合成孔徑雷達(SAR)是一種全天時、全天候的主動式微波遙感手段，它以飛機或衛(wèi)星為載體對地進行觀測。與光學成像不同，把SAR回波數(shù)據轉換為SAR圖像需要一系列復雜的信號處理步驟，通常只能采取記錄回波數(shù)據、事后處理得到圖像的方法。近年來隨著數(shù)字技術的迅速發(fā)展，以及嵌入式DSP芯片速度的不斷提高，機上實時成像處理技術已成為現(xiàn)實。
　　SAR實時成像處理器可以在載機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飛行速度，同步地輸出到顯示設備上。
　　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)的機載SAR實時成像處理器上，獲得了良好的應用效果。
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載SAR實時成像處理器上，硬件環(huán)境如圖1所示。

　　機上雷達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過放大、下變頻和正交解調后，生成視頻回波信號(分為I/Q兩路)，進入機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A/D轉換為數(shù)字信號，再經成像處理(包括方位預濾波、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" title="圖像數(shù)據">圖像數(shù)據，其具體參數(shù)如表1所示。圖像數(shù)據通過PCI接口卡(總線寬度為32位)傳入主控計算機。在主控計算機中，SAR圖像數(shù)據經本軟件處理后，通過顯示器完成雷達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。

　　根據上述技術參數(shù)，本軟件設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)雷達數(shù)據在成像時，圖像數(shù)據持續(xù)顯示速度應符合大于6.25Mbps(762.5×4096×2)的標準，否則，會造成數(shù)據的擁塞，導致顯示的圖像出錯。
　　(3)雷達成像時讀入16bit" title="16bit">16bit無符號數(shù)據，而顯示字長為8bit，所以，要從16bit數(shù)據中選取連續(xù)的8bit用來成像，而且選取的位置必須可調，即可以動態(tài)改變圖像的亮度。
　　(4)雷達圖像每行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圖像(如圖3所示)。
　　(5)每行圖像數(shù)據中都附加了輔助數(shù)據，它包含了雷達圖像的信息，輸出顯示可把其疊加到圖像上。

　　過去在顯示合成孔徑雷達(SAR)圖像時，一般采用圖形設備接口GDI。利用GDI顯示雷達滾動圖像，優(yōu)點是使用方法簡單，只需較少的代碼便能實現(xiàn)，但Windows的設備無關性原則使得應用程序" title="應用程序">應用程序不能直接訪問設備硬件，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存操作，支持硬件位塊傳輸、硬件覆蓋、表面翻轉，并且保持同目前的基于Windows的應用程序和驅動程序兼容。作為一種軟件接口，使用DirectDraw可以很容易地操作顯示內存，充分利用不同類型顯示設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技術能更好地支持雷達圖像的實時滾動顯示功能。
2 DirectDraw工作原理
2.1 DirectDraw的層次結構
　　DirectDraw通過一個設備相關的抽象層直接訪問硬件設備。一般地，DirectDraw通過硬件抽象層(HAL)，提供設備無關操作。HAL是由設備生產商提供的特定設備接口，DirectDraw直接對顯示硬件進行操作，為應用程序顯示圖形提供一組統(tǒng)一的接口和方法。HAL可以是顯示設備驅動程序的一部分，或是獨立的DLL，通過驅動程序編寫者定義的一個私有接口與顯示驅動程序進行通信。
　　當硬件抽象層不支持某種特性時，DirectDraw會嘗試進行軟件仿真，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，具有設備無關的靈活性，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。應用程序通過API直接訪問顯存，大大提高了顯示速度，進而產生快速、平穩(wěn)的圖形。

2.2 DirectDraw的工作機制
　　在使用DirectDraw技術顯示圖像時,一般要創(chuàng)建若干個圖形數(shù)據緩沖區(qū)(以下稱為“表面”)，并把這些圖形數(shù)據裝入其中，再進行轉換、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。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)。當翻頁后,將原后備緩沖區(qū)頁中的內容拷貝到可見主表面頁,而同時將原可見主表面頁的內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，只有當施行翻頁操作后，兩頁的內容互換，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在雷達圖像實時顯示中的應用
3.1 軟件設計
　　在本軟件中，選用Win32應用程序開發(fā)環(huán)境來開發(fā)基于DirectDraw的雷達圖像實時顯示程序。之所以選用Win32而不用MFC，主要因為MFC集成了大量的數(shù)據和方法，在編制基于圖形顯示和多媒體的應用程序時會帶來極大的麻煩。首先是無法觸及系統(tǒng)的內核，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。除主線程外，另創(chuàng)建兩個線程，一個用來從外部設備中獲得實時數(shù)據，將其放到內存中(寫線程)；另一個用來將內存中的數(shù)據利用DirectDraw技術進行滾動顯示(讀線程)。
　　具體地，在內存中設置一個大小適宜的緩沖區(qū)，當有外部數(shù)據傳來，且緩沖區(qū)不滿時，寫線程接收外部數(shù)據，依次填充到緩沖區(qū)內，否則寫線程等待；當緩沖區(qū)中有未顯示的數(shù)據時，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”現(xiàn)象，在讀寫線程之間加入同步事件機制，通過事件來對二者進行協(xié)調。

　　圖6給出了本軟件的主要流程，初始化主窗口后，首先對PCI卡進行初始配置，以通過它來進一步獲得雷達圖像的實時數(shù)據，然后分別創(chuàng)建寫線程和讀線程，來協(xié)助實時數(shù)據的顯示；進入消息循環(huán)后，根據從PCI卡處獲得的數(shù)據消息，激活讀、寫線程，將實時數(shù)據處理之后通過DirectDraw滾動顯示，當顯示完畢時，關閉讀寫線程，退出軟件。
3.1.2 圖像顯示設計
　　在進入消息循環(huán)后，讀寫線程就會將外部的實時圖像數(shù)據依次送到前端顯示。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)據賦值給離屏頁面；然后從離屏頁面中復制1024×768的塊到后臺緩沖頁面中，最后，調用換頁函數(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，調用更新頁面函數(shù)，實現(xiàn)頁面的動態(tài)刷新。
　　此外，根據雷達圖像的要求，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)據中不同位置的連續(xù)8bit數(shù)據，并在讀取8bit數(shù)據時，做飽和處理，即如果所選擇的8bit數(shù)據的高位有任意一位為1，則此8bit數(shù)據定為255。
3.2 軟件運行的實際效果
　　經測試，此軟件已達到設計要求，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，實現(xiàn)圖像亮度的控制；
　　(7)為了方便使用者更準確地知道每個點的具體位置，可以選擇在圖像上打上網格。