合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種全天時,、全天候的主動式微波遙感手段，它以飛機(jī)或衛(wèi)星為載體對地進(jìn)行觀測,。與光學(xué)成像不同,，把SAR回波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SAR圖像需要一系列復(fù)雜的信號處理步驟，通常只能采取記錄回波數(shù)據(jù),、事后處理得到圖像的方法,。近年來隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展，以及嵌入式DSP芯片速度的不斷提高,，機(jī)上實時成像處理技術(shù)已成為現(xiàn)實,。
　　SAR實時成像處理器可以在載機(jī)平臺飛行的同時獲得所觀測區(qū)域的SAR圖像，這對于實時偵察具有重要意義,。圖像實時滾動顯示是SAR實時成像處理器的一個重要功能,，它用來直觀地把處理器生成的圖像按載機(jī)飛行速度，同步地輸出到顯示設(shè)備上,。
　　本文介紹的基于DirectDraw的SAR圖像實時滾動顯示軟件已成功地運行于中科院電子所開發(fā)的機(jī)載SAR實時成像處理器上,，獲得了良好的應(yīng)用效果。
1 運行的硬件環(huán)境及功能需求
　　本軟件運行于中科院電子所研制的機(jī)載SAR實時成像處理器上,，硬件環(huán)境如圖1所示,。

　　機(jī)上雷達(dá)通過天線對地面測繪區(qū)域發(fā)射信號，并將接收到的地物回波經(jīng)過放大,、下變頻和正交解調(diào)后,，生成視頻回波信號(分為I/Q兩路),，進(jìn)入機(jī)上的實時成像處理器中。
　　在實時成像處理器中,，首先視頻信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,，再經(jīng)成像處理(包括方位預(yù)濾波、距離壓縮,、CTM,、方位壓縮、ICTM等硬件單元)生成實時連續(xù)的SAR圖像數(shù)據(jù)" title="圖像數(shù)據(jù)">圖像數(shù)據(jù),，其具體參數(shù)如表1所示,。圖像數(shù)據(jù)通過PCI接口卡(總線寬度為32位)傳入主控計算機(jī)。在主控計算機(jī)中,，SAR圖像數(shù)據(jù)經(jīng)本軟件處理后,，通過顯示器完成雷達(dá)圖像的實時滾動顯示，其中,，圖像的顯示分辨率為1024×768,，顯示字長為8bit，顯示圖像灰度級為256級,。

　　根據(jù)上述技術(shù)參數(shù),，本軟件設(shè)計思想及所完成的功能如下：
　　(1)屏幕顯示模式為圖像自下而上進(jìn)行滾動顯示，其中水平方向為距離向,，垂直方向為方位向,。
　　(2)雷達(dá)數(shù)據(jù)在成像時，圖像數(shù)據(jù)持續(xù)顯示速度應(yīng)符合大于6.25Mbps(762.5×4096×2)的標(biāo)準(zhǔn),，否則,，會造成數(shù)據(jù)的擁塞，導(dǎo)致顯示的圖像出錯,。
　　(3)雷達(dá)成像時讀入16bit" title="16bit">16bit無符號數(shù)據(jù),，而顯示字長為8bit，所以,，要從16bit數(shù)據(jù)中選取連續(xù)的8bit用來成像,，而且選取的位置必須可調(diào)，即可以動態(tài)改變圖像的亮度,。
　　(4)雷達(dá)圖像每行4096點,。普通的顯示器能顯示的最大尺寸為1024×768，所以,，雷達(dá)圖像不可能一次全部顯示出來,，必須動態(tài)地分區(qū)域顯示。這樣就產(chǎn)生了兩種圖像顯示模式：全分辨率——起始距離可選，顯示距離向0~4096點中的任意1024點(如圖2所示);低分辨率——距離向4抽1,，方位向4抽1,，從而在1024×768的顯示器上就能顯示出整體的雷達(dá)圖像(如圖3所示)。
　　(5)每行圖像數(shù)據(jù)中都附加了輔助數(shù)據(jù),，它包含了雷達(dá)圖像的信息,，輸出顯示可把其疊加到圖像上。

