基于视频优化技术的舰船导航交互界面设计

李传军，郑 鹏

(江西科技学院，江西 南昌 330098)

0 引 言

舰船导航交互界面是其航行过程中必不可缺的配置，其可规范舰船航行路线，为舰船航行安全提供有效保障。近年来电子海图的产生，丰富了舰船导航交互界面，舰船导航界面功能更加多样化[1–2]。但目前舰船导航交互界面在应用过程中会存在海图卡顿、显示雷达内容出现余晖效应，导致用户使用感不佳，因此设计舰船导航交互界面对舰船航行意义较大。目前也有学者设计舰船导航交界界面，冯书庆等[3]设计了船舶姿态导航界面，该导航界面设计是以Lab Windows CVI 开发平台为基础，依托OpenGL 开放图形库构建的，通过视口控制算法实现界面的人机交互。但该导航界面在应用过程中，其界面内容配置不够合理，用户在使用时需多步操作，应用较为麻烦。陈卓等[4]设计无人机自主导航界面，该导航界面通过构建海图栅格，依据舰船目的地规划其航行航线，其着重于航迹规划，因此其功能较为单一。视频优化技术是利用计算机图像视觉技术，将图像和数据优化后得到动态视频技术，其可分离或组合视频和图像内信息，为用户提供所需数据，在定位、追踪等多个领域应用效果均较好[5]。本文以视频优化技术为基础，设计基于视频优化技术的舰船导航交互界面，为舰船航行提供安全保障。

1 舰船导航交互界面设计

1.1 舰船导航交互界面结构设计

设计舰船导航交互界面结构如图1 所示。由人机交互单元、主控单元、视频优化单元、导航设备单元等组成。导航设备单元的罗经、海图、GPS 和北斗均直接将其数据导入到视频优化单元和人机交互单元内相对应的模块内，雷达扫描视频则利用雷达采集器采集后，输入到视频优化单元内。视频优化单元将气象仪、海图、雷达扫描视频等数据进行优化合成后，得到涵盖气象、海图、经纬度的雷达扫描视频。将该雷达扫描视频输入到主控单元内电子海图控制模块内，用户通过触控显示屏与该主控单元内的查询统计、航线管理、电子海图控制等模块进行交互，实现舰船导航。

图 1 舰船导航交互界面结构示意图Fig. 1 Structure diagram of ship navigation interactive interface

1.2 雷达扫描视频采集器设计

雷达扫描视频采集器基本框架如图2 所示。将雷达扫描视频信号输入到缓冲放大器内，该视频信号经过放大后，再使用A/D 转换器将放大后的雷达扫描视频信号模拟量转换为二进制数值的离散信号，输入到可编程逻辑器内。可编程逻辑器将雷达扫描视频离散信号输入到数据缓存器内，再通过PCI 总线将其传输到视频优化单元，其中利用同步时钟调整缓冲放大器接收到雷达扫描视频信号时间和PIC 总线传输时间，使二者时间保持一致[5]。

图 2 雷达扫描视频采集器基本框架Fig. 2 Basic framework of radar scanning video collector

1.3 基于视频优化技术的雷达扫描视频合成方法

视频优化单元接收到雷达扫描视频、海图、气象、北斗等数据后，将该数据与雷达扫描视频进行优化合成，生成涵盖多种信息的舰船导航雷达扫描视频，其详细步骤如下：

1）坐标转换

由于雷达探测周围环境时是靠天线旋转，其接收到的电磁波是从目标的反射回波，在现实雷达扫描视频时，需将雷达扫描视频的直角坐标转换成极坐标。(x,y) 和 (ψ,θ)分别表示雷达扫描视频的直角坐标和距离方位，其中 ψ表示雷达扫描目标的距离，θ表示目标角度，计算公式如下：

对雷达扫描视频距离方位进行离散化处理，并用r0表示目标距离的原始半径，则和ψ之间的关系如下：

式中，β表示半径缩放系数。

θ0表示原始方位角，依据弧度范围计算公式为

依据式(2)和式(3)即可得到雷达扫描目标点的极坐标点，完成坐标转换。

2）设置扫描周期

雷达扫描具备一定的周期，在优化合成雷达扫描视频时，终端显示扫描周期需与雷达自身的扫描周期保持一致。

3）余晖处理

在舰船导航交互界面打开雷达扫描视频时，受电子流影响，显示屏荧光物质持续发光，出现开始很亮并逐渐变暗现象，该现象称为余晖。在优化合成雷达扫描视频时，通过降低不在扫描区域视频的像素值方式，实现雷达扫描线转动后，出现余晖效应。

