数据融合可视化在线评估系统的设计与实现

【摘 要】针对数据融合的调试、测试和分析，构建一种可视化在线评估系统，可对数据融合性能在线评估并绘制曲线图。本文阐述了系统的组成框架、连接关系和运行流程，分析了实现该系统的关键技术。基于MapX组件，采用GDI+绘图技术，用C#语言开发实现了一个功能丰富、扩展性强的图形化系统。实际应用表明该系统切实可用，为融合评估提供了高效的可视化工具。

【关键词】数据融合；性能评估；可视化

0 引言

20世纪70年代初，数据融合概念首次在军事领域提出，其含义是利用多个传感器的测量数据，通过多级别、多层面的滤波、关联、相关、估计和组合等算法处理，最终获得目标状态和特征估计，得到比单一传感器更加准确和有用的信息[1-2]。数据融合的数学本质是多元变量的估计与决策，有时甚至是联合优化估计与决策[1]。数据融合系统算法复杂、参数繁多，在实际应用中必须对其进行反复、全面测试，才能充分验证其正确性和适用性。

针对多传感器数据融合来说，随着目标和信源数量的增加，其复杂度会急剧上升，仅靠人脑的思考和想象，已经很难满足数据融合算法问题查找和分析的需要 [3]。相关科研人员都意识到融合评估的重要性和必要性，评估系统的研究也成为了热点。基于此目的，借助计算机可视化技术，本文设计并实现了一种数据融合在线评估系统，为融合算法的调试、测试和分析提供了有效途径。

1 可视化在线评估系统的需求

对数据融合的评估贯穿于融合系统的各个环节，是融合算法设计、优化和性能比较的重要手段。现有的数据融合评估系统，大部分是在一次测试结束后，读取采集到的量测数据和融合输出，配合相应的真值数据进行评估，即所谓的事后评估。事后评估以一次完整的测试为单位，在全局意义下计算融合系统的各种性能指标。这样做虽然评估全面，但计算量大，耗时长，某些性能指标局部变差的问题也可能被掩盖。此外，事后评估的输出方式通常是以数据表格的形式，虽一目了然，但无法得到融合中间结果和指标曲线图，缺失了细节，直观性较差，用于指导调试困难。

基于上述问题，设计一种数据融合可视化在线评估系统，既具备战场态势和环境状态的监视功能，也可在线对融合系统采取分段式评估，把融合测试过程和结果以可视化方式呈现，帮助科研人员快速分析出融合处理过程中存在的问题，从而克服融合系统设计的盲目性，提高融合系统的有效性和可靠性。该评估系统应具备以下主要功能：

1）平台和传感器仿真数据可视化；

2）数据融合结果可视化，包括二维图形显示与列表显示；

3）真值数据在线或离线采集、处理及可视化；

4）对二维战场态势图进行操作控制，具备如放大、缩小、漫游等功能；

5）对平台、传感器、真值和数据融合结果绘图，并可分类显示控制；

6）数据融合相对或绝对性能的分段在线评估及评估结果可视化；

7）传感器相对或绝对精度性能的分段在线评估及评估结果可视化。

2 可视化在线评估系统分析与设计

2.1 系统分析

可视化在线评估系统应遵循模块化、可扩展、易维护和界面友好等设计原则[4]，具有开放式的系统结构，由数据驱动的图形化显示方式，即插即用，支持多个数据融合系统并行在线评估。

就技术角度而言，战场态势可视化系统可以看作是在地理信息系统（GIS）在军事上的特定应用和功能扩展[5]。目前，在GIS的多种开发模式中，组件式GIS是使用广泛、高效的开发模式[6]。MapX 是MapInfo公司提供的基于ActiveX技术的可编程GIS组件，支持绝大多数主流集成开发环境和程序设计语言进行二次开发，便于用户在自己的应用中集成地图功能。MapX采取分层存放的结构，用户可以通过图形分层技术，根据自己的需求或一定的标准对各种空间实体进行分层处理，叠加组合呈现[7]。生成战场态势图时，系统通过MapX坐标转换函数得到所绘图形的屏幕坐标，在地图中自主添加动画图层，采用GDI+技术，调用相应的画图函数，在屏幕上描绘出轨迹曲线。在线评估时，系统得到用户在战场态势图中选择的待评估段数据，经过筛选、插值和配准，得到测量数据和真值数据的差值，以时间为横轴，差值为纵轴，使用GDI+函数绘制评估曲线并计算性能指标。最后，系统可将评估得到的数据融合性能指标反送给数据融合系统，指导融合系统进行参数调整。

