基于CUDA技术模拟雷达余辉的方法

摘  要： 分析了目前基于光栅显示器模拟雷达余辉的方法。针对实现逼真余辉效果存在的主要瓶颈，通过采用CUDA技术可以解决模拟余辉时庞大的计算量的问题。主要采用CPU+GPU的编程模式模拟余辉，在GPU中为每一个像素点创建一个并行执行的线程来完成整个屏幕像素的数据处理，使得余辉效果逼真、画面流畅、扫描速度大幅提高。
关键词： CUDA；CPU+GPU；雷达余辉；光栅扫描
   　在建立雷达虚拟操作系统或维修训练系统时，显示器的仿真效果直接影响模拟器的训练效果。目前制约余辉实现的主要瓶颈是余辉效果带来的庞大的计算量，使得效果较好的余辉扫描线转速难以超过10转/s，如果要提高转速，则需要以牺牲显示画质为代价。基于光栅扫描余辉模拟的主流方法有画线法、固定扇扫法、逐点消隐法，由于前两者图像易出现辐射状花纹及扫描速率不稳定，因此后者的应用较多，效果也明显强于前者[1]。本文在逐点消隐法的基础上应用CUDA技术，解决了运算量巨大的问题，在光栅显示器上得到了余辉效果逼真、画面流畅的余辉图形。
1 余辉仿真的瓶颈
     传统的雷达P显采用示波管作为显示终端，其内部荧光材料具有指数型衰减的余辉效应，电子束扫描线圆周扫过屏幕将留下逐渐消隐的余辉[2]。但光栅显示器无法自动产生荧光粉的余辉效应，因此必须人为地模拟余辉效应。
     软模拟通常采用光栅显示器，用计算机编程实现。光栅扫描显示器具有高亮度、高稳定度、大容量显示的图文处理能力、丰富的色彩及多灰度等级的优点。一般采用以下三种方法实现[3-4]。
     （1）画线法较容易实现，原理是在屏幕上以画直线的方式画出每一角度的扫描线，形成每次画一个扇面的灰度递减的直线簇。但是当程序运行时，扫描线轨迹不断地在屏幕上转动，该方法不能无缝地覆盖整个扇扫区域，从而产生一个辐射状的固定花纹。
     （2）固定扇扫法是在画线法基础上改进的一种仿真方法，控制扇形区域的圆心角，依次使不同扇形区域亮度减少。它虽然消除了辐射状花纹，但在没有目标到有目标信号时，由于数据量的增加会造成扫描线的转速不同。
     （3）逐点消隐法，主要原理是将每个方位像素的亮度逐次递减，即每个点都必须被修改，这样整个屏幕画面亮度逐渐衰减。其产生的余辉效果比较逼真，扫描线转速也较稳定。
     模拟逼真的余辉效果，一般采用逐点消隐法，十分逼真的余辉仿真需要非常高的数据吞吐率，要求在每一显示帧的时间内(一般为60 Hz的倒数约16 ms)对屏幕中所有像素进行一次衰减运算。以公认的高效算法，即查表法为例：对于一个像素点而言，最少需要1次读和2次写操作，分辨率为1 024×1 024的屏幕中会有1 024×1 024个像素点参与雷达回波的显示，数量约为1 M。即在16 ms的时间内需要进行1 M次读操作和2 M次写操作，分给每个像素点的时间为16 ns。由于Windows属于通用型操作系统，硬件操作过程极其复杂，无论如何也无法在16 ns内完成1次读和2次写操作。需要说明的是，现有的用PC实现的余辉仿真算法都是以牺牲画质为前提条件的，例如有的算法降低角度分辨率，有的算法只运算部分像素。