可视倒车雷达范文（精选4篇）
可视倒车雷达 第1篇
随着汽车产业的快速发展和人们生活水平的不断提高,近年来我国的汽车普及率日益增长,车流量越来越大,汽车碰撞事故也越来越多,据初步调查统计,汽车事故中,20%是由于汽车倒车“后视”不良造成的。因此,增强汽车的后视能力,研制可视倒车雷达便成为近些年来的研究热点。快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离是安全避免障碍物的前提。为此,设计了以单片机为核心,利用超声波实现无接触式测距的可视倒车雷达系统。
1 超声波测距原理
超声波测距主要是利用超声波的反射特性进行测距。超声波发射器不断的产生超声波,超声波通过介质到达物体表面,遇到障碍物后形成反射波,反射波再经介质传播返回到接收器,由超声波接收器把声波信号转换成电信号,传入单片机测距系统。超声波测距的方法有很多,如渡越时间法、相位检测法、声波幅值检测法。考虑到检测距离比较长,本系统采用渡越时间法。即:
式中,L为超声波测距设备与障碍物间的距离,单位(m);c为声速,单位(m/s);t为第一个回波到达的时刻与发射脉冲之间的时间差,单位(s)。
由于超声波的传播速度c受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大。本系统测距精度要求很高,故应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。空气中声速与温度的关系可表示为(2)式。T表示温度,单位℃。
2 系统结构及工作原理
系统由STC89C52单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、温度检测电路、显示电路和语音电路组成。系统整体结构如图1所示。
系统采用收发异体的超声波传感器。当单片机STC89S52接到外部启动测距的命令后,立即控制NE555产生40k Hz的频率信号来驱动超声波传感器,每次发射包含10个脉冲,当第一个超声波脉冲发射后,计数器开始计数。当检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数,这样能够得到从发射到接收的时间t。温度传感器DS18B20负责将采集到的温度值传送到单片机,用于进一步修正参数,利用公式(1)来计算距离。
3 系统硬件设计
系统硬件部分由超声波发射电路、超声波接收电路、温度检测电路、显示电路和语音电路5个部分组成。
3.1 超声波发射电路
超声波发射电路如图2所示。
超声波发射电路中,由NE555构成多谐振荡器,其振荡器频率由电位器W1、电阻R1和电容C3决定,通过调节W1可以改变振荡频率,输出产生频率为40kHz的方波,经过CD4069放大,推动超声波换能器S1发声。NE555的第4脚使能端可由单片机控制,当需要发射超声波信号时为高电平。
3.2 超声波接收电路
超声波接收电路如图3所示。
换能器S2接收到的微弱信号,经过两级放大。信号首先经交流耦合后,输入TL082进行第一级放大,其放大倍数为:A1=-R6/R4=-50,放大后的信号再经过交流耦合送入TL082进行第二级放大,放大倍数为A2=-R9/R7=-20。
信号总增益为A=A1*A2=1000。经过放大的信号由比较器LM311整形,加上拉电阻输出,即标注为"TTLout"的TTL电平信号,被单片机接收。
3.3 温度检测电路
系统温度检测电路选用单总线测温器件DS18B20实现温度检测。DSl8B20是美国DALLAS公司生产的一款单总线数字温度传感器。其测温范围从-55℃到+125℃,分辨率为0.0625℃,在-l0℃到+85℃范围内其测温准确度为±0.5℃。它体积小、功耗低、抗干扰能力强、易与微处理器连结,无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量,与单片机交换信息仅需要一根I/O口线。其供电电源可来源于单片机I/O口数据线,而无需额外电源。每片DS18B20都有全球惟一的识别号,因而特别适合于构成多路多点温度测量系统。
STC89C52的RD用来与DS18B20通信,接10k的上拉电阻以增加该I/O的驱动能力。在STC89C52初始化后对DS18B20发出转换温度值命令后,等待750ms(DS18B20最长转换时间),从RD口读出温度值,对读的温度值做相应的数据处理,然后实时将计算出来的某温度下超声波在介质中的速度值,通过串口提供给STC89C52单片机。
3.4 显示电路
本系统采用带字符12864液晶显示器。它的读写操作等都是由编程来实现,显示内容丰富,编程灵活,和单片机接口也比较容易。
3.5 语音报警电路
语音电路采用ISD4004语音芯片构成。ISD4004是一种长时间非易失性语音芯片,工作电压为3V,采样频率可为4.0kHz电压3V,采样频率可为4.0kHz、5.3kHz、6.4k Hz和8.0kHz,对应的单片录放时间分别为8min、10min、l2min和16min。采用直接模拟量存贮,音质好。
4 系统软件设计
程序的主要任务是检测发送脉冲和接收脉冲,启动定时器得出时间,再经过数据处理,温度补偿修正计算出实际距离。采用模块化设计,程序由主程序测距程序、温度采集程序、显示程序、语音播报程序组成。待每个模块完成成功后,再进行综合调试。软件主程序流程图如图4所示。
5 实验结果
系统对相距0.1m~3m的两物体、环境温度从0℃~40℃之间变化时,进行了反复多次的实际测试,由于系统增加了温度修正系统及软件补偿技术,大大提高系统的测量准确度。表1所示结果为环境温度为25.2℃时,系统显示距离与卷尺实测距离对照表。
实验数据表明:距离在60-300cm范围内,测量误差较小,50cm以下误差较大,这是由于超声波发射器和接收器之间的距离间隔较小,导致信号直接传递或多次反射引起的。
6 结束语
将该超声波测距系统应用在汽车倒车装置中,驾驶员可以从LCD液晶显示屏上清楚地读出距离障碍物的距离,实现了距离可视。此外,超声波收发器可以安装在车尾、车身左测、车身右测,同时实现尾距、左距、右距可视,帮助驾驶员安全驾车,消除事故隐患,具有较好的实用价值。该系统最大探测距离为8m,最小探测距离为0.5m,误差可在2cm以内。
摘要：针对汽车倒车碰撞事故,设计了以单片机为核心的倒车雷达预警系统,它利用超声波实现无接触测距;利用温度传感器实现温度补偿,使测距精确;利用液晶显示实现距离可视;同时具备语音报警的功能。实验表明,该系统测距范围、测距精度可以满足系统要求,具有较高的应用价值。
关键词：倒车雷达,超声波,温度补偿,单片机
参考文献
[1]吴研.汽车倒车雷达预警系统研究[D].武汉:武汉理工大学自动化学院,2007.
[2]肖炎根.基于超声波的倒车雷达系统设计[J].电子元器件应用,2008(7).
[3]王红云.基于超声波测距的倒车雷达系统设计[J].国外电子元器件,2008(5).
雷达电磁波三维探测范围可视化仿真 第2篇
虚拟战场生成是目前研究的一个热点,其利用虚拟现实技术构建沉浸式的战场环境,为指挥员提供强大的辅助决策功能。虚拟战场包括自然环境和电磁环境2个部分,将非可视化的电磁环境可视化是构建虚拟战场难点之一。雷达电磁波是电磁环境的主要构成,其在传播过程中受到复杂自然环境的影响,同时也受到复杂电子干扰环境的影响,电磁波能量在空间的分布极为复杂。目前由美国海军发展的高级传播模型[1](Advanced Propagation Model,APM)综合考虑了复杂地形和复杂大气环境的影响,能够快速准确地估计出雷达电磁波传播损失情况。