Bài báo trình bày cách tiếp cận sử dụng công nghệ lập trình trên card đồ họa (GPU) để xử lý bài toán tính toán thông tin hiển thị trên màn hình ra-đa một cách hiệu quả, đáp ứng thời gian thực.
TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT Tập 7, Số 2, 2017 153–164 153 MƠ PHỎNG MÀN HÌNH RA-ĐA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỦ ẢNH TRONG GPU Nguyễn Trung Kiêna*, Trương Khánh Nghĩaa, Nguyễn Thị Lana a Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội, Việt Nam Lịch sử báo Nhận ngày 07 tháng 01 năm 2017 | Chỉnh sửa ngày 10 tháng 04 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 08 tháng 05 năm 2017 Tóm tắt Ra-đa thiết bị sử dụng rộng rãi tích hợp nhiều loại phương tiện, trang bị máy bay, tàu thuyền loại vũ khí, khí tài đại Vì thế, q trình xây dựng hệ thống mơ phục vụ huấn luyện sử dụng trang thiết bị, mô nội dung hiển thị hình ra-đa cần thiết Tuy nhiên, việc mơ hình ra-đa thường phức tạp, khối lượng tính tốn nhiều Chính vậy, báo trình bày cách thức tiếp cận hiệu quả, sử dụng cơng nghệ lập trình card đồ họa để mô nội dung, hiệu ứng trình hoạt động hình ra-đa Phần lớn tính tốn thực xử lý hiệu cao GPU card đồ họa, dành thời gian xử lý CPU cho tính tốn khác đảm bảo việc mơ hình ra-đa đáp ứng yêu cầu hiển thị thời gian thực sở để tích hợp với nội dung mơ khác hệ thống Từ khóa: Lập trình GPU; Mơ phỏng; Phủ ảnh; Ra-đa; Shader; Texture mapping ĐẶT VẤN ĐỀ Sự phát triển mạnh mẽ công nghệ điện tử, vi xử lý công nghệ thông tin giúp cho công nghệ mô ngày ứng dụng rộng rãi sống, đặc biệt huấn luyện, đào tạo giúp nâng cao hiệu quả, chất lượng đồng thời tiết kiệm chi phí Trên phương tiện máy bay, tàu biển… loại vũ khí, khí tài quân ra-đa hệ thống hỗ trợ quan sát từ xa hiệu Huấn luyện người học cách thức quan sát, nhận biết loại thông tin hiển thị hình ra-đa yêu cầu bắt buộc muốn thực hành sử dụng phương tiện Tuy nhiên, thực tế khơng thể sử dụng ra-đa thật để đào tạo khơng thể dễ dàng đưa phương tiện địa điểm huấn luyện: Di chuyển tàu thuyền, máy bay… Trong quân sự, sử dụng đài ra-đa * Tác giả liên hệ: Email: kiennt.simtech@mta.edu.vn 154 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [ĐẶC SAN CƠNG NGHỆ THƠNG TIN] khơng phức tạp, nguy hiểm mà cịn ảnh hưởng đến an ninh quốc gia đài phải thực chế độ tắt, mở theo quy định Không thế, huấn luyện thường ngày khơng có tình huống, mục tiêu để thực hành Chính nhu cầu cần có thiết bị mơ phục vụ huấn luyện sử dụng ra-đa cần thiết Blasband, Jorch, Sigda (1998) đưa phương pháp mơ ra-đa dựa tính tốn vật lý cách giải trực tiếp tốn tính toán mức độ phản xạ điện từ mục tiêu ra-đa Mahafza Elsherbeni (2004) sử dụng mô MATLAB để hỗ trợ đào tạo học viên hiểu q trình thiết kế hệ thống xử lý tín hiệu ra-đa Fabozzi, Holmberg, Duncan, Hancock, McKay (2010) đưa mơ hình tính tốn hiệu cao cho việc xây dựng ứng dụng mô ra-đa quân Mchale (2015) giới thiệu công cụ mô ra-đa phát triển hãng Presagis phục vụ cho việc nghiên cứu phát triển Nhìn chung, sản phẩm mô hãng lớn giới xây dựng công phu, sát thực tiễn tương ứng giá thành cao bí mật công nghệ Ở nước, số trường đại học trang bị hệ thống mô ra-đa nước Trường Đại học Hàng hải, Học viện Hải quân… Mô ra-đa ứng dụng nhiều qn Qn chủng Phịng khơng - Không quân, chủ yếu nước nghiên cứu phát triển (Cao, 2009; Học viện PKKQ, 2012) Tuy nhiên, hệ thống tập trung huấn luyện trình tự thao tác học viên mô mặt nguyên lý nội dung hiển thị ra-đa tính phức tạp việc tính tốn thơng tin hiển thị Trong phạm vi nghiên cứu, báo trình bày cách tiếp cận sử dụng cơng nghệ lập trình card đồ họa (GPU) để xử lý toán tính tốn thơng tin hiển thị hình ra-đa cách hiệu quả, đáp ứng thời gian thực MƠ PHỎNG NỘI DUNG MÀN HÌNH RA-ĐA 2.1 Xử lý đồ họa GPU Các card đồ họa hầu hết cho phép khả lập trình, cho phép người dùng can thiệp vào số bước q trình xử lý thơng tin card đồ họa Các chương trình xử lý gọi chung shader, chương Nguyễn Trung Kiên, Trương Khánh Nghĩa Nguyễn Thị Lan 155 trình tính tốn biến đổi tọa độ đỉnh (vertex shader) chương trình xử lý phân mảnh (fragment shader – Một chương trình tính tốn màu cho điểm thuộc đối tượng vẽ) Phủ ảnh (texture mapping) (Catmull, 1974) phương pháp ánh xạ thông tin ảnh lên bề mặt đối tượng hình học ba chiều Hình mơ tả phương pháp phủ ảnh, đó, hiển thị đối tượng ba chiều (Hình 1a), điểm P bề mặt đối tượng sau phân mảnh hóa xác định điểm Q tương ứng ảnh phủ (Hình 1b) màu sắc Q gán cho điểm P (Hình 1c) hiển thị hình Q P P Hình Phủ ảnh GPU Ghi chú: (a) Bề mặt ba chiều đối tượng; (b) Ảnh phủ đối tượng; (c) Đối tượng hiển thị không gian 3D Nguồn: Matusik Durand (2012) Mục báo trình bày cách thức sử dụng phương pháp phủ ảnh kết hợp với xử lý GPU để mô nội dung cần hiển thị hình ra-đa 2.2 Nội dung hiển thị hình Giả sử thực tế, ra-đa gắn phương tiện vị trí O đối tượng M nằm phạm vi quét ra-đa, minh họa Hình 2a Khi đó, thơng tin đối tượng M hiển thị hình ra-đa khơng phải hình dáng vật lý M mà vùng thông tin đặc tả cho phản xạ lượng điện từ bề mặt M đến ra-đa Vùng thông tin minh họa vùng R Hình 2b TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [ĐẶC SAN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN] 156 (a) (b) Hình Ra-đa với đối tượng thực tế q trình hiển thị thơng tin ra-đa Các thơng tin quan sát hình ra-đa bao gồm nhiễu địa vật, mục tiêu (máy bay, tàu thuyền…), loại nhiễu tạp môi trường xung quanh tạo Ngồi hình cịn thể điểm dấu cự ly, phương vị vị trí thời tia qt Ta sử dụng đa giác để đặc tả vùng thông tin quét R ra-đa đối tượng M Dữ liệu đa giác liệu đặc tả hình quạt chuyển vào GPU để tính tốn vùng thông tin đối tượng M cần cập nhật vị trí thời tia quét 2.3 Phạm vi cập nhật thông tin Giả sử tần số quét ra-đa f, vận tốc góc tia quét ϖ = 2πf Chương trình máy tính gọi lặp lặp lại để mơ q trình hiển thị thơng tin