可视化在线评估系统接入仿真系统的关系如图1所示：

图 1 系统交联关系图

2.2系统设计

首先，可视化在线评估系统通过监听、解析网络报文，得到战场环境中各作战元素的测量数据、真值数据和融合输出数据，其中真值数据也可通过读取外部文件方式导入。其次，该系统采用地理信息系统显示方式，生成战场态势图，使用户可以直观的了解、分析和判断融合系统运行情况。接着，用户可根据显示出的测量数据和融合结果的轨迹，在战场态势图上直接选择一段轨迹进行在线评估，且评估不会影响系统继续更新战场态势。如果被选中融合轨迹有相对应的真值数据，则可进行绝对评估，评估结果通过绘制曲线图和生成表格显示。如果没有相应的真值，则可将相对应的用户指定的某传感器测量值作为基准，进行相对评估。同理，也可进行传感器测量值的绝对或相对评估。最后，该系统根据数据融合性能在线评估的结果，形成某些融合算法参数的修正值，通过网络即时反馈给数据融合系统，融合系统更新参数，其效果可立刻在战场态势图中呈现，极大的方便了数据融合的测试和调试。要说明的是出于对评估结果的实时性考虑，对数据融合系统性能在线评估的指标暂定为正确航迹率、融合偏差和随机误差，而对传感器的性能评估暂定为传感器测量偏差和随机误差。并且，这里指的“实时”是稍有滞后的准实时。

图 2 系统信息流图

2.3系统组成

根据需求和功能，可视化在线评估系统可划分为6个子系统17个模块，其组成如图3所示：

图 3 系统组成图

界面显示子系统主要是指用户操作界面，用于各类数据的表示和人机交互；

数据采集子系统主要功能是监听网络报文，异步接收、发送网络数据，并把不同接口的数据转换成统一格式，用于提供统一格式的原始数据；

数据解析子系统主要是根据报文协议将源数据报解析，并新建或更新相应的类或字段，用于处理和转储平台定位数据、目标点迹数据和融合航迹数据等；

在线评估子系统将用户选择的待评估数据段进行时空配准后，按照评估指标体系计算和统计相应指标，主要用于对融合航迹输出、传感器点迹输出进行在线实时评估；

公共计算子系统主要是系统中多次反复用到的几种通用算法或方法，主要有坐标系转换函数、结构体转换函数和数据封送方法等；

真值处理子系统主要是在可提供真值的情况下，导入各种格式的真值文件并解析、筛选数据，主要用于数据融合在线实时评估。

3 可视化在线评估系统的关键技术

3.1 基于MapX的态势显示

MapX通过OCX控件技术可方便地加入到工程中，因此可利用其复杂的空间数据结构和强大的图层操作能力来实现地图控制功能，包括缩放、漫游、地图图层创建及删除、目标点地理信息获取、目标距离、角度计算等功能[8]。在C#开发环境中引用MapXLib.dll库文件，设计一个窗体类，其中包含AxMapXLib.AxMap类。在需要显示GIS地图时，只需实例化这个窗体类即可。要显示战场态势图，需要得到的各元素的地理坐标，然后传给MapX实例中的坐标转换函数（ConvertCoord），即可得到元素的屏幕坐标。在地图上绘制轨迹可以采用MapX提供的添加图元（feature）对象的方法，但由于系统数据量大，更新频率高，添加图元占用内存大，动态性差，速度缓慢。因此不使用图元显示的方式，而是由系统自定义添加动画图层（AnimationLayer），采用效率更高的GDI+技术绘制轨迹曲线。

为了具有更好的可复用性，系统中间计算过程统一采用地心直角坐标系下数据计算。由于MapX显示需要大地坐标系参数，而传感器数据需要测量极坐标系，因此需要实现坐标系间的相互转换。地心直角坐标系与大地坐标系的转换关系如下：

x■y■z■■=（N+H）cosλcosL（N+H）cosλsinL（N（1-e■）+Hsinλ 其中，N=R/■e=■（1）

式中，N为椭球卯酉圈曲率半径，e为第一偏心率，R为椭球长半径，r为椭球短半径。

地心直角坐标系到传感器测量坐标系的变换需要借助传感器直角坐标系和传感器的东北天坐标系作为过渡进行变换。首先，需要将传感器目标坐标变换到平台的东北天坐标系下；然后，再变换到传感器的直角坐标系下；最后，由传感器直角坐标系变换到测量坐标系下。将目标的量测信息由传感器测量坐标系变换到地心直角坐标系的过程与上面的方法相反。

变换过程如下所示，其中B，L分别为目标在地心坐标系下与Xe和Ye的夹角。

x■y■z■■=x■y■z■+sinL -sinBcosL cosBcosLcosL -sinBsinL cosBsinL 0 cosB sinBx■y■z■■（2）

