應(yīng)用CUDA技術(shù)解決雷達虛擬顯示器的仿真余輝問題

在建立雷達虛擬操作系統(tǒng)或維修訓(xùn)練系統(tǒng)時，顯示器的仿真效果直接影響模擬器的訓(xùn)練效果。目前制約余輝實現(xiàn)的主要瓶頸是余輝效果帶來的龐大的計算量，使得效果較好的余輝掃描線轉(zhuǎn)速難以超過10轉(zhuǎn)/s，如果要提高轉(zhuǎn)速，則需要以犧牲顯示畫質(zhì)為代價?；诠鈻艗呙栌噍x模擬的主流方法有畫線法、固定扇掃法、逐點消隱法，由于前兩者圖像易出現(xiàn)輻射狀花紋及掃描速率不穩(wěn)定，因此后者的應(yīng)用較多，效果也明顯強于前者。本文在逐點消隱法的基礎(chǔ)上應(yīng)用CUDA技術(shù)，解決了運算量巨大的問題，在光柵顯示器上得到了余輝效果逼真、畫面流暢的余輝圖形。

1、 余輝仿真的瓶頸

傳統(tǒng)的雷達P顯采用示波管作為顯示終端，其內(nèi)部熒光材料具有指數(shù)型衰減的余輝效應(yīng)，電子束掃描線圓周掃過屏幕將留下逐漸消隱的余輝。但光柵顯示器無法自動產(chǎn)生熒光粉的余輝效應(yīng)，因此必須人為地模擬余輝效應(yīng)。

軟模擬通常采用光柵顯示器，用計算機編程實現(xiàn)。光柵掃描顯示器具有高亮度、高穩(wěn)定度、大容量顯示的圖文處理能力、豐富的色彩及多灰度等級的優(yōu)點。一般采用以下三種方法實現(xiàn)。

（1）畫線法較容易實現(xiàn)，原理是在屏幕上以畫直線的方式畫出每一角度的掃描線，形成每次畫一個扇面的灰度遞減的直線簇。但是當程序運行時，掃描線軌跡不斷地在屏幕上轉(zhuǎn)動，該方法不能無縫地覆蓋整個扇掃區(qū)域，從而產(chǎn)生一個輻射狀的固定花紋。

（2）固定扇掃法是在畫線法基礎(chǔ)上改進的一種仿真方法，控制扇形區(qū)域的圓心角，依次使不同扇形區(qū)域亮度減少。它雖然消除了輻射狀花紋，但在沒有目標到有目標信號時，由于數(shù)據(jù)量的增加會造成掃描線的轉(zhuǎn)速不同。

（3）逐點消隱法，主要原理是將每個方位像素的亮度逐次遞減，即每個點都必須被修改，這樣整個屏幕畫面亮度逐漸衰減。其產(chǎn)生的余輝效果比較逼真，掃描線轉(zhuǎn)速也較穩(wěn)定。

模擬逼真的余輝效果，一般采用逐點消隱法，十分逼真的余輝仿真需要非常高的數(shù)據(jù)吞吐率，要求在每一顯示幀的時間內(nèi)（一般為60 Hz的倒數(shù)約16 ms）對屏幕中所有像素進行一次衰減運算。以公認的高效算法，即查表法為例：對于一個像素點而言，最少需要1次讀和2次寫操作，分辨率為1 024×1 024的屏幕中會有1 024×1 024個像素點參與雷達回波的顯示，數(shù)量約為1 M。即在16 ms的時間內(nèi)需要進行1 M次讀操作和2 M次寫操作，分給每個像素點的時間為16 ns。由于Windows屬于通用型操作系統(tǒng)，硬件操作過程極其復(fù)雜，無論如何也無法在16 ns內(nèi)完成1次讀和2次寫操作。需要說明的是，現(xiàn)有的用PC實現(xiàn)的余輝仿真算法都是以犧牲畫質(zhì)為前提條件的，例如有的算法降低角度分辨率，有的算法只運算部分像素。

2、 瓶頸的解決方案

為了解決此瓶頸，本文將國外主要應(yīng)用于3D游戲設(shè)計的CUDA技術(shù)移植到余輝的模擬上。CUDA（統(tǒng)一計算設(shè)備架構(gòu)）是NVIDIA公司在2007年推出的針對GPGPU（通用計算GPU）的一個全新構(gòu)想，使專注于圖像處理的GPU超高性能在數(shù)據(jù)處理和科學(xué)計算等通用計算領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢。