ra-đa Gọi thời gian xử lý hai lần gọi hàm hiển thị thơng tin ∆t Khi phạm vi cập nhật thơng tin hình quạt TOS có góc ∆β = ϖ∆t, minh họa Hình 2b Giả sử phần vùng thông tin hiển thị R đối tượng M nằm phạm vi cập nhật ra-đa Khi ta cần giải tốn tìm vùng giao cắt Ω=TOS ∩ R Thông thường, ta mô tả vùng R dạng hình đa giác thuật tốn giải tốn giao cắt phức tạp Một phương pháp thường dùng xấp xỉ tập hợp điểm ngẫu nhiên nằm phạm vi R Bài toán trở nên đơn giản việc quy kiểm tra điểm có nằm phạm vi hình quạt hay khơng Với lực tính tốn ngày cao chíp vi xử lý, đặc biệt chíp vi xử lý khả lập trình GPU, cho phép đưa cách giải toán hiệu Nguyễn Trung Kiên, Trương Khánh Nghĩa Nguyễn Thị Lan XÂY DỰNG THUẬT TỐN 3.1 Hiển thị thơng tin đối tượng 157 Sử dụng thông tin đa giác để đặc tả cho vùng thông tin quét đối tượng cho phép hiển thị thông tin đối tượng tương ứng với vị trí tia quét Tuy nhiên, tồn vùng thơng tin hiển thị đối tượng thể màu định nghĩa trước Trong thực tế tín hiệu vùng hiển thị thơng tin khơng đồng đặc tính phản xạ lượng điện từ bề mặt đối tượng khơng Thay số hóa vùng thơng tin đối tượng đa giác ta xấp xỉ vùng hình chữ nhật sử dụng liệu vùng thông tin làm ảnh phủ cho hình chữ nhật Sau xác định điểm P thuộc đối tượng nằm phạm vi hình quạt từ điểm P xác định điểm tương ứng Q ảnh phủ Màu điểm Q ảnh phủ gán cho P để hiển thị lên hình Ngun tắc xử lý thơng tin đối tượng sử dụng ảnh phủ minh họa Hình Hình Ngun tắc xử lý thơng tin đối tượng sử dụng ảnh phủ Ghi chú: (a) Ánh xạ thơng tin hình bao đối tượng hình; (b) Ảnh phủ vùng thơng tin đối tượng; (c) Kết hiển thị hình Các thuật tốn xử lý hồn tồn CPU thường sử dụng hai phương pháp mô tả phạm vi hiển thị đối tượng dùng tập điểm ngẫu nhiên (Học viện PKKQ, 2012) dùng đa giác (Cao, 2009) Sử dụng tập điểm ngẫu nhiên cho phép tính tốn thuộc tính (màu sắc, độ sáng…) điểm thuộc tập Tuy nhiên, số lượng điểm lớn đặc tả đối tượng sát khối lượng tính tốn nhiều khơng đáp ứng mơ ra-đa thời gian thực Nếu số lượng điểm việc hiển thị đối tượng lại bị rời rạc Sử dụng đặc tả đa giác sau giải tốn giao cắt, tồn TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [ĐẶC SAN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN] 158 phần đa giác nằm phạm vi hình quạt có thuộc tính, hình ảnh hiển thị đối tượng dạng cắt lớp, không sát thực tế Với phương pháp sử dụng ảnh phủ, ta đặc tả chi tiết thuộc tính đối tượng (lưu trữ dạng ảnh) trình xử lý GPU cho phép tính tốn thuộc tính điểm đối tượng kết hiển thị gần giống thực tế Hình mơ tả kết so sánh phương pháp (a) (b) (c) Hình So sánh cách thức xử lý số phương pháp hiển thị Ghi chú: (a) Tập điểm ngẫu nhiên; (b) Đa giác; (c) Ảnh phủ 3.2 Hiển thị liệu nhiễu Các liệu nhiễu địa vật, nhiễu tạp có tác dụng tồn hình ra-đa nên ta mơ tả lớp nhiễu dạng ảnh phủ, sử dụng hình chữ nhật tương ứng hình bao toàn vùng hiển thị ra-đa Ta áp dụng phương pháp sử dụng ảnh