但是APM模型未考虑受到电子干扰时的情形,且局限于二维垂直面上的传播计算。实际运用中,必须对APM模型进行改进。文献[2]利用APM模型实现了雷达传播信息的圆柱体绘制。圆柱体绘制视觉效果好,但每次改变视角都重新计算全部数据,因此对硬件要求较高。文献[3]提出虚拟3D策略来构造三维雷达的作用范围。虚拟3D策略绘制速度快,实时性好,但随着电磁波传播距离的增大,数据误差难以控制。改进了APM模型,使得APM模型更适用于电子干扰环境;改进了可视化方法,有效控制电磁传播距离较远时的数据误差。视觉化工具函数库(Visualization Toolkit,VTK)是一个开源、跨平台软件包[4,5,6]。它是在三维函数库OpenGL 的基础上采用面向对象的设计方法发展起来的,具有强大的三维图形功能。充分挖掘其强大的数据集对象功能,实现了对大范围高密度的电磁环境实时可视化。
1 雷达垂直探测范围
1.1 雷达探测垂直面数据获取
高级传播模型(APM) 是射线光学和抛物方程理论[7,8,9]的混合模型, 它克服了抛物方程模型计算量大的缺点, 将传输区域分为4个部分:平坦地面FE(Flat Earth) 、射线光学RO (Ray Optics) 、抛物方程PE (Parabolic Equation) 和扩展光学XO (Extended Optics),如图1所示。APM模型已经考虑了地形、地面类型、大气折射、大气衰减等诸多自然环境因素,只需根据各地自然环境的不同进行建模,模型在精确度和计算效率方面实现了很好的权衡,是一种全新的、高效的电磁波传播模型。基于此,选用APM模型来计算各个方位角垂直面上的传播因子F和传播损失L。更多关于APM的资料见文献[1]。传播因子F的定义为空间某点的实际电场强度E与在自由空间传播条件下天线方向图最大方向对准该点时产生的场强E0之比。传播损失L是传播因子F的函数。
PE模型是APM的核心模型,其他为补充。PE采用分布傅里叶方法求解,其基本原理是沿着电磁波传播方向等间距不断递推求电场值。递推公式为:
式中:x,z分别表示距离和高度方向上的坐标值;M(z)为大气在不同高度上的折射系数;k0是自由空间波数;f和f-1表示傅里叶和逆傅里叶变换;p是转换常数,p=k0sin θ;θ是电磁波传播方向与水平面的夹角。
传播因子F与电场值u(x,z)的关系为:
传播损失为:
1.2 受到干扰时雷达探测垂直面数据修正
1.2.1 从传播损失到探测范围
以功率形式表示的最基本的雷达方程[10]为:
式中:Pt,Pr分别为雷达发射和接收功率;Gt,Gr分别为雷达发射和接收增益;λ为波长;σ为雷达目标截面积;R为传播距离;Ls为系统损失;L为传播损失。从式(4)可以看出,当发射功率和雷达目标反射截面积一定时,雷达接收功率和传播损失有确定的关系。当雷达接收功率大于雷达最小可检测功率Simin时,即可探测到目标。雷达最小可检测功率Simin是雷达系统在一定发现概率下的固有性能。于是,可以通过传播损失值直接确定雷达的探测范围,把Simin作为阈值,L≤Simin的区域为探测区域,L>Simin的区域为盲区。
1.2.2 考虑电子干扰时对APM模型的改进
由APM模型可得到雷达电磁波二维垂直面上的传播损失,如图2所示。APM模型未考虑电子干扰的情况。实际上,由于电磁波传播的独立性,电子干扰并不影响雷达传播损失,电子干扰是一种通过强干扰信号进入雷达接收机,从而降低雷达信噪比,达到降低雷达的威力和精度,使其不能正常工作的一种干扰方式。若把电子干扰降低的雷达信噪比等效到雷达传播损失值上,就可以极大地简化计算过程。
设干扰机主瓣方向与雷达主瓣方向的夹角为θ,等效的传播损失经验公式为:
式中:θ3 dB为半功率波束宽度。
2 三维可视化方法
2.1 圆柱等值面提取