GPU特別適合并行數(shù)據(jù)運算問題，同一個程序可操作許多并行數(shù)據(jù)元素，并具有高運算密度（算術(shù)運算與內(nèi)存操作的比例），且在高密度運算時，GPU訪問內(nèi)存的延遲可以被掩蓋。目前高端GPU計算性能已達到Teraflops（每秒萬億次浮點運算）級別，其運算速度遠遠高于CPU的速度。2008年初國內(nèi)建成的首套實驗系統(tǒng)，其計算性能的理論峰值124 Teraflops，可用峰值82 Teraflops。

但是常規(guī)的GPU通用計算還存在以下問題［7］：編程過于繁雜，難以學(xué)習與使用，在非圖形領(lǐng)域應(yīng)用很不充分；GPU編程缺乏靈活性，對GPU性能的發(fā)揮有很大的限制。

而CUDA采用GPU+CPU的方式，通過標準C語言將GPU的眾多的計算特性結(jié)合到一起，由線程來創(chuàng)建應(yīng)用程序。程序代碼在實際執(zhí)行中分為兩種，一種是運行在CPU上的主機代碼，另一種是運行在GPU上的設(shè)備代碼。它類似于CPU上的多線程程序，但與僅能有很少線程同時工作的多核CPU相比，GPU可以同時執(zhí)行成千上萬個線程。CPU程序以異步的方式調(diào)用GPU核程序，GPU作為CPU的協(xié)處理器（CoProeessor）提供服務(wù)。

當前CUDA提供的主要功能如下：

（1）在GPU上提供標準C編程語言。

（2）為在支持CUDA的NVIDIA GPU的并行計算提供統(tǒng)一的軟硬件解決方案。

（3）支持CUDA的GPU能進行并行數(shù)據(jù)緩存和線程執(zhí)行管理。

（4）經(jīng)過優(yōu)化的，從CPU到支持CUDA的GPU的直接上傳、下載通道。

（5）CUDA驅(qū)動與DirectX和OpenGL等圖形驅(qū)動程序兼容。

為了解決巨大計算量的問題，主要采用CPU+GPU的編程模式來模擬余輝，在GPU中為每一個像素點創(chuàng)建一個線程獨立進行亮度衰減處理。由于每個像素的線程并行執(zhí)行，完成整個屏幕像素的數(shù)據(jù)處理幾乎不需要計算時間，真正花費時間的是畫面繪制和翻轉(zhuǎn)。因此繪制畫面在后臺表面進行，繪制完成后翻轉(zhuǎn)到前臺顯示，這樣繪制和顯示可以同時進行，既為畫面的繪制留足了時間，又能得到流暢不閃爍的畫質(zhì)。

3 、采用CUDA技術(shù)來實現(xiàn)余輝效果

為了產(chǎn)生不同方位的掃描線，將方位、距離進行量化，由于掃描區(qū)域的分辨率為1 024×1 024，因此半徑為512像素。由于掃描半徑為512個像素，理論上只要角度量化數(shù)N大于3 217就不會出現(xiàn)顯示死地址的現(xiàn)象，方位上量化為4 096個等分。這樣初始生成一個4 096×512個像素的圓域。雷達P顯中采用的是極坐標系，而在光柵顯示器中采用的是直角坐標，通過坐標變換，將建立一張坐標變換表，如表1所示。

通過查表可以避免坐標變換帶來的正余弦計算，方便地在極坐標和直角坐標間轉(zhuǎn)換，從而節(jié)省大量的運算時間?？紤]到近距離區(qū)域，多個角度的距離單元會對應(yīng)相同的像素點，首先為每個像素點定義一個屬性的結(jié)構(gòu)體：

typedef struct

{ WORD x;//屏幕直角坐標x

WORD y;//屏幕直角坐標y

WORD ScanlinePtIndex;//該點在掃描線上的

//距離索引

BYTE MapTo2Pt;//該點與同一條掃描上的

//點是否重合

BYTE RadEnd;//標記該條掃描線處理完畢

}RADIUSPOINT;

為圓域內(nèi)的點分配內(nèi)存空間：

RADIUSPOINT m_pRadPtToLintPtMap=new RADIUSPOINT［4 096×512］。

對于同一條掃描線上相鄰的兩點，如果直角坐標相同就把MapTo2Pt設(shè)為1，標記為相同的點；如果相鄰兩點的直角坐標不相同，則把距離索引值賦給ScanlinePtIndex，每條線最后一個點設(shè)置RadEnd為1來標記每條線處理已完畢。對于相鄰兩條線上的點，如果當前線上點與前一條線上相鄰4個點的直角坐標相等，設(shè)置為m_pPixelOverlap［i］=1，否則設(shè)為0。

