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，它以飛機或衛星為載體對地進行觀測。與光學成像不同，把SAR回波數據轉換為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據、事后處理得到圖像的方法。近年來隨著數字技術的迅速發展，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，硬件環境如圖1所示。

　　機上雷達通過天線對地面測繪區域發射信號，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)生成實時連續的SAR圖像數據" title="圖像數據">圖像數據，其具體參數如表1所示。圖像數據通過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，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)雷達數據在成像時，圖像數據持續顯示速度應符合大于6.25Mbps(762.5×4096×2)的標準，否則，會造成數據的擁塞，導致顯示的圖像出錯。
　　(3)雷達成像時讀入16bit" title="16bit">16bit無符號數據，而顯示字長為8bit，所以，要從16bit數據中選取連續的8bit用來成像，而且選取的位置必須可調，即可以動態改變圖像的亮度。
　　(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，必須動態地分區域顯示。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)每行圖像數據中都附加了輔助數據，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，優點是使用方法簡單，只需較少的代碼便能實現，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,一般要創建若干個圖形數據緩沖區(以下稱為“表面”)，并把這些圖形數據裝入其中，再進行轉換、拉伸、拷貝等操作，并且還可以顯示這些緩沖區中的圖形數據。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。當翻頁后,將原后備緩沖區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，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應用程序開發環境來開發基于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，另創建兩個線程，一個用來從外部設備中獲得實時數據，將其放到內存中(寫線程)；另一個用來將內存中的數據利用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，當有外部數據傳來，且緩沖區不滿時，寫線程接收外部數據，依次填充到緩沖區內，否則寫線程等待；當緩沖區中有未顯示的數據時，讀線程將其取出送去前端顯示，否則讀線程等待。為了避免發生“死鎖”、“不一致讀”或者“臟數據”現象，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據，然后分別創建寫線程和讀線程，來協助實時數據的顯示；進入消息循環后，根據從PCI卡處獲得的數據消息，激活讀、寫線程，將實時數據處理之后通過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
　　在進入消息循環后，讀寫線程就會將外部的實時圖像數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的。創建一個主頁面、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，實現主頁面和后臺緩沖頁面的交換，即實現主頁面的刷新。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，實現頁面的動態刷新。
　　此外，根據雷達圖像的要求，為了使顯示范圍和區域可以動態改變，筆者把顯示模式分為全屏顯示和區域顯示兩種。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。在區域顯示模式下，將方位向分成4個區域，每個區域大小為1024，顯示時，只顯示其中一個區域，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改變，選擇16bit數據中不同位置的連續8bit數據，并在讀取8bit數據時，做飽和處理，即如果所選擇的8bit數據的高位有任意一位為1，則此8bit數據定為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；
　　(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的功能；
　　(3)實現了圖像滾動速度可以調節的功能；
　　(4)支持兩種顯示模式，即全屏顯示模式和區域顯示模式；
　　(5)在區域顯示時，可以選擇4個不同區域，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數據，實現圖像亮度的控制；
　　(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。