phủ, mơ tả Hình 3, để hiển thị liệu nhiễu nằm phạm vi hình quạt Thơng tin màu nhiễu tổng hợp thông tin mục tiêu hiển thị hình 3.3 Đối tượng chuyển động Khi đối tượng chuyển động thơng tin đối tượng liên tục thay đổi lúc với trình ra-đa hoạt động Tuy nhiên thông tin chưa thể lên hình ra-đa tia qt qua Chính ta phải giữ lại tồn thơng tin có hình (thơng tin tính tốn) cập nhật thơng tin vùng hình quạt thời tia quét Để đáp ứng yêu cầu ta sử dụng đệm đặc biệt GPU gọi stencil buffer (Rost ctg., 2009) Bộ đệm cho phép ta định việc có hiển thị thơng tin điểm ảnh lên hình hay khơng, minh họa Hình Nguyễn Trung Kiên, Trương Khánh Nghĩa Nguyễn Thị Lan 159 Hình Mơ tả đệm stencil buffer Nguồn: Rufinus ctg (2012) Ta cần phải thiết lập giá trị đệm stencil buffer trước hiển thị thông tin đối tượng Khởi đầu, đệm gán giá trị không cho phép cập nhật tồn hình Sau ta thực lệnh vẽ hình quạt TOS để xác định phạm vi cập nhật Chỉ có điểm nằm phạm vi hình quạt gán giá trị cho phép cập nhật hình Chính vậy, thực thuật tốn hiển thị thông tin đối tượng, thông tin nhiễu… sau có thơng tin tính tốn phạm vi hình quạt cập nhật hiển thị lên hình 3.4 Hiệu ứng mờ dần Đối với số loại ra-đa sử dụng hình hiển thị tương tự, hình có phủ lớp bột phát quang Sau xử lý, tùy theo mức độ tín hiệu phản xạ thu mạnh hay yếu mà chùm tia điện tử bắn vào điểm hình có cường độ mạnh yếu khác tạo nên độ sáng tương ứng Tuy nhiên, điểm sáng hình bị mờ dần hiệu ứng lưu quang Để mô hiệu ứng này, ta sử dụng hàm đặc trưng cho suy giảm cường độ sáng theo thời gian tia quét qua Gọi T thời gian lưu quang lớn điểm ảnh, t thời gian tính từ lúc điểm sáng có cường độ lớn (tia quét qua): t[0, T] Ta xây dựng hàm suy giảm tuyến tính cường t độ sáng phương trình f(t) = max( min(1, ), ) đó, giá trị đặc trưng cho T cường độ sáng lớn giá trị 𝜀 đặc trưng cho cường độ sáng yếu Để thị hiệu ứng mờ dần ta phải áp dụng hàm tính tốn suy giảm cường độ sáng cho tất điểm hình trước cập nhật liệu phạm vi tia qt Chính ta coi toàn liệu hiển thị hình ảnh phủ xử lý điểm TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [ĐẶC SAN CƠNG NGHỆ THƠNG TIN] 160 Giá trị màu điểm nhân tuyến tính với giá trị cường độ sáng tương ứng so với vị trí tia qt Kết thúc q trình ta thu kết nội dung hiển thị hình bị giảm cường độ sáng tương ứng với khoảng thời gian dịch chuyển tia qt 3.5 Thuật tốn Thuật tốn mơ trình hiển thị nội dung hình ra-đa mơ tả Hình Dữ liệu đầu vào gồm thông số đài ra-đa, thông tin mục tiêu, tập liệu ảnh phủ vùng thông tin hiển thị mục tiêu, tập liệu ảnh nhiễu địa vật, nhiễu tạp… Hình Thuật tốn mơ nội dung hiển thị hình ra-đa Do tượng lưu quang (nếu có) nên ta phải cập nhật cường độ ánh sáng cho toàn nội dung hiển thị hình Sau sử dụng stencil buffer để giới hạn phạm vi cập nhật thơng tin vùng hình quạt tia qt thời Sau Nguyễn Trung Kiên, Trương Khánh Nghĩa Nguyễn Thị Lan 161 hiển thị xong liệu tia qt