考慮到余輝呈指數(shù)型衰減，而指數(shù)運算需要花費大量的時間，對于計算機，其最快的操作是取值和賦值，為了提高光柵掃描雷達顯示系統(tǒng)的實時性，需要提高單位時間內(nèi)能夠處理的像素點個數(shù)。于是對指數(shù)運算采用查表法以提高速度，維護一張按角度劃分的指數(shù)型衰減因子表m_wAttenuation［4 096］以進行數(shù)值的取值和賦值操作。

同時還要建立一個Brightness［4 096×512］的亮度表，來存儲每個像素對應(yīng)的RGB顏色值。

以上這些工作在程序的初始化中即完成，一經(jīng)完成即可在后續(xù)的程序中直接調(diào)用。

通過CUDA編程時，GPU可看作為可以并行執(zhí)行非常多個線程的計算設(shè)備，執(zhí)行并行計算的線程被組織成線程塊（Block），每個線程塊可以包含多達512個線程，而線程塊又組成了柵格（Grid）。GPU可以支持成百上千萬個并行線程，于是可以為每個像素點開一個線程，這樣每個像素點可以并行處理，能極大地提高對整個屏幕像素的處理速度，為CPU留出足夠多的時間去處理其他相關(guān)的任務(wù)。

定義線程塊Block包含的線程維數(shù)：

dim3 threads（BLOCK_SIZE，BLOCK_SIZE）；

定義柵格Grid包含的線程塊數(shù)：

dim3 grid（Width/threads.x，Height/ threads.y）；

每個像素點對應(yīng)的線程處理工作如下：

由于某型雷達轉(zhuǎn)速為10轉(zhuǎn)/min，相當于每次更新的掃描線數(shù)應(yīng)為4 096×10/60/1 000=0.683條/ms，像素處理在GPU中并行進行，對CPU的占用率幾乎為零，所消耗的時間主要是Direct3D紋理的繪制和表面的翻轉(zhuǎn)，大約為16 ms，因此每次更新的掃描線數(shù)目約為16×0.683=10.928，即每次更新11條。將當前要更新的掃描線上的像素點設(shè)為初始亮度，其后的每條掃描線上的像素點的亮度按與當前掃描線角度差m_anglediff取m_wAttenuation［m_anglediff］的亮度進行衰減。由于近距離區(qū)域多個角度的距離單元對應(yīng)相同的像素點，因此中心部位被消隱的次數(shù)明顯要比其他部位多，導(dǎo)致效果有些失真。于是需要對這些坐標相同的點進行處理，對于屬性MapTo2Pt為1的點，比較坐標相同的點處于不同距離時的亮度，取其大者賦值給亮度表Brightness［4 096×512］。對于屬性m_pPixelOverlap為1的點，比較處于各個角度時的亮度，取其大者賦值給亮度表。這樣對于同一個點只顯示一次且取其最亮者顯示，較好地避免了中心部位被消隱次數(shù)過多的情況。

對于實現(xiàn)余輝等級的情況，只需要調(diào)制m_wAttenuation的大小就可以方便地調(diào)節(jié)余輝等級。如果需要提高轉(zhuǎn)速，只需增大每次更新的掃描線數(shù)目即可，且基本不會影響程序運行速度。

通過CPU+GPU組合的方式模擬不同等級余輝效果如圖1、圖2所示，此時對應(yīng)的CPU占用率幾乎為零，如圖3所示。該方法得到的余輝效果逼真、畫面流暢、掃描速度達到了預(yù)定的10轉(zhuǎn)/s的要求，且CPU占用率極低，并不妨礙CPU處理其他數(shù)據(jù)。

當把每次需要更新的掃描線數(shù)目增多時，由于GPU能并行高速處理每個像素點，掃描的速度能迅速提升而不影響顯示畫質(zhì)，在程序調(diào)試時，可以驗證當掃描速度到45轉(zhuǎn)/min時，畫面依然流暢且占用的系統(tǒng)資源少。

余輝實現(xiàn)的逼真程度很大程度上決定了雷達模擬器的效果，本文就當前余輝模擬存在的瓶頸提出了一種基于CUDA的解決方案，采用“CPU+DPU”編程的方法，很好地解決了數(shù)據(jù)吞吐量巨大的問題。此方法模擬的余輝易于與雷達回波信號疊加，便于程序的擴展，可以應(yīng)用于模擬器的設(shè)計及雷達技術(shù)的研發(fā)。

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