利用VTK软件包实现数据场的可视化,VTK使用的是 Pipeline 应用程序结构,封装成一系列定义清晰,易于扩展的类,具体流程如图3所示。为获取整个体数据场,可由APM模型分别计算以雷达为原点的各个方位角垂直面上的传播损失,然后将各个垂直剖面联合起来,形成圆柱坐标形式的体数据,如图4所示。提取圆柱体数据场在特定阈值时的等值面即可形成雷达探测范围。为了简化,假设各方位角垂直面上的地形和大气状况相同。
图5是对圆柱体数据提取等值面的效果,实现了雷达探测范围的可视化。但是从中也能明显看出从圆柱体数据直接提取等值面的缺陷,圆柱体数据场数据密度不一致,内密外疏,如图6所示。这样会造成2个问题,一是在探测范围的外边界数据不光滑,误差较大,为了减小误差,需要更多的剖分面,体数据量急剧增加,增大计算负荷;二是探测范围内部数据场密度过大,数据冗余,计算出的等值面片比计算机像素还要小,面片退化为点,浪费计算资源。
2.2 同心圆柱环拼接
为了圆柱体数据场密度不一致问题,提出了一种同心圆柱环拼接算法。首先将圆柱体数据沿距离方向等分为圆柱环,然后从内向外依次填充数据,使得外环的数据密度不小于内环的数据密度,最后将各圆柱体环数据可视化拼接,即可实现对探测范围的可视化。本算法的关键是利用APM模型的递推算法,将初始场外推,减少递推步数,如图7所示。利用已经算出a点和b点的电场值,插值计算出中点c的电场值,把c的电场值作为初始值带入APM模型求解后面的数据。这样就避免了上面提出的2个问题。若a与b之间的地形变化剧烈,这种方法也可能带来较大的误差。这时,应以雷达原点为初始场,计算雷达至c点的电场强度。在工程中,充分考虑雷达周围的地形情况可避免大量的重复运算,如若雷达至a,b和c点的地形一样,或误差很小,那么可以使用任意一点的电场值代替其他点的电场值。
3 结果与分析
设发射频率为1 GHz,天线高度为25 m,采用水平极化方式,地面绝对湿度为0.1 g/m3,地表空气温度为15 ℃, 地面类型为中等干燥地面。 利用VTK软件包和同心圆柱环拼接方法,雷达探测范围仿真的结果如图8所示。若加入电子干扰,设雷达的半功率波束宽度为30 ℃,探测范围仿真结果如图9所示。比较图8、图9和图5,利用同心圆柱拼接算法,探测边界光滑性得到明显的改善。绘制完毕后,用鼠标旋转可以改变视角,速率可满足实时性要求。
在实际的战场环境中,电磁环境非常复杂,除了地形地质、实时变化大气环境,雷达探测范围还与目标散射截面积有关。构建真正可以提供辅助决策功能的虚拟战场平台,还需进行大量的研究与探索,将电磁环境和地理环境充分融合。
摘要：雷达探测范围是可视化虚拟战场生成的一个重要环节,也是难点。雷达电磁波的传播不仅受到自然环境的影响,同时也受到电子干扰环境的影响。在高级传播模型的基础上进行了改进,使得模型能够适用于电子干扰环境。提出了一种圆柱体数据环拼接的可视化方法,解决了圆柱体数据场内密外疏的问题。利用可视化软件包VTK对圆柱体数据场进行了绘制,实现了雷达在自然环境干扰和电子干扰环境下的三维探测范围可视化,绘制的精确度和实时性都可满足要求。
关键词：探测范围,电磁环境,可视化,VTK
参考文献
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可视倒车雷达 第3篇
关键词：可视化技术,信号分析,人机交互
数据可视化技术是运用计算机图形学和图像处理技术, 将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来, 并进行交互处理的理论、方法和技术。数据可视化的概念来自科学计算可视化[1], 自1987年提出以来, 在各工程和计算领域得到了广泛的应用与发展。当前, 可视化在自然科学、工程技术、金融、通信和商业等领域得到了普遍应用。
