一种基于预置像素的高效座舱画面设计与应用＊

赵文龙，王瑞球，田进军，张学军

（1.中航工业雷达与电子设备研究院，苏州215151；2.北京航空航天大学）

引 言

随着现代飞机技术的飞速发展，屏幕综合显示是必然趋势[1]。机载图形显示是新一代航空电子系统实现综合化、数字化和智能化的核心，而提高图形显示质量、加快图形生成速度是机载显示系统的关键[2]。画面显示实时清晰是飞行员能够及时准确操作的保证，画面刷新速度至少要比帧存刷新速度快，才能达到画面动态实时显示[3]。从图形显示系统的硬件结构和图形生成算法着手，将成熟的软、硬件IP技术应用到座舱综合显示系统中，并结合图形显示优化处理算法，可从根本上提高机载图形画面显示的性能[4]。

1 现有座舱显示设计存在的问题

现在，座舱显示设计已经落后于座舱显示的需求，需求定义与开发实现之间差距正在逐步拉大。座舱显示生成需要几周甚至几年来实现，增加了开发成本，降低了研究的时效性[5]。导致座舱显示开发落后的主要因素是缺少快速设计工具和可重用软件，致使座舱设计开发是一个费时很长的人工过程，严重限制了其显示的开发能力[6]。现代座舱显示开发过程如图1所示。

图1 现代座舱显示开发过程

由图1可知，现代座舱显示开发存在的问题是繁琐的人工过程、费时、无响应、严重依赖特定设备（即在无硬件平台支持的情况下，无法验证画面设计是否符合要求）。为了解决上述问题，同时提高CPU运行效率、保证画面质量、节约有限内存空间，本文采用一种预置像素的方法来实现座舱画面设计，其工作量小、开发周期短、易于维护，并且改变了以往单一的只能通过代码实现的思维方式，达到“即设即见”的效果。

2 基于预置像素的高效座舱画面设计

2.1 实现原理

首先利用图像处理软件工具生成相应分辨率的座舱画面，将其存储；然后根据座舱画面分辨率、画面显示设备扫描方向等将座舱画面转化为座舱画面字符矩阵；再次根据像素位置与像素值之间的对应关系，将字符点阵转化为像素值-像素显示位置的矩阵表；最后根据座舱画面显示位置、显示设备分辨率，将像素值-像素显示位置矩阵表上的相应像素值填充至VRAM中相应的像素位置。预置像素数据实现过程如图2所示。

图2 预置像素数据实现过程

图像数据组成方式为图像头数据、调色板数据、图像数据。其中图像头数据主要定义扫描方向、字节内像素数据从高到低或从低到高排列；调色板数据定义描述像素数据的RGB颜色分量的排列顺序及数据位表示；图像数据定义每个像素点的像素值和像素点位置。图像头数据结构、调色板数据结构定义分别如下所示：

2.2 座舱画面生成

座舱显示画面一般是位图图像，位图图像就是把一幅图像按水平和垂直方向划分若干个小方格，每个小方格为一个像素点，由这些像素点排列组成的栅格称为“光栅”，计算机通过这些像素点的位置、颜色、亮度等信息表示出整幅图像，这些图像即为位图。位图图像也称栅格图像（点阵），与分辨率有关，当位图放大时，组成它的像素点也成比例放大。BMP是一种与硬件设备无关的图像文件格式，广泛应用在图像设计中，它采用位映射存储方式。其文件格式由3部分组成：位图文件头数据结构，包含BMP图像的类型、显示内容；位图信息数据；图像的宽、高、压缩方式以及定义颜色等信息。

