一種基于預置像素的高效座艙畫面設計與應用＊

趙文龍，王瑞球，田進軍，張學軍

（1.中航工業(yè)雷達與電子設備研究院，蘇州215151；2.北京航空航天大學）

引 言

隨著現代飛機技術的飛速發(fā)展，屏幕綜合顯示是必然趨勢[1]。機載圖形顯示是新一代航空電子系統(tǒng)實現綜合化、數字化和智能化的核心，而提高圖形顯示質量、加快圖形生成速度是機載顯示系統(tǒng)的關鍵[2]。畫面顯示實時清晰是飛行員能夠及時準確操作的保證，畫面刷新速度至少要比幀存刷新速度快，才能達到畫面動態(tài)實時顯示[3]。從圖形顯示系統(tǒng)的硬件結構和圖形生成算法著手，將成熟的軟、硬件IP技術應用到座艙綜合顯示系統(tǒng)中，并結合圖形顯示優(yōu)化處理算法，可從根本上提高機載圖形畫面顯示的性能[4]。

1 現有座艙顯示設計存在的問題

現在，座艙顯示設計已經落后于座艙顯示的需求，需求定義與開發(fā)實現之間差距正在逐步拉大。座艙顯示生成需要幾周甚至幾年來實現，增加了開發(fā)成本，降低了研究的時效性[5]。導致座艙顯示開發(fā)落后的主要因素是缺少快速設計工具和可重用軟件，致使座艙設計開發(fā)是一個費時很長的人工過程，嚴重限制了其顯示的開發(fā)能力[6]?，F代座艙顯示開發(fā)過程如圖1所示。

圖1 現代座艙顯示開發(fā)過程

由圖1可知，現代座艙顯示開發(fā)存在的問題是繁瑣的人工過程、費時、無響應、嚴重依賴特定設備（即在無硬件平臺支持的情況下，無法驗證畫面設計是否符合要求）。為了解決上述問題，同時提高CPU運行效率、保證畫面質量、節(jié)約有限內存空間，本文采用一種預置像素的方法來實現座艙畫面設計，其工作量小、開發(fā)周期短、易于維護，并且改變了以往單一的只能通過代碼實現的思維方式，達到“即設即見”的效果。

2 基于預置像素的高效座艙畫面設計

2.1 實現原理

首先利用圖像處理軟件工具生成相應分辨率的座艙畫面，將其存儲；然后根據座艙畫面分辨率、畫面顯示設備掃描方向等將座艙畫面轉化為座艙畫面字符矩陣；再次根據像素位置與像素值之間的對應關系，將字符點陣轉化為像素值-像素顯示位置的矩陣表；最后根據座艙畫面顯示位置、顯示設備分辨率，將像素值-像素顯示位置矩陣表上的相應像素值填充至VRAM中相應的像素位置。預置像素數據實現過程如圖2所示。

圖2 預置像素數據實現過程

圖像數據組成方式為圖像頭數據、調色板數據、圖像數據。其中圖像頭數據主要定義掃描方向、字節(jié)內像素數據從高到低或從低到高排列；調色板數據定義描述像素數據的RGB顏色分量的排列順序及數據位表示；圖像數據定義每個像素點的像素值和像素點位置。圖像頭數據結構、調色板數據結構定義分別如下所示：

2.2 座艙畫面生成

座艙顯示畫面一般是位圖圖像，位圖圖像就是把一幅圖像按水平和垂直方向劃分若干個小方格，每個小方格為一個像素點，由這些像素點排列組成的柵格稱為“光柵”，計算機通過這些像素點的位置、顏色、亮度等信息表示出整幅圖像，這些圖像即為位圖。位圖圖像也稱柵格圖像（點陣），與分辨率有關，當位圖放大時，組成它的像素點也成比例放大。BMP是一種與硬件設備無關的圖像文件格式，廣泛應用在圖像設計中，它采用位映射存儲方式。其文件格式由3部分組成：位圖文件頭數據結構，包含BMP圖像的類型、顯示內容；位圖信息數據；圖像的寬、高、壓縮方式以及定義顏色等信息。