在医学数据的可视化领域, 由于近代非侵入诊断技术, 如CT、MRI和正电子放射断层扫描 (PET) 的发展, 医生能够轻易获得病人有关部位的二维断层图像;在油气勘探领域, 利用可视化技术, 英国PGS Tigress有限公司开发的可视化软件及大庆勘探开发研究院开发的地质数据可视化系统, 可从大量的地质勘探数据或测井数据中, 构造出感兴趣的等值面、等值线, 并显示其范围及走向, 从而帮助专业人员作出正确解释[2]。
近年来, 国际上提出了信息可视化问题, 是可视化技术在非空间数据领域的应用[3], 用以发现隐藏在海量数据背后的重要特征、关系和模式, 从而了解多维数据及其之间的相互关系与发展趋势。
1 雷达侦察数据可视化
按用户和数据间交互方式的不同, 可视化策略可分为如下3种[4]:
(1) 事后处理。即可视化过程在数据计算完成之后才开始。 (2) 跟踪。跟踪方式下随着计算的推进可做一些可视化工作, 其要求显示中间结果, 并允许监控程序在达到目的或出现异常时终止计算过程, 因而具有一定的交互性。 (3) 驾驭。驾驭是充分交互的, 计算与数据的可视化同时进行, 并可根据当前计算状态对计算过程进行实时交互控制。
随着电子侦察技术的不断发展, 电子侦察设备对电磁信号的侦察能力越来越强, 且电磁环境日益复杂, 所侦察的数据量日益增多、侦收信号的杂乱程度也日益提高, 故对电子侦察数据的自动处理算法提出了越来越高的要求。将可视化技术应用到电子侦察数据分析过程中, 对验证电子侦察设备侦察性能、处理算法对电磁环境的适应能力、处理结果的可靠性均具有重要意义。
将雷达侦察设备前端所侦收的射频脉冲的脉冲描述字定义如下[5]
其中, θAOA为脉冲的到达方位角;fRF为脉冲的载波频率;τTOA为脉冲前沿到达时间;τPW为脉冲宽度;AP为脉冲幅度, 在该定义中不考虑雷达脉冲的脉内调制特征。
雷达侦察数据可视化就是将相关的可视化技术及策略应用到雷达侦察数据的处理过程中, 结合雷达侦察信号分选的算法及处理流程, 对脉冲描述字中的各参数进行统计分析, 以图形的方式直观呈现出来, 并可根据统计图形对信号的处理过程进行人工干预, 直至获取到可信的雷达侦察数据处理结果。对雷达脉冲的到达方位角θAOA、载波频率fRF、脉冲宽度τPW、脉冲幅度AP按一定规则进行直方图统计, 分别展示方位角直方图、载波频率直方图和脉冲宽度直方图、脉冲幅度直方图;对脉冲的前沿到达时间τTOA可通过脉冲间到达时间差获取到n阶TDOA, 再对n阶TDOA进行直方图统计并展示。
2 人机交互点的选取
雷达侦察信号的分选过程, 可归纳为对脉冲的空域参数、参数域参数、时域参数[6]的综合处理过程, 即通过空域参数处理、参数域参数处理、时域参数处理得到雷达的特征参数, 如图1所示。
根据对脉冲描述字PDW的定义, 对图1进行细化, 可获得如图2所示的雷达侦察信号处理过程。
其中, 方位信息预分选、载频预分选、脉宽预分选及脉幅预分选的执行顺序是可调整的。从图2可看出, 影响雷达侦察信号处理结果的因素包括5个:方位信息、载频信息、脉宽信息、脉幅信息和n TDOA。因此, 人机交互点的选取应基于脉冲的方位信息、载频信息、脉宽信息、脉幅信息及脉冲间到达时间差n TDOA, 将方位信息预分选过程、载频预分选过程、脉宽预分选过程、脉幅预分选过程及n TDOA分选过程转换为人机交互的处理过程, 再将脉冲的方位信息、载频、脉宽、脉幅及n TDOA的统计结果以直方图方式进行展现, 各处理过程的输入参数通过操作统计结果直方图输入, 且各处理过程的执行顺序及是否需要执行均由人工确定, 从而达到了对各处理过程输出结果的人工控制, 使雷达侦察信号的处理过程完全可控, 并实现了充分的可视化交互。
3 仿真与实现