　　過去在顯示合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像時,，一般采用圖形設(shè)備接口GDI,。利用GDI顯示雷達(dá)滾動圖像，優(yōu)點是使用方法簡單,，只需較少的代碼便能實現(xiàn),，但Windows的設(shè)備無關(guān)性原則使得應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">應(yīng)用程序不能直接訪問設(shè)備硬件，處理圖像必須通過GDI,，這樣就大大限制了圖形的顯示速度,，并且在縮放圖像時還容易引起失真和屏閃現(xiàn)象,。
　　DirectDraw是DirectX SDK的主要部分之一,。它允許直接對顯示內(nèi)存操作，支持硬件位塊傳輸,、硬件覆蓋,、表面翻轉(zhuǎn)，并且保持同目前的基于Windows的應(yīng)用程序和驅(qū)動程序兼容,。作為一種軟件接口,，使用DirectDraw可以很容易地操作顯示內(nèi)存，充分利用不同類型顯示設(shè)備的位塊傳輸和顏色解壓功能,，而不必依賴特定的硬件,。可見,，DirectDraw技術(shù)能更好地支持雷達(dá)圖像的實時滾動顯示功能,。
2 DirectDraw工作原理
2.1 DirectDraw的層次結(jié)構(gòu)
　　DirectDraw通過一個設(shè)備相關(guān)的抽象層直接訪問硬件設(shè)備。一般地,，DirectDraw通過硬件抽象層(HAL),，提供設(shè)備無關(guān)操作。HAL是由設(shè)備生產(chǎn)商提供的特定設(shè)備接口,，DirectDraw直接對顯示硬件進(jìn)行操作,，為應(yīng)用程序顯示圖形提供一組統(tǒng)一的接口和方法。HAL可以是顯示設(shè)備驅(qū)動程序的一部分,，或是獨立的DLL,，通過驅(qū)動程序編寫者定義的一個私有接口與顯示驅(qū)動程序進(jìn)行通信。
　　當(dāng)硬件抽象層不支持某種特性時,，DirectDraw會嘗試進(jìn)行軟件仿真,，仿真的功能是由硬件仿真層(HEL)提供的,。同HAL一樣，應(yīng)用程序也從來不直接與HEL一起工作,，DirectDraw對硬件的主要特性都提供透明的支持,，不管它是由HAL支持還是由HEL仿真的。
　　從圖4中可以看出,，DirectDraw既擁有底層的高性能接口,，具有設(shè)備無關(guān)的靈活性，又將圖形功能揉和在Win32程序中,，得以充分利用其中存在的硬件加速功能,。應(yīng)用程序通過API直接訪問顯存，大大提高了顯示速度,，進(jìn)而產(chǎn)生快速,、平穩(wěn)的圖形。

2.2 DirectDraw的工作機(jī)制
　　在使用DirectDraw技術(shù)顯示圖像時,一般要創(chuàng)建若干個圖形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(以下稱為“表面”),，并把這些圖形數(shù)據(jù)裝入其中,，再進(jìn)行轉(zhuǎn)換、拉伸,、拷貝等操作,，并且還可以顯示這些緩沖區(qū)中的圖形數(shù)據(jù)。表面可以分為幾類,，這里主要用到主表面和離屏頁面,。
　　主表面是用戶在屏幕上可以看到的，它是顯示內(nèi)存的一部分,。所有DirectDraw程序都有主表面,，而且只有一個，且不能改變它的尺寸,、格式和位置,。主表面有一個很重要的特性——翻頁。一個可以翻頁的主表面實際上是兩個表面,，一個是可見的,，即主表面；一個是不可見的,，稱為后備緩沖區(qū),。當(dāng)翻頁后,將原后備緩沖區(qū)頁中的內(nèi)容拷貝到可見主表面頁,而同時將原可見主表面頁的內(nèi)容拷貝到后備緩沖區(qū)頁。
　　顯示器屏幕雖然每秒中刷新很多次,，但每次都是一遍一遍地讀取可見主表面中存儲的顯示頁信息,，而對后備緩沖區(qū)的改動則不會顯示出來，也不會影響到可見主表面的顯示，只有當(dāng)施行翻頁操作后,，兩頁的內(nèi)容互換,，在原后備緩沖區(qū)的改動才會顯示在屏幕上，而這個互相拷貝的時間比起每次刷新所用的時間少了幾十萬個數(shù)量級,，人眼是根本察覺不到的,，所以用這種方法可以獲得不閃爍、平滑,、優(yōu)質(zhì)的動畫效果,。
　　還有一種表面叫離屏表面，它是不能直接看到的,。離屏表面作為存儲緩沖區(qū),，有助于表面之間的互相切換，它的大小是可以改變的,。
　　本軟件中DirectDraw各個表面之間的交互如圖5所示,。

3 DirectDraw在雷達(dá)圖像實時顯示中的應(yīng)用
3.1 軟件設(shè)計
　　在本軟件中，選用Win32應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境來開發(fā)基于DirectDraw的雷達(dá)圖像實時顯示程序,。之所以選用Win32而不用MFC,，主要因為MFC集成了大量的數(shù)據(jù)和方法，在編制基于圖形顯示和多媒體的應(yīng)用程序時會帶來極大的麻煩,。首先是無法觸及系統(tǒng)的內(nèi)核,，而且,，MFC事先建好的類的許多功能對該程序來說是無用和低效的,，使用它們只會給程序帶來冗余和不便。
3.1.1 整體設(shè)計
　　為更好地支持實時顯示,，使圖像保持平滑和連貫,，筆者在軟件中引入了多線程技術(shù)。除主線程外,，另創(chuàng)建兩個線程,，一個用來從外部設(shè)備中獲得實時數(shù)據(jù)，將其放到內(nèi)存中(寫線程),；另一個用來將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)利用DirectDraw技術(shù)進(jìn)行滾動顯示(讀線程),。
　　具體地，在內(nèi)存中設(shè)置一個大小適宜的緩沖區(qū),，當(dāng)有外部數(shù)據(jù)傳來,，且緩沖區(qū)不滿時，寫線程接收外部數(shù)據(jù),，依次填充到緩沖區(qū)內(nèi),，否則寫線程等待；當(dāng)緩沖區(qū)中有未顯示的數(shù)據(jù)時，讀線程將其取出送去前端顯示,，否則讀線程等待,。為了避免發(fā)生“死鎖”、“不一致讀”或者“臟數(shù)據(jù)”現(xiàn)象,，在讀寫線程之間加入同步事件機(jī)制,，通過事件來對二者進(jìn)行協(xié)調(diào)。