4）生成雷达扫描视频

对非角度扫描区域进行余晖处理后，以横条方式将雷达扫描视频划分为4 个区域，利用4 个视频优化线程分别处理每一个区域，其处理过程为：

步骤1循环处理区域内的每个像素，判断是否存在漫游缩放闪，若有，将该像素对应的直角坐标转换成极坐标后，更新雷达扫描界面坐标。反之，则在对应的坐标数据库内寻找极坐标。

步骤2计算转换过坐标的像素点是否位于扫描区域内，若是，则查找雷达数据。反之，做余晖处理。

步骤3处理完所有雷达扫描视频像素点后，将对应的海图、气象、北斗等数据导入到目标对应的像素点上，完成雷达扫描视频合成，将其传输给主控单元显示在触控显示屏上。

1.4 背景海图漫游缩放设计

人机交互单元电子海图控制模块可为用户提供背景海图漫游缩放功能，用户可通过放大或缩小海图，寻找目的地坐标、查看周围岛屿分布情况等。舰船导航交互界面的背景海图漫游缩放是以优化合成后的雷达扫描视频为基础，以雷达所在位置为扫描中心，计算当前海图显示图像在雷达扫描视频内的位置和尺寸，然后依据放大或缩小比例计算海图显示区域对应的像素值。令区域1 为显示区域，区域2 为漫游缩放区域，令区域1 左下角为坐标系原点，由 (Rw,Rh)表示，其中Rw和Rh分 别表示区域1 的宽度和高度。ε为缩放系数，优化合成后雷达扫描视频扫描中心坐标由(Cx,Cy)表 示。(Qx,Qy)为区域2 中心点坐标，则有Qx=Cx，Qy=Cy，依据该坐标，可计算区域2 左下角坐标：

其中：mapx和m apy表示区域2左下角坐标；MapWidth和MapWeight分别表示区域2宽度和高度。

计算漫游缩放后显示区域在原始海图内的偏移量，公式如下：

其中：P_x，P_y分别为方向和方向的偏移量。

依据公式(5)结果，选取海图内缩放区域后，其横向和竖向各放大或缩小倍后，即可得到漫游缩放后的海图。

2 仿真实验

以某船作为实验对象，将本文设计的舰船导航交互界面应用在该船航行导航过程中，分析本文设计的导航交互界面实际应用效果。

2.1 雷达扫描视频合成测试

使用本文方法优化合成舰船导航雷达扫描视频，结果如图3 所示。

图 3 舰船导航雷达扫描视频合成结果Fig. 3 Synthetic results of ship navigation radar scanning video

可知，应用视频优化技术，可有效合成雷达扫描视频图像，并显示在舰船导航交互界面内，同时在该界面内也可显示北斗、GPS 等数据。在雷达扫描视频内，可清晰观察到非扫描区域较暗，扫描位置较亮，说明本文方法在优化和雷达扫描视频过程中余晖效应处理较好。综上结果，本文设计的舰船导航交互界面内可显示的数据较多，且合成的雷达扫描视频效果较好。

2.2 系统人机交互测试

验证本文设计的舰船导航交互界面的人机交互功能，用户通过触摸显示屏向导航界面发送控制命令，导航界面接收命令后向用户发送反馈结果。其中，反馈“1”表示已成功接收命令并执行该命令，反馈“0”则表示成功接收命令但导航界面未执行命令。测试在人机交互次数不同情况下，舰船导航交互界面反馈结果。实验结果如表1 所示。分析可知，本文设计的舰船导航界面在进行人机交互时，交互请求次数为400次之前时，反馈结果均为“1”，当交互请求次数超过400 次后，其出现反馈结果为“0”的情况。但随之交互请求次数的增加，反馈结果为“0”的次数增加幅度较小。在交互请求次数为2 000 次时，反馈结果为“0”次数仅为5 次，其人机交互成功率为99.75%。该结果表明，该舰船导航交互界面具备较强的人机交互能力。

表 1 舰船导航交互界面人机交互测试结果Tab. 1 Man-machine interaction test results of ship navigation interaction interface

2.3 海图漫游缩放功能测试

以海图上某个位置作为实验对象，在海图导航界面对其进行缩放测试，结果如图4 所示。分析可知，应用本文方法可有效对海图内目标位置进行缩放处理，且缩放后的目标位置并未出现偏差。该结果说明，本文设计的舰船人机导航交互界面缩放精度较高，应用效果较好。

图 4 海图漫游缩放测试结果Fig. 4 Chart roaming zoom test results

3 结 语

本文设计基于视频优化技术的舰船导航交互界面，在该界面内，利用视频优化技术将雷达扫描信号和海图、GPS 等数据优化合成后，得到雷达扫描视频呈现给用户，为舰船导航交互界面增加了多元化特征，可更好地为舰船提供导航服务。该导航交互界面经过实际验证，具备较强的可应用性。