3.2 基于GDI+的动态曲线绘图

可视化在线评估系统图形化界面复杂，不仅需要实时绘制战场态势图，还生成评估曲线图，且各种图形均支持缩放、平移等功能。因图形绘制消耗资源相当大，要带来快速的响应和良好的用户体验，需要高效率的绘图方法。使用GDI+绘制图形不需要得到设备上下文（DC），可以方便创建图形对象（Graphics）的实例。在界面中图形元素较多，刷新频率较快的情况下，通常会出现响应缓慢，图形闪烁的现象。因为在窗口刷新一次的过程中，窗口中所有的图元都会重绘，而其刷新时间又是有差别的，所以导致了窗口闪烁现象。采用位图转换和双缓存技术，让所有图元同时显示到窗口，可以有效的抑制闪烁问题。首先在内存创建显示区域大小的位图，然后所有绘图操作都在内存中位图上实现，所有绘制操作完成后，内存缓冲直接复制位图到显示区域。该方法保障了一次刷新，在屏幕上只执行一个绘图操作，消除了绘制复杂图形时间不一致造成的闪烁。

4 可视化在线评估系统的实现

4.1 系统的实现

图4 部分类间关系图

可视化在线评估系统采用面向对象思想，使用C#语言在Visual Studio 2010环境下开发，运行在WindowsXP - SP3操作系统下。该系统实现了即插即用，自适应网络配置，可自动监听网络IP数据包，并按照协议解析TCP和UDP报文，形成输入。系统采用数据驱动的方式，根据输入数据调用系统中的平台管理类（PlatManager）、传感器管理类（SensorManager）和融合管理类（FusionManager），并由以上管理类动态实例化相应的平台类（Plat）、传感器类（Sensor）和融合航迹类（FusionTrack），无需事先配置平台数量和平台所搭载传感器的数量，在测试任何环节接入网络即可运行。MapX类的实例订阅平台类、传感器类和融合航迹类中的轨迹信息，一旦检测到新的数据输入，可实时更新战场态势图。用户选择需要评估的融合轨迹，由MapX触发事件，将选中数据筛选并配准，推送到曲线绘图界面，由曲线绘图窗体直接生成相应的曲线图。图4UML图给出了部分类间的关系。

4.2 系统的示例

运行一个仿真系统的实例，对两种不同的数据融合系统进行测试，接入可视化在线评估系统，可在主界面当中实时、动态显示战场态势、融合轨迹和真值轨迹，并使用不同颜色和标记区分。同时，在列表中实时显示融合结果数据，包括目标批号，目标地心坐标值、地理坐标值、极坐标值、速度、加速度、更新时间和更新次数等，还可监视网络状态信息和各类报文信息，显示于底部状态框。系统界面如图5所示：

由用户在战场态势图中自主选择一段重点关注区域，系统会抓取该区域中所有轨迹数据，自动进行分类、筛选和配准，然后在线做相对或绝对评估，并描绘出评估曲线。对一段数据的绝对评估曲线图如图6所示。

通过运行实例表明：该可视化在线评估系统符合实际需要，满足设计要求，可视化元素丰富，在线评估快捷，为数据融合调试、测试提供了一种动态、直观的实用工具。

5 结束语

本文阐述了基于MapX组件，采用GDI+绘图技术，用C#语言开发的数据融合在线评估系统的设计与实现方法。通过战场态势可视化和融合性能评估图形化，为用户分析和判断融合系统的运行情况提供了极大的便利，可即时验证融合算法的正确性和适用性，有效进行融合融合算法参数寻优。今后，可考虑在当前系统中加入一个小型数据库，用来对所有数据存储与控制。另外，可将二维战场态势图扩展为三维态势图，以期实现一个更完整、功能更强大的可视化在线评估系统。

【参考文献】

[1]潘泉，王增福，梁彦，等.信息融合理论的基本方法与进展[J].控制理论与应用，2012，29（10）：1333-1244.

[2]丁峰，姜秋喜，张楠.多传感器数据融合发展评述及展望[J].舰船电子对抗，2007，30（3）：52-55.

[3]邹伟，刘兵，孙倩.多源信息融合能力评估关键技术综述[J].计算机与数字工程，2010，38（3）：1-5.

[4]韩崇昭，朱洪艳，段战胜.多源信息融合[M].2版.北京：清华大学出版社，2010.

[5]席靓，乔海明，李娟，等.MapX在战场态势可视化中的应用[J].测控自动化，2011，27（1）：34-35.

[6]田全才.组件式GIS技术在军事仿真系统中的应用[J].兵工自动化，2010，29（9）：24.

[7]张文广，薛磊，蔡晓霞，等.MapX在开发通信对抗信号环境仿真软件中的应用[J].微机发展，2005，15（6）：149-151.

[8]赵泉，钱志亚.基于MapX实现雷达信号模拟器中态势图显示功能[J].舰船电子对抗，2010，33（4）：94-96.

[责任编辑：杨扬]

推荐访问:在线 可视化 融合 评估 数据