可视化工具采用西班牙Steema Software SL公司开发的Tee Chart图表类控件, 该控件可在VB、VC、Delphi等各开发环境中使用[7], 通过该控件提供的各种属性和方法来控制生成的图形, 以实现人机交互系统方便快捷的人机交互性, 开发环境采用Visual Studio 2010。
系统设计的类图如图3所示, 以CRadar Data ProFrame类作为该系统的框架类, 该框架类包括一个分割窗口类CSplitter Wnd以及一个表格显示的视图类CPulse Grid View、一个图形显示的视图类CPulse GraphView, 各视图类下包含各显示控件CBCGPGrid Ctrl、CTee Chart、CCombo Box[8]。
软件界面分割为上下两个窗口, 上部窗口中嵌入一个列表显示控件, 用以显示脉冲描述字列表, 下部窗口中嵌入两个图形控件及一个下拉框控件, 用以显示脉冲描述字的统计图形, 并通过图形控件实现对雷达侦察信号的人机交互分选, 在下拉框控件中列出对脉冲描述字的统计图形, 包括方位直方图、载频直方图、脉宽直方图和TDOA直方图。软件设计界面如图4所示。
通过菜单“文件”→“文件浏览”, 打开由脉冲描述字形成的二进制文件, 在表格中显示脉冲列, 同时对脉冲描述字进行统计, 并将统计图形显示在直方图控件区域, 并在TDOA时序图控件区域显示脉冲的TDOA时序图。通过“图形选择”下拉框, 将直方图切换到载频直方图, 在直方图上双击, 产生载频范围选取的colorband, 鼠标左键按住colorband的一条边进行拖动, 选择载频的范围, 再次双击, 可产生另一个colorband, 如图5中所示的两个colorband, 从而形成多个载频参数范围, 实现脉冲的载频预分选, 列表区域及TDOA时序图显示区域随colorband的变化进行实时更新。对其他脉冲描述字的交互过程与载频相同, 实现对雷达侦察信号处理过程的驾驭。
4结束语
将可视化技术应用到雷达侦察信号处理过程中, 以直观简洁的方式展现脉冲描述字统计特征, 对获取准确的雷达特征参数具有重要意义。随着电子侦察设备侦察性能的日益提高, 侦察的数据量在不断增大, 如何实现对海量电子侦察数据的可视化, 进一步提高可视化分析过程的响应速度是下一步研究的方向。
参考文献
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可视倒车雷达 第4篇
1 可视化工具VTK
VTK主要用于3D计算机图形学、图像处理及可视化的软件系统[2]。它使用C++构建内核,采用面向对象的建模技术;基于OpenGL,但屏蔽了所有的OpenGL调用;具有设备无关性,可在Windows或Unix系统中运行,可跨平台使用;它是开放源代码的,将可视化算法和绘制划分开,封装成一系列易于扩展的类,既便于人们研究使用,又易于增加自己的绘制算法[3]。VTK支持几何体的显示渲染、许多图形及可视化算法(矢量、标量、张量)及高级的建模技术(快速建模、多边形优化、面绘制和体绘制[4])。
在VTK中,处理图形和可视化有两种模型:图形模型和可视化模型。
1.1 图形模型
整个图形模型主要表现3D图形系统的本质特征,如图1所示。图形模型支持:3D几何数据绘制;3D体数据绘制;2D几何;文字;图像绘制[5]。
1.2 可视化模型
VTK是基于数据流模型的系统,可视化模型由两类基本的对象组成:数据对象和处理对象,数据对象代表了进入可视化网络的数据集类型,包含体数据(vtkImageData)等五种类型。
处理对象按功能分为数据源(Source)、过滤器(Filter)和映射器(Mapper)三种。
数据源对象用于产生或接收数据集,是可视化流程的起点,它包括从文件中读入及程序内部产生的数据。过滤器用于对数据集进行各种算法的处理,得到数据类型及输出值。映射器指定了基本图元与数据之间的接口,将数据集映射为可展示的基本图元,是可视化网络的终点。