cập nhật sang vị trí quy trình xử lý lặp lại Với thuật tốn truyền thống xử lý tính tốn CPU độ phức tạp thuật tốn phụ thuộc nhiều vào giải thuật giải tốn tìm giao cắt hình quạt đối tượng Với đối tượng ta cần xử lý điểm thuộc tập điểm mô tả đối tượng xử lý đỉnh thuộc đa giác mô tả đối tượng Độ phức tạp thuật tốn O(n2) Với thuật tốn đề xuất, toán đưa vào xử lý song song GPU, độ phức tạp thuật tốn cịn O(n) KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Các thử nghiệm tiến hành máy tính có cấu hình Intel Core i7-6500U CPU 2.50GHz, RAM 4GB, card hình NVIDIA Geforce 930M, độ phân giải 1360x768 Hình mơ tả kết mơ hình hiển thị ra-đa với thông tin nhiễu tạp, nhiễu địa vật, đối tượng mục tiêu có tích hợp hiệu ứng lưu quang Hình mơ tả kết mơ hình ra-đa phương pháp xấp xỉ tập điểm ứng dụng số sản phẩm Học viện PKKQ (2012) xây dựng Hình kết mô số chủng loại ra-đa khác Khi mơ loại ra-đa đó, liệu đầu vào tập đối tượng mục tiêu có chủng loại khác nhau, bố trí vị trí khác nhau, chuyển động theo vận tốc hướng ngẫu nhiên Thơng tin nhiễu tạp, nhiễu địa vật trích xuất ngẫu nhiên từ tập liệu có sẵn ứng với loại ra-đa Hình Mơ ra-đa sử dụng phương pháp phủ ảnh, có hiệu ứng lưu quang 162 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [ĐẶC SAN CƠNG NGHỆ THƠNG TIN] Hình Mơ ra-đa sử dụng tập điểm: Mục tiêu (trái); Nhiễu địa vật (phải) Hình Kết mơ số loại đài ra-đa khác KẾT LUẬN Trọng tâm cách tiếp cận trình bày báo sử dụng thơng tin, hình ảnh thực tế có hình hiển thị loại ra-đa thực tế Khi thiết kế hệ thống mô huấn luyện cho loại ra-đa ta sử dụng thông tin để mô lại hình hiển thị Với cách tiếp cận ta mơ tả thơng tin đối tượng đơn giản hiệu Sử dụng phương pháp phủ ảnh GPU ứng dụng mơ hình ra-đa giúp giảm bớt tính tốn phức tạp liên quan đến xử lý tín hiệu ra-đa mà đảm bảo tính sát thực tế hệ thống mơ phỏng, thời gian tính tốn Trên sở nghiên cứu đạt được, nhóm tác giả áp dụng vào mô số hoạt động đài ra-đa P-18, P37, Kasta2E, 36D6… Sản phẩm ứng dụng vào hệ thống mô xử lý thông tin ra-đa cảnh giới phục vụ cho huấn luyện đào tạo số nhà trường, đơn vị quân đội Hiện nay, nhóm nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu, tích hợp tốn mơ ra-đa vào hệ thống mô huấn luyện khác huấn luyện chiến thuật không quân, mô bắn tàu hải quân… Nguyễn Trung Kiên, Trương Khánh Nghĩa Nguyễn Thị Lan 163 TÀI LIỆU THAM KHẢO Blasband, C., Jorch, W., & Sigda, M (1998) Physics-based radar simulation Military Aerospace Electronics, 9(11), 250-262 Cao, H T (2009) Xây dựng sở liệu hỗ trợ thiết kế hệ thống mô bán tự nhiên Hà Nội, Việt Nam: Học viện Kỹ thuật Quân Catmull, E E (1974) A subdivision algorithm for computer display of curved surfaces (Doctoral Thesis), The University of Utah Retrieved from https://static1 1.sqspcdn.com/static/f/552576/6419248/1270507173137/catmull_thesis.pdf Fabozzi, D J., Holmberg, C M., Duncan, B., Hancock, R., & McKay, J (2010) Highperformance computing interfaces for high-fidelity radar modeling Paper presented at the 2010 DoD High Performance Computing Modernization Program Users Group Conference, USA Học viện PKKQ (2012) Tổng hợp số hệ thống mơ huấn luyện kíp trắc thủ đài ra-đa P-18, Kasta-2E, 36D6 Retrieved from http://hocvienpkkq.com Mahafza, B R., & Elsherbeni, A Z (2004) MATLAB Simulations for radar systems design Florida, USA: Chapman & Hall/CRC Press Matusik, W., & Durand, F (2012) Texture mapping & sharers [PowerPoint slides] Retrieved from https:// ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computerscience/6-837-computer-graphicsfall/2012/lecturenotes/MIT6_837F12_Lec16.pdf Mchale, J (2015) Radar simulation tool for training and R&D announced by Presagis Retrieved from http://mil-embedded.com/news/radar-simulation-tool-for-trainingand-rd-announced-by-presagis/ Rufinus, T., Engeström, E., Andrade, E S., & Hamilton, A (2012) Depth and stencils Retrieved from https://open.gl/depthstencils Rost, R J., Licea-Kane, B., Ginsburg, D., Kessenich, J M., Lichtenbelt, B., Malan, H., & Weiblen, M (2009) OpenGL Shading Language (3rd ed.) Boston, USA: Addison-Wesley TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [ĐẶC SAN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN] 164 RADAR SIMULATION USING GPU-BASED TEXTURE MAPPING Nguyen Trung Kiena*, Truong Khanh Nghiaa, Nguyen Thi Lana * a The Military Technical Academy, Hanoi, Vietnam Corresponding author: Email: kiennt.simtech@mta.edu.vn Article history Received: January 07th, 2017 | Received in revised form: April 10th, 2017 Accepted: May 08th, 2017 Abstract Radar is widely used and integrated in many different kinds of weapons and equipment During the design and development of a radar-based training system, the simulated operation of radar screen is really important However, this work is complicated with heavy computation Thus, this paper proposed a GPU-based method to simulate the contents and effects of a working radar screen Most of the computation is performed in GPU so that the radar simulation can be run in real time and it can be integrated in a larger simulation system Keywords: GPU programming; Radar; Shader; Simulation; Texture mapping ... dụng phương pháp phủ ảnh kết hợp với xử lý GPU để mô nội dung cần hiển thị hình ra- đa 2.2 Nội dung hiển thị hình Giả sử thực tế, ra- đa gắn phương tiện vị trí O đối tượng M nằm phạm vi qt ra- đa, ... liệu có sẵn ứng với loại ra- đa Hình Mơ ra- đa sử dụng phương pháp phủ ảnh, có hiệu ứng lưu quang 162 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [ĐẶC SAN CƠNG NGHỆ THƠNG TIN] Hình Mơ ra- đa sử dụng tập điểm: Mục... luyện cho loại ra- đa ta sử dụng thông tin để mô lại hình hiển thị Với cách tiếp cận ta mơ tả thơng tin đối tượng đơn giản hiệu Sử dụng phương pháp phủ ảnh GPU ứng dụng mơ hình ra- đa giúp giảm bớt