Photoshop是一種位圖處理軟件，能夠將設計畫面存儲為滿足需求的圖形畫面，其支持的色彩模式可實現模式之間的切換；可任意調整圖像的尺寸、分辨率及畫布的大??；可在不影響分辨率的情況下改變圖像尺寸，也可以在不影響尺寸的情況下增減分辨率；利用磁性套索工具可以自動修復圖像邊緣的像素反差，可改變之前只能用代碼實現的像素反差；可自由建立圖層、背景層、文本層等多種圖層，并且方便對各個圖層進行編輯，實現圖像圖層的按需排列及預顯示。設計的某型座艙畫面設計如圖3所示，圖4為模擬座艙畫面。

圖3 座艙畫面設計

圖4 模擬座艙畫面

顯示畫面設計完成之后要移植到相應的平臺環(huán)境中運行，以測試是否滿足初始設計要求[7]。首先，要滿足座艙畫面外觀要求；其次，應詳細檢查設計座艙畫面顯示特性是否符合頂層文檔POP設計要求；最后，確保座艙畫面顯示的動態(tài)特性正確，并滿足實時性能要求[8]。

2.3 座艙畫面點陣生成

利用圖形轉化算法將生成的座艙顯示畫面通過設置分辨率、掃描方式等將其轉化為相應分辨率的座艙畫面字符點陣。座艙畫面點陣如圖5所示，轉化后的座艙畫面字符點陣如圖6所示。

圖5 座艙畫面點陣

圖6 轉化后的座艙畫面字符點陣

2.4 像素-位置點陣生成

通過算法將字符點陣矩陣轉化為一定像素要求的像素值，并將其像素點填充位置記錄，將像素值與像素顯示位置存入VRAM像素點陣Array[][]。VRAM像素-位置點陣結構如圖7所示。

圖7 像素-位置點陣結構

2.5 座艙畫面顯示

根據顯示區(qū)域始點坐標及顯示畫面區(qū)域大小依次計算顯示位置，并將待顯示的像素值填入相應顯示位置，即由CPU首先計算一幀圖形數據刷新至A場VRAM顯示，再計算下一幀圖形數據至B場并將VRAM場切換至顯示設備輸出，以此達到經過A、B兩場乒乓操作循環(huán)實現圖形實時顯示。像素-位置點陣轉化為VRAM填充過程如圖8所示。

圖8 像素-位置點陣轉化為VRAM填充過程

2.6 實驗驗證

本文所提出的座艙畫面設計方法已在某兩型產品環(huán)境NiosII環(huán)境和DSP環(huán)境進行了驗證，其中NiosII環(huán)境采用Altera公司的EPC235F48418高速數字接口處理器FPGA軟核作為控制CPU，主頻為50.544 MHz；DSP環(huán)境采用ADI公司TigerSHARC系列TS101芯片作為控制CPU，主頻為40 MHz。

上述兩種測試環(huán)境所用測試畫面如圖9所示，兩種環(huán)境下圖形生成時間結果比較如表1所列。

圖9 座艙測試畫面

表1 NiosII環(huán)境實驗結果

由表1可知，在上述兩種實驗環(huán)境中，利用本文提出的方法實現分辨率為480×320、如圖9所示畫面，其圖形生成時間比由硬代碼實現縮短50%以上，大幅節(jié)省了CPU運算時間，提高了CPU運算性能，滿足機載座艙畫面實時顯示要求。

結 語

通過此種座艙畫面設計方法在某型飛機座艙顯示系統(tǒng)中的運用，證明該設計方法在座艙系統(tǒng)中能快速、高效顯示畫面，并實現座艙畫面預顯示，提高了座艙顯示開發(fā)的質量和使用性能，降低了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期，具有較高的工程實用價值。

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