2 三维雷达图像可视化的实现
2.1 数据接口
VTK提供的文件读写功能,能够读写多种格式的图形、图像文件,使它可以方便地与其他的应用共享数据,但对于比较专业的数据格式没有提供具体的支持。
体数据结构(如图2所示)是由维数、距离和原点定义的,可以将每一小立方体视为体素或三维像素单元。根据实验所提供的格点数据格式说明以及编码方式,将雷达数据的经度、纬度、高度分别对应x,y,z轴。
2.2 三维可视化
三维雷达图像的可视化是指利用人类的视觉特性,通过计算机对二维断层图像序列形成的一维体数据进行处理,将其变换为具有直观立体效果的图像来展示雷达回波的分布状况的三维形态。
VTK中,三维图像的重构方法分为面绘制技术和体绘制技术两大类。
2.2.1 面绘制
在面绘制技术中,VTK类库提供了类vtkImageMarchingCubes,该类采用了移动立方体算法MC(marchingcube),用MC算法主要是提取三维等值面,遍历所有立方体的顶点,将顶点的物理量与等值面值相比较,从而确定顶点与等值面的位置关系,通过线性插值得到等值面与Cube的交点,依次遍历所有的Cube,从而得到给定阈值的等值面[6]。面绘制需要指定阈值,以确定场景中感兴趣物体的表面,因此分割和绘制速度在这里是最重要的考虑因素[7]。
2.2.2 体绘制
体绘制技术的基本算法是对每条视线上每个像素强度计算加权和,将结果作为投影像素的灰度值[8]。
光线投射是一种典型的以图像空间为序的直接体绘制算法,该方法考虑了数据场所有体素对图像的贡献,能够产生较真实、较高质量的图像。利用VTK提供的光线投射法vtkVolumeRayCast Funtion类的子类来实现体绘制技术,光线投射法的子类分别封装了合成法、最大密度法和表面轮廓法三种算法。实验选择合成算法实现质量最高的图像显示。
在体绘制的结果图像中,需要显示三维数据场的内部结构,因而需要生成具有透明效果的图像[9]。根据体绘制成像原理,通过vtkVolumeProperty类来设置整个体数据场的重采样方式、不透明度值和颜色值的映射方式。对每一个体元不仅要根据中国气象局发布的雷达色标图赋予不同的颜色值(R,G,B),而且还要赋予不透明度α。α=1表示该体元完全不透明;α=0则表示完全透明。若以256色级差显示,更能提高伪彩色图像显示的连续性和精度。
2.2.3 两种绘制技术的比较
面绘制依赖于分割的结果,而且不能表现复杂的内部信息。而体绘制方法回避了图像分割问题,并且可以得到数据整体显示效果,表现更加丰富的机体内部信息,得到雷达回波图像逼真的立体显示,更适合进行雷达图像可视化技术的研究。
3 应用实例
基于VTK的雷达图像可视化系统GUI界面如
图4~图6所示。
该实验以天津新一代天气雷达回波产品为例展示如下各种技术。使用鼠标可以实现旋转、缩放、平移等操作,便于用户根据需要从不同的视角观察物体,增强了系统的交互能力[10],旋转后的三维体绘制雷达图像如图3所示;利用VOI(Volume of Interest)技术,提取的部分三维体数据放大后效果如图4所示;采用vtkPlaneWidget技术实现的某一指定的经度、纬度和高度层上的雷达强度回波值的显示如图5所示;另外三维重建技术辅以任意角度的切割可以很好的满足任意角度的观看[11],三维数据体的任意切割如图6所示。
4 结 语
使用VTK技术研发出一套简单的雷达图像三维可视化系统,该系统实现了三维体重建、三维任意切面显示、任意分割、旋转、放大等功能,庞大的类库降低了系统开发难度,减少了开发时间,开发出来的可视化系统应用价值高。该实验方法具有一定的后续研发参考价值,亦可应用于其他研究领域,强大的三维可视化功能值得推广。
参考文献
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