航行過(guò)程中，船舶依據(jù)導(dǎo)航雷達(dá)的導(dǎo)航進(jìn)行航行，因此通過(guò)采集船舶導(dǎo)航雷達(dá)回波得到船舶航行的軌跡數(shù)據(jù)。以可編程邏輯控制器（FPGA）為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)船舶導(dǎo)航雷達(dá)回波采集模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 船舶導(dǎo)航雷達(dá)回波采集模塊結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of ship navigation radar echo acquisition module

利用FPGA 連接ARM 處理器，將ADC 原始回波信號(hào)輸入到FPAG 內(nèi)后，經(jīng)過(guò)去噪聲、差值和信號(hào)處理后，分別對(duì)吹后的ADC 原始回波信號(hào)進(jìn)行回波擴(kuò)展、點(diǎn)跡提取、數(shù)據(jù)以及緩存處理后，利用DMA 傳輸方式將FIFO 回波緩存數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM 處理器內(nèi)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元內(nèi)，利用I/O 讀取方式將FIFO 點(diǎn)跡緩存數(shù)據(jù)發(fā)送到ARPA 跟蹤單元內(nèi)，依據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和ARPA 跟蹤結(jié)果對(duì)回波層畫面和字體符號(hào)層進(jìn)行刷新，再對(duì)刻度線層畫面和電子海圖層進(jìn)行更新后，通過(guò)IEC61162 接口協(xié)議解析和人機(jī)交互操作命令處理實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過(guò)GPS、AIS 等展示船舶導(dǎo)航雷達(dá)回波數(shù)據(jù)。

1.3 基于卡爾曼濾波的航跡獲取

利用船舶導(dǎo)航雷達(dá)回波采集模塊采集到船舶導(dǎo)航雷達(dá)回波數(shù)據(jù)后，利用卡爾曼濾波對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，提取到船舶實(shí)際航行的航跡?？柭鼮V波算法可在測(cè)量的信號(hào)內(nèi)使用遞歸估計(jì)的方式獲得動(dòng)態(tài)目標(biāo)的當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)[5]，在目標(biāo)跟蹤、導(dǎo)航、通信等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

由于船舶導(dǎo)航雷達(dá)射頻收發(fā)單元更新周期為36 r/min，導(dǎo)航雷達(dá)更新目標(biāo)位置的間隔為2 s，故將卡爾曼濾波位置更新周期設(shè)置為0.2 s。Yk表示船舶航跡狀態(tài)矩陣，則導(dǎo)航雷達(dá)對(duì)船舶航跡定位的動(dòng)態(tài)模型可表示為：

式中：k表示時(shí)刻，當(dāng)k=0 時(shí)，則表示初始時(shí)刻；Fk-1、Qk-1分別表示船舶狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和過(guò)程噪聲矩陣。

Uk表示船舶航跡回波信號(hào)的量測(cè)矢量，其計(jì)算公式如下：

式中：H、Vk分別表示船舶航跡回波信號(hào)的量測(cè)矩陣和量測(cè)誤差矢量。

以式（1）和式（2）結(jié)果為基礎(chǔ)，建立卡爾曼濾波器并初始化：

式中：Y0表示初始船舶航跡狀態(tài)信息；分別表示初始卡爾曼濾波估計(jì)的狀態(tài)矩陣和協(xié)方差矩陣；E表示狀態(tài)矩陣協(xié)方差。

對(duì)2 s 后的船舶航跡位置進(jìn)行估計(jì)，公式如下：

通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)協(xié)方差矩陣、更新協(xié)方差矩陣和更新濾波增益矩陣后，可得到船舶2 s 后航跡真實(shí)狀態(tài)。

將式（6）結(jié)果按照時(shí)序排列后，即可得到船舶航行軌跡。

1.4 基于多媒體技術(shù)的船舶航行虛擬環(huán)境建立

利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖形、文字、數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合處理等技術(shù)被稱為多媒體技術(shù)，該技術(shù)可為用戶提供數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互能力[6]，在圖形、文字和數(shù)據(jù)處理等多媒體技術(shù)中，3Dmax 技術(shù)屬于一種建模技術(shù)，其可建立目標(biāo)的虛擬模型、環(huán)境等為用戶提供一種仿真場(chǎng)景。在此使用多媒體技術(shù)中的3Dmax 技術(shù)建立船舶模型和航行環(huán)境模型，再將船舶航行軌跡導(dǎo)入到該模型內(nèi)，即可得到船舶航行軌跡可視化畫面。使用3Dmax 技術(shù)建立船舶模型和航行環(huán)境模型步驟如下：

步驟1將船舶和航行環(huán)境輪廓CAD 矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3Dmax 內(nèi)，將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可編輯的多邊形數(shù)據(jù)后，清除其坐標(biāo)后得到船舶和其航行環(huán)境模型。