Photoshop是一种位图处理软件，能够将设计画面存储为满足需求的图形画面，其支持的色彩模式可实现模式之间的切换；可任意调整图像的尺寸、分辨率及画布的大小；可在不影响分辨率的情况下改变图像尺寸，也可以在不影响尺寸的情况下增减分辨率；利用磁性套索工具可以自动修复图像边缘的像素反差，可改变之前只能用代码实现的像素反差；可自由建立图层、背景层、文本层等多种图层，并且方便对各个图层进行编辑，实现图像图层的按需排列及预显示。设计的某型座舱画面设计如图3所示，图4为模拟座舱画面。

图3 座舱画面设计

图4 模拟座舱画面

显示画面设计完成之后要移植到相应的平台环境中运行，以测试是否满足初始设计要求[7]。首先，要满足座舱画面外观要求；其次，应详细检查设计座舱画面显示特性是否符合顶层文档POP设计要求；最后，确保座舱画面显示的动态特性正确，并满足实时性能要求[8]。

2.3 座舱画面点阵生成

利用图形转化算法将生成的座舱显示画面通过设置分辨率、扫描方式等将其转化为相应分辨率的座舱画面字符点阵。座舱画面点阵如图5所示，转化后的座舱画面字符点阵如图6所示。

图5 座舱画面点阵

图6 转化后的座舱画面字符点阵

2.4 像素-位置点阵生成

通过算法将字符点阵矩阵转化为一定像素要求的像素值，并将其像素点填充位置记录，将像素值与像素显示位置存入VRAM像素点阵Array[][]。VRAM像素-位置点阵结构如图7所示。

图7 像素-位置点阵结构

2.5 座舱画面显示

根据显示区域始点坐标及显示画面区域大小依次计算显示位置，并将待显示的像素值填入相应显示位置，即由CPU首先计算一帧图形数据刷新至A场VRAM显示，再计算下一帧图形数据至B场并将VRAM场切换至显示设备输出，以此达到经过A、B两场乒乓操作循环实现图形实时显示。像素-位置点阵转化为VRAM填充过程如图8所示。

图8 像素-位置点阵转化为VRAM填充过程

2.6 实验验证

本文所提出的座舱画面设计方法已在某两型产品环境NiosII环境和DSP环境进行了验证，其中NiosII环境采用Altera公司的EPC235F48418高速数字接口处理器FPGA软核作为控制CPU，主频为50.544 MHz；DSP环境采用ADI公司TigerSHARC系列TS101芯片作为控制CPU，主频为40 MHz。

上述两种测试环境所用测试画面如图9所示，两种环境下图形生成时间结果比较如表1所列。

图9 座舱测试画面

表1 NiosII环境实验结果

由表1可知，在上述两种实验环境中，利用本文提出的方法实现分辨率为480×320、如图9所示画面，其图形生成时间比由硬代码实现缩短50%以上，大幅节省了CPU运算时间，提高了CPU运算性能，满足机载座舱画面实时显示要求。

结 语

通过此种座舱画面设计方法在某型飞机座舱显示系统中的运用，证明该设计方法在座舱系统中能快速、高效显示画面，并实现座舱画面预显示，提高了座舱显示开发的质量和使用性能，降低了开发成本，缩短了开发周期，具有较高的工程实用价值。

[1]杜黎明.字符发送器的一种设计方案[J].航空电子技术，2002（3）：26-28.

[2]李晓楠.机载显示系统关键技术研究[M].北京：北京邮电大学，2007（16）：8-9.

[3]姜丹丹，李成贵.基于ARM与FPGA的主飞行显示系统的设计[J].计量与测试技术，2009（36）：50-51.

[4]张波.基于DSP和FPGA的座舱图形显示系统关键技术研究[J].信息与控制，2003（6）：28-29.

[5]张木余.未来战斗机的座舱显示[J].光电与控制，2008（2）：40-46.

[6]林成文.机载软件图形化设计与自动代码生成研究[M].西安：西北工业大学，2007.

[7]侯亮.飞机综合显示系统中图形填充与字符显示[J].火力与指挥控制，2009（1）.

[8]刘硕.综合座舱显示控制系统的设计与实现[J].数控技术，2010（15）.