　　圖6給出了本軟件的主要流程,，初始化主窗口后,，首先對PCI卡進(jìn)行初始配置，以通過它來進(jìn)一步獲得雷達(dá)圖像的實時數(shù)據(jù),，然后分別創(chuàng)建寫線程和讀線程,，來協(xié)助實時數(shù)據(jù)的顯示；進(jìn)入消息循環(huán)后,，根據(jù)從PCI卡處獲得的數(shù)據(jù)消息,，激活讀、寫線程,，將實時數(shù)據(jù)處理之后通過DirectDraw滾動顯示,，當(dāng)顯示完畢時，關(guān)閉讀寫線程,，退出軟件,。
3.1.2 圖像顯示設(shè)計
　　在進(jìn)入消息循環(huán)后，讀寫線程就會將外部的實時圖像數(shù)據(jù)依次送到前端顯示,。這里的圖像顯示主要是基于DirectDraw的圖像顯示技術(shù)來實現(xiàn)的,。創(chuàng)建一個主頁面、一個后臺緩沖頁面和一個離屏頁面,，刷新圖像時,，直接訪問離屏頁面, 從外部獲得數(shù)據(jù)賦值給離屏頁面；然后從離屏頁面中復(fù)制1024×768的塊到后臺緩沖頁面中,，最后,，調(diào)用換頁函數(shù)，實現(xiàn)主頁面和后臺緩沖頁面的交換,，即實現(xiàn)主頁面的刷新,。頁面刷新的頻率主要靠PCI的實時消息來確定，在每次消息到來時,，調(diào)用更新頁面函數(shù),，實現(xiàn)頁面的動態(tài)刷新。
　　此外,，根據(jù)雷達(dá)圖像的要求,，為了使顯示范圍和區(qū)域可以動態(tài)改變,，筆者把顯示模式分為全屏顯示和區(qū)域顯示兩種。全屏顯示模式下,，距離向和方位向均4抽1顯示,，整個雷達(dá)圖像在方位向就可以全部顯示出來，但如果僅僅是4抽1的話,，顯示的圖像一定很不平滑,。所以，在抽點顯示的同時,，對圖像做平滑處理,，即將選中點的周圍16個點取平均值作為此點的灰度值。在區(qū)域顯示模式下,，將方位向分成4個區(qū)域,，每個區(qū)域大小為1024，顯示時,，只顯示其中一個區(qū)域,，所以，屏幕上顯示出來的圖像的分辨率為原始分辨率,。在這種顯示模式下,，雖然圖像的每個像素點都可以看到，但在各區(qū)域的交界處不能看到其周圍像素點,，不能很好地理解圖像,。所以，在區(qū)域顯示時,，設(shè)計使其在水平方向能夠小幅度移動,。具體處理流程如圖7所示。
　　同時為了使得圖像亮度可以動態(tài)改變,，選擇16bit數(shù)據(jù)中不同位置的連續(xù)8bit數(shù)據(jù),，并在讀取8bit數(shù)據(jù)時，做飽和處理,，即如果所選擇的8bit數(shù)據(jù)的高位有任意一位為1，則此8bit數(shù)據(jù)定為255,。
3.2 軟件運行的實際效果
　　經(jīng)測試,，此軟件已達(dá)到設(shè)計要求，完成所要求的全部功能,，即：
　　(1)可以在圖像下方實時顯示正在顯示的圖像區(qū)域范圍,、亮度信息、滾動速度及圖像的距離向位置等各種參數(shù),；
　　(2)具備切換是否顯示幫助菜單,，以及是否顯示各種飛行參數(shù)的功能,；
　　(3)實現(xiàn)了圖像滾動速度可以調(diào)節(jié)的功能；
　　(4)支持兩種顯示模式,，即全屏顯示模式和區(qū)域顯示模式,；
　　(5)在區(qū)域顯示時，可以選擇4個不同區(qū)域,，通過操作4個鍵進(jìn)行快速切換,，也可以操作左右方向鍵，實現(xiàn)圖像的左右小幅度移動,；
　　(6)可以通過按鍵控制選取不同位置的8bit數(shù)據(jù),，實現(xiàn)圖像亮度的控制；
　　(7)為了方便使用者更準(zhǔn)確地知道每個點的具體位置,，可以選擇在圖像上打上網(wǎng)格,。