步驟2對(duì)船舶和其航行環(huán)境模型進(jìn)行優(yōu)化處理，在3Dmax 軟件內(nèi)，對(duì)船舶和其航行環(huán)境模型變形、交疊區(qū)域進(jìn)行調(diào)整。

步驟3以船舶和其航行環(huán)境實(shí)景圖像為基礎(chǔ)，對(duì)船舶和其航行環(huán)境模型進(jìn)行紋理貼圖處理[7]，將實(shí)景圖像像素?cái)?shù)值設(shè)置為2N，將貼圖長(zhǎng)寬設(shè)置為1∶2 后，使用UVW 貼圖工具將紋理貼在船舶和其航行環(huán)境模型上[8]，再將船舶航行軌跡輸入導(dǎo)入到該模型內(nèi)，即可得到逼真的船舶航行軌跡可視化畫面。

1.5 實(shí)時(shí)顯示模塊設(shè)計(jì)

得到船舶航行軌跡可視化畫面后，利用實(shí)時(shí)顯示模型為用戶呈現(xiàn)該畫面，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)顯示模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。在系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示模塊內(nèi)，用戶通過(guò)用戶端連接通信板卡與CPU 內(nèi)的通信程序進(jìn)行交互，CPU 通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)HMI 顯示屏顯示船舶航行軌跡。

圖2 實(shí)時(shí)顯示模塊結(jié)構(gòu)Fig. 2 Real time display module structure

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以某遠(yuǎn)洋船舶作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該船可搭載原油和散貨，吃水約14 m，船長(zhǎng)約230 m，寬約為度為4 m。使用本文系統(tǒng)對(duì)該船航行軌跡進(jìn)行可視化顯示，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。

采集船舶的雷達(dá)回波信號(hào)是獲取船舶航行軌跡的基礎(chǔ)，利用本文系統(tǒng)采集該船舶某時(shí)刻的雷達(dá)回波信號(hào)，采集結(jié)果如圖3 所示，可以清晰地獲取以該船舶為中心的雷達(dá)回波信號(hào)。雷達(dá)回波信號(hào)可以提供有關(guān)船舶周圍環(huán)境的重要信息，這些信息對(duì)于后續(xù)船舶航行軌跡的可視化非常重要。雷達(dá)回波信號(hào)包含了有關(guān)船舶距離、速度、角度、形狀等重要信息。通過(guò)處理和分析這些信號(hào)，可以提取出有關(guān)周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，為后續(xù)船舶軌跡可視化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖3 船舶雷達(dá)回波信號(hào)采集結(jié)果Fig. 3 Acquisition results of ship radar echo signal

以該船舶某段時(shí)間航行雷達(dá)回波信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用本文系統(tǒng)獲取該段雷達(dá)回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的船舶航行軌跡，提取結(jié)果如表1 所示。分析可知，利用本文系統(tǒng)可有效獲得該船舶航行時(shí)的經(jīng)度和緯度，說(shuō)明本文系統(tǒng)具備較強(qiáng)的獲得船舶航行軌跡能力。

表1 船舶航跡獲取結(jié)果Tab. 1 Obtaining results of ship track

建立船舶模型與其航行環(huán)境模型是顯示其航行軌跡的必要途徑，驗(yàn)證本文系統(tǒng)建立該船舶航行模型和航行環(huán)境模型效果，建立該船舶和其航行環(huán)境模型，結(jié)果如圖4 所示。分析可知，利用本文系統(tǒng)可建立船舶與其航行環(huán)境模型，其整體呈現(xiàn)的畫面清晰，層次分明，船舶線條流暢，水體與天空較為逼真，說(shuō)明本文系統(tǒng)不僅具備較好的船舶和航行環(huán)境建模能力，其實(shí)時(shí)顯示的視覺(jué)效果較好。

圖4 船舶與航行環(huán)境可視化展示Fig. 4 Visual display of ships and navigation environment

利用本文系統(tǒng)實(shí)時(shí)展示該船舶航行軌跡，展示畫面如圖5 所示。分析可知，利用本文系統(tǒng)可為用戶呈現(xiàn)船舶從起點(diǎn)到船舶當(dāng)前位置的航行軌跡，說(shuō)明本文系統(tǒng)具備較好的應(yīng)用性，可在該領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

圖5 船舶航行軌跡實(shí)時(shí)展示畫面Fig. 5 Real time display screen of ship navigation trajectory

3 結(jié) 語(yǔ)

基于多媒體技術(shù)的船舶航行軌跡實(shí)時(shí)顯示是一項(xiàng)重要的技術(shù)應(yīng)用，通過(guò)研究船舶航行軌跡，為船舶在軍事和民用領(lǐng)域良好地運(yùn)用提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。總體來(lái)說(shuō)，基于多媒體技術(shù)的船舶航行軌跡實(shí)時(shí)顯示在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)會(huì)有更多創